У минулому номері журналу ми познайомили вас з одним із способів виготовлення макетів друкованих плат в лабораторних умовах. Починаючи з 1976 року компанія LPKF виробляє свердлильно-фрезерні верстати сімейства ProtoMat, що дозволяють виготовляти друковані плати методом фрезерування ізольованих доріжок на поверхні фольгованого матеріалу.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Петров Михайло


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2002


    Журнал

    Компоненти і Технології


    Наукова стаття на тему 'Лазерна обробка матеріалів в електроніці'

    Текст наукової роботи на тему «Лазерна обробка матеріалів в електроніці»

    ?KiT # 25 (8) _Olia.qxd 4/8/05 6:36 PM Page 164

    Компоненти і технології, № 8'2002

    Продовження. Початок о № 7'2002

    лазерна обробка

    матеріалів в електроніці

    У минулому номері журналу ми познайомили вас з одним із способів виготовлення макетів друкованих плат в лабораторних умовах. Починаючи з 1976 року компанія LPKF виробляє свердлильно-фрезерні верстати сімейства ProtoMat, що дозволяють виготовляти друковані плати методом фрезерування ізолюючих доріжок на поверхні фольгованого матеріалу. І вже більше 25 років продукція LPKF користується стійким попитом серед розробників електронних приладів.

    За цей час змінилося не одне покоління верстатів. Росла їх продуктивність, росла точність. Останні моделі верстатів сімейства ProtoMat дозволяють свердлити в заготівлі плати отвори з мінімальним діаметром 0,2 мм і фрезерувати провідні доріжки з мінімальною шириною 100 мкм і такими ж ізолюючими проміжками між доріжками.

    Про

    Texi

    гии

    Михайло Петров

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Але час не стоїть на місці - електронні прилади стають все складніше, а габарити готового виробу стрімко скорочуються. Згадайте, адже зовсім недавно стільниковий телефон навіть і не називався «мобільним». Це був ящик в пару кілограмів вагою і з відповідними габаритами. А сучасний апарат, незважаючи на значно зрослу складність, за своїми розмірами вже впритул наблизився до коробку сірників. Така мініатюризація була б немислима без використання сучасної елементної бази в сверхминиатюрном виконанні.

    Для мініатюрних компонентів і друкована плата потрібна вже зовсім інша. З'явився навіть новий термін HDI (High Density Interconnect board) - сполучна плата високої щільності. Виробництво таких плат вже неможливо без формування перехідних отворів діаметром менше 40 мкм і друкованих провідників шириною менше 50 мкм. І тут сучасні технології зайшли в глухий кут: ні механічна, ні хімічна технологія вже не здатні

    забезпечити необхідну точність. Але вихід був знайдений - лазерна обробка матеріалів.

    ЬРЮ РгоГоЬавег

    На першому етапі, поки велися подальші пошуки оптимального рішення, був випущений проміжний варіант верстата для лазерної обробки друкованих плат - ЬРКБ ProtoLaser. Це пристрій дозволило не тільки майже вдвічі підвищити точність виготовлення (провідники шириною 60 мкм з зазором між ними 40 мкм), але і зберегти своєрідну спадкоємність поколінь. Адже ProtoLaser є додатковою приставку до стандартного свердлильно-фрезерному верстаті ProtoMat 958 (рис. 1).

    Лазерна головка ProtoLaser закріплена безпосередньо на робочій голівці верстата ProtoMat. Така комбінована конструкція поєднала в собі кращі риси обох технологій - механічної та лазерної. Працюючи в тісному контакті, обидві технології взаємно доповнюють один одного і значно розширюють функціональні можливості обладнання.

    Використання механічних інструментів дозволяє швидко просвердлити отвори в платі і зняти проводить покриття в місцях, які не потребують високої точності. Тому нескладні плати можна взагалі обробити без використання лазера. Якщо ж необхідної точності механічного інструменту не вистачає, то вже не обійтися без лазерної обробки. Сфокусований лазерний промінь забезпечує випаровування мідної фольги в вузьких проміжках між провідниками. Малий діаметр плями фокусування дозволяє довести мінімальну відстань між провідними доріжками до 40 мкм - вдвічі точніше механічного методу.

