激光鉆機(jī)能量下降分析

張亞輝 徐蘭甫 齊興國(guó)

（珠海中京電子電路有限公司，廣東 珠海 519100）

0 前言

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，印制電路板（PCB）的精細(xì)化和密度越來(lái)越高，其中高密度互連（HDI）板得到迅猛發(fā)展。CO2激光鉆孔工序是HDI板生產(chǎn)中的核心工序,設(shè)備價(jià)值昂貴，同時(shí)產(chǎn)值也很高。有害氣體造成激光機(jī)能量下降是幾乎所有HDI板工廠都出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題。當(dāng)有害氣體進(jìn)入光路后，CO2激光鉆機(jī)能量下降，造成批量性品質(zhì)異常，有時(shí)還需較長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)。這樣嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)及品質(zhì)。研究能量下降的成因、采取預(yù)防措施、提出解決方案成為亟須改善的主要課題。

1 光能量衰減的原因分析

1.1 Lambert-Beer（郎伯-比爾）定律

自然界有些物質(zhì)分子會(huì)吸收一定波長(zhǎng)的光，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。另一方面激光經(jīng)過(guò)某些氣體會(huì)產(chǎn)生散射，偏離了預(yù)期位置，使得預(yù)期位置能量不足。

Lambert-Beer定律是說(shuō)明物質(zhì)對(duì)單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)的濃度（c）和吸收池物質(zhì)層厚度（b）間的關(guān)系的定律，是光吸收的基本定律。

Lambert-Beer定律可簡(jiǎn)述如下：

當(dāng)一束平行的單色光通過(guò)含有均勻的吸光物質(zhì)的吸收池（液體或氣體）時(shí)，光的一部分被吸收池物質(zhì)吸收，一部分透過(guò)吸收池物質(zhì)，一部分被吸收池表面反射；

設(shè)：入射光強(qiáng)度為I0，吸收光強(qiáng)度為Ia，透過(guò)光強(qiáng)度為It，反射光強(qiáng)度為Ir，則它們之間的關(guān)系應(yīng)為：I0＝Ia＋I(xiàn)t＋I(xiàn)r

則A＝-lgT＝K·b·c

此即Lambert-Beer定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。Lambert-Beer定律可表述為：當(dāng)一束平行的單色光通過(guò)吸光物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)的吸光度（A）與物質(zhì)（液體或氣體）的濃度（c）和厚度（b）的乘積成正比。它是分光光度法定量分析的依據(jù)。圖1所示是光的吸收示意圖，吸收段在透鏡L1與L2之間，這里厚度（b）為L(zhǎng)。

圖1 光的吸收示意圖

1.2 有害氣體

在PCB行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，影響CO2激光能量的主要?dú)怏w有氟利昂（空壓機(jī)、干燥機(jī)冷媒），四氟化碳（等離子機(jī)所用）、天拿水（稀釋劑），異丙醇、酸性氣體、煙霧等。表1所示是三菱公司針對(duì)CO2激光鉆機(jī)提供的部分有害氣體清單。表1中大部分為液體，由于這部分液體沸點(diǎn)低，其蒸汽影響CO2激光能量。通常一些新建工廠由于對(duì)CO2激光鉆機(jī)了解不多，施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境沒(méi)有管控，就會(huì)因能量衰減造成品質(zhì)異常，甚至停機(jī)，給出貨產(chǎn)生很大影響。

表1 影響CO2激光的有害氣體表

1.3 激光經(jīng)過(guò)有些氣體層會(huì)產(chǎn)生散射

在激光鉆機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)，能量密度較高的激光光束經(jīng)過(guò)光罩（MASK）落到工件上，MASK是圓形中間有孔的銅片，MASK孔的大小決定了生產(chǎn)板上的加工孔徑。（如圖2所示）為簡(jiǎn)化了光路上其他鏡片的正常生產(chǎn)示意圖。當(dāng)有害氣體進(jìn)入光路后，由于折射率不同，形成凹透鏡現(xiàn)象，激光光束擴(kuò)散放大，單位面積內(nèi)的能量密度變低，經(jīng)過(guò)MASK后，落到工件上的能量下降，導(dǎo)致報(bào)廢。（如圖3所示）為有害氣體進(jìn)入光路的示意圖。

