PCB激光图形直写和定深加工一步成型

PCB制作过程中时常涉及到加工盲槽，设计盲槽的目的比如降低板厚，将组件连接到电路板内层、裸芯片组装、或其他某些特殊应用，还可用于多层板内层天线的开窗后连接光纤。这种槽体或腔体会增加PCB制作和组装的复杂性，因此这些加工需求通常应用在HDI板上或其他的特殊应用方向。在这份报告中，使用两种不同的LPKF ProtoLaser系统测试了激光定深加工的可能性以及加工后的表面质量。

01 激光技术是盲槽和盲腔加工的理想工具

定深机械铣刻似乎是一种最简单的解决方案，但因刀具最小直径的限制，对于HDI PCB板的制作，尤其是打样加工，激光技术已经是一种最合适的选择，是可以在各个维度上高精度加工盲槽和盲腔的理想工具。

特定波长的激光不仅可以实现PCB的钻孔和切割，加工腔体同样有效。激光工具的一个主要优点是通过精确控制从而实现定深加工，例如仅加工材料表面上的铜层。除了创建盲腔之外，另一个定深加工应用是盲孔工艺，可以通过所有LPKF ProtoLaser系统实现。

基底包含了不同材料，比如FR4中的玻璃纤维和树脂组合，这样加工基底盲腔的难度会更大。为了说明和更好地理解激光盲腔加工，我们选用如下几种材料进行测试，常见的双面PCB材料（Isola的标准FR4、Panasonic的Megton 6和Rogers RO4003C）、玻璃（SHOTT AF 32玻璃）、聚酰亚胺（Kap ton®）和陶瓷（Dupont的LTCC®）™ 和Al2O3）亚基材料。

02 样品设计以及准备工作

测试数据由一个5 mm×5 mm的正方形、一个直径为5 mm的圆形和一条宽度为1 mm的曲线组成。这种简单的设计，有小有大，可以将各种材料参数展示出来，沿长轴和圆弧进行处理，对操作者来说非常有用。样品的外形尺寸为24 mm x 7 mm；雕刻（盲槽）区域（图1中红色区域内的白色区域）的尺寸为22 mm x 5 mm，面积为110.5 mm²。

图1:  测试数据

简单的几何图形设计是在LPKF CircuitPro PL软件内的Layout界面创建的，也可以导入矢量格式（如DXF、Gerber或simi-lar）数据。这种样品的加工流程很简单，因为它只包括表面金属的激光烧蚀，在加工时采用X/Y移动或仅X轴移动即可。不同材料的激光加工参数不同，频率、功率和激光移动速度通常针对不同的材料类型可进行优化，由重复次数来确定烧蚀深度，当然，加工参数也会因ProtoLaser不同型号中可用的各种激光波长和脉冲宽度而有所不同。

03 设备选择

最畅销的LPKF ProtoLaser U4能够处理大部分选定的测试材料，此次测试的主要目的是确认LPKF ProtoLaser R4是否能做得更好。ProtoLaser U4使用紫外纳秒激光源，而ProtoLaserR4使用绿光皮秒光源。R4型号具有较小的聚焦光斑，即使透明材料也能良好的吸收它的激光，并且可以在所谓的冷烧蚀状态下工作，这一特性为激光精确刻蚀相对较小的设计提供了优势，还可消除对材料的热影响。冷烧蚀加工通常速度会比较慢，而较小直径的激光束需要更多的激光轨迹叠加来去除待加工区域，因此加工时间会更长。

图2：LPKF ProtoLaser U4

图3：LPKF ProtoLaser R4

04 过程设置和测量

由于本实验所选择的材料不是多层设计，因此我们选择特定的深度来完成盲槽加工，目标深度定义为材料厚度的一半。测试的重点是粗糙度和盲槽底部颜色（碳化）方面的质量。

在每种材料上对样品进行多次处理，以获得最佳参数和期望的盲槽深度，然后再重复加工样品，并进行测量。使用Keyence VK-X210激光显微镜在设计的正方形图形部分加工成定深通道后进行表面分析，样品加工时间由CircuitPro PL软件计算，结果如表1所示。加工时间受材料和盲槽深度（约为材料厚度的一半）的影响。