    Лазерна обробка може використовуватися також для остаточного доведення вже профрезеро-ванною плати. За допомогою лазерного променя можна

    Компоненти і технології, № 8'2002

    видалити залишилася в проміжках між друкованими провідниками провідну стружку або усунути інші дефекти механічної обробки.

    Лазерна обробка друкованих плат

    Незважаючи на відносну простоту і високі технічні параметри комбінованої лазерно-механічної системи, ідеальне рішення все одно складалося б в розробці порівняно недорогого повністю лазерного пристрою, що дозволяє за допомогою єдиного лазерного джерела як обробляти проводить покриття на поверхні, так і свердлити отвори в матеріалі плати. У процесі досліджень взаємодії лазерного випромінювання з різними матеріалами, використовуваними в електронній промисловості, стало зрозуміло, що виготовити одне універсальне пристрій на всі випадки життя не представляється можливим. Тому подальші розробки розділилися на кілька окремих напрямків.

    Свердлильно-фрезерний верстат для обробки друкованих плат

    Перше і найочевидніше напрямок складалося в простій заміні механічного свердлильно-фрезерного верстата на повний його лазерний аналог. Такий верстат повинен здійснювати свердління перехідних або наскрізних отворів в широкому класі полімерних матеріалів, використовуваних при виготовленні друкованих плат, а також фрезерування ізолюючих доріжок в металевій фользі.

    Не секрет, що процес лазерного руйнування матеріалу вже став провідним методом виготовлення прецизійних отворів в друкованих платах. Але в більшості таких систем використовується потужний С02 лазер, що працює в інфрачервоному спектральному діапазоні. Випромінювання інфрачервоного лазера добре поглинається органічним матеріалом підкладки і дозволяє здійснити свердління і обрізку плат. Але воно не здатне проникнути через мідне покриття плати і практично не поглинається в ньому. Тому перед свердлінням отворів потрібно розтин мідного покриття плати хімічним або механічним методом.

    Оптимальне рішення полягає у використанні для обробки плати ультрафіолетового лазера з довжиною хвилі 250 ... 350 нм.

    На такій довжині хвилі більшість металів, використовуваних для формування провідного покриття друкованих плат, має коефіцієнт поглинання більш 50% і легко випаровується при достатній потужності випромінювання. Тим же лазером обробляється і полімерний матеріал самої плати. Причому більша енергія фотонів, складова в цій області спектра 3,5 ... 7 еВ, викликає руйнування хімічних зв'язків, і видалення полімерного матеріалу здійснюється не тільки за рахунок його випаровування, але і за рахунок процесу фотохімічного руйнування.

    При використанні ультрафіолетового лазера повний цикл обробки друкованої плати

    може бути виконаний з використанням одного і того ж джерела випромінювання. Необхідно тільки жорстко контролювати його вихідну потужність. Адже для формування провідних доріжок в металевому покритті плати потрібно щільність потужності більше 4 Дж / см2, в той час як процес руйнування полімерних матеріалів підкладки здійснюється при щільності потужності близько 100 мДж / см2.

    Друга перевага використання ультрафіолетового лазера полягає в малому діаметрі сфокусованого променя. Наприклад, лазерний промінь з довжиною хвилі 355 нм зазвичай без проблем фокусується в пляма діаметром близько 20 мкм. Це дозволяє безпосередньо формувати таким променем перехідні отвори діаметром менше 50 мкм. Для CO2 лазера діаметр плями фокусування становить зазвичай близько 70 мкм, що вимагає обов'язкового використання спеціальних масок для формування променя необхідного діаметра.

    LPKF MicroLine Drill

    Наведена вище концепція була реалізована компанією LPKF в приладі, що отримав назву MicroLine Drill. Як джерело випромінювання в верстаті MicroLine Drill використовується Nd: YAG лазер, що працює на 3-й гармоніці. Випромінювання лазера з довжиною хвилі 355 нм добре поглинається як полімерними матеріалами підкладок друкованих плат, так і міддю або іншими металами, використовуваними для формування провідного покриття. Завдяки високій енергії фотонів на цій довжині хвилі, руйнування полімерного матеріалу підкладки здійснюється не тільки за рахунок його випаровування, але і за рахунок фотохімічного руйнування. В результаті стінки оброблюваного отвори залишаються практично холодними і не потрібно подальших операцій з видалення продуктів плавлення матеріалу. «Холодна» обробка дозволяє уникнути також виникнення внутрішніх теплових напружень в оброблюваному матеріалі і його залишкової деформації.

