PCB激光圖形直寫和定深加工一步成型

PCB制作過程中時(shí)常涉及到加工盲槽，設(shè)計(jì)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(yīng)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(huì)增加PCB制作和組裝的復(fù)雜性，因此這些加工需求通常應(yīng)用在HDI板上或其他的特殊應(yīng)用方向。在這份報(bào)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(jī)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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)PCB的鉆孔和切割，加工腔體同樣有效。激光工具的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通過精確控制從而實(shí)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(gè)定深加工應(yīng)用是盲孔工藝，可以通過所有LPKF ProtoLaser系統(tǒng)實(shí)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(huì)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(jìn)行測試，常見的雙面PCB材料（Isola的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)以及準(zhǔn)備工作

測試數(shù)據(jù)由一個(gè)5 mm×5 mm的正方形、一個(gè)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(shè)計(jì)，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(jìn)行處理，對(duì)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(shè)計(jì)是在LPKF CircuitPro PL軟件內(nèi)的Layout界面創(chuàng)建的，也可以導(dǎo)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?yàn)樗�只包括表面金屬的激光燒蝕，在加工時(shí)采用X/Y移動(dòng)或僅X軸移動(dòng)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(dòng)速度通常針對(duì)不同的材料類型可進(jìn)行優(yōu)化，由重復(fù)次數(shù)來確定燒蝕深度，當(dāng)然，加工參數(shù)也會(huì)因ProtoLaser不同型號(hào)中可用的各種激光波長和脈沖寬度而有所不同。

03 設(shè)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(rèn)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(hào)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(duì)較小的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)勢，還可消除對(duì)材料的熱影響。冷燒蝕加工通常速度會(huì)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(shí)間會(huì)更長。

圖2：LPKF ProtoLaser U4

圖3：LPKF ProtoLaser R4

04 過程設(shè)置和測量

由于本實(shí)驗(yàn)所選擇的材料不是多層設(shè)計(jì)，因此我們選擇特定的深度來完成盲槽加工，目標(biāo)深度定義為材料厚度的一半。測試的重點(diǎn)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(duì)樣品進(jìn)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(fù)加工樣品，并進(jìn)行測量。使用Keyence VK-X210激光顯微鏡在設(shè)計(jì)的正方形圖形部分加工成定深通道后進(jìn)行表面分析，樣品加工時(shí)間由CircuitPro PL軟件計(jì)算，結(jié)果如表1所示。加工時(shí)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(shí)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(shè)計(jì)被應(yīng)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(biāo)材料。通過比較兩個(gè)激光型號(hào)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(jī)械銑削進(jìn)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(jìn)給速度為44 mm/s。此時(shí)，機(jī)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(shí)候，機(jī)械銑削可能無法完成。

針對(duì)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(shí)間會(huì)長一些�？紤]到不同基材的不同厚度，以及在該應(yīng)用測試中盲槽深度應(yīng)為材料厚度的一半，可以計(jì)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(shí)，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(gè)加工過程內(nèi)，可縮短整個(gè)加工過程的時(shí)間。

表2：由ProtoLaser系統(tǒng)和機(jī)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(jìn)行機(jī)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(lǐng)域，還可用于微流體等領(lǐng)域。由于基底材料均勻堅(jiān)固，激光定深加工后的表面也更光滑。對(duì)于本試驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，通過CircuitPro軟件中的標(biāo)準(zhǔn)激光參數(shù)設(shè)置，使用LPKF ProtoLaser U4和ProtoLaser R4成功實(shí)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(dá)到目標(biāo)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(jìn)一步加工平滑，這種激光拋光過程可能導(dǎo)致材料過熱，而表面變色，應(yīng)盡可能避免�；�于所選材料的加工結(jié)果，可以預(yù)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(dòng)PCB或?qū)�PCB進(jìn)行二次對(duì)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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