Минимизация времени пассивных векторов при лазерном сверлении микроотверстий в ABF-диэлектриках

Введение. Производство печатных плат является ключевым направлением современной электронной промышленности, где особое значение имеет повышение производительности операций сверления микроотверстий. Одним из эффективных решений является применение безмасочной лазерной технологии, обеспечивающей высокую точность и гибкость обработки. Вместе с тем основной проблемой остается скорость позиционирования лазерного луча, ограниченная инерционностью гальванометрических систем.
Метод. Предлагается гибридный метод управления процессом сверления микроотверстий, сочетающий гальванометрическую систему и акустооптический дефлектор. Множество отверстий предварительно разделяется на кластеры так, чтобы все отверстия внутри каждого кластера могли быть обработаны акустооптическим дефлектором в пределах его поля отклонения без участия гальванометра. Центры кластеров соединяются минимальной траекторией, рассчитанной с помощью комбинации жадного алгоритма и метода парного обмена, что минимизирует суммарную длину перемещений гальванометра и общее время цикла сверления. Такой подход обеспечивает координированное использование быстродействующего акустооптического дефлектора для локальной обработки и дальнодействующего гальванометра для перемещений между кластерами.
Основные результаты. Реализация предложенного метода позволила сократить длину траектории движения гальванометра с 3097,05 до 1674,19 мм, а суммарное время обработки — более чем в 3,3 раза по сравнению с традиционными методами. Эффект достигается за счет минимизации числа крупных перемещений и переноса части операций на быстродействующий акустооптический дефлектор. 
Обсуждение. В отличие от известных подходов, основанных исключительно на решении задачи коммивояжера для всех отверстий, предложенный метод реализует иерархическую схему маршрутизации. Традиционные методы минимизируют длину траектории, но не учитывают ограничения динамических характеристик гальванометра, что ведет к избыточным инерционным перемещениям. Альтернативные системы, использующие только акустооптический дефлектор, обеспечивают высокую скорость, но имеют ограниченное поле отклонения. Гибридный подход сочетает преимущества обеих технологий: акустооптический дефлектор обеспечивает высокоскоростную обработку внутри кластеров, а гальванометр — эффективное перемещение между ними. Методика не требует значительных аппаратных модификаций и может быть внедрена в существующие системы управления, а также адаптирована к микрообработке стеклянных подложек для 2,5D- и 3D-архитектур.

1. Kim K.-R., Cho J.-H., Lee N.-Y., Kim H.-J., Cho S.-H., Park H.-J., Choi B. High-precision and ultrafast UV laser system for nextgeneration flexible PCB drilling // Journal of Manufacturing Systems. 2016. V. 38. P. 107–113. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2015.12.001

2. Otsu T., Tani S., Nagayama S., Miyamoto R., Okada G., Nakamura N., et al. Laser micro drilling of around 3 microns into Ajinomoto Buildup Film // Proc. of the IEEE 74th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 2024. P. 829–833. https://doi.org/10.1109/ectc51529.2024.00133

3. Bovatsek J. Advanced UV Lasers for Fast, High-Precision PCB Manufacturing // The PCB Magazine. 2016. P. 36–44.

4. Liu F., Zhang R., Khurana G., Deprospo B.H., Tummala R.R., Swaminathan M. Smaller microvias for packaging interconnects by picosecond UV laser with a nanometer metal barrier layer: a feasibility study // Proc. of the IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2020. V. 10. N 8. P. 1411–1418, https://doi.org/10.1109/TCPMT.2020.3011373

5. Liu F., Nair C., Khurana G., Watanabe A., DeProspo B.H., Kubo A., et al. Next generation of 2-7 micron ultra-small microvias for 2.5D panel redistribution layer by using laser and photolithography technologies // Proc. of the IEEE 69th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 2019. P. 924–930. https://doi.org/10.1109/ECTC.2019.00144

6. Franz D., Häfner T., Bischoff K., Helm J., Kunz T., Rung S., et al. Picosecond laser microvia drilling of ABF material using MHz burst mode // Materials Research Express. 2023. V. 10. N 9. P. 096301. https://doi.org/10.1088/2053-1591/acf7b0

7. Ancău M. The processing time optimization of printed circuit board // Circuit World. 2009. V. 35. N 3. P. 21–28. https://doi.org/10.1108/03056120910979512

8. Khodabakhshi Z., Hosseini A. Optimization of non-productive tool path in drilling: a review // IFAC-PapersOnLine. 2021. V. 54. N 1. P. 426–431. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2021.08.048

9. Kumar S.P.L. State of the Art-intense review on Artificial Intelligence systems application in process planning and manufacturing // Engineering Applications of Artificial Intelligence. 2017. V. 65. P. 294–329. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2017.08.005

10. Hatem N., Yusof Y., Kadir A.Z.A., Latif K., Mohammed M.A. A novel integrating between tool path optimization using an ACO algorithm and interpreter for open architecture CNC system // Expert Systems with Applications. 2021. V. 178. P. 114988. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2021.114988

11. Franz D., Häfner T., Kunz T., Roth G.L., Rung S., Esen C., Hellmann R. Characterization of a hybrid scanning system comprising acousto-optical deflectors and galvanometer scanners // Applied Physics B. 2022. V. 128. N 3. P. 55. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07782-2

12. Фещенко В.С., Зяблюк К.Н., Шепелев В.А., Сенокосов Э.А. Дифракция оптического излучения на акустических волнах в алмазе // Прикладная физика. 2018. № 5. С. 5–10.

13. Баранов В., Качалин А., Бочков М. Разработка оптического дефлектора для лазерных терапевтических аппаратов // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 2 (90). С. 32–38.

14. Johnston H.C. Cliques of a graph-variations on the Bron-Kerbosch algorithm // International Journal of Computer and Information Sciences. 1976. V. 5. N 3. P. 209–238. https://doi.org/10.1007/bf00991836

15. Jungnickel D. Graphs, Networks and Algorithms. Springer, 2013. 676 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-32278-5

16. Englert M., Röglin H., Vöcking B. Worst case and probabilistic analysis of the 2-Opt algorithm for the TSP // Algorithmica. 2014. V. 68. N 1. P. 190–264. https://doi.org/10.1007/s00453-013-9801-4

17. Gunawan P.H., Iryanto I. Simulated Annealing – 2 Opt algorithm for solving Traveling Salesman Problem // International Journal of Computing. 2023. V. 22. N 1. P. 43–50. https://doi.org/10.47839/ijc.22.1.2878

18. Schrauben J.N., Matsumoto H., Lin Z., Kleinert J. Rapid and high throughput formation of through glass vias // Proceedings of SPIE. 2024. V. 12872. P. 1287205. https://doi.org/10.1117/12.2685276

19. Seok B.C., Jung J.P. Recent progress of TGV technology for high performance semiconductor packaging // Journal of Welding and Joining. 2024. V. 42. N 2. P. 155–164. https://doi.org/10.5781/JWJ.2024.42.2.2

20. Franz D., Schuster D., Schwarz S., Rung S., Esen C., Hellmann R. Fabrication and analysis of through-glass vias for glass-based electronic packaging using an ultrashort pulsed laser // Optics and Lasers in Engineering. 2025. V. 193. P. 109106. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2025.109106