    Оптична конструкція верстата складається з джерела лазерного випромінювання, дзеркальної відхиляє, що працює під управлінням комп'ютера, і спеціальної фокусує системи. Відхиляє забезпечує векторне управління скануванням променя по ділянці робочої поверхні площею 55x55 мм 2. Потім опрацьований матеріал переміщається під лазерною головкою за допомогою координатного столу, і здійснюється обробка інших ділянок плати. Фокусуються система завжди забезпечує необхідний напрям лазерного променя під прямим кутом до поверхні оброблюваного матеріалу (рис. 2).

    Механічна частина верстата розташовується на масивній гранітній плиті, прецизионно відполірованої до досягнення поверхневої точності не гірше 3 мкм. Робочий стіл встановлений на повітряній підвісці і приводиться в рух за допомогою лінійних електродвигунів. точність позиціонування

    контролюється спеціальними датчиками, що гарантує повторюваність переміщення з точністю не гірше 1 мкм. Вмонтований в поверхню столу оптичний датчик дозволяє скорегувати оптичні спотворення по всій області сканування. Відповідний масив коригувальних коефіцієнтів заноситься в пам'ять комп'ютера і використовується в подальшому для корекції положення лазерного променя в процесі сканування. Весь процес калібрування виконується автоматично і займає близько 1 хвилини.

    Опрацьований матеріал закріплюється на вакуумному столі зі стільниковою структурою осередків. Відхилення в положенні оброблюваного матеріалу реєструються за спеціальними реперних точок за допомогою ПЗС-камери високої роздільної здатності і надалі компенсуються програмно. Будь-яка неплоскому-ність оброблюваного матеріалу реєструється спеціальним датчиком поверхні з дозволом 1 мкм, і ці дані використовуються для програмного управління фокусуванням лазерного променя.

    Основні технічні параметри верстата LPKF Laser Drill наведені в таблиці 1.

    Таблиця 1. Основні технічні параметри

    верстата LPKF Laser Drill

    Робоча область 640x560x50 мм

    Товщина матеріалу 50 мкм ... 40 мм

    Швидкість обробки отворів до 250 відп. / С (d = 50 мкм, 17 мкм мідь + 50 мкм полімер)

    Діаметр оброблюваних отворів 30 ... 300 мкм

    Швидкість обробки ізолюючих доріжок до 300 мм / с, в залежності від матеріалу

    Ширина ізолюючих доріжок > 20 мкм

    Вхідні формати даних Gerber, HPGL, Sieb&Meier, Excellon

    Довжина хвилі лазера 355 нм

    Частота повторення імпульсів 10 ... 50 кГц

    Тривалість імпульсу > 140 нс

    Область сканування 50x50 мм

    Привід робочого столу лінійні електродвигуни

    Підвіска робочого столу повітряна

    Повторюваність переміщення столу ± 1 мкм

    Кріплення плати вакуумне

    Прив'язка до поверхні по реперних точок за допомогою ПЗС-камери

    Розмір верстата 2300x1650x1500 мм

    Вага верстата 3500 кг

    Розмір лазерного джерела 600x950x1800 мм

    Розмір скануючої головки 5300x600x900 мм

    Мал. 2. Зовнішній вигляд верстата LPKF MicroLine Drill

    Є

    Компоненти і технології, № 8'2002

    Texi

    ії

    Лазерне випромінювання великої потужності

    Сі

    Лазерне випромінювання малої потужності

    Діелектрична m Сі

    діелектрична ni

    Зняття мідного покриття

    Лазерне випромінювання великої потужності

    діелектрична

    підкладка

    свердління

    отвори в підкладці

    металізація

    отвори

    Мал. 3. Послідовність лазерної обробки перехідних отворів в платах

    Мал. 6. Послідовність лазерної обробки ізолюючих доріжок

    Обробка отворів

    Обробка прецизійних перехідних отворів в багатошарових матеріалах здійснюється в три етапи (рис. 3):

