Los microporos de material compuesto de placa de circuito de procesamiento por láser
Cuando el material compuesto de la placa de circuito se procesa en microagujeros con un diámetro de menos de 0.2 mm, se utiliza perforación mecánica, y el desgaste de la herramienta se acelera, es fácil de romper y el costo aumenta. El rayo láser puede reducir el diámetro del punto al nivel de micras, por lo que es una herramienta ideal para procesar microvias. La perforación láser es una técnica de perforación sin contacto que enfoca el rayo láser en un punto muy pequeño. La energía del punto se derrite o el material gasificado forma microporos, que tiene las características de alta velocidad de perforación, alta eficiencia, sin pérdida de herramientas y alta calidad de la superficie procesada. Especialmente adecuado para la perforación de microagujeros de materiales compuestos En particular, se realiza una gran cantidad de procesamiento de orificios grupales de alta densidad en diversos materiales, tales como duro, quebradizo y blando.
El uso del procesamiento láser de materiales compuestos está sujeto a cambios físicos y químicos complejos. Hay dos mecanismos principales para eliminar material:
1. Mecanismo de procesamiento térmico: El láser calienta el material para derretirlo y vaporizarlo;
2. Mecanismo fotoquímico: La energía láser se usa directamente para superar los enlaces químicos entre las moléculas de un material, dividiendo el material en pequeñas moléculas gaseosas o átomos.
La clave para perforar compuestos reforzados con fibra es elegir la fuente láser correcta, principalmente en función de las características del material que se procesa. Tales como la absorción de luz de longitud de onda específica, temperatura de fusión y gasificación, conductividad térmica y similares. Las fuentes láser más utilizadas son el láser de CO2, el láser excimer KrF y el láser Nd: YA G.
I. Procesamiento láser de CO2
El láser de CO2 tiene un rango de longitud de onda de 9.3 a 10.6 μm y pertenece al láser infrarrojo.El material a cortar es un mecanismo de procesamiento térmico. Cuando el láser de CO2 perfora materiales compuestos reforzados con fibra a base de resina, la influencia de la potencia del láser y el tiempo de procesamiento en la calidad del procesamiento es relativamente grande. Establecer la potencia láser y el tiempo de procesamiento adecuados puede mejorar significativamente la calidad del proceso. Aoyama et al.utilizaron un láser continuo de CO2 con una longitud de onda de 10,6 μm y una salida máxima de 25 OW para perforar microporos con un diámetro de 0,3 mm en un compuesto de fibra de vidrio / epoxi. Se descubrió que cuando la potencia del láser era de 35 W, el tiempo de procesamiento era OEA y el gas auxiliar era aire, la resina epoxi en la superficie de la pared del agujero casi no mostraba daños térmicos; Cuando la potencia del láser es de 75 W, el tiempo de procesamiento es de 0.1 s, y el gas auxiliar es nitrógeno, aparece una sustancia negra en la superficie de la pared del poro. Esto se debe a que la energía del láser ilumina continuamente la resina, de modo que la temperatura de la resina no se enfría, y cuando se acumula en cierta medida, la resina se daña térmicamente. Hirogaki y otros utilizaron un láser de CO2 pulsado con una longitud de onda de 10,6 μm y una potencia máxima de 100 W para perforar compuestos de vidrio / epoxi y fibra de aramida / epoxi. Se descubrió que si el tiempo de irradiación es inferior a 5 ms, la resina epoxi apenas causa daños térmicos. Esto se debe a que la reducción del tiempo de irradiación del pulso láser puede reducir la energía absorbida por el material, y el intervalo de tiempo entre los pulsos le da al material algo de enfriamiento, por lo que el daño térmico de la resina se reduce aún más.
II. KrF excimer procesamiento láser
El láser excimer KrF tiene una longitud de onda de 248 nm y pertenece al láser ultravioleta.El material es un mecanismo fotoquímico. Los fotones ultravioleta de alta energía pueden dividir el material directamente en átomos con el fin de cortar el material. El láser excimer KrF puede reducir significativamente el daño térmico del procesamiento láser. Zheng y otros utilizaron un láser KrF con una longitud de onda de 248 nm, un ancho de pulso de 20 ns y una densidad de energía de 400 nd / cm2 para perforar un compuesto de fibra de vidrio / epoxi. El material negro no solo aparece en la pared del orificio, sino que la profundidad del orificio se puede controlar con precisión y la profundidad de perforación por pulso es de 0.12 μm.
