Um laser é um poderoso feixe de luz que é excitado quando um “raio” é estimulado por um estímulo externo que aumenta sua energia. A luz infravermelha e visível possuem energia térmica, enquanto a luz ultravioleta possui energia óptica. Quando este tipo de luz atinge a superfície de uma peça, ocorrem três fenômenos: reflexão, absorção e penetração.
A principal função da perfuração a laser é poder remover rapidamente o material do substrato a ser processado, principalmente por ablação fototérmica e ablação fotoquímica ou a chamada excisão.
- Ablação fototérmica: O princípio da formação de furos em que o material a ser processado absorve luz laser de alta energia, aquece até derreter em um tempo muito curto e evapora. Este método de processo no material do substrato é submetido a alta energia, no furo formado pela parede do resíduo carbonizado enegrecido, o furo deve ser limpo antes.
- Ablação fotoquímica: refere-se à região ultravioleta com alta energia de fótons (mais de 2 eV elétron-volt), comprimento de onda do laser de mais de 400 nanômetros de fótons de alta energia desempenham um papel nos resultados. Esses fótons de alta energia podem destruir a longa cadeia molecular de materiais orgânicos, tornar-se partículas menores e sua energia é maior que a das moléculas originais, a força extrema da qual escapar, no caso de sucção externa, de modo que o material do substrato é rapidamente removido e a formação de microporos. Este tipo de processo não contém queima térmica e não produz carbonização. Portanto, é muito fácil de limpar antes da poração. Estes são os princípios básicos da formação de furos a laser. Atualmente, os dois tipos de perfuração a laser mais comumente usados: a perfuração de placas de circuito impresso com lasers são principalmente lasers de gás CO2 excitados por RF e lasers Nd: YAG de estado sólido UV.
- Na absorvância do substrato: a taxa de sucesso do laser tem relação direta com a absorvância do material do substrato. As placas de circuito impresso são feitas de folha de cobre e combinação de tecido de vidro e resina, a absorvância desses três materiais também é diferente devido aos diferentes comprimentos de onda, mas a folha de cobre e o tecido de vidro no ultravioleta 0.3mμ abaixo da região de a taxa de absorção é maior, mas na luz visível e IR após um declínio substancial. Os materiais de resina orgânica, por outro lado, podem manter uma taxa de absorção bastante elevada em todas as três bandas espectrais. Esta é a característica que os materiais resinosos possuem e é a base para a popularidade do processo de perfuração a laser.
Que tipos de perfuração a laser estão disponíveis nas fábricas de PCB?
Um laser é um poderoso feixe de luz que é excitado quando “raios” são estimulados por um estímulo externo que aumenta sua energia, sendo que a luz infravermelha e visível possui energia térmica e a luz ultravioleta possui energia óptica. Quando este tipo de luz atinge a superfície de uma peça, ocorrem três fenômenos: reflexão, absorção e penetração. A principal função da perfuração a laser é poder remover rapidamente o material do substrato a ser processado, que é principalmente por ablação fototérmica e ablação fotoquímica ou a chamada excisão.
Duas tecnologias de laser são usadas para perfuração a laser na produção comercial de PCB: lasers de CO2 com comprimentos de onda na banda do infravermelho distante e lasers UV com comprimentos de onda na banda do ultravioleta. Os lasers de CO2 são amplamente utilizados na produção de furos industriais de micropassagem em placas de circuito impresso , que devem ter diâmetros superiores a 100 μm (Raman, 2001). Para a fabricação desses furos de grandes aberturas, os lasers de CO2 são altamente produtivos devido ao tempo de perfuração muito curto necessário para a fabricação de grandes aberturas com lasers de CO2. A tecnologia laser UV é amplamente utilizada na fabricação de microvias com diâmetros inferiores a 100 μm, e até menores que 50 μm com o uso de diagramas elétricos microfabricados. A tecnologia laser UV é muito produtiva na produção de furos com diâmetro inferior a 80 μm. Portanto, para atender à crescente demanda por produtividade de microvia, muitos fabricantes de PCB começaram a introduzir sistemas de perfuração a laser de cabeça dupla.
A seguir estão os três principais tipos de sistemas de perfuração a laser de cabeça dupla disponíveis no mercado atualmente:
- Sistemas de perfuração a laser UV de cabeça dupla
- Sistemas de perfuração a laser CO2 de cabeça dupla; e
- Sistemas de perfuração a laser stick (CO2 e UV)
Todos estes tipos de sistemas de perfuração têm as suas próprias vantagens e desvantagens. Os sistemas de perfuração a laser podem ser simplesmente divididos em dois tipos: sistemas de perfuração dupla com comprimento de onda único e sistemas de perfuração dupla com comprimento de onda duplo.
Independentemente do tipo, existem dois componentes principais que afetam a capacidade de fazer furos:
- A energia do laser/energia de pulso
- O sistema de posicionamento de feixe
A energia do pulso de laser e a eficiência da entrega do feixe determinam o tempo de perfuração, o tempo de perfuração é o tempo que a broca a laser leva para perfurar um furo de micropassagem e o sistema de posicionamento do feixe determina a velocidade na qual ele pode se mover entre dois buracos. Juntos, esses fatores determinam a velocidade na qual a furadeira a laser pode produzir as microvias necessárias para um determinado requisito. Os sistemas de laser UV de cabeça dupla são mais adequados para fazer furos menores que 90 μm em circuitos integrados com altas proporções.
O sistema de laser de CO2 de cabeça dupla usa um laser de CO2 excitado por RF modulado em Q. As principais vantagens deste sistema são a alta repetibilidade (até 100 kHz), os curtos tempos de furação e a ampla superfície de operação, que permite fazer um furo cego com apenas algumas passadas, mas a qualidade dos furos perfurados pode ser baixo.
O sistema de perfuração a laser de cabeça dupla mais comum é o sistema de perfuração a laser híbrido, que consiste em um cabeçote de laser UV e um cabeçote de laser CO2. Este método combinado de perfuração a laser híbrido permite a perfuração simultânea de cobre e dielétricos. O cobre é perfurado com o laser UV para criar o tamanho e formato de furo desejado, e o laser de CO2 é usado para perfurar o dielétrico descoberto imediatamente depois. O processo de perfuração é realizado perfurando um bloco de 2 pol. X 2 pol. chamado campo.
O laser de CO2 remove com eficácia os dielétricos, até mesmo os dielétricos reforçados com vidro não uniformes. No entanto, um único laser de CO2 não pode fazer pequenos furos (menos de 75 μm) e remover cobre, com as poucas exceções de que pode remover finas folhas de cobre pré-tratadas com menos de 5 μm (Lustino, 2002). O laser UV é capaz de fazer furos muito pequenos e remover todas as ruas de cobre comuns (3 - 36 μm, 1 onça, até mesmo folhas de cobre revestidas). O laser UV também pode remover materiais dielétricos sozinho, mas em um ritmo mais lento. Além disso, para materiais não uniformes, por exemplo, vidro reforçado FR-4, os resultados são geralmente fracos. Isso ocorre porque o vidro só pode ser removido se a densidade de energia aumentar até um certo nível, o que também destrói as almofadas internas. Como o sistema stick laser consiste em um laser UV e um laser CO 2, ele é ideal em ambas as áreas, com o laser UV todas as folhas de cobre e pequenos furos podem ser feitos, e com o laser CO 2 os dielétricos podem ser perfurados rapidamente. A figura ilustra a estrutura de um sistema de perfuração a laser de cabeça dupla com espaçamento de perfuração programável. O espaçamento entre as duas brocas pode ser ajustado de acordo com a disposição dos componentes, o que garante a máxima capacidade de perfuração a laser.
Hoje em dia, o espaçamento entre as duas brocas é fixo na maioria dos sistemas de perfuração a laser de cabeça dupla com tecnologia de posicionamento de feixe passo a passo. A vantagem do próprio controle remoto a laser passo a passo é a grande faixa de ajuste do domínio (até (50 X 50) μm). A desvantagem é que o teleconversor laser deve ser pisado sobre um campo fixo e o espaçamento entre as duas brocas é fixo. A distância entre as duas brocas de um regulador remoto a laser de cabeça dupla típico é fixa (aproximadamente 150 μm). Para diferentes tamanhos de painel, as brocas de distância fixa não podem ser configuradas de maneira ideal para completar a operação, assim como as brocas de espaçamento programável.
Os atuais sistemas de perfuração a laser de cabeça dupla estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos e desempenhos, tanto para fabricantes de PCB de pequena escala quanto para fabricantes de PCB de alto volume.
O óxido de alumínio cerâmico é utilizado na fabricação de placas de circuito impresso devido à sua alta constante dielétrica. Porém, devido à sua fragilidade, o processo de perfuração necessário para a fiação e montagem é difícil com ferramentas padrão, pois o estresse mecânico deve ser minimizado, o que é bom para a perfuração a laser.Rangel et al. (1997) demonstraram que para substratos de alumina, bem como para substratos de alumina revestidos com ouro e âncoras, é possível perfurar utilizando um laser QNd:YAG sintonizado. O uso de um laser de pulso curto, baixa energia e alta potência de pico ajudou a evitar danos à amostra por estresse mecânico e produziu furos passantes de alta qualidade com diâmetros inferiores a 100 μm. Esta tecnologia é usada com sucesso em amplificadores de microondas de baixo ruído na faixa de frequência de 8 - 18 GHz.
A tecnologia laser Nd:YAG tem sido usada para processar furos cegos e passantes em uma ampla variedade de materiais. Entre elas está a perfuração de furos piloto em laminados revestidos de poliimida e cobre com diâmetro mínimo de furo de 25 mícrons. Analisando o custo de produção, o diâmetro mais econômico utilizado é de 25-125 mícrons. A velocidade de perfuração é de 10,{4}} furos/min. O processo de perfuração direta a laser pode ser usado, com diâmetro de furo de até 50 mícrons. A superfície interna dos furos moldados está limpa e livre de carbonização e pode ser facilmente revestida. O mesmo também pode ocorrer na perfuração de laminados revestidos de cobre de PTFE, o menor diâmetro de furo de 25 mícrons, o diâmetro mais econômico usado para 25-125 mícrons. A velocidade de perfuração é de 4.500 furos/min. Nenhuma pré-gravação de janelas é necessária. Os furos resultantes são limpos e não requerem requisitos especiais adicionais de processamento.