    1. З необхідної ділянки поверхні плати знімається проводить покриття. Це здійснюється за щільності потужності випромінювання, достатньою для випаровування металевого покриття. Коли на поверхні плати залишається досить тонкий шар металу, випромінювання лазера починає частково проникати крізь нього, досягаючи матеріалу підкладки. Тому остаточне видалення провідного покриття здійснюється не тільки за рахунок випаровування самого металу, але і за рахунок вибухового руйнування матеріалу підкладки, зриває з поверхні залишки фольги. Після закінчення першого етапу обробки в необхідних місцях поверхні плати проводить покриття знято, і матеріал підкладки під цими ділянками частково зруйнований.

    2. Щільність потужності лазерного випромінювання знижується до рівня, оптимального для обробки полімерного матеріалу підкладки, і здійснюється подальша обробка отвору. Оскільки потужності випромінювання вже не вистачає для випаровування металу, то коли отвір досягає наступного шару фольги, його руйнування не відбувається - поверхню фольги покривається мікроскопічними раковинами, що забезпечують необхідну шорсткість поверхні.

    У разі, якщо перехідний отвір має з'єднувати три і більше шарів друкованої плати, то потужність лазера знову підвищується для проходу крізь наступний провідний шар, і обробка повторюється з першого етапу. Після закінчення другого етапу обробки ми маємо готове отвір в платі, вже очищене від сторонніх матеріалів та з шорстким дном (рис. 4).

    3. На третьому етапі здійснюється металізація перехідного отвору будь-яким доступним способом (рис. 5). При цьому відмінне зчеплення матеріалу металізації з внутрішнім шаром фольги досягається завдяки шорсткості її поверхні, отриманої в результаті обробки на другому етапі.

    Обробка доріжок на поверхні плати

    Обробка ізолюючих доріжок в провідному покритті друкованої плати здійснюється також поетапно (рис. 6). Справа в тому, що при малій товщині фольги потужне випромінювання ультрафіолетового лазера починає проникати крізь шар металу і руйнує матеріал підкладки під оброблюваною ділянкою. Тому процес обробки вимушено розбивається на два етапи:

    1. Випромінювання ультрафіолетового лазера великої потужності використовується для випаровування металевого покриття на поверхні плати. Коли залишкова товщина покриття складає всього одиниці мікрон, лазерна обробка припиняється, щоб уникнути руйнування матеріалу підкладки.

    2. Подальше видалення провідного покриття здійснюється стандартним хімічним способом. Але оскільки травленням необхідно зняти всього кілька мікронів провідника, то процес протікає досить швидко і практично не викликає подтравливания провідних доріжок.

    В результаті комбінованої лазернохіміческой обробки матеріалу стає можливим сформувати на поверхні плати структуру провідних доріжок з шириною і відстанню між ними, приблизно рівними первісної товщині провідного покриття. Мінімальні ж розміри структури визначаються ді-

    діаметром плями фокусування і складають близько 20 мкм. Фотографія поверхні друкованої плати після лазерної обробки представлена ​​на рис. 7.

    Обробка полімерних захисних масок

    Випромінювання ультрафіолетового лазера дозволяє формувати прецизійні структури не тільки в мідній фользі, але і в інших матеріалах. За допомогою верстата LPKF Laser Drill стає можливою прецизійна обрізка друкованих плат, формування отворів складної форми в матеріалі самої плати або в покритті на її поверхні. Типовим прикладом може служити виготовлення захисної маски, використовуваної при поверхневому монтажі компонентів. Обробляється полімерна захисна маска вже після нанесення її на поверхню плати. На наступному малюнку представлений фрагмент захисної маски, призначеної для монтажу на поверхню друкованої плати мікросхеми в корпусі BGA. Діаметр отворів в масці становить близько 50 мкм.

