張亞輝 徐蘭甫 齊興國

（珠海中京電子電路有限公司，廣東 珠海 519100）

0 前言

隨著5G時代的到來，印制電路板（PCB）的精細化和密度越來越高，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)備價值昂貴，同時產(chǎn)值也很高。有害氣體造成激光機能量下降是幾乎所有HDI板工廠都出現(xiàn)過的問題。當(dāng)有害氣體進入光路后，CO2激光鉆機能量下降，造成批量性品質(zhì)異常，有時還需較長時間才能穩(wěn)定下來。這樣嚴重影響了正常生產(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)分子會吸收一定波長的光，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。另一方面激光經(jīng)過某些氣體會產(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定律是說明物質(zhì)對單色光吸收的強弱與吸光物質(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定律可簡述如下：

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

設(shè)：入射光強度為I0，吸收光強度為Ia，透過光強度為It，反射光強度為Ir，則它們之間的關(guān)系應(yīng)為：I0＝Ia＋It＋Ir

則A＝-lgT＝K·b·c

此即Lambert-Beer定律的數(shù)學(xué)表達式。Lambert-Beer定律可表述為：當(dāng)一束平行的單色光通過吸光物質(zhì)時，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。

圖1 光的吸收示意圖

1.2 有害氣體

在PCB行業(yè)實際生產(chǎn)中，影響CO2激光能量的主要氣體有氟利昂（空壓機、干燥機冷媒），四氟化碳（等離子機所用）、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CO2激光鉆機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低，其蒸汽影響CO2激光能量。通常一些新建工廠由于對CO2激光鉆機了解不多，施工時對周邊環(huán)境沒有管控，就會因能量衰減造成品質(zhì)異常，甚至停機，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)過有些氣體層會產(chǎn)生散射

在激光鉆機正常生產(chǎn)時，能量密度較高的激光光束經(jīng)過光罩（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)有害氣體進入光路后，由于折射率不同，形成凹透鏡現(xiàn)象，激光光束擴散放大，單位面積內(nèi)的能量密度變低，經(jīng)過MASK后，落到工件上的能量下降，導(dǎo)致報廢。（如圖3所示）為有害氣體進入光路的示意圖。

圖2 正常生產(chǎn)示意圖

圖3 有害氣體進入光路的示意圖

2 驗證結(jié)果

（1）將氟利昂R114a釋放一點，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造成能量迅速衰減。

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

通過兩次實驗的驗證，很小濃度的氟利昂都會導(dǎo)致能量迅速下降。在空壓機、干燥機保養(yǎng)維修加注冷媒時，尤其要特別注意先停止生產(chǎn)。油漆也會造成能量下降，新建工廠施工項目多，施工方大多情況下對此不了解，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）加強施工監(jiān)控，建立施工審批機制，有施工且影響到激光加工時先通知生產(chǎn)停機。

（2）新廠規(guī)劃建設(shè)時盡量設(shè)計激光車間壓縮氣獨立供氣，并保持正壓。

（3）空壓機進風(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）采購高靈敏度氟利昂氣體檢測儀便于查找氟利昂泄露點。盡量采購PID光離子檢測方式、分辨率0.01×10-6、量程（0～100）×10-6的檢測儀。

（5）修改參數(shù)使能量檢測加嚴，生產(chǎn)參數(shù)中pulse energy alarm由30%修改到15%，超出15%即報警，再修改c:\pbanlogsensorsensorlog.ini中的文件Warning_H_R2096=200項和Warning_H_R2026=200項，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）。如果加嚴機出現(xiàn)報警立即停止所有機臺，以減少批量性報廢。

（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，也會對能量有影響，同時，酸性氣體會腐蝕激光鉆機Fθ透鏡（價格非常貴），激光車間和棕化車間應(yīng)只開一道小自動門過板，兩個車間之間應(yīng)盡量隔離。

3.2 改善結(jié)果

通過改善報廢得到大幅減少，產(chǎn)量得到提升，如表2所示，說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

激光鉆機是高端關(guān)鍵設(shè)備，高精密激光加工機床，每臺機每天產(chǎn)值都在1萬人民幣以上，有害氣體引起的能量衰減會導(dǎo)致所有CO2激光鉆機報警停機，對生產(chǎn)出貨影響嚴重，產(chǎn)生的批次品質(zhì)不良也會造成損失。

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，就能達到減少損失的目的。