الليزر هو شعاع قوي من الضوء يتم تحفيزه عندما يتم تحفيز "الشعاع" بواسطة محفز خارجي يزيد من طاقته. تمتلك الأشعة تحت الحمراء والمرئية طاقة حرارية، بينما تمتلك الأشعة فوق البنفسجية طاقة بصرية. عندما يضرب هذا النوع من الضوء سطح قطعة العمل، تحدث ثلاث ظواهر: الانعكاس والامتصاص والاختراق.
وتتمثل الوظيفة الرئيسية للحفر بالليزر في القدرة على إزالة المادة الأساسية المراد معالجتها بسرعة، وذلك بشكل رئيسي عن طريق الاستئصال الحراري الضوئي والاستئصال الكيميائي الضوئي أو ما يسمى بالاستئصال.
- الاجتثاث الحراري الضوئي: مبدأ تكوين الثقب حيث تمتص المادة المراد معالجتها ضوء الليزر عالي الطاقة، وتسخن حتى تذوب في وقت قصير جدًا، ثم تتبخر. تخضع طريقة المعالجة هذه في مادة الركيزة لطاقة عالية، وفي الثقب الذي يتكون من جدار البقايا المتفحمة السوداء، يجب تنظيف الثقب من قبل.
- الاجتثاث الكيميائي الضوئي: يشير إلى منطقة الأشعة فوق البنفسجية التي تتمتع بطاقة فوتون عالية (أكثر من 2 فولت إلكترون فولت)، ويلعب الطول الموجي لليزر الذي يزيد عن 400 نانومتر من الفوتونات عالية الطاقة دورًا في النتائج. يمكن لهذه الفوتونات عالية الطاقة أن تدمر السلسلة الجزيئية الطويلة للمواد العضوية، فتصبح جسيمات أصغر، وطاقتها أكبر من الجزيئات الأصلية، وهي القوة القصوى التي يمكن الهروب منها، في حالة الشفط الخارجي، بحيث تتقلص مادة الركيزة تتم إزالة بسرعة وتشكيل microporous. هذا النوع من العمليات لا يحتوي على حرق حراري ولا ينتج عنه تفحيم. لذلك، من السهل جدًا التنظيف قبل تناول الطعام. هذه هي المبادئ الأساسية لتشكيل ثقب الليزر. حاليًا، النوعان الأكثر استخدامًا من الحفر بالليزر: حفر لوحة الدوائر المطبوعة بالليزر هما بشكل رئيسي ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون المثار بالترددات اللاسلكية وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة للأشعة فوق البنفسجية Nd: YAG.
- فيما يتعلق بامتصاص الركيزة: إن معدل نجاح الليزر له علاقة مباشرة بامتصاص مادة الركيزة. لوحات الدوائر المطبوعة مصنوعة من رقائق النحاس والقماش الزجاجي ومجموعة الراتنج، ويختلف امتصاص هذه المواد الثلاثة أيضًا بسبب الأطوال الموجية المختلفة، ولكن رقائق النحاس والقماش الزجاجي في الأشعة فوق البنفسجية 0.3mμ تحت منطقة معدل الامتصاص أعلى، ولكن في الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء بعد انخفاض كبير. من ناحية أخرى، يمكن للمواد الراتنجية العضوية أن تحافظ على معدل امتصاص مرتفع إلى حد ما في جميع النطاقات الطيفية الثلاثة. هذه هي الخاصية التي تتمتع بها المواد الراتنجية وهي أساس شعبية عملية الحفر بالليزر.
ما هي أنواع الحفر بالليزر المتوفرة في مصانع ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟
الليزر هو شعاع قوي من الضوء يتم تحفيزه عندما يتم تحفيز "الأشعة" بواسطة محفز خارجي يزيد من طاقته، حيث يمتلك الضوء تحت الأحمر والمرئي طاقة حرارية والأشعة فوق البنفسجية لها طاقة بصرية. عندما يضرب هذا النوع من الضوء سطح قطعة العمل، تحدث ثلاث ظواهر: الانعكاس والامتصاص والاختراق. تتمثل الوظيفة الرئيسية للحفر بالليزر في القدرة على إزالة المادة الأساسية المراد معالجتها بسرعة، والتي تتم بشكل أساسي عن طريق الاستئصال الحراري الضوئي والاستئصال الكيميائي الضوئي أو ما يسمى بالاستئصال.