    Компоненти і технології, № 8'2OO2

    E

    Полімерна підкладка Лазерне формування з покриттям малюнка

    Мал. 9. Процес формування провідних доріжок на поверхні полімерного матеріалу

    Покриття міддю, нікелем або золотом

    Пряме лазерне формування провідної структури

    В основу альтернативного методу формування провідної структури на поверхні плати лягла проста думка: якщо вже видалення надлишків фольги пов'язане з великими проблемами, навіщо ж взагалі наносити фольгу на ті ділянки поверхні, з яких її доведеться згодом видаляти? Досить сформувати необхідний малюнок доріжок на тонкому проміжному шарі, і потім хімічно наростити провідні доріжки до потрібної товщини.

    Проведені дослідження показали, що шар металу товщиною 20 ... 100 нм, нанесений на поверхню полімерної підкладки, може бути легко видалений при опроміненні поверхні ультрафіолетовим лазером вже при щільності потужності порядку 50 ... 200 мДж / см2. Випромінювання лазера, проникаючи крізь металеве покриття, викликає взривоподібний руйнування матеріалу підкладки, що знімає з поверхні шар металу навіть без його випаровування. Необхідна для цього щільність потужності значно нижче рівня, при якому настає руйнування самого металу, і може бути легко досягнута без фокусування лазерного випромінювання. Це дозволяє використовувати для формування малюнка високопродуктивну проекційну установку. На рис. 9 схематично представлений процес формування провідних доріжок на поверхні полімерного матеріалу.

    Матеріал підкладки, використовуваної для лазерного формування провідної структури, повинен відповідати певним вимогам:

    • повинен бути сертифікований для використання в промисловості;

    • мати відповідні електричні, механічні та температурні параметри;

    • допускати можливість лазерної обробки поверхні без руйнування основного обсягу;

    • володіти дуже хорошим зчепленням з проміжним покриттям;

    • повинен бути хімічно стійкий по відношенню до реактивів, які використовуються для осадження основного провідного покриття.

    В якості одного з відповідних для лазерної обробки матеріалів може використовуватися поліамід. Після належної підготовки поверхні і сушки на полиамидное підставу напилюється проміжний шар хрому товщиною близько 20 нм і потім мідне або золоте покриття товщиною не більше 100 нм. Максимальна товщина покриття обмежена тим, що як поверхневий шар міді, так і проміжний шар

    хрому повинні бути прозорими для ультрафіолетового випромінювання використовуваного лазера. Прозорість металевого покриття гарантує виникнення плазми на межі поділу між металевим покриттям і поліамідної підкладкою. Формування необхідної структури відбувається не в результаті плавлення металевого покриття, а в результаті миттєвого випаровування матеріалу підкладки, що приводить до видалення металу з поверхні.

    лазерне обладнання

    Для формування необхідного малюнка на поверхні підкладки була розроблена спеціальна лазерна система, що отримала назву LPKF Microline Laser II (рис. 10). На рис. ll коротко проілюстровано принцип її дії.

    Як джерело випромінювання використовується ексимерний лазер з довжиною хвилі 248 нм. Інтенсивність лазерного випромінювання регулюється в широких межах за допомогою діелектричного атенюатора. Спеціальна оптична система розширює лазерний промінь до поперечних розмірів 27x13 мм і максимально вирівнює потужність випромінювання по всьому поперечним перерізом променя. Далі лазерне випромінювання пропускається крізь робочу маску, виготовлену з кварцового скла з хромовим напиленням малюнка, і проектується за допомогою об'єктиву на поверхню оброблюваного матеріалу. Коефіцієнт зменшення зображення маски, що становить 2: 1, з одного боку, дозволяє обробляти за один імпульс порівняно велику площу, а з іншого боку, забезпечує роботу маски при щільності потужності значно меншою порога руйнування хромового покриття. Після обробки ділянки поверхні опрацьований матеріал і хромова маска синхронно переміщаються за допомогою окремих координатних столів, і обробляється сусідній

    Мал. 10. Зовнішній вигляд верстата LPKF Microline Laser II

    ділянку поверхні. Область переміщення маски становить 300x300 мм, що з урахуванням дворазового зменшення зображення дозволяє обробляти матеріал підкладки на площі l50x 130 мм.

