PCB激光圖形直寫和定深加工一步成型

PCB制作過程中時常涉及到加工盲槽，設計盲槽的目的比如降低板厚，將組件連接到電路板內(nèi)層、裸芯片組裝、或其他某些特殊應用，還可用于多層板內(nèi)層天線的開窗后連接光纖。這種槽體或腔體會增加PCB制作和組裝的復雜性，因此這些加工需求通常應用在HDI板上或其他的特殊應用方向。在這份報告中，使用兩種不同的LPKF ProtoLaser系統(tǒng)測試了激光定深加工的可能性以及加工后的表面質(zhì)量。

01 激光技術(shù)是盲槽和盲腔加工的理想工具

定深機械銑刻似乎是一種最簡單的解決方案，但因刀具最小直徑的限制，對于HDI PCB板的制作，尤其是打樣加工，激光技術(shù)已經(jīng)是一種最合適的選擇，是可以在各個維度上高精度加工盲槽和盲腔的理想工具。

特定波長的激光不僅可以實現(xiàn)PCB的鉆孔和切割，加工腔體同樣有效。激光工具的一個主要優(yōu)點是通過精確控制從而實現(xiàn)定深加工，例如僅加工材料表面上的銅層。除了創(chuàng)建盲腔之外，另一個定深加工應用是盲孔工藝，可以通過所有LPKF ProtoLaser系統(tǒng)實現(xiàn)。

基底包含了不同材料，比如FR4中的玻璃纖維和樹脂組合，這樣加工基底盲腔的難度會更大。為了說明和更好地理解激光盲腔加工，我們選用如下幾種材料進行測試，常見的雙面PCB材料（Isola的標準FR4、Panasonic的Megton 6和Rogers RO4003C）、玻璃（SHOTT AF 32玻璃）、聚酰亞胺（Kap ton®）和陶瓷（Dupont的LTCC®）™ 和Al2O3）亞基材料。

02 樣品設計以及準備工作

測試數(shù)據(jù)由一個5 mm×5 mm的正方形、一個直徑為5 mm的圓形和一條寬度為1 mm的曲線組成。這種簡單的設計，有小有大，可以將各種材料參數(shù)展示出來，沿長軸和圓弧進行處理，對操作者來說非常有用。樣品的外形尺寸為24 mm x 7 mm；雕刻（盲槽）區(qū)域（圖1中紅色區(qū)域內(nèi)的白色區(qū)域）的尺寸為22 mm x 5 mm，面積為110.5 mm²。

圖1:  測試數(shù)據(jù)

簡單的幾何圖形設計是在LPKF CircuitPro PL軟件內(nèi)的Layout界面創(chuàng)建的，也可以導入矢量格式（如DXF、Gerber或simi-lar）數(shù)據(jù)。這種樣品的加工流程很簡單，因為它只包括表面金屬的激光燒蝕，在加工時采用X/Y移動或僅X軸移動即可。不同材料的激光加工參數(shù)不同，頻率、功率和激光移動速度通常針對不同的材料類型可進行優(yōu)化，由重復次數(shù)來確定燒蝕深度，當然，加工參數(shù)也會因ProtoLaser不同型號中可用的各種激光波長和脈沖寬度而有所不同。

03 設備選擇

最暢銷的LPKF ProtoLaser U4能夠處理大部分選定的測試材料，此次測試的主要目的是確認LPKF ProtoLaser R4是否能做得更好。ProtoLaser U4使用紫外納秒激光源，而ProtoLaserR4使用綠光皮秒光源。R4型號具有較小的聚焦光斑，即使透明材料也能良好的吸收它的激光，并且可以在所謂的冷燒蝕狀態(tài)下工作，這一特性為激光精確刻蝕相對較小的設計提供了優(yōu)勢，還可消除對材料的熱影響。冷燒蝕加工通常速度會比較慢，而較小直徑的激光束需要更多的激光軌跡疊加來去除待加工區(qū)域，因此加工時間會更長。

圖2：LPKF ProtoLaser U4

圖3：LPKF ProtoLaser R4

04 過程設置和測量

由于本實驗所選擇的材料不是多層設計，因此我們選擇特定的深度來完成盲槽加工，目標深度定義為材料厚度的一半。測試的重點是粗糙度和盲槽底部顏色（碳化）方面的質(zhì)量。

在每種材料上對樣品進行多次處理，以獲得最佳參數(shù)和期望的盲槽深度，然后再重復加工樣品，并進行測量。使用Keyence VK-X210激光顯微鏡在設計的正方形圖形部分加工成定深通道后進行表面分析，樣品加工時間由CircuitPro PL軟件計算，結(jié)果如表1所示。加工時間受材料和盲槽深度（約為材料厚度的一半）的影響。

表1：分別使用ProtoLaser U4和R4加工盲槽，加工時間、表面粗糙度值以及結(jié)果指數(shù)，其中指數(shù)低于1表示ProtoLaser U4的優(yōu)勢，指數(shù)高于1表示給定參數(shù)下ProtoLaser R4的優(yōu)勢

05 測試結(jié)果

表1中的測量結(jié)果表明，常見的PCB材料如FR4、Megtron 6和RO4003C（每一種都基于玻璃纖維和樹脂結(jié)構(gòu)）可輕易快速地通過激光加工，但由于其基板材料不均勻，因此加工盲槽后表面質(zhì)量較差。不同的基板材料具有不同的成分，由于設計被應用在不同的場景，因此測試結(jié)果均不同。成本最低的普通FR4基板加工后的盲槽表面粗糙度最差，F(xiàn)R4主要是用來作參考而不是用作最終目標材料。通過比較兩個激光型號在FR4上加工后的結(jié)果表明，ProtoLaser U4比ProtoLaser R4稍有優(yōu)勢，后者速度慢23%，質(zhì)量低10%。為了更好地理解表面粗糙度（Rz）參數(shù)，也與機械銑削進行了比較：Rz=29μm，采用LPKF ProtoMat S104，使用LPKF 0.8mm端面銑刀，轉(zhuǎn)速為80000 rpm，最大進給速度為44 mm/s。此時，機械銑削在表面質(zhì)量和速度方面明顯優(yōu)于激光加工，但如果加工多層板上的盲槽，并且要求盲槽的底部為內(nèi)部銅層（18μm）的時候，機械銑削可能無法完成。

針對Megton和Rogers材料的激光加工可以顯示出ProtoLaser R4皮秒系統(tǒng)在表面質(zhì)量方面的優(yōu)勢，不過加工時間會長一些�？紤]到不同基材的不同厚度，以及在該應用測試中盲槽深度應為材料厚度的一半，可以計算出ProtoLaser U4納秒紫外系統(tǒng)加工Megtron的速度和加工FR4速度一樣（約10mm3/min），加工RO4003C（約25mm3/min）的速度是加工FR4和Megtron的2.5倍。

盲槽表面如表2中的照片所示。在每種情況下，將顯微鏡傾斜并聚焦到樣品的一部分，可以更好地觀察切割深度。

圖4：ProtoLaser R4加工的Rogers RO4003材料定深加工樣品俯視圖

在電路板上開盲槽安裝裸芯片時，也可以通過ProtoLaser直寫刻蝕電路板上的電路圖形，將盲槽加工與電路圖形精確刻蝕放到一個加工過程內(nèi)，可縮短整個加工過程的時間。

表2：由ProtoLaser系統(tǒng)和機械銑削的ProtoMat處理的不同基板的定深雕刻樣品概述（包括用于參考目的）

第二組測試材料不能進行機械銑削加工，這些基板的常見解決方案是激光加工，這些材料不僅用于電子領域，還可用于微流體等領域。由于基底材料均勻堅固，激光定深加工后的表面也更光滑。對于本試驗中所用的四種材料，使用ProtoLaser R4制作的樣品粗糙度明顯較低，而且令人驚訝的是，使用ProtoLaser R4加工合成生成的陶瓷材料（即氧化鋁和LTCC）的加工時間要短得多。目視結(jié)果如表3所示。由于材料較薄，邊緣質(zhì)量與表2中顯示的典型PCB材料一樣。

表3：兩種ProtoLaser系統(tǒng)處理的不同材料定深加工樣品概述

06 實驗結(jié)論

實驗證明，通過CircuitPro軟件中的標準激光參數(shù)設置，使用LPKF ProtoLaser U4和ProtoLaser R4成功實現(xiàn)了目前市場上常用基板材料的激光定深加工。激光燒蝕后，表面有一定的粗糙度，達到目標深度后，如需要，可以再使用不同的激光參數(shù)執(zhí)行附加步驟將表面進一步加工平滑，這種激光拋光過程可能導致材料過熱，而表面變色，應盡可能避免�；�于所選材料的加工結(jié)果，可以預測市場上絕大部分類似電子基板材料的加工結(jié)果。此外，激光直寫PCB圖形與加工盲槽可一步成型，而無需移動PCB或?qū)�PCB進行二次對位，這確保了電路圖形、焊盤與盲槽的精確匹配，也不必考慮二者的先后順序。

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