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2D和3D激光器的仿真和实验研究直接结构化过程
摘要
模制互连器件（MID）技术作为一种重要的创新技术，正在大幅增长在子生产领域。激光直接结构化（LDS）方法是最常见的可用技术之一用于构建MI的产品。当前存在工业知识和标准的研究各个制造工艺和工艺参数是现在不完全全面的互相影响和依赖。这是特别案例为三维应用和微产品。在本文中，一个新的模拟程序基于三维有限元模型（FEM）已经开发。每个潜热的影响的熔化和温度对材料性能以及用于激光束的3D高斯热源已经考虑在这项工作。所用材料是聚合物板式聚醚醚酮（PEEK）。过程的效果参数包括激光功率，速度，频率，阴影
激光线之间的百分比或重叠，激光入射角度和焦距已经在实验中进行了研究和模拟。本模拟可用于预测，温度分布，最高温度，凹槽尺寸和凹槽轮廓参数设置。理论和实验结果可以显示良好的一致性。可以得出结论有限元模拟可以有效地用于判断，分析和优化2D / 3D激光器参数LDS过程。
关键词 激光直接结构化过程、模压互连器件、有限元模型、激光加工模拟
1简介
模制互连器件（MID）工艺非常重要的创新技术，用于生产广泛的电子产品。在这种技术，有是很多制造工艺。激光直接结构化（LDS）过程目前可以认为是最常见的，高效，先进的系列实现[1]。 MID技术有非常重要的挑战特别是在生产3D应用和微2D / 3D产品。第一个挑战是由于几个成熟的行业在批量生产中生产3D MID部件的标准[2]。此外，现有的行业标准没有描述所有重要工艺参数之间的关系用于2D和3D LDS产品。模拟和建模对于LDS过程会非常有帮助的分析，理解，并控制或找到最佳参数。它是有用于减少努力，成本，并实现最高
过程质量和效率。有少量可用的研究关于LDS技术的重点特别是过程模拟和建模。模拟的LDS系统通过三维数学传热模型在[3]中实现。使用提出的模型研究激光速度和功率对凹槽的影响宽度。此外，熔融潜热的影响热材料性质随温度的变化在本拟议模型中没有考虑。
在[4]中，进行了进一步的研究来建模和使用人工神经网络优化结构化过程和响应面方法。 本研究考虑三个参数的影响包括激光功率，速度和频率。这是一个重要的尝试数学模型传统工艺参数和槽的尺寸，以及表面粗糙度（Ra）。实验研究并在[5]中进行了LDS过程的优化。在本研究中，激光速度，功率和频率的影响对LDS产品的质量进行了调查。许多研究人员在其他应用中研究激光过程其使用激光器作为诸如激光器的输入热源钻孔，切割，表面处理，铣削和焊接。
实验工作在[6]中进行以研究表面机制形成期间的激光铣削PMMA。
研究人员调查了激光参数的影响包括激光功率，速度和频率表面粗糙度。 也是基于能量的半经验模型研究人员开发了一些考虑来估计所产生的凹槽的深度。 用于激光焊接高强度钢的工艺过程，Liu，W.et al。 [7]提出了一个三维有限元模型结合起来实验验证。这个模型考虑到了影响融合潜热。 研究人员使用提出的模型来研究激光速度的影响对温度分布和残余应力的影响。
以前的研究和行业标准描述只有三个传统工艺参数的影响，包括激光功率，速度和频率。但关系在这些参数之间还没有清楚地描述，特别适用于3D和2D微LDS产品。
实际上，这些参数可以用作指南技术或操作者在激光领域尤其是用于生产
传统的简单2D产品。另一个分类对于这些LDS工艺参数已经被采用这项工作。这种分类是必要的理解和找到关于这三个的影响的科学答案参数和它们之间的关系。他们可以定义为工作参数组，包括激光注量，每个点的脉冲，脉冲重叠和照射剂量[8]。这将提供更多的信息和更好的理解对于激光工作参数的影响。上
另一方面，还有两个额外的重要组LDS过程。第一个定义为设计参数包括聚焦透镜的焦距，聚焦光束直径（参见图1），激光束入射角，在激光线之间的重叠或阴影。对于3D LDS产品，焦距和入射角都很严重问题，特别是对于复杂的3D形状。重叠在激光线之间对于微LDS是重要的产品具有显着的电路精细间距。 第二组是涉及基材领域。最重要的在这方面的参数是热，化学，电，和物理材料性质。