    Основні технічні параметри верстата LPKF Microline Laser II наведені в таблиці 2.

    Таблиця 2. Основні технічні параметри верстата LPKF Microline Laser II

    Область переміщення оброблюваного матеріалу 230x200 мм

    Максимальні розміри оброблюваної ділянки 150x150 мм

    Мінімальна ширина провідників і проміжків між ними 15 мкм

    Дозвіл системи 2 мкм

    Максимальна продуктивність 10 см2 / с

    Максимальна потужність лазера 50 Вт

    Робоча довжина хвилі 248 нм

    Після створення необхідної структури на поверхні підкладки для остаточного формування провідних доріжок використовується будь-яка стандартна промислова установка для хімічного осадження міді. Після закінчення повного циклу обробки на поверхні полімерної підкладки формується необхідний малюнок провідних доріжок шириною >15 мкм і товщиною порядку декількох мікрон.

    Мал. 12. Фрагмент друкованої плати, виготовленої методом прямого лазерного формування провідної структури

    е

    Компоненти і технології, № 8'2002

    На рис. 12 приведена фотографія фрагмента друкованої плати, виготовленої методом прямого лазерного формування провідної структури.

    3D-MID

    Ми розглянули два різні способи лазерної обробки друкованих плат для сучасних електронних приладів. Ну, а якщо подивитися на проблему зовсім з іншого боку: що таке взагалі друкована плата і для чого вона потрібна? Це всього-на-всього полімерна або керамічна підкладка з контактними майданчиками для установки компонентів і проводять сполучними доріжками. Плата встановлюється всередину корпусу приладу, в багатьох випадках також полімерного. Так чи не простіше взагалі відмовитися від використання додаткової друкованої плати і змонтувати всі компоненти безпосередньо на внутрішній поверхні корпусу?

    І прямо на поверхні сформувати з'єднувальні провідники. Адже вміємо ж ми формувати провідні доріжки на платі, а сам корпус принципово нічим від неї не відрізняється - хіба тільки більш складною формою.

    Ця думка стала відправною точкою для подальшої мініатюризації устаткування і суміщення електричних і механічних функцій в одному виробі, виготовленому з використанням технології, що отримала назву 3D-MID (3-Dimentional Mould Interconnect Devices). При використанні цієї технології сам корпус приладу стає своєрідною тривимірної друкованою платою.

    До недавнього часу для нанесення проводять покриттів на поверхню полімерних матеріалів використовувалися різні методи, наприклад, ламінування з використанням металевої фольги, напилення провідного покриття або електрохімічне осадження міді. Саме останній спосіб найбільш підходив для формування тривимірних проводять покриттів. Але все одно технологічний цикл формування сполучних доріжок залишався порівняно складним. Адже в більшості випадків проводить покриття наносилося на всю поверх-

    Тех1

    ії

    ність вироби. Для цього поверхню необхідно було очистити від забруднень, механічно обробити для досягнення необхідної шорсткості поверхні, активувати за рахунок нанесення спеціального каталізатора і потім нанести проводить покриття хімічним або електрохімічним методом. А після всього цього, як і при виробництві звичайних друкованих плат, слід було нанесення фоторезиста, експонування, прояв і, нарешті, травлення провідного покриття.

    А якщо спробувати кардинально скоротити весь виробничий цикл? Необхідно тільки знайти спосіб селективної активації поверхні полімерного матеріалу. І тоді подальше осадження провідного покриття буде здійснюватися не на всю поверхню виробу, а тільки на активовані її ділянки. Це дозволяє безпосередньо сформувати необхідну структуру провідних доріжок на поверхні підкладки.

    Численні експерименти підтвердили можливість здійснення селективної активації поверхні різних ізоляторів. Один з таких методів і був використаний компанією LPKF при розробці технології, що отримала назву LPKF-LDS (Laser Direct Structuring) - пряме лазерне структурування. Основою цього процесу стали розроблені компанією LPKF спеціальні модифіковані полімерні матеріали. Якими ж властивостями повинен володіти такий матеріал?

