职称论文_激光在PCB板加工中的应用.doc

题目激光在PCB板雕刻中的应用作 者 郑国平所在公司 天津市德中技术发展有限公司从事岗位 研发工程师 完成日期 二一一年六月 【摘 要】目前中国铜加工行业主要还是采用机械雕刻的方法来形成一定深度的图案，根据激光加工材料的机理，把激光技术应用在铜板加工中，比较了用激光直接加工和用激光去除涂层然后腐蚀出所需图形的两种加工方法。本文研究了各种激光器对涂层的的影响，各种参数对腐蚀后的效果的影响，优选出了最适合的激光器。【关键词】激光 铜板 涂层 腐蚀目 录激光在铜板上去除抗蚀剂的试验研究1一、背景知识11.激光的基本知识12.铜板的加工现状2二、激光加工铜板的相关问题31.激光加工铜板工艺的选择32.影响激光加工的主要工艺参数3三、使用的设备：4四、激光加工铜板试验情况4五、结果分析9参考文献10 激光在PCB板雕刻中的应用一、 背景知识1. 激光的基本知识激 光 - LASER，字面的意思概括了激光产生的过程-受激辐射光放大常见的几种激光器l 光纤激光器：固体激光器，工作物质是含镱光纤芯，激励方式为半导体泵浦。光纤激光器发出的激光波长为：1060-1080nm 。 光纤激光器是过去5年中发展起来的一项新技术，具有可靠性高、免维护以及光斑模式好等特点，已经在雕刻领域获得了广泛应用。与其他类型的激光器相比，光纤激光器由于具备脉宽短、重复频率高、峰值功率大等优点，在雕刻加工时，大大减少了热效应带来的负面影响，使得加工品质更加卓越，加工效率也大大提高l CO激光器：工作物质是CO气体，激励方式为电激励。CO2激光器发出的激光波长为：10600nm(=10.6m)l NdYAG激光器：固体激光器，工作物质是NdYAG晶体，激励方式有两种：半导体泵浦和（氪）灯泵浦。Nd：YAG激光器发出的激光波长为：1064nm（=1.064m)l 紫外激光：355nm紫外光聚焦光斑极小,且加工热影响区微乎其微，因而主要用于超精细打标、特殊材料打标及雕刻，但是价格昂贵。激光加工技术是当代两大高科技激光和计算机的结晶产品，70年代末期，开始应用于工业加工，80年代在欧美工业国家获得广泛应用。近年来以其卓越的性能已经广泛应用于各行各业。激光加工已经在很多领域取代传统的加工方式而成为常规的加工方式，甚至形成新的工业标准。激光加工的基本优点可以概括为：应用范围广泛：激光加工可以在钢铁、铝、铜、钛、金银等不同金属与合金的表面及陶瓷、玻璃、塑料、橡胶、木材等各种非金属的表面刻下永久标记。对于各种材料已经几乎无所不能。加工效率高：计算机控制下的激光光束可以高速移动(每秒57米的线速度)通常的加工过程均可以在数秒内完成。一个标准计算机键盘的加工可以在12秒内完成。激光加工系统均配备计算机控制系统，可以与高速流水生产线灵活配合。开发速度快：由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程，即可实现激光加工输出，并可随时变换加工设计，从根本上替代传统的模具制作过程。为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供了有力工具。加工精度高：激光可以形成极细光束，在材料表面的最细线宽可以达到0.05毫米。为精密加工和防伪开创出宽广的空间。不仅可以打印出复杂的图形、商标设计、条形码、两维码，甚至可打印亲笔签字。任何显示在荧光屏上的图形都可以马上打印在指定的材料表面。激光加工还可以提高产品外观形象和名牌效应，增加产品的市场竞争能力。维护成本低：激光加工是非接触式加工，不受通常模具加工的疲劳使用寿命的限制。在批量加工使用中的维护成本极低。社会效益好：激光加工为非接触式加工，节约能源，相对于化学腐蚀法，无污染；相对于机械式加工，无噪音。是对于传统加工方式最好的替代方式。激光雕刻机是当今世界上高新科技产品，产品光、机、电一体化技术含量很高。激光雕刻具有高效快捷、精准、清晰的自动化雕刻功能。l 激光为什么可以在材料表面留下痕迹？激光聚焦后在具有很大的能量密度，瞬间高温可以使接触到的材料发生熔融、汽化或炭化，形成永久性痕迹。任何材料对某一波长的激光都有一定的透光率、吸收率和反射率。吸收率越大，透光率和反射率越小，就越容易在材料表面留下痕迹。激光可以在绝大部分材料表面留下痕迹，但是否真正适合，还要看标记是否满足客户的审美、工艺和速度（生产）的要求。激光几乎可以对任何材料进行加工，但受到激光发射器功率的限制，大多数的激光雕刻切割机进行加工的材料主要以非金属材料为主，通常情况下，铜是不能被激光雕刻的。2. 铜板的加工现状主要还是用数控雕刻机加工，存在刀具容易折断，不能加工精细的图案花纹，加工后的粗糙度高，还需要抛光工序，雕刻速度慢，噪音大，污染环境，而且能源消耗也比较大。二、 激光加工铜板的相关问题1. 激光加工铜板工艺的选择 本文题目：激光如何在铜板上加工出精细的图案文字，形成所需图形。目前，激光加工技术已经广泛应用在各行各业，但是，一般来说，由于铜的反射率高、对激光的吸收率低，散热迅速，很难用激光对其进行雕刻。第一种加工方法是直接用激光去除铜的方法直接产生图形文字。当激光冲击金属表面，使金属表面极快速升温，并跳过液相而气化。