激光钻孔在印制电路板中的应用
引言
作为20世纪人类四大发明之一的激光（又称雷射）技术，已经应用在众多领域：全息影像、打印、照排、制版、雕刻、清洗等等，更是在印刷业表现出其不可替代的作用，其应用领域逐渐扩展到印制电路板(PCB)的制作，激光钻孔便是最具代表特点的操作。激光钻孔技术由于能够满足印制图形精确化、细微化的要求，已经取代了传统的机械方式，促进制作范围的扩展，很大程度上提升了微组装技术，作为一种新型的加工方式登上了历史的舞台。
我于2013年参加了实习工作，从事的是激光钻孔工作，由于我之前所学习的专业为电子测量技术与仪器，在学校里在专业老师的指导下，有了一定的学习方法和实践基础，所以在实习过程中入门很快，但是由于我的专业知识有限，通过这次实习也明确了我的不足之处，半年来的时间我熟知激光钻孔的各项原理、特点、应用等，本文将逐一介绍此类内容。
一、激光的特性
（一）高度单色性
光线波长主要以可视光与不可视光做简易区分，人类可视光范围为波长400-700nm。激光：是单色光，波长一致；太阳光：是混合光
（二）高度相干性
高度相干性是指两个有周期性或规则行的波相遇而形成的现象。一波之波峰（谷）加上另一波之波峰（谷）则形成建设性干涉，亦即有明亮的条纹。激光：干涉条纹可维持2-3km；太阳光：干涉条纹仅约2-3mm
（三）高度平行性
高度平行性是指雷射于共振腔内来回振荡数十次，最后穿出共振腔形成雷射束，如果雷射光束前进方向稍有不平行，即有可能消失在雷射共振腔中，因此雷射光束具有很好的方向性及光束平行性。
二、激光钻孔的原理
激光钻孔技术作为激光加工技术的主要应用技术之一，最先成功实现了实用化,其本质就是将激光光束聚焦在需要加工的零件上，实现光能和热能之间的转 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
变。激光钻孔是利用适量能通量密度的激光脉冲加工工件材料的过程，在过程中材料以液相、气相或部分以固相形式脱离出去。辐射脉冲一开始发射，最先脱离的是具有喷射流性质的蒸汽相，在孔径和深度的不断增加的过程中，在飞溅物中占很大比重并形成于侧壁和底部的材料逐渐融化，受到压力而被排挤出来。在脉冲辐射接近结束的时候，飞溅物的排出量随着能通量密度的减小而减少，逐渐降低的过程中，液相成为飞溅物中的主要部分，在接近材料被破坏时表面形成烙化。在一个激光脉冲结束后，被加工工件的特定位置就出现了一个凹坑，持续作用后，凹坑变得深而大，在反复作用后，想要得到的孔洞就形成了。
激光系统结构
三、激光钻孔的特点
线路板上的微孔制作问题以及线路板成型问题作为激光加工的热点不仅在中国更在国外产生了轰动，激光加工凭借其优越性带来了巨大的利益。激光钻孔技术也因激光具有高相干性、高方向性、高亮度、高单色性等特性，显现出了机械钻孔无法比拟的优势。激光束能量密度高，操作速度快，而且对于没有接受激光辐射的部位不会产生太大影响。热影响区域小，工件受热产生的变形最小;激光束可以用来导向、聚焦、变换方向，配合数控系统、加工各类工件，是一种非常灵活方便的加工方法，提高了生产效率和加工质量。
（一）激光打孔速度快,效率高,经济效益好
激光打孔是用以功率密度为l07-109W/cm2的激光光束对工件进行瞬时操作,打孔速度极快。将高能的激光仪器和机床控制系统相配合,经微处理操作，效率可以提高l0-1000倍。
CO2激光钻孔机
（二）激光打孔可获得大的深径比
深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标，激光束打孔使参数得到提高，能够得到比传统钻孔打孔方法更大的深径比。通常来说,采用机械钻孔及电火花打孔方法得到的深径比值小于等于10。
（三）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行
