Desenvolvimento de um sistema de monitoramento baseado em fotodetetor para a ablação a laser de filmes metálicos sobre substratos poliméricos

Abstract

O advento dos lasers de pulsos ultracurtos (USP, sigla em inglês para ultrashort pulse) permitiram novas possibilidades na fabricação em micro e nanoescala. Características destes lasers, como alta resolução lateral devido a capacidade de ser precisamente focado em alguns micrometros, baixo calor fornecido à peça e alta flexibilidade são os principais atributos desta ferramenta em processos para estruturação e funcionalização de superfícies. Apesar das vantagens dos lasers de pulsos ultracurtos, suas aplicações são relativamente novas e necessitam desenvolvimento. Demandas crescentes em qualidade e produtividade em ablação a laser criam a necessidade de aplicar sistemas de monitoramento de processos na produção industrial. No campo dos eletrônicos, especialmente, a atual miniaturização dos produtos requer pequenos componentes de alta precisão. A fabricação de placas de circuito impresso por laser requer uma ablação precisa de filmes finos de cobre sobre substrato polimérico, com mínimo dano ao substrato. Com o objetivo de aumentar a confiabilidade do processo para uma completa ablação de cobre, um sistema de monitoramento de alta velocidade, com resolução espacial, baseado em analisadores de espectro óptico com grade de difração é desenvolvido e integrado à máquina de ablação a laser. Na ablação a laser de placas de circuito impresso, a camada de cobre é removida em determinadas regiões pela interação do feixe laser com a peça. Esta interação emite radiação em comprimentos de ondas específicos, de acordo com o material. Para monitorar o processo, o espectro da radiação emitida é observado. Quando o espectro muda para um padrão diferente de comprimentos de onda, considera-se que a camada de cobre foi removida e a camada de polímero interage com o laser. Um sistema óptico capaz de separar o espectro da radiação emitida é montado. Para cumprir as exigências do processo e detectar a emissão, um fotodetector de alta velocidade e alta sensibilidade é utilizado. Informações de posição do sistema de deflexão do feixe (scanner) são incorporadas às informações de emissão do fotodetector e um mapa de emissão é construído. O sistema de monitoramento é capaz de observar a radiação emitida por diferentes materiais. Regiões onde o cobre está presente podem ser bem identificadas. O mapa de emissão se apresenta como um estratégia válida para o monitoramento do processo de ablação a laser.<br>

Abstract : The advent of ultrashort pulse (USP) lasers allowed new possibilities in micro and nanoscale manufacturing. Characteristics of USP lasers, like high lateral resolution due to precise focusability down to a few micrometers, low heat input and high flexibility are main features of laser tools and processes for precision structuring and surface functionalization. Despite the advantages of USP lasers, its applications are relatively new and need further development. Increasing demand on quality and productivity in laser ablation creates the necessity to apply process monitoring systems in industrial manufacturing. In the field of electronics, especially, the ongoing miniaturization of products requires small components with high accuracy. The manufacturing of printed circuit boards (PCBs) by laser demands a precise ablation of thin copper layer on polymeric substrate, with small substrate damage. Aiming to increase the process reliability for a complete ablation of copper, a fast spatially resolved process monitoring system based on diffraction grating optical spectrum analyzers is developed and integrated to the laser ablation machine. In the laser ablation of printed circuit boards, unwanted copper layer is removed by the interaction of the laser beam with the material. This interaction emits radiation in specific wavelengths, according to the material. To monitor the process, the spectrum of the emitted radiation is observed. When the spectrum changes for a different wavelengths pattern, it is considered that the copper layer was completely removed and the polymer layer is interacting with the laser. An optical system able to separate the emitted radiation spectrum is assembled. To fulfill the requirements of the process and to detect the emitted radiation, a high speed and high sensitive photodetector is applied. Position information from the beam deflecting system (scanner) is implemented to the emission information from the photodetector and an emission map is built. The monitoring system based on photodetector is able to detect radiation emitted by different materials. Regions where copper is present can be well identified. The emission map shows to be a valid strategy for laser ablation process monitoring.