Laser xung siêu ngắn đang đáp ứng nhu cầu thay đổi của các ứng dụng khoan và cắt trong vi điện tử

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử ngày càng trở nên tân tiến. Ngành công nghiệp điện tử luôn đặc biệt nỗ lực không ngừng để chế tạo ra những dòng máy có kích thước nhỏ gọn với chức năng đi kèm ngày càng hiện đại, tân tiến. Điều này tác động đến hầu hết mọi quá trình chế tạo thiết bị điện tử, bao gồm cả hai bước vi cơ quan trọng trong sản xuất: bảng mạch in cứng (PCB) chất nền gói — và mạch uốn mỏng.

Quy trình sản xuất PCB

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử được sử dụng cho quá trình khoan hoặc đục lỗ PCB (vias) → Mạ điện ( điện hóa phủ 1 lớp kim loại) để kết nối điện các lớp khác nhau của bảng mạch → cắt hoặc tỉa từng bảng mạch / chất nền.
Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử đang gặp phải những hạn chế về không gian từ những công nghệ laser trước đó. Do đó, người ta chuyển sang sử dụng laser xung siêu ngắn (USP) với bước sóng ngắn (Green laser và UV laser). Xu hướng này được ủng hộ bởi các nhà sản xuất laser USP công suất cao – chất lượng cao cùng với thông lượng cao và chi phí thấp.

Xung ngắn hơn, bước sóng ngắn hơn

Việc khoan và cắt bảng mạch PCB và mạch uốn yêu cầu phải giảm thiểu vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), có nghĩa là vật liệu tiếp giáp với vết cắt hoặc lỗ phải bị phân hủy nhiệt theo một cách nào đó. HAZ có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng laser USP. Việc sử dụng các xung ngắn hơn dẫn đến quá trình khoan và cắt sẽ không sinh nhiệt. Điều này là do độ rộng xung ngắn hơn thời gian khuếch tán nhiệt trong vật liệu hữu cơ. Nói cách khác, phần lớn năng lượng xung bị mất đi trong vật liệu bay hơi trước khi nó có thời gian lan truyền.

Phần lớn năng lượng xung của laser USP bị mất đi trong vật liệu bốc hơi nên dường như không có ảnh hưởng nhiệt HAZ đối với hầu như tất cả các vật liệu.
Các laser USP có năng lượng xung thấp hơn, chẳng hạn như laser nano giây – ns, có thông lượng xử lý cao vì năng lượng xung giảm đã được bù bởi công suất đỉnh cao hơn. Hơn nữa, laser USP có tần số cao, cắt nhiều lần nhanh chóng, phù hợp để gia công chọn lọc các lớp trên bề mặt mỏng hơn, thường là gốm. Đối với hầu hết các ứng dụng, tổng độ dày dưới 1 mm, nhưng đối với các ứng dụng đặc biệt như trong ngành công nghiệp ô tô, độ dày tổng thể có thể lên đến 2 mm.

Tạo bo mạch

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử được áp dụng vào công đoạn chính tạo ra PCB là đục các lỗ (vias) để nối dây dẫn lớp trên cùng với các lớp dưới đã định trước của bảng mạch, tiếp theo là cắt từng bảng mạch / chất nền từ bảng điều khiển lớn hơn.
Đường kính của các lỗ vias hiện nằm trong khoảng 50–100 μm , bảng mạch PCB thường là hình vuông hoặc hình chữ nhật, do đó biên dạng cắt đơn giản, không phức tạp.

Theo phương cách truyền thống, khoan-đục lỗ và cắt đều là quá trình cơ học dựa vào cưa và mũi khoan. Một máy khoan điển hình có đường kính 100 μm kết hợp sáu mũi khoan, mỗi mũi có khả năng tạo ra 20 lỗ / s, nhưng chúng chỉ có tuổi thọ 2.000 lỗ. Trong thập kỷ qua, các máy này đã được thay thế phần lớn bằng các máy sử dụng Laser CO2 mạch kín. Tuy nhiên, laser CO2 chưa hoàn toàn phù hợp và ảnh hưởng nhiệt HAZ đối với đường kính từ 50 μm trở xuống.