加工材料中既有金属材料也有非金属材料，生活中更常见的红蓝宝石、陶瓷、金刚石等都是具有高强度、高硬度、加工容易硬化、化学性质不稳定等性质的非金属材料。这类材料采用传统技术很难加工，而采用新型的高能激光束打孔方法可以突破对机械性能的要求，克服加工过程中阻力大、温度高、工具易损坏、表面粗糙不规则等问题，使打孔问题得到解决。在我国，钟表制作行业所用的宝石轴承基本都是采用激光光束打孔。同时利用激光对金刚石打孔也非常常见。用YAG激光在在1l.5mm厚的65Mn上可打出深径比为l9:1的小孔，厚度为5.5mm的硬质合金打出的深径比高达l4:1，在l0mm厚的坚硬的氮化矽陶瓷上可轻松打出直径为0.6mm的小孔，在易变形的弹性材料上可以稳定打出小孔，這些都是激光光束的力量。
（四）激光打孔减少工具损耗
激光打孔是不需要直接接触的加工方式，这样可以避免机械钻打小孔时钻头易损坏的问题，也简单的解决了打掉折断的钻头的问题，不会因钻头损坏而使整个工件报废，减少了工具损耗，也节约了加工成本，需要注意的是激光打孔设备也需要精密的瞄准装置作支撑，才可提高准确率。
因为激光打孔是一种蒸发型的、无需接触的加工过程，跟常规热丝穿孔和机械穿孔相比，不会产生残渣，从而使加工出的工件清洁卫生环保。另外这种加工方式操作时间短，材料不会受到氧化、变形的影响，操作的地点也不受限制，不论空气中、真空中还是其它条件下都可进行。综上所述，激光是一种质量高、速度快的实用打孔工具。
四、激光钻孔在印制电路板中的应用
CO2激光是目前PCB钻孔中应用最广泛的一种激光，最大加工孔径直径达到40 m。其操作的基本原理是：CO2气体在功率提高和保证放电时间不变的情况下，能够生成实用脉冲式红外激光（波长9 400 nm ~ 10 600 nm），它具有穿透性，能够穿透绝大多数的有机物材料。常见的CO2激光器的波长是9 400 nm，可以钻孔径为40 m ~ 200 m的微孔，孔深比达1:1，钻孔速度达3孔/秒。为使孔底保持平整，需要对激光束调整，通常每个孔要钻2次~3次。
CO2激光器基本结构
绝大多数有机物材料都有热效应，通过吸收红外线波长来提高能量。红外线的这种光热效应被应用于CO2激光钻机，可以烧蚀有机物（即光热烧蚀），形成连通性盲孔。其工作原理是：激光源发射出激光光束，通过整形光束，经光栅孔判断光束直径，再经光学系统折射，由反射镜本身的X、Y和机台的X、Y台面共同作用，形成电流计式。它的操作原理为：X定位系统将大板面划成多个小区域（最大为50 mm × 50 mm，为提高加工精度，一般采用30 mm × 30 mm），在各区域局部采用特殊的镜面，微调反射进行区域内各加工孔的X、Y定位。一个区域内的孔加工完成后再移动到下一个区域加工，由于它的区域内部通过镜面微调反射来定位，因此对温、湿度要求非常严格，一般湿度控制为（50±10）%，室内温度（22±1）℃。RCC材料易吸收红外线激光能量，在激光钻孔中一般采用分步激光脉冲即三次脉冲能量依次降低的加工技术，这种方法更容易加工出质量好的盲孔。
CO2激光对盲孔的加工主要利用了红外线的热效应。每一种物质（材料）对CO2激光波长吸收都不一样，大部分有机树脂材料都能强烈吸收红外线波长，并转化为热能。操作时需要把握好激光的峰值功率，因为不同的钻孔材料对温度有不同要求。为避免影响钻孔的金属化质量，得到质量优良的红外线激光微盲孔，推荐采用不含增强玻璃纤维的材料而不要使用对红外线波长吸收率低的金属铜和玻璃纤维等。但当对客户对介质厚度或印制电路板的硬度有特殊要求时，可以选用含增强玻璃纤维的材料。用CO2激光加工有增强玻璃纤维的介质层时，可能会出现玻璃纤维头突出的现象，这是因为激光光束能量不够大，这时要注意增大盲孔孔壁数，但光束能量加大时，也可能造成内层铜表面炭化或分层现象。现在经常用的CO2激光钻孔的介质材料是涂树脂铜箔所以不适于铜箔钻孔，只能采用紫外线（UV）Nd-YAG（钕-钇铝石榴石）激光（利用光化裂蚀）。多采用的二极管脉冲激励的激光束，形成不需要经过水冷却的激光密封系统，属于紫外光谱区的这类激光的光点小能量大热量小，铜箔与玻璃纤维在这一区域内吸光能力很强，可以穿透铜箔与玻璃布而形成小孔，又不会像CO2激光钻孔那样生成污染，为后续的加工提供了方便。国际研究中，将 CO2激光和UV激光组合激光结合起来，发挥了更好的作用。
作为20世纪人类四大发明之一的激光（又称雷射）技术，已经应用在众多领域：全息影像、打印、照排、制版、雕刻、清洗等等，更是在印刷业表现出其不可替代的作用，其应用领域逐渐扩展到印制电路板(PCB)的制作，激光钻孔便是最具代表特点的操作。激光钻孔技术由于能够满足印制图形精确化、细微化的要求，已经取代了传统的机械方式，促进制作范围的扩展，很大程度上提升了微组装技术，作为一种新型的加工方式登上了历史的舞台。
我于2013年参加了实习工作，从事的是激光钻孔工作，由于我之前所学习的专业为电子测量技术与仪器，在学校里在专业老师的指导下，有了一定的学习方法和实践基础，所以在实习过程中入门很快，但是由于我的专业知识有限，通过这次实习也明确了我的不足之处，半年来的时间我熟知激光钻孔的各项原理、特点、应用等，本文将逐一介绍此类内容。
一、激光的特性
（一）高度单色性
光线波长主要以可视光与不可视光做简易区分，人类可视光范围为波长400-700nm。激光：是单色光，波长一致；太阳光：是混合光
（二）高度相干性
高度相干性是指两个有周期性或规则行的波相遇而形成的现象。一波之波峰（谷）加上另一波之波峰（谷）则形成建设性干涉，亦即有明亮的条纹。激光：干涉条纹可维持2-3km；太阳光：干涉条纹仅约2-3mm
（三）高度平行性
高度平行性是指雷射于共振腔内来回振荡数十次，最后穿出共振腔形成雷射束，如果雷射光束前进方向稍有不平行，即有可能消失在雷射共振腔中，因此雷射光束具有很好的方向性及光束平行性。
二、激光钻孔的原理
激光钻孔技术作为激光加工技术的主要应用技术之一，最先成功实现了实用化,其本质就是将激光光束聚焦在需要加工的零件上，实现光能和热能之间的转 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
变。激光钻孔是利用适量能通量密度的激光脉冲加工工件材料的过程，在过程中材料以液相、气相或部分以固相形式脱离出去。辐射脉冲一开始发射，最先脱离的是具有喷射流性质的蒸汽相，在孔径和深度的不断增加的过程中，在飞溅物中占很大比重并形成于侧壁和底部的材料逐渐融化，受到压力而被排挤出来。在脉冲辐射接近结束的时候，飞溅物的排出量随着能通量密度的减小而减少，逐渐降低的过程中，液相成为飞溅物中的主要部分，在接近材料被破坏时表面形成烙化。在一个激光脉冲结束后，被加工工件的特定位置就出现了一个凹坑，持续作用后，凹坑变得深而大，在反复作用后，想要得到的孔洞就形成了。
激光系统结构
三、激光钻孔的特点
线路板上的微孔制作问题以及线路板成型问题作为激光加工的热点不仅在中国更在国外产生了轰动，激光加工凭借其优越性带来了巨大的利益。激光钻孔技术也因激光具有高相干性、高方向性、高亮度、高单色性等特性，显现出了机械钻孔无法比拟的优势。激光束能量密度高，操作速度快，而且对于没有接受激光辐射的部位不会产生太大影响。热影响区域小，工件受热产生的变形最小;激光束可以用来导向、聚焦、变换方向，配合数控系统、加工各类工件，是一种非常灵活方便的加工方法，提高了生产效率和加工质量。
（一）激光打孔速度快,效率高,经济效益好
激光打孔是用以功率密度为l07-109W/cm2的激光光束对工件进行瞬时操作,打孔速度极快。将高能的激光仪器和机床控制系统相配合,经微处理操作，效率可以提高l0-1000倍。
CO2激光钻孔机
（二）激光打孔可获得大的深径比
深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标，激光束打孔使参数得到提高，能够得到比传统钻孔打孔方法更大的深径比。通常来说,采用机械钻孔及电火花打孔方法得到的深径比值小于等于10。
（三）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行