这项工作代表了一个理论模拟与实验调查研究分析效果的激光工作参数，以及设计参数。这提出了LDS的模拟方法过程采用不同的软件，如 MATLAB, Mechanical APDL ANSYS,和 Workbench ANSYS。 3D有限元模型有限元在这个模拟中得到了发展。这个模型考虑了潜热的影响融合，温度对材料性能的影响，和复杂边界以及类型和形状激光功率分布。这包括两种类型即高斯和热分布。
2数学模型和模拟
研究和分析LDS工作之间的关系参数，设计参数，温度分布，沟槽尺寸和沟槽轮廓，需要进行研究首先是LDS过程参数的影响由激光照射引起的温度分布。 在LDS工艺和其他使用激光器的工艺移动热源，激光束聚焦在表面上工件。 工件由激光局部加热光束以速度（v）在x方向上移动如图1所示。 通过该能量，进行相变在激光器的情况下从固体到液体然后到蒸汽照射足以蒸发熔化的材料。 这个导致在衬底的表面处产生凹槽尺寸和轮廓，取决于工艺参数。
因此，该表面将被激活为合适的。（例如，Cu-Ni-Ag）。
图1光学几何激光束
2.1提案模型
提出的数学传热模型用于该模拟采用非线性的控制方程3D瞬态热传导如式 （1）[7,9,10]。
其中T是温度（℃），其是x，y，z的函数，和以秒（s）计的时间t，v是激光束的速度（m.s-1），rho;是材料的密度（kg m-3），kx，ky和kz是热导率（导热系数），Cp是比热容（J kg-3 C-1）和qLASER是每单位体积的体积激光热源
（W m-3）。 材料的物理性质取决于温度。
2.2初始和边界条件
首先，用于分析的（t = 0）处的初始条件可以是写作如下：
其中To（x，y，z）是初始温度（27℃）。在此期间过程，自然从基板表面的热损失对流和辐射发生[3,9]。
其中 hc是对流传热系数（W m-2 C-1），Ts为工件表面的温度，Ta是环境温度，ε是发射率，delta;是Stefan-Boltzmann常数（5.67times;10-8 W m-2 K-4）。
2.3激光源型号
LDS过程中激光束的物理现象可以通过使用两种类型的热源来建模。首先是热顶，第二是3D高斯热源[11]如图2。在目前的工作中，一个3D高斯由于其更高的模拟可靠性，将使用热源热分布[12,13]。 公式4可用于计算它。
其中P是激光功率（W），R是半径聚焦激光束80mu;m，x和y是坐标用于工件表面的高斯曲线（z = 0）。 在3D中，LDS处理焦距根据3D的形状改变z值
产品; 因此，聚焦半径（光斑尺寸）将是也改变了。 考虑这种变化是非常重要的
在3D LDS模拟中计算新点尺寸。 公式5可以用来计算它作为一个函数为z [12]。
其中Zr是瑞利长度（Zr =pi;R2。lambda;-1），lambda;是波长。 在激光束的作用下，a相变发生从固体到液体材料。 这种转变和潜热融合应在LDS的热分析中考虑
过程由于它们的重要性。 在这个模拟中，焓模型（式1）。 这个模型
考虑到温度的影响焓[10,14,15]。 公式6可用于计算改变焓。
其中H是焓（J m-3），T 0是初始温度，T m是材料的熔点（℃），Delta;H熔体的潜热融合（J kg-）。
图2激光源分布,热,和3 d高斯
2.4模拟程序
在本节中，一些模拟程序和模拟步骤描述如下所示。
1.在此步骤中，工艺参数包括工作参数（功率，速度，频率）及其重叠将定义激光线。
2.在此步骤中，过程将检查它是2D还是2D3D。如果过程是3D，则它进入下一个3D步骤。如果是2D，则进入2D步骤。
3.三维步骤：此步骤由不同的子步骤组成脚步。在3D情况下，聚焦激光束的半径为在基板表面上的每个点处改变。所以它是非常重要的是在模拟中考虑这种变化。实际上，这是由于焦距的变化和激光入射角（参见图3）。在这一步，3D高斯热源必须重新计算，根据焦距和入射角的影响。
3.1计算新的光斑半径作为焦点的函数长度通过使用MATLAB编程的方程5。将结果数据导出到ANSYS APDL以创建CAD系统。
3.2计算入射角对区域光斑的影响通过使用MATLAB编程的方程7 。[16，17]。将结果数据导出到ANSYS APDL进行创建CAD系统。
图3焦距和入射角的影响