يتم استخدام تقنيتي ليزر للحفر بالليزر في إنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور التجاري: ليزر ثاني أكسيد الكربون بأطوال موجية في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وليزر الأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. يُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع في إنتاج ثقوب الممرات الدقيقة الصناعية في لوحات الدوائر المطبوعة والتي يجب أن يكون قطرها أكبر من 100 ميكرومتر (رامان، 2001). لتصنيع هذه الفتحات الكبيرة، يكون ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الإنتاجية نظرًا لوقت التثقيب القصير جدًا المطلوب لتصنيع فتحات كبيرة باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون. تُستخدم تقنية الليزر فوق البنفسجي على نطاق واسع في تصنيع الميكروفيات بأقطار أقل من 100 ميكرومتر، وحتى أقل من 50 ميكرومتر باستخدام مخططات الأسلاك الدقيقة. تعتبر تقنية الليزر فوق البنفسجي منتجة للغاية في إنتاج الثقوب التي يقل قطرها عن 80 ميكرومتر. لذلك، لتلبية الطلب المتزايد على إنتاجية الميكروفيا، بدأ العديد من مصنعي ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تقديم أنظمة الحفر بالليزر ذات الرأس المزدوج.
فيما يلي الأنواع الثلاثة الرئيسية لأنظمة الحفر بالليزر ذات الرأس المزدوج المتوفرة في السوق اليوم:
- أنظمة الحفر بالليزر فوق البنفسجية ثنائية الرأس
- أنظمة الحفر بالليزر ثاني أكسيد الكربون ذات الرأس المزدوج؛ و
- أنظمة الحفر بالليزر (ثاني أكسيد الكربون والأشعة فوق البنفسجية)
كل هذه الأنواع من أنظمة الحفر لها مزاياها وعيوبها. يمكن تقسيم أنظمة الحفر بالليزر ببساطة إلى نوعين، أنظمة الحفر المزدوج ذات الطول الموجي الواحد وأنظمة الطول الموجي المزدوج للحفر المزدوج.
وبغض النظر عن النوع، هناك مكونان رئيسيان يؤثران على القدرة على حفر الثقوب:
- طاقة الليزر/طاقة النبض
- نظام تحديد المواقع شعاع
تحدد طاقة نبضة الليزر وكفاءة توصيل الشعاع وقت الحفر، وزمن الحفر هو الوقت الذي يستغرقه مثقاب الليزر لحفر ثقب micropass، ويحدد نظام تحديد موضع الشعاع السرعة التي يمكن أن يتحرك بها بين اثنين الثقوب. تحدد هذه العوامل معًا السرعة التي يمكن بها لآلة الحفر بالليزر إنتاج الميكروفيا المطلوبة لمتطلبات معينة. تعتبر أنظمة الليزر فوق البنفسجية ذات الرأس المزدوج هي الأنسب لحفر الثقوب التي يقل حجمها عن 90 ميكرومتر في الدوائر المتكاملة ذات نسب العرض إلى الارتفاع العالية.
يستخدم نظام ليزر ثاني أكسيد الكربون ثنائي الرأس ليزر ثاني أكسيد الكربون المثار بالتردد الراديوي Q-modulated RF. تتمثل المزايا الرئيسية لهذا النظام في التكرار العالي (حتى 100 كيلو هرتز)، وأوقات الحفر القصيرة، وسطح التشغيل الواسع، مما يسمح بحفر ثقب أعمى بتمريرات قليلة فقط، ولكن يمكن تحديد جودة الثقوب المحفورة قليل.
نظام الحفر بالليزر ثنائي الرأس الأكثر شيوعًا هو نظام الحفر بالليزر الهجين، والذي يتكون من رأس ليزر UV ورأس ليزر ثاني أكسيد الكربون. تسمح طريقة الحفر بالليزر الهجين المدمجة هذه بالحفر المتزامن للنحاس والمواد العازلة. يتم حفر النحاس باستخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية لإنشاء حجم وشكل الثقب المطلوب، ويتم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون لحفر العازل الكهربائي المكشوف بعد ذلك مباشرة. تتم عملية الحفر عن طريق حفر كتلة بحجم 2 × 2 بوصة تسمى الحقل.