    1. Це повинен бути полімер з хорошими ізолюючими властивостями, достатньою механічною міцністю і придатний для стандартного технологічного циклу формування полімерних виробів. Саме тому в якості основи для подальшої модифікації застосовуються стандартні матеріали, широко використовувані в електронній промисловості. На даний момент вже освоєний промисловий випуск модифікованих полімерів на основі поліпропілену, полібутилен-терефталату і частково ароматизованого поліаміду.

    2. В результаті лазерної обробки матеріалу на його поверхні повинна утворитися шорстка структура, що забезпечує після осадження провідного покриття

    його міцне зчеплення з полімерною основою. Для цього до складу матеріалу вводиться спеціальний наповнювач зі значно більш високою стійкістю до лазерного випромінювання. При обробці такого композитного матеріалу лазерним випромінюванням певної потужності відбувається локальне руйнування матеріалу основи, але частинки наповнювача і втікають, виступаючи над поверхнею полімеру і забезпечуючи необхідну шорсткість поверхні і хороше зчеплення з металевим покриттям.

    3. Поки залишилося відкритим основне питання - необхідно якимось чином забезпечити виникнення центрів металізації на ділянках поверхні, оброблених лазерним променем.

    В результаті багаторічних досліджень різних матеріалів вибір зупинився на металоорганічних комплексах, що містять паладій (Р ^ +) або мідь (Си2 +). У нормальному стані такі комплексні сполуки мають гарні електроізолюючими властивостями і стійкі до впливу високих температур. Хороша сумісність ме-таллорганіческіх комплексів з полімерною основою і матеріалом наповнювача дозволяють вводити його до складу композитного матеріалу безпосередньо в процесі його виробництва. До замовнику полімерний композит надходить уже в повністю готовому вигляді.

    Сам по собі металлорганические комплекс не має каталітичної активністю по відношенню до процесу металізації поверхні. Обробка матеріалу ультрафіолетовим лазером викликає не тільки руйнування поверхневого шару полімерного матеріалу. Відбувається також руйнування хімічних зв'язків в комплексі і частинки металу, що утворилися в результаті розпаду сполуки, служать в якості затравки при подальшій металізації доріжок.

    В результаті використання технології прямого лазерного структурування весь цикл виробництва тривимірного вироби скоротився всього до трьох операцій: формування полімерного вироби, лазерного структурування і металізації провідних доріжок.

    Операція формування здійснюється на стандартному технологічному обладнанні і відрізняється тільки використанням в якості сировини одного з розроблених компанією ЬРКБ полімерних композитних матеріалів. Завдяки тому що механічні і температурні параметри матеріалів дуже близькі до параметрів основотвірний полімеру, в багатьох випадках не потрібно навіть перенастроювання устаткування.

    Після формування виріб надходить на лазерну обробку. Селективне структурування поверхні здійснюється сфокусованим променем ультрафіолетового лазера. При певній щільності потужності лазерного випромінювання відбувається селективне випаровування полімерного матеріалу основи без руйнування частинок її наповнювача. Тому після обробки поверхня набуває необхідний ступінь шорсткості. Одночасно з цим в місцях опромінення

    Компоненти і технології, № 8'2002

    відбувається розпад металоорганічного комплексу, що входить до складу матеріалу. Утворилися в результаті розкладання частки металу залишаються на оброблених ділянках поверхні виробу і служать центрами металізації при подальшій обробці.

    Металізація провідних доріжок здійснюється стандартними методами хімічного осадження міді. Завдяки тому що центри металізації виникають тільки на оброблених лазером ділянках, а вся решта поверхню виробу хімічно пасивна, мідне покриття осідає тільки в необхідних місцях поверхні. Хімічним методом легко формуються провідні доріжки товщиною до 10 мкм. У разі необхідності формування більш товстих доріжок виріб може бути вміщено велектролітичні ванну, де товщина покриття доводиться до необхідної величини.

    лазерне обладнання

    Для обробки поверхні тривимірних виробів використовується спеціально розроблена компанією LPKF лазерна система 3D Laser (рис. 14).

    пляма фокусування по тривимірної поверхні об'єкту. Тому крім двох керованих дзеркал відхиляє використовується додатковий оптичний елемент, що забезпечує переміщення фокуса в поздовжньому напрямку. В результаті сканування променя здійснюється за обсягом 200x200x50 мм 3. Оптична схема системи 3D Laser приведена на рис. 15.