经激光扫描铜板表面，部分铜被气化而与留下的铜形成有一定深度的图形和文字。在金属雕刻应用中，激光光束就像雕刻时使用的凿刀，将多余的金属材料凿掉。激光金属雕刻分为浅雕和深雕两种。通常浅雕的雕刻深度为310um；深雕的深度一般较深，具体深度取决于不同的材料、所用激光的功率以及雕刻的时间。当需要雕刻较深时，往往需要功率较大，雕刻时间太长，不能进入实际使用。激光在金属雕刻方面较传统的机械式金属雕刻具有很多优点，其中最大的优点是激光雕刻无需与被雕刻的工件接触，因此省去了许多夹具和刀具。另外激光雕刻的高精度特性，也特别适用于复杂图形的加工。第二种加工方法是2. 影响激光加工的主要工艺参数激光的波长：不同的激光器有不同的波长，不同的材料对哪种波长的激光吸收效果不同。激光的功率：与频率配合，产生一个功率密度，即在单位时间内在单位面积上受的激光辐照强度。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。一般来说当频率和速度一定时，当功率大于某个阈值时材料才会被汽化去除。激光的频率：脉冲频率和光斑大小、加工的速度相互匹配才能达到足够的重叠率，使得加工出的线路边缘整齐，没有锯齿。一般来说，速度越大，需要更大的频率设置才能使边缘整齐，同时也需要增加功率，以增大功率密度，保证材料汽化所需要的功率密度。加工的速度：尽量快以提高加工效率，但是速度快，需要频率和功率的相应加大。离焦量：必须在焦点上，因为离焦后光斑变大，加工的线路变粗，且功率变弱，不适合去除材料了。三、 使用的设备： l 500mW紫外激光打标机l 10W和30W CO2激光打标机l 50W 半导体侧泵浦YAG激光打标机l 20W光纤激光打标机理论分析：因为CO2激光适合非金属的加工，对于抗蚀剂应该有较大的作用，而对下面的铜层应该没有什么伤害。 YAG激光器适合金属和薄膜的加工也能快速切割薄膜，但是对铜层也会有损伤； 光纤激光器的效果同YAG的，光斑更细，对铜层有损伤四、 激光加工铜板试验情况紫外机参数设置: 紫外机加工参数参数加工速度（bit/ms）脉冲频率（KHZ）脉冲宽度（us）加工次数激光切割时间（s）12001402115 秒加工线宽在0.03mm左右，边缘整齐无毛刺加工图片： CO2激光机参数设置:CO2激光机加工参数参数加工速度（bit/ms）脉冲频率（KHZ）功率（%）加工次数激光切割时间（s）1200510015 秒加工线宽在0.3mm左右，很粗，边缘整齐无毛刺，未打干净，可观察到残留有抗蚀剂。.腐蚀后效果没有变化，说明抗蚀剂有残留，没有腐蚀到铜。加大功率放慢速度后仍有残留，而且线条变的更粗。因为条件限制没有在更大功率的CO2机上继续试验，但从目前的结果分析即便能够去除干净，线宽也很难做到很小。加工图片： CO2机加工后腐蚀前CO2机加工后腐蚀后半导体侧泵浦YAG激光机参数设置YAG激光机加工参数参数加工速度（bit/ms）脉冲频率（KHZ）电流（A）加工次数激光切割时间（s）1300312.517 秒2300201517 秒3300201817 秒42002019111秒5300312.5第一遍7 秒3001015第二遍7 秒加工线宽在0.08mm左右，较紫外光机粗，但是比CO2机细很多。频率小时如参数1所示，边缘有明显的锯齿，提高频率可以使边缘整齐无毛刺，功率也需相应提高，否则就打不干净，如参数2加工后，虽然观察到很干净了，但是腐蚀后可以看到没有被腐蚀干净，说明仍然没有打干净。.提高功率后解决，参数3就加工后去腐蚀，效果相当好。继续加大功率，而且放慢速度，如参数4所示，铜层也被相当程度的损伤了，最后腐蚀的效果表明这对最终效果没有任何影响，因为损伤的铜被彻底腐蚀掉了。也可先小频率扫一遍，再用大频率即可打的很干净，边缘也整齐如参数5所示。加工图片： 参数1腐蚀前参数1腐蚀后参数2腐蚀前参数2腐蚀后参数3腐蚀前参数3腐蚀后参数4腐蚀前参数4腐蚀后参数5腐蚀前参数5腐蚀后光纤激光机参数设置光纤激光机加工参数参数加工速度（bit/ms）脉冲频率（KHZ）功率（%）加工图形激光切割时间（s）13002020大图7 秒23002020小图7 秒加工线宽在0.04mm左右，较紫外光机粗，但是比YAG机细。功率很小就能加工的很干净，腐蚀后效果良好，唯一不足是放大后边缘较差，仔细观察可以发现锯齿来源于填充线的头和尾，调整起始延时后边缘良好。加工图片： 光纤加工腐蚀前光纤加工腐蚀后光纤加工腐蚀后光纤加工腐蚀前放大图光纤加工腐蚀后放大图 五、 结果分析1、CO2激光器就目前试验情况看确实不适合加工抗蚀膜的工艺，原因一是剥不干净，膜融化后附在了表面上，没有产生汽化；原因二是光斑较粗，功率小，速度快时也有0.2mm以上，功率稍大就到了0.4mm;2、半导体侧泵激光器可以胜任剥抗蚀膜的任务，最好是低频和高频混合使用效果良好，线宽在0.080.12之间;价格便宜，可用国产激光器设备；3、光纤激光器最适合加工抗蚀膜，因为它的波长与半导体侧泵激光器接近，剥除效果更好，边缘也可以调到很整齐，更重要的是光斑较细，可到0.04mm左右。且可以直接剥铜；价格较贵。4、紫外机线条最细，而且边缘整齐，价格最贵。光斑大小比较图如下：最后结论：在选