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử  thường là laser Green nano giây-ns thường được ưa chuộng hơn, nhưng thị trường hiện đang tìm kiếm laser Green picosec giây-ps USP, chẳng hạn , để đạt được đường kính nhỏ cần thiết và ít HAZ hơn. Laser nano giây-ns UV là loại laser được sử dụng phổ biến nhất để cắt PCB. Tuy nhiên, các xung dài hơn làm cạnh cắt bị biến dạng nhiệt và đổi màu, giảm mỹ quan và để lại các mảnh vụn vật liệu, do đó cần phải làm sạch sau khi cắt để không làm hỏng mạch.
Do đó, các nhà sản xuất PCB đang ngày càng tìm đến các loại laser USP Green hoặc Laser hồng ngoại (IR) cho quy trình cắt một bước. Các tia laser IR USP cho công suất cao nhất , tiết kiệm chi phí nhưng chất lượng cắt của Green Laser cao hơn.

Hơn nữa, laser UV nano giây bị giới hạn ở tốc độ lặp lại vài trăm kHz, nhưng laser picosecond có thể đạt đến 1000 giây kHz. Điều này, cũng như ngưỡng cắt giảm thấp hơn đã đề cập ở trên, có nghĩa là các tia laser UV pico giây như HyperRapid NXT 355 của Coinity có thể cung cấp tốc độ cắt cao hơn tới 10 lần so với laser tia UV nano giây. Cụ thể, nó đã được chứng minh rằng nếu một trong những tia laser này được hoạt động ở 50 W với độ lặp lại 5 MHz, thì tốc độ cắt hiệu quả lên đến 1.300 mm / s có thể đạt được đối với các mạch polyimide flex dày đến 130 µm với chiều rộng cắt là nhỏ hơn 30 µm và HAZ nhỏ hơn 10 µm.

Mạch Uốn thường là các miếng đồng và một loại polyme dẻo như polyimide (PI), ít phổ biến hơn là polyme đồng, và tinh thể lỏng (LCP). Để mang lại sự linh hoạt cần thiết, chúng mỏng hơn nhiều so với PCB cứng nhắc, có độ dày điển hình trong khoảng 100–300 µm.

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử đảm nhiệm các nhiệm vụ quan trọng nhất là khoan và cắt mạch uốn . Trong vài năm, ứng dụng này sử dụng chủ yếu laser UV nano giây với bước sóng 355 nm.

Tuy nhiên, ngày càng có nhiều nhà sản xuất đang tìm kiếm laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử  ưu việt hơn – laser UV picosecond- ps để cắt các biên dạng hẹp và các đường cong / hình phức tạp mà các ứng dụng mạch uốn ngày càng yêu cầu. Một ví dụ điển hình là mạch điện gấp chặt nằm phía sau màn hình LED hữu cơ (OLED) trong các thế hệ điện thoại thông minh mới nhất.

Hơn nữa, laser UV nano giây -ns bị giới hạn ở tần số chỉ vài trăm kHz, nhưng laser picosecond-ps có thể đạt đến 1000kHZ . Điều đó chứng minh các tia laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử – UV pico-ps giây có thể cắt nhanh hơn 10 lần so với laser tia UV nano giây-ns. Nếu những tia laser này hoạt động với công suất 50 W và tần số 5 MHz, thì tốc độ cắt hiệu quả lên đến 1.300 mm / s có thể đạt được đối với các mạch uốn polyimide dày đến 130 µm với độ dày đường cắt nhỏ hơn 30 µm và HAZ nhỏ hơn 10 µm.

Laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử – Laser Picosecond UV cung cấp chất lượng đục lỗ tốt hơn đáng kể so với laser nano giây. Hơn thế, các laser USP đã đáp ứng được yêu cầu của các nhà sản xuất mạch uốn đang tìm kiếm một chiếc máy có thể tích hợp cả khoan- đục lỗ và cắt trong một thiết kế.

Tóm tắt

Các yêu cầu khoan và cắt trong sản xuất PCB và mạch uốn đang bị giới hạn của các phương pháp laser xung dài hơn. May mắn thay, các laser USP- laser cắt và đục lỗ bo mạch ứng dụng trong ngành điện tử mới nhất cung cấp cả tốc độ cao và chất lượng đầu ra cao hơn.

Xem thêm về các ứng dụng khác của Laser trong công nghiệp