    У до X

    Мал. 1S. Оптична схема установки LPKF 3D

    Laser

    Як джерело випромінювання в цій системі використовується Nd: YAG лазер, що працює на 3-й гармоніці з довжиною хвилі 355 нм. Мала довжина хвилі лазерного випромінювання дозволяє сфокусувати промінь в пляма малого діаметра, що забезпечує необхідну для обробки матеріалу щільність потужності, і дозволяє обробляти прецизійні провідні доріжки шириною близько 20 мкм. На виході джерела випромінювання встановлений спеціальний дифракційну оптичний елемент, який здійснює вирівнювання щільності потужності по поперечному перерізі лазерного променя. Завдяки цьому забезпечується більш рівномірна обробка поверхні матеріалу і на краях оброблюваної ділянки не виникає областей часткового підплавлення.

    Для переміщення сфокусованого лазерного променя по поверхні виробу використовується спеціальна дзеркальна відхиляє. Причому, на відміну від інших лазерних верстатів LPKF, призначених для обробки плоских матеріалів, в системі 3D Laser необхідно переміщати

    Необхідно відзначити, що використання верстата LPKF 3D Laser не обмежується тільки прямим лазерним структуруванням поверхні. У деяких випадках, наприклад, при монтажі порівняно потужних схем, які потребують виготовлення провідних доріжок великої ширини або товщини, метод прямого лазерного структурування може виявитися економічно недоцільним. Зручніше нанести проводить покриття на всю поверхню виробу з наступним травленням друкованих провідників. У цьому випадку установка LPKF 3D Laser може використовуватися або для експонування фоторезиста, або для прямого його видалення з необхідних ділянок поверхні перед її травленням. На рис. 17 наведено приклад виготовлення малогабаритного паяльника з використанням лазерної обробки фоторезиста. В цьому випадку експонування фоторезиста крізь контактну маску було неможливим через наявність елементів конструкції, значно виступають над поверхнею плати.

    Але навіть тривимірне управління лазерним променем може не дозволити обробити всю поверхню виробу. Адже при його складній формі можливе утворення затінених ділянок поверхні. Тому саме оброблюваний виріб закріплюється на координатному столі з ще п'ятьма (!) Ступенями свободи. Позиціонування по горизонтальних осях здійснюється в діапазоні 200x200 мм з точністю ± 4 мкм, діапазон переміщення по вертикальній осі становить 300 мм ± 3 мкм. Крім цього, забезпечується обертання заготовки навколо вертикальної осі в діапазоні 360 ° з точністю 10 "і навколо горизонтальній осі в діапазоні ± 90 ° з точністю 10". Лазерний промінь досягне практично будь-якої ділянки поверхні.

    На рис. 16 наведено приклад виготовлення корпусу вимірювального приладу методом прямого лазерного структурування. Всі деталі вимірювальної схеми змонтовані безпосередньо на внутрішній поверхні корпусу.

    висновок

    У цій статті ми розповіли ще про один напрямок діяльності компанії ЬРКБ. У порівнянні зі звичайними методами лазерна обробка матеріалів дозволяє не тільки значно підвищити точність виготовлення друкованих плат, але і виводить процес виробництва на нові технічні рівні - формування сполучних плат високої щільності або створення провідної структури на тривимірної поверхні виробів.

    Але використання технології лазерної обробки матеріалів не обмежується безпосередньо обробкою самих плат. Лазерна обробка завойовує все більшого поширення, наприклад, в традиційних методах поверхневого монтажу компонентів. Якщо раніше трафарети для нанесення паяльної пасти на поверхню друкованої плати виготовлялися найчастіше методом травлення, то тепер і тут на зміну хімічним прийшли лазерні методи обробки. Це дозволило не тільки значно підвищити якість і точність при виробництві трафаретів, а й перейти до використання принципово інших матеріалів. Але про це - в наступній статті.

    Мал. 17. Малогабаритний паяльник, виготовлений шляхом лазерної обробки фоторезиста

    Про


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити