激光钻机能量下降分析

2022-09-02张亚辉徐兰甫齐兴国

印制电路信息 2022年7期

张亚辉徐兰甫齐兴国

（珠海中京电子电路有限公司，广东珠海 519100）

0 前言

随着5G时代的到来，印制电路板（PCB）的精细化和密度越来越高，其中高密度互连（HDI）板得到迅猛发展。CO2激光钻孔工序是HDI板生产中的核心工序,设备价值昂贵，同时产值也很高。有害气体造成激光机能量下降是几乎所有HDI板工厂都出现过的问题。当有害气体进入光路后，CO2激光钻机能量下降，造成批量性品质异常，有时还需较长时间才能稳定下来。这样严重影响了正常生产及品质。研究能量下降的成因、采取预防措施、提出解决方案成为亟须改善的主要课题。

1 光能量衰减的原因分析

1.1 Lambert-Beer（郎伯-比尔）定律

自然界有些物质分子会吸收一定波长的光，从低能态跃迁到高能态。另一方面激光经过某些气体会产生散射，偏离了预期位置，使得预期位置能量不足。

Lambert-Beer定律是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度（c）和吸收池物质层厚度（b）间的关系的定律，是光吸收的基本定律。

Lambert-Beer定律可简述如下：

当一束平行的单色光通过含有均匀的吸光物质的吸收池（液体或气体）时，光的一部分被吸收池物质吸收，一部分透过吸收池物质，一部分被吸收池表面反射；

设：入射光强度为I0，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，反射光强度为Ir，则它们之间的关系应为：I0＝Ia＋It＋Ir

则A＝-lgT＝K·b·c

此即Lambert-Beer定律的数学表达式。Lambert-Beer定律可表述为：当一束平行的单色光通过吸光物质时，物质的吸光度（A）与物质（液体或气体）的浓度（c）和厚度（b）的乘积成正比。它是分光光度法定量分析的依据。图1所示是光的吸收示意图，吸收段在透镜L1与L2之间，这里厚度（b）为L。

图1 光的吸收示意图

1.2 有害气体

在PCB行业实际生产中，影响CO2激光能量的主要气体有氟利昂（空压机、干燥机冷媒），四氟化碳（等离子机所用）、天拿水（稀释剂），异丙醇、酸性气体、烟雾等。表1所示是三菱公司针对CO2激光钻机提供的部分有害气体清单。表1中大部分为液体，由于这部分液体沸点低，其蒸汽影响CO2激光能量。通常一些新建工厂由于对CO2激光钻机了解不多，施工时对周边环境没有管控，就会因能量衰减造成品质异常，甚至停机，给出货产生很大影响。

表1 影响CO2激光的有害气体表

1.3 激光经过有些气体层会产生散射

在激光钻机正常生产时，能量密度较高的激光光束经过光罩（MASK）落到工件上，MASK是圆形中间有孔的铜片，MASK孔的大小决定了生产板上的加工孔径。（如图2所示）为简化了光路上其他镜片的正常生产示意图。当有害气体进入光路后，由于折射率不同，形成凹透镜现象，激光光束扩散放大，单位面积内的能量密度变低，经过MASK后，落到工件上的能量下降，导致报废。（如图3所示）为有害气体进入光路的示意图。

图2 正常生产示意图

图3 有害气体进入光路的示意图

2 验证结果

（1）将氟利昂R114a释放一点，能量由10 mJ在3 s内立即衰减到0.01 mJ。氟利昂很低的浓度就会造成能量迅速衰减。

（2）将油漆放在机器旁搅拌一下，能量由10 mJ在3 s内立即衰减到7.07 mJ。

通过两次实验的验证，很小浓度的氟利昂都会导致能量迅速下降。在空压机、干燥机保养维修加注冷媒时，尤其要特别注意先停止生产。油漆也会造成能量下降，新建工厂施工项目多，施工方大多情况下对此不了解，很容易边施工边生产，致使能量缩减，造成品质异常。

3 改善探讨

3.1 改善措施

（1）加强施工监控，建立施工审批机制，有施工且影响到激光加工时先通知生产停机。

（2）新厂规划建设时尽量设计激光车间压缩气独立供气，并保持正压。

（3）空压机进风口与其他区域尽量隔离，防止其他地方有害气体串入压缩气。

（4）采购高灵敏度氟利昂气体检测仪便于查找氟利昂泄露点。尽量采购PID光离子检测方式、分辨率0.01×10-6、量程（0～100）×10-6的检测仪。

（5）修改参数使能量检测加严，生产参数中pulse energy alarm由30%修改到15%，超出15%即报警，再修改c:\pbanlogsensorsensorlog.ini中的文件Warning_H_R2096=200项和Warning_H_R2026=200项，由200修改到100，提高气体传感器灵敏度（根据供应商建议修改）。如果加严机出现报警立即停止所有机台，以减少批量性报废。

（6）通常激光车间与棕化车间是相连的，棕化车间有酸性气体，也会对能量有影响，同时，酸性气体会腐蚀激光钻机Fθ透镜（价格非常贵），激光车间和棕化车间应只开一道小自动门过板，两个车间之间应尽量隔离。