加工材料中既有金属材料也有非金属材料，生活中更常见的红蓝宝石、陶瓷、金刚石等都是具有高强度、高硬度、加工容易硬化、化学性质不稳定等性质的非金属材料。这类材料采用传统技术很难加工，而采用新型的高能激光束打孔方法可以突破对机械性能的要求，克服加工过程中阻力大、温度高、工具易损坏、表面粗糙不规则等问题，使打孔问题得到解决。在我国，钟表制作行业所用的宝石轴承基本都是采用激光光束打孔。同时利用激光对金刚石打孔也非常常见。用YAG激光在在1l.5mm厚的65Mn上可打出深径比为l9:1的小孔，厚度为5.5mm的硬质合金打出的深径比高达l4:1，在l0mm厚的坚硬的氮化矽陶瓷上可轻松打出直径为0.6mm的小孔，在易变形的弹性材料上可以稳定打出小孔，這些都是激光光束的力量。
（四）激光打孔减少工具损耗
激光打孔是不需要直接接触的加工方式，这样可以避免机械钻打小孔时钻头易损坏的问题，也简单的解决了打掉折断的钻头的问题，不会因钻头损坏而使整个工件报废，减少了工具损耗，也节约了加工成本，需要注意的是激光打孔设备也需要精密的瞄准装置作支撑，才可提高准确率。
因为激光打孔是一种蒸发型的、无需接触的加工过程，跟常规热丝穿孔和机械穿孔相比，不会产生残渣，从而使加工出的工件清洁卫生环保。另外这种加工方式操作时间短，材料不会受到氧化、变形的影响，操作的地点也不受限制，不论空气中、真空中还是其它条件下都可进行。综上所述，激光是一种质量高、速度快的实用打孔工具。
四、激光钻孔在印制电路板中的应用
CO2激光是目前PCB钻孔中应用最广泛的一种激光，最大加工孔径直径达到40 m。其操作的基本原理是：CO2气体在功率提高和保证放电时间不变的情况下，能够生成实用脉冲式红外激光（波长9 400 nm ~ 10 600 nm），它具有穿透性，能够穿透绝大多数的有机物材料。常见的CO2激光器的波长是9 400 nm，可以钻孔径为40 m ~ 200 m的微孔，孔深比达1:1，钻孔速度达3孔/秒。为使孔底保持平整，需要对激光束调整，通常每个孔要钻2次~3次。
CO2激光器基本结构
绝大多数有机物材料都有热效应，通过吸收红外线波长来提高能量。红外线的这种光热效应被应用于CO2激光钻机，可以烧蚀有机物（即光热烧蚀），形成连通性盲孔。其工作原理是：激光源发射出激光光束，通过整形光束，经光栅孔判断光束直径，再经光学系统折射，由反射镜本身的X、Y和机台的X、Y台面共同作用，形成电流计式。它的操作原理为：X定位系统将大板面划成多个小区域（最大为50 mm × 50 mm，为提高加工精度，一般采用30 mm × 30 mm），在各区域局部采用特殊的镜面，微调反射进行区域内各加工孔的X、Y定位。一个区域内的孔加工完成后再移动到下一个区域加工，由于它的区域内部通过镜面微调反射来定位，因此对温、湿度要求非常严格，一般湿度控制为（50±10）%，室内温度（22±1）℃。RCC材料易吸收红外线激光能量，在激光钻孔中一般采用分步激光脉冲即三次脉冲能量依次降低的加工技术，这种方法更容易加工出质量好的盲孔。
CO2激光对盲孔的加工主要利用了红外线的热效应。每一种物质（材料）对CO2激光波长吸收都不一样，大部分有机树脂材料都能强烈吸收红外线波长，并转化为热能。操作时需要把握好激光的峰值功率，因为不同的钻孔材料对温度有不同要求。为避免影响钻孔的金属化质量，得到质量优良的红外线激光微盲孔，推荐采用不含增强玻璃纤维的材料而不要使用对红外线波长吸收率低的金属铜和玻璃纤维等。但当对客户对介质厚度或印制电路板的硬度有特殊要求时，可以选用含增强玻璃纤维的材料。用CO2激光加工有增强玻璃纤维的介质层时，可能会出现玻璃纤维头突出的现象，这是因为激光光束能量不够大，这时要注意增大盲孔孔壁数，但光束能量加大时，也可能造成内层铜表面炭化或分层现象。现在经常用的CO2激光钻孔的介质材料是涂树脂铜箔所以不适于铜箔钻孔，只能采用紫外线（UV）Nd-YAG（钕-钇铝石榴石）激光（利用光化裂蚀）。多采用的二极管脉冲激励的激光束，形成不需要经过水冷却的激光密封系统，属于紫外光谱区的这类激光的光点小能量大热量小，铜箔与玻璃纤维在这一区域内吸光能力很强，可以穿透铜箔与玻璃布而形成小孔，又不会像CO2激光钻孔那样生成污染，为后续的加工提供了方便。国际研究中，将 CO2激光和UV激光组合激光结合起来，发挥了更好的作用。
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