Sin embargo, el láser excimer KrF puede tener un cono al perforar agujeros, debido al efecto de difracción causado por el efecto de difracción del haz en el borde de la forma procesada, que reduce la densidad de la energía y la velocidad de grabado; Otra razón puede ser causada por la desviación esférica del prisma no corregido. A medida que aumenta la densidad de energía, el cono disminuye gradualmente e incluso se produce un cono negativo. Esto puede deberse al hecho de que la densidad de energía del haz es mayor que la energía crítica a la que se produce la difracción en el límite y el desenfoque hace que el diámetro del haz se haga más grande.
III. Procesamiento láser Nd: YAG
Los láseres Nd: YAG se usan comúnmente a longitudes de onda de 1.06 μm y 355 nm. Pertenecen al láser infrarrojo y al láser ultravioleta respectivamente, y las dos longitudes de onda corresponden al mecanismo de procesamiento térmico y al mecanismo fotoquímico, respectivamente. La potencia del láser y la frecuencia del pulso tienen un gran impacto en el daño térmico durante la perforación con láser Nd: AG. Yang y otros utilizaron un láser Nd: YAG con una longitud de onda de 355 nm y una potencia promedio de 12 W para perforar un compuesto de vidrio / epoxi de 1,6 mm de espesor. Se encontró que a una frecuencia de pulso dada, cuanto mayor es la potencia, mayor es la temperatura de procesamiento. La coquización de la resina epoxi y la fusión de la fibra de vidrio se aceleran, y el ancho equivalente del daño térmico aumenta a medida que aumenta la potencia promedio del láser. A una potencia láser dada, el ancho equivalente del daño térmico es mayor a una frecuencia de pulso de 7 kHz; Cuando es inferior a 7KHz, aumenta con el aumento de frecuencia; Por encima de 7 kHz, el ancho del daño térmico disminuye. Esto se debe a que cuanto mayor es la frecuencia, menor es el intervalo de tiempo entre los pulsos láser y menor el tiempo de enfriamiento de la superficie mecanizada. Cuando la frecuencia excede los 7KHz, cuanto mayor es la frecuencia del pulso, cuanto mayor es la duración del pulso, menor es la potencia máxima del pulso láser, menor es la temperatura de la superficie mecanizada y se reduce el ancho equivalente del daño térmico. Con la perforación láser Nd: YAG con una longitud de onda de 355 nm, una potencia de 0.3 W y una frecuencia de pulso de 1 kHz, casi no hubo daños térmicos en la superficie de la pared del agujero.
Debido al tipo de fibras de refuerzo compuestas y la dirección de las fibras de cada capa. Durante el proceso de perforación láser Nd: YAG, la precisión del agujero disminuye, la discontinuidad del agujero en la interfaz entre las capas y la expansión de la fibra. Rodden y otros utilizaron un láser Nd: YAG con una longitud de onda de 1064 nm y un ancho de pulso de 0.1 ms para perforar un laminado compuesto de fibra de carbono / epoxi de 2 mm de espesor; Se descubrió que la forma del agujero cambió de un círculo a una elipse y la forma del agujero en la interfaz entre las capas era discontinua. El primero se debe a que el coeficiente de transferencia de calor de la fibra de carbono es mucho mayor que el coeficiente de transferencia de calor de la resina epoxi, y el calor se conduce primero a lo largo de la dirección de la fibra de carbono, lo que hace que el orificio se estire a lo largo de la dirección de la fibra de carbono; Esto último se debe a que las direcciones de fibra de carbono de cada capa son diferentes, lo que resulta en discontinuidades en la forma de poro entre las capas. Cheng y otros utilizaron un láser pulsado Nd: YAG con una longitud de onda de 1.06 μm y una energía de salida promedio máxima de 135 W y una duración de pulso de 0.5 a 5 ms para perforar un material compuesto de fibra de carbono / PEEK de aproximadamente 1 mm de espesor; Se descubrió que las fibras de carbono alrededor de los agujeros exhibían una expansión radial de hasta un 50% en los extremos. El cambio irreversible de la estructura parcialmente llena debido a la intensa expansión térmica de la fibra y la rápida presurización de los microporos en la estructura de la fibra refuerzan este efecto.
El uso del procesamiento láser de materiales compuestos está sujeto a cambios físicos y químicos complejos. Hay dos mecanismos principales para eliminar material:
1. Mecanismo de procesamiento térmico: El láser calienta el material para derretirlo y vaporizarlo;
2. Mecanismo fotoquímico: La energía láser se usa directamente para superar los enlaces químicos entre las moléculas de un material, dividiendo el material en pequeñas moléculas gaseosas o átomos.
La clave para perforar compuestos reforzados con fibra es elegir la fuente láser correcta, principalmente en función de las características del material que se procesa. Tales como la absorción de luz de longitud de onda específica, temperatura de fusión y gasificación, conductividad térmica y similares. Las fuentes láser más utilizadas son el láser de CO2, el láser excimer KrF y el láser Nd: YA G.
I. Procesamiento láser de CO2
El láser de CO2 tiene un rango de longitud de onda de 9.3 a 10.6 μm y pertenece al láser infrarrojo.El material a cortar es un mecanismo de procesamiento térmico. Cuando el láser de CO2 perfora materiales compuestos reforzados con fibra a base de resina, la influencia de la potencia del láser y el tiempo de procesamiento en la calidad del procesamiento es relativamente grande. Establecer la potencia láser y el tiempo de procesamiento adecuados puede mejorar significativamente la calidad del proceso. Aoyama et al.utilizaron un láser continuo de CO2 con una longitud de onda de 10,6 μm y una salida máxima de 25 OW para perforar microporos con un diámetro de 0,3 mm en un compuesto de fibra de vidrio / epoxi. Se descubrió que cuando la potencia del láser era de 35 W, el tiempo de procesamiento era OEA y el gas auxiliar era aire, la resina epoxi en la superficie de la pared del agujero casi no mostraba daños térmicos; Cuando la potencia del láser es de 75 W, el tiempo de procesamiento es de 0.1 s, y el gas auxiliar es nitrógeno, aparece una sustancia negra en la superficie de la pared del poro. Esto se debe a que la energía del láser ilumina continuamente la resina, de modo que la temperatura de la resina no se enfría, y cuando se acumula en cierta medida, la resina se daña térmicamente. Hirogaki y otros utilizaron un láser de CO2 pulsado con una longitud de onda de 10,6 μm y una potencia máxima de 100 W para perforar compuestos de vidrio / epoxi y fibra de aramida / epoxi. Se descubrió que si el tiempo de irradiación es inferior a 5 ms, la resina epoxi apenas causa daños térmicos. Esto se debe a que la reducción del tiempo de irradiación del pulso láser puede reducir la energía absorbida por el material, y el intervalo de tiempo entre los pulsos le da al material algo de enfriamiento, por lo que el daño térmico de la resina se reduce aún más.
II. KrF excimer procesamiento láser
El láser excimer KrF tiene una longitud de onda de 248 nm y pertenece al láser ultravioleta.El material es un mecanismo fotoquímico. Los fotones ultravioleta de alta energía pueden dividir el material directamente en átomos con el fin de cortar el material. El láser excimer KrF puede reducir significativamente el daño térmico del procesamiento láser. Zheng y otros utilizaron un láser KrF con una longitud de onda de 248 nm, un ancho de pulso de 20 ns y una densidad de energía de 400 nd / cm2 para perforar un compuesto de fibra de vidrio / epoxi. El material negro no solo aparece en la pared del orificio, sino que la profundidad del orificio se puede controlar con precisión y la profundidad de perforación por pulso es de 0.12 μm.
