敬鹏电子

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紫外激光器在制造电路板中的应用

电子技术的不断发展已经使柔性电路板在各个领域中变得愈发重要,无论是在消费电子产品、汽车行业还是机器人制造技术中。而在电路板加工领域,紫外激光正逐渐崭露头角,因其高效、精确和低热应力的特点,使其成为首选工具。

紫外激光与传统方法的对比

在电路板的制造和加工中,传统方法如铣削和机械切割已经逐渐被紫外激光所取代。紫外激光在低功率状态下运行,采用所谓的“冷消融”工艺,其光束产生的热影响区域较小,可以将冲缘加工、碳化等热应力降至最低,而使用高功率激光器时则常常伴随这些问题。

紫外激光的波长较短,肉眼无法看见,但这种特性使得紫外激光能够更加精确地聚焦,从而在加工电路板时既能够保持极高的精度,又能够创造极其精细的电路特性。

除此之外,紫外激光的高能光子也使其适用于各种不同材料,包括标准材料如FR4,高频陶瓷复合材料,以及柔性PCB材料如聚酰亚胺。不同材料对于紫外激光的吸收率有所不同,但总体来说,紫外激光在众多PCB材料应用中表现出色。

紫外激光在不同材料中的吸收率

图表1展示了三种常见的PCB材料在不同激光器波长下的吸收率。其中包括准分子激光器(波长为248 nm)、红外激光器(波长为1064 nm)以及两种CO2激光器(波长分别为9.4μm和10.6μm)。而紫外激光器(Nd:YAG,波长为355nm)则是一种在这三种材料中吸收率相对一致的激光器。

紫外激光器在树脂和铜的加工中表现出极高的吸收率,同时在加工玻璃时也具备适当的吸收率。唯有价格昂贵的准分子激光器(波长248nm)在处理这些主要材料时才能够获得更好的全面吸收率。这种材料的差异性使得紫外激光器成为众多工业领域中各种PCB材料应用的最佳选择,无论是制造基本电路板、电路布线,还是生产高级工艺中的嵌入式芯片。

直接从设计到加工的无缝流程

紫外激光系统具备直接从计算机辅助设计数据到加工电路板的能力,无需任何中间环节。这一特性使得电路板生产过程变得更加高效和精确。而紫外线的精确聚焦能力也为实施高特性方案提供了可能,并且可以轻松重复定位。

应用1:表面蚀刻和电路生产

紫外激光器在生产电路板时操作迅速,只需数分钟就能将表面图样蚀刻在电路板上。这使得紫外激光器成为生产PCB样品的最快方法之一。越来越多的样品实验室也开始配备内部紫外激光系统,以加速样品的制备过程。

紫外激光器的光束大小可以达到10-20μm,因此非常适合生产柔性电路迹线。图表2中的应用示例展示了紫外线在生产电路迹线方面的巨大优势,这些电路迹线非常微小,需要在显微镜下才能看清。这个电路板的尺寸为0.75英寸x0.5英寸,由一块烧结陶瓷基片和钨/镍/铜/表面组成。激光器可以生成宽度为2mils的电路迹线,间距为1mil,从而使得整体间距仅为3mils。

虽然激光光束加工电路是生产PCB样品最快的方法之一,但对于大规模表面蚀刻应用,最好还是选择化学工艺。

应用2:PCB的拆卸

紫外激光器的切割对于大型或小型生产来说都是一个最佳的选择,尤其是在PCB的拆卸过程中。拆卸是指将单个电路板从嵌板上取下,而随着材料的不断增加,这一过程变得更加具有挑战性。传统的V槽切割和自动电路板切割方法容易损伤薄而灵敏的基板,尤其是在拆卸柔性和刚柔结合的电路板时,会面临更大的问题。

紫外激光器的切割可以消除机械应力对拆卸过程产生的影响,同时相较于其他激光器,如CO2激光器,也减少了热应力的影响。图表3展示了使用CO2激光器和紫外激光器对相同柔性基质(聚酰亚胺)进行切割的效果。可以看出,使用高温的CO2激光器引发了更大的炭化和冲缘加工效应,而紫外激光器在冷消融工艺上有优势。

减少”切割缓冲垫”意味着可以节省更多的空间,使得元件能够更靠近线路边缘的位置,每块电路板可以安装更多的线路,从而提高了效率,达到柔性线路应用的极限。

应用3:钻孔

紫外激光器的小型光束尺寸和低应力属性还使其非常适合进行钻孔加工,包括贯穿孔、微孔和盲孔。紫外激光器系统通过垂直波束的精确聚焦来实现钻孔,根据所使用的材料,可以钻孔小至10μm。

特别是在多层PCB的钻孔方面,紫外激光器特别有用。多层PCB将多种材料热压铸入一起,这些材料在高温激光器加工后容易分离。然而,紫外激光器的低应力特性解决了这一问题。图表4展示了在柔性聚酰亚胺镀铜基板上进行的多层板钻孔,各层之间没有出现分离。此外,紫外激光器的低应力特性还有助于提高成品率,即从一块嵌板上移除的可用电路板的百分比。

应用4:深度雕刻

紫外激光器的另一个通用应用是深度雕刻,包括多种形式。利用激光器系统的软件控制,可以进行受控的深度消融,实现按需切割材料到所需深度,然后暂停、继续或完成加工。深度应用包括嵌入芯片的小型生产和从金属表面移除有机材料的表面研磨。

紫外激光器还可以在同一基板上执行多步操作,例如在聚乙烯材料上制造2mil的凹槽,然后再制造8mil的凹槽,最后是10mil的凹槽。这突显了紫外激光系统所提供的全面用户控制功能。

结论:紫外激光的多用途

总的来说,紫外激光器具备完成多种电路板加工应用的能力,这意味着不再需要使用不同设备的工艺和方法来完成不同应用,只需一次加工就能获得完整的零件。

这种流线型的生产方案有助于消除电路板在不同流程之间切换时产生的质量控制问题。此外,紫外线的无碎屑消融特性也意味着无需进行后处理清洗,提高了生产效率。

在电路板加工领域,紫外激光器不仅是一种替代方法,更是一种未来的选择,它将继续推动电子技术的发展,为各个行业提供更高效、更精确和更可靠的电路板制造解决方案。

常见问题解答

1. 紫外激光器在电路板加工中有哪些优势?

紫外激光器具有高精度、低热应力、多材料适用等优势,适用于多种电路板加工应用。

2. 紫外激光器与CO2激光器有何不同?

紫外激光器波长更短,精确聚焦,适用于多种材料,而CO2激光器波长较长,通常产生更多热能。

3. 紫外激光器在哪些应用中特别突出?

紫外激光器在表面蚀刻、电路生产、PCB拆卸、钻孔和深度雕刻等应用中表现出色。

4. 紫外激光器加工是否需要特殊的安全措施?

是的,紫外激光器的激光光束对眼睛和皮肤有潜在危险,操作人员需要采取适当的安全措施。

5. 紫外激光器的成本如何?

紫外激光器的成本因型号和功能而异,一般来说,较高功率的紫外激光器成本较高,但在一些高级应用中是物有所值的投资。

在电路板制造领域,紫外激光器已经展现出其卓越性能和多用途特性,为电子技术的进一步发展提供了强大的支持。无论是提高生产效率还是实现高精度加工,紫外激光器都是不可或缺的工具。

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