表1：分别使用ProtoLaser U4和R4加工盲槽，加工时间、表面粗糙度值以及结果指数，其中指数低于1表示ProtoLaser U4的优势，指数高于1表示给定参数下ProtoLaser R4的优势

05 测试结果

表1中的测量结果表明，常见的PCB材料如FR4、Megtron 6和RO4003C（每一种都基于玻璃纤维和树脂结构）可轻易快速地通过激光加工，但由于其基板材料不均匀，因此加工盲槽后表面质量较差。不同的基板材料具有不同的成分，由于设计被应用在不同的场景，因此测试结果均不同。成本最低的普通FR4基板加工后的盲槽表面粗糙度最差，FR4主要是用来作参考而不是用作最终目标材料。通过比较两个激光型号在FR4上加工后的结果表明，ProtoLaser U4比ProtoLaser R4稍有优势，后者速度慢23%，质量低10%。为了更好地理解表面粗糙度（Rz）参数，也与机械铣削进行了比较：Rz=29μm，采用LPKF ProtoMat S104，使用LPKF 0.8mm端面铣刀，转速为80000 rpm，最大进给速度为44 mm/s。此时，机械铣削在表面质量和速度方面明显优于激光加工，但如果加工多层板上的盲槽，并且要求盲槽的底部为内部铜层（18μm）的时候，机械铣削可能无法完成。

针对Megton和Rogers材料的激光加工可以显示出ProtoLaser R4皮秒系统在表面质量方面的优势，不过加工时间会长一些。考虑到不同基材的不同厚度，以及在该应用测试中盲槽深度应为材料厚度的一半，可以计算出ProtoLaser U4纳秒紫外系统加工Megtron的速度和加工FR4速度一样（约10mm3/min），加工RO4003C（约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。在每种情况下，将显微镜倾斜并聚焦到样品的一部分，可以更好地观察切割深度。

图4：ProtoLaser R4加工的Rogers RO4003材料定深加工样品俯视图

在电路板上开盲槽安装裸芯片时，也可以通过ProtoLaser直写刻蚀电路板上的电路图形，将盲槽加工与电路图形精确刻蚀放到一个加工过程内，可缩短整个加工过程的时间。

表2：由ProtoLaser系统和机械铣削的ProtoMat处理的不同基板的定深雕刻样品概述（包括用于参考目的）

第二组测试材料不能进行机械铣削加工，这些基板的常见解决方案是激光加工，这些材料不仅用于电子领域，还可用于微流体等领域。由于基底材料均匀坚固，激光定深加工后的表面也更光滑。对于本试验中所用的四种材料，使用ProtoLaser R4制作的样品粗糙度明显较低，而且令人惊讶的是，使用ProtoLaser R4加工合成生成的陶瓷材料（即氧化铝和LTCC）的加工时间要短得多。目视结果如表3所示。由于材料较薄，边缘质量与表2中显示的典型PCB材料一样。

表3：两种ProtoLaser系统处理的不同材料定深加工样品概述

06 实验结论

实验证明，通过CircuitPro软件中的标准激光参数设置，使用LPKF ProtoLaser U4和ProtoLaser R4成功实现了目前市场上常用基板材料的激光定深加工。激光烧蚀后，表面有一定的粗糙度，达到目标深度后，如需要，可以再使用不同的激光参数执行附加步骤将表面进一步加工平滑，这种激光抛光过程可能导致材料过热，而表面变色，应尽可能避免。基于所选材料的加工结果，可以预测市场上绝大部分类似电子基板材料的加工结果。此外，激光直写PCB图形与加工盲槽可一步成型，而无需移动PCB或对PCB进行二次对位，这确保了电路图形、焊盘与盲槽的精确匹配，也不必考虑二者的先后顺序。

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