3.3使用3D高斯激光热源计算MATLAB编程的方程4。导出结果数据给ANSYS Workbench以将其定义为热负荷。模拟程序的其他步骤如图所示流程图。 图4显示了LDS的总体步骤过程模拟。
图4为仿真程序流程图
3实验装置与材料
在这项工作中研究LDS参数之间的关系组包括工作组，设计组和LDS过程的总体产出。此外，这些实验已被用来验证理论的结果模拟。聚合物板的TECACOMP PEEK LDS黑色，它们是聚醚醚酮[18]用于这些实验中的尺寸100times;150times;3mm。该化合物被设计为使用在生产MID时根据LPKF LDS技术。通过使用激光执行激光实验机器提供核装置：YAG激光器。这台机器交付输出功率范围为1〜17 W，波长1064nm，激光束直径80mu;m，脉冲持续时间23.7ns，最大激光频率为200kHz。经LDS处理后，用3D激光扫描显微镜（Keyence）已经用于检查激光器的效果表面的聚合物并测量其有效输出LDS工艺，包括槽尺寸，槽配置文件和交互式宽度，验装置和材料。
4结果和讨论
为了阐明所有LDS过程之间的关系参数和温度分布，提出模型用于模拟2D / 3D LDS过程将被使用研究和分析过程参数及其影响温度分布; 因此，过程产出即可以预测凹槽轮廓和尺寸。表1显示了包括工作在内的典型工艺参数和在该模拟中采用的设计组。模拟的总数量和相应的工艺参数见1。效果的前三个参数，如表1所示（焦距，入射角和匹配百分比）前面解释过。第二个三个参数包括
每个激光点直径（PN）的脉冲激光能量密度和激光辐射剂量在公式 [8，19，20]。
对于表1中的测试编号1，对应的激光器工作参数有，激光功率1（W），速度750（mm s -1），频率为60（kHz）。根据这些参数，两个脉冲之间的间隔时间为1 / 60,000（秒）。在此期间，激光束移动一定距离0.0125（mm）。这意味着每个脉冲的总数第一剂量的斑点直径为6.4个脉冲（等式8）脉冲之间的相互作用及其对温度的影响应调查每种不同剂量的分布。这有助于提高仿真的可靠性
结果精度。图5示出了最大值的变化温度随时间的两个剂量。可以得出结论
两个剂量的最大温度累积增加与脉冲数直到达到饱和为止最大值。对于在激光开始时的剂量1过程中，光斑直径受到6.4激光脉冲的影响（从过程的脉冲数1到6.4），是对应的与以前的出版物[20]。激光束后移动的距离大于光束直径，剂量
2从其第一个脉冲开始。总脉冲数剂量2是12.8脉冲。在这项工作中，发现脉冲每束直径的数字在开始和结束激光过程（到结构一行）可以通过计算等式但是在开始和结束之间的距离，脉冲大于边界处的脉冲。这个脉冲数在过程开始时以6.4个脉冲开始将累积线性增加到12.8。在结束时的结构线，它再次从12.8下降到6.4。图6，表示激光频率，速度和的关系,沿着激光器轴线的不同点处的脉冲数不同测试编号的光束移动。
表1模拟的案例研究
从这个数字可以看出,脉冲数增加。随着脉冲或激光的重叠波束移动减少。另一方面,脉冲重叠,激光光束的运动取决于激光频率。速度。当频率增加时,脉冲激光束运动减少时重叠增加;因此,每点的脉冲数将增加。当激光速度升高时,同样的行为发生。可以得出,公式9可用于在结构中心计算脉冲数行。
图5对过程的最高温度时间两剂
激光光束的轴运动
图6脉冲沿着X轴数的变化对不同仿真测试
图7a、b显示激光脉冲对每个温度分布、最大温度和它在激光光斑下的位置。图7a表明脉冲数3、4、5和6对剂量1的影响(激光过程的开始)。而图7b显示脉冲数2、5、8和11对剂量2的影响。它很清楚,脉冲对剂量1的影响是与剂量2完全不同。由于两种不同结构线的前行为,存在差异。沿轴的凹槽特征激光束运动。末端的凹槽属性。结构线中的起始点不同于在中心的那个这种差异受到激光束的运动和脉冲重叠取决于激光光束的速度与激光频率对于相同的激光束直径。这种变化可以通过设定较小的脉冲重叠或增加而减少。光束运动实验中,这可以实现。通过增加激光速度或减少激光器频率。但是这两个技术激光参数的变化对激光能量和激光辐射的影响剂量(参见8)。根据公式8在恒激光器功率、能量随频率的变化而减小,激光辐
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