يعمل ليزر ثاني أكسيد الكربون على إزالة العوازل الكهربائية بشكل فعال، حتى العوازل المقواة بالزجاج غير المنتظم. ومع ذلك، لا يستطيع ليزر ثاني أكسيد الكربون واحد عمل ثقوب صغيرة (أقل من 75 ميكرومتر) وإزالة النحاس، مع استثناءات قليلة حيث يمكنه إزالة رقائق النحاس الرقيقة المعالجة مسبقًا والتي يقل سمكها عن 5 ميكرومتر (لوستينو، 2002). ليزر الأشعة فوق البنفسجية قادر على إحداث ثقوب صغيرة جدًا وإزالة جميع الشوارع النحاسية الشائعة (3 - 36 ميكرومتر، 1 أونصة، حتى رقائق النحاس المطلية). يمكن لليزر فوق البنفسجي أيضًا إزالة المواد العازلة بمفرده، ولكن بمعدل أبطأ. علاوة على ذلك، بالنسبة للمواد غير الموحدة، على سبيل المثال الزجاج المقوى FR-4، تكون النتائج سيئة عادةً. وذلك لأنه لا يمكن إزالة الزجاج إلا إذا تمت زيادة كثافة الطاقة إلى مستوى معين، مما يؤدي أيضًا إلى تدمير الوسادات الداخلية. نظرًا لأن نظام الليزر العصا يتكون من ليزر الأشعة فوق البنفسجية وليزر ثاني أكسيد الكربون، فهو الأمثل في كلا المجالين، باستخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية يمكن عمل جميع رقائق النحاس والثقوب الصغيرة، ومع ليزر ثاني أكسيد الكربون يمكن حفر العوازل الكهربائية بسرعة. يقدم الشكل توضيحًا لهيكل نظام الحفر بالليزر ثنائي الرأس مع مسافة حفر قابلة للبرمجة. يمكن تعديل المسافة بين المثقابين بنفسها وفقًا لتخطيط المكونات، مما يضمن أقصى قدرة على الحفر بالليزر.
في الوقت الحاضر، تم تثبيت المسافة بين المثقابين في معظم أنظمة الحفر بالليزر ذات الرأس المزدوج مع تقنية تحديد موضع الشعاع المتدرج والمتكرر. تتمثل ميزة جهاز التحكم عن بعد بالليزر المتدرج والمتكرر في حد ذاته في نطاق الضبط الكبير للمجال (يصل إلى (50 × 50) ميكرومتر). العيب هو أنه يجب أن يتم تخطي محول الليزر فوق مجال ثابت وأن تكون المسافة بين المثقبين ثابتة. المسافة بين المثقابين لجهاز التحكم عن بعد بالليزر ثنائي الرأس النموذجي ثابتة (حوالي 150 ميكرومتر). بالنسبة لأحجام اللوحات المختلفة، لا يمكن تكوين المثاقب ذات المسافة الثابتة على النحو الأمثل لإكمال العملية بالإضافة إلى المثاقب القابلة للبرمجة.
تتوفر اليوم أنظمة الحفر بالليزر ذات الرأس المزدوج في مجموعة واسعة من الأحجام والأداء لكل من الشركات المصنعة لثنائي الفينيل متعدد الكلور على نطاق صغير وكذلك لمصنعي ثنائي الفينيل متعدد الكلور بكميات كبيرة.
يستخدم أكسيد الألومنيوم الخزفي في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة بسبب ثابت العزل الكهربائي العالي. ومع ذلك، نظرًا لهشاشتها، فإن عملية الحفر المطلوبة للأسلاك والتجميع صعبة باستخدام الأدوات القياسية، حيث يجب تقليل الضغط الميكانيكي إلى الحد الأدنى، وهو أمر جيد للحفر بالليزر.Rangel et al. (1997) أوضح أنه بالنسبة لركائز الألومينا، وكذلك ركائز الألومينا المطلية بالذهب والمثبتات، فمن الممكن الحفر باستخدام ليزر QNd:YAG المضبوط. ساعد استخدام الليزر قصير النبض ومنخفض الطاقة وعالي الطاقة على تجنب تلف العينة بسبب الضغط الميكانيكي وإنتاج ثقوب عالية الجودة بأقطار أقل من 100 ميكرومتر. تم استخدام هذه التقنية بنجاح في مضخمات الموجات الدقيقة منخفضة الضوضاء في نطاق التردد 8 - 18 جيجا هرتز.
تم استخدام تقنية الليزر Nd:YAG لمعالجة كل من الثقوب العمياء والثقوب في مجموعة واسعة من المواد. ومن بينها حفر ثقوب تجريبية في شرائح بوليميد مغطاة بالنحاس بقطر ثقب لا يقل عن 25 ميكرون. وبتحليل تكلفة الإنتاج، فإن القطر الأكثر اقتصادية المستخدم هو 25-125 ميكرون. سرعة الحفر هي 10,000 ثقب/دقيقة. يمكن استخدام عملية التثقيب المباشر بالليزر، بقطر ثقب يصل إلى 50 ميكرون. السطح الداخلي للثقوب المقولبة نظيف وخالي من الكربنة ويمكن طلاؤه بسهولة. يمكن أن يكون الأمر نفسه أيضًا في الصفائح المغطاة بالنحاس PTFE التي يتم حفرها من خلال الثقوب، حيث يبلغ قطر الثقب الأصغر 25 ميكرون، وهو القطر الأكثر اقتصادًا المستخدم في 25-125 ميكرون. سرعة الحفر 4500 حفرة/دقيقة. لا يلزم النقش المسبق للنوافذ. الثقوب الناتجة نظيفة ولا تتطلب متطلبات معالجة خاصة إضافية.