圖2 正常生產(chǎn)示意圖

圖3 有害氣體進(jìn)入光路的示意圖

2 驗(yàn)證結(jié)果

（1）將氟利昂R114a釋放一點(diǎn)，能量由10 mJ在3 s內(nèi)立即衰減到0.01 mJ。氟利昂很低的濃度就會(huì)造成能量迅速衰減。

（2）將油漆放在機(jī)器旁攪拌一下，能量由10 mJ在3 s內(nèi)立即衰減到7.07 mJ。

通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，很小濃度的氟利昂都會(huì)導(dǎo)致能量迅速下降。在空壓機(jī)、干燥機(jī)保養(yǎng)維修加注冷媒時(shí)，尤其要特別注意先停止生產(chǎn)。油漆也會(huì)造成能量下降，新建工廠施工項(xiàng)目多，施工方大多情況下對(duì)此不了解，很容易邊施工邊生產(chǎn)，致使能量縮減，造成品質(zhì)異常。

3 改善探討

3.1 改善措施

（1）加強(qiáng)施工監(jiān)控，建立施工審批機(jī)制，有施工且影響到激光加工時(shí)先通知生產(chǎn)停機(jī)。

（2）新廠規(guī)劃建設(shè)時(shí)盡量設(shè)計(jì)激光車間壓縮氣獨(dú)立供氣，并保持正壓。

（3）空壓機(jī)進(jìn)風(fēng)口與其他區(qū)域盡量隔離，防止其他地方有害氣體串入壓縮氣。

（4）采購(gòu)高靈敏度氟利昂氣體檢測(cè)儀便于查找氟利昂泄露點(diǎn)。盡量采購(gòu)PID光離子檢測(cè)方式、分辨率0.01×10-6、量程（0～100）×10-6的檢測(cè)儀。

（5）修改參數(shù)使能量檢測(cè)加嚴(yán)，生產(chǎn)參數(shù)中pulse energy alarm由30%修改到15%，超出15%即報(bào)警，再修改c:\pbanlogsensorsensorlog.ini中的文件Warning_H_R2096=200項(xiàng)和Warning_H_R2026=200項(xiàng)，由200修改到100，提高氣體傳感器靈敏度（根據(jù)供應(yīng)商建議修改）。如果加嚴(yán)機(jī)出現(xiàn)報(bào)警立即停止所有機(jī)臺(tái)，以減少批量性報(bào)廢。

（6）通常激光車間與棕化車間是相連的，棕化車間有酸性氣體，也會(huì)對(duì)能量有影響，同時(shí)，酸性氣體會(huì)腐蝕激光鉆機(jī)Fθ透鏡（價(jià)格非常貴），激光車間和棕化車間應(yīng)只開(kāi)一道小自動(dòng)門(mén)過(guò)板，兩個(gè)車間之間應(yīng)盡量隔離。

3.2 改善結(jié)果

通過(guò)改善報(bào)廢得到大幅減少，產(chǎn)量得到提升，如表2所示，說(shuō)明上述措施有效減少了損失，提升了產(chǎn)能。

表2 改善效果

4 結(jié)束語(yǔ)

激光鉆機(jī)是高端關(guān)鍵設(shè)備，高精密激光加工機(jī)床，每臺(tái)機(jī)每天產(chǎn)值都在1萬(wàn)人民幣以上，有害氣體引起的能量衰減會(huì)導(dǎo)致所有CO2激光鉆機(jī)報(bào)警停機(jī)，對(duì)生產(chǎn)出貨影響嚴(yán)重，產(chǎn)生的批次品質(zhì)不良也會(huì)造成損失。

文章分析了有害氣體引起的能量衰減的原因，提出了一些改善措施。通過(guò)優(yōu)化設(shè)備的參數(shù)，做好周圍環(huán)境的監(jiān)控，改善相關(guān)設(shè)施施工方式，就能達(dá)到減少損失的目的。