Sin embargo, el láser excimer KrF puede tener un cono al perforar agujeros, debido al efecto de difracción causado por el efecto de difracción del haz en el borde de la forma procesada, que reduce la densidad de la energía y la velocidad de grabado; Otra razón puede ser causada por la desviación esférica del prisma no corregido. A medida que aumenta la densidad de energía, el cono disminuye gradualmente e incluso se produce un cono negativo. Esto puede deberse al hecho de que la densidad de energía del haz es mayor que la energía crítica a la que se produce la difracción en el límite y el desenfoque hace que el diámetro del haz se haga más grande.
III. Procesamiento láser Nd: YAG
Los láseres Nd: YAG se usan comúnmente a longitudes de onda de 1.06 μm y 355 nm. Pertenecen al láser infrarrojo y al láser ultravioleta respectivamente, y las dos longitudes de onda corresponden al mecanismo de procesamiento térmico y al mecanismo fotoquímico, respectivamente. La potencia del láser y la frecuencia del pulso tienen un gran impacto en el daño térmico durante la perforación con láser Nd: AG. Yang y otros utilizaron un láser Nd: YAG con una longitud de onda de 355 nm y una potencia promedio de 12 W para perforar un compuesto de vidrio / epoxi de 1,6 mm de espesor. Se encontró que a una frecuencia de pulso dada, cuanto mayor es la potencia, mayor es la temperatura de procesamiento. La coquización de la resina epoxi y la fusión de la fibra de vidrio se aceleran, y el ancho equivalente del daño térmico aumenta a medida que aumenta la potencia promedio del láser. A una potencia láser dada, el ancho equivalente del daño térmico es mayor a una frecuencia de pulso de 7 kHz; Cuando es inferior a 7KHz, aumenta con el aumento de frecuencia; Por encima de 7 kHz, el ancho del daño térmico disminuye. Esto se debe a que cuanto mayor es la frecuencia, menor es el intervalo de tiempo entre los pulsos láser y menor el tiempo de enfriamiento de la superficie mecanizada. Cuando la frecuencia excede los 7KHz, cuanto mayor es la frecuencia del pulso, cuanto mayor es la duración del pulso, menor es la potencia máxima del pulso láser, menor es la temperatura de la superficie mecanizada y se reduce el ancho equivalente del daño térmico. Con la perforación láser Nd: YAG con una longitud de onda de 355 nm, una potencia de 0.3 W y una frecuencia de pulso de 1 kHz, casi no hubo daños térmicos en la superficie de la pared del agujero.
Debido al tipo de fibras de refuerzo compuestas y la dirección de las fibras de cada capa. Durante el proceso de perforación láser Nd: YAG, la precisión del agujero disminuye, la discontinuidad del agujero en la interfaz entre las capas y la expansión de la fibra. Rodden y otros utilizaron un láser Nd: YAG con una longitud de onda de 1064 nm y un ancho de pulso de 0.1 ms para perforar un laminado compuesto de fibra de carbono / epoxi de 2 mm de espesor; Se descubrió que la forma del agujero cambió de un círculo a una elipse y la forma del agujero en la interfaz entre las capas era discontinua. El primero se debe a que el coeficiente de transferencia de calor de la fibra de carbono es mucho mayor que el coeficiente de transferencia de calor de la resina epoxi, y el calor se conduce primero a lo largo de la dirección de la fibra de carbono, lo que hace que el orificio se estire a lo largo de la dirección de la fibra de carbono; Esto último se debe a que las direcciones de fibra de carbono de cada capa son diferentes, lo que resulta en discontinuidades en la forma de poro entre las capas. Cheng y otros utilizaron un láser pulsado Nd: YAG con una longitud de onda de 1.06 μm y una energía de salida promedio máxima de 135 W y una duración de pulso de 0.5 a 5 ms para perforar un material compuesto de fibra de carbono / PEEK de aproximadamente 1 mm de espesor; Se descubrió que las fibras de carbono alrededor de los agujeros exhibían una expansión radial de hasta un 50% en los extremos. El cambio irreversible de la estructura parcialmente llena debido a la intensa expansión térmica de la fibra y la rápida presurización de los microporos en la estructura de la fibra refuerzan este efecto.
