Produkcjapłytki drukowane (PCB)obejmuje szereg różnych procesów, z których wiele wymaga użycia laserów. Stosowanie nanosekundowych laserów impulsowych UV wzrasta ze względu na coraz mniejsze wymagane apertury.
Urządzenia i moduły stają się coraz bardziej kompaktowe dzięki zaawansowanym technologiom pakowania. Po uświadomieniu sobie, że istnieje duża różnica między węzłem półprzewodnika a wymiarem płytki drukowanej – w skrajnych przypadkach od nanometra do poziomu milimetra – programiści w dalszym ciągu skupiają się na opracowywaniu zaawansowanych technologii pakowania w celu łączenia komponentów o różnych rozmiarach. Jedną z takich technologii jest system typu system-in-package (SiP), w którym poszczególne urządzenia z układami scalonymi (IC) są umieszczane na podłożu PCB z osadzonymi metalowymi połączeniami wzajemnymi przed ostatecznym pakowaniem i rozdzielaniem. Architektura zazwyczaj obejmuje warstwę pośrednią, aby uzyskać rozsądnie gęsty rozkład połączeń chipów na płytce drukowanej. Moduły są nadal układane na jednym dużym panelu podczas końcowego pakowania, zazwyczaj przy użyciu masy do formowania epoksydowego (EMC) lub innych metod. Moduły są następnie oddzielane za pomocą procesu cięcia laserowego.
Wydajność, jakość i koszt muszą być zgodne
Idealny laser do separacji SiP zależy od konkretnych wymagań i musi zapewniać optymalną równowagę pomiędzy wydajnością, jakością i kosztami. W przypadku bardzo wrażliwych komponentów może być konieczne zastosowanie laserów ultrakrótkich impulsów (USP) i/lub naturalnie niskich efektów termicznychDługości fal UV. W innych przypadkach bardziej odpowiednim wyborem są tańsze i bardziej wydajne lasery impulsowe nanosekundowe i lasery długofalowe. Aby zademonstrować wysokie prędkości przetwarzania cięcia podłoża PCB SiP, inżynierowie aplikacji MKS przetestowali zielony, nanosekundowy laser impulsowy o dużej mocy. Do cięcia materiału SiP, składającego się z cienkiego FR4 z osadzonymi drutami miedzianymi i dwustronnej maski lutowniczej, wykorzystano laser Spectra-Physics Talon GR70, stosując szybkie przetwarzanie wieloprocesowe z dwuosiowym galwanometrem skanującym. Całkowita grubość materiału wynosi 250 µm, z czego 150 µm to (ultracienka) blacha FR4, a pozostałe 100 µm to dwustronna polimerowa maska lutownicza. Dzięki zastosowaniu dużej prędkości skanowania wynoszącej 6 m/s można złagodzić poważne skutki termiczne i uniknąć tworzenia się stref wpływu ciepła (HAZ). Ze względu na stosunkowo cienki materiał zastosowano mały rozmiar plamki ogniskowej (ok. 16 µm, średnica 1/e2) i wysoką częstotliwość powtarzania impulsów (PRF) wynoszącą 450 kHz. Ta kombinacja parametrów w pełni wykorzystuje wyjątkową zdolność lasera do utrzymywania dużej mocy przy wysokim PRF (w tym przykładzie 67 W przy 450 kHz), co pomaga utrzymać odpowiednią gęstość energii i nakładanie się punktów na punkty przy dużych prędkościach skanowania.
Cięcie bez degradacji termicznej
Całkowita prędkość cięcia netto osiągnięta po wielokrotnych szybkich skanach wyniosła 200 mm/s. Rysunek 1 przedstawia dochodzącą i wychodzącą stronę nacięcia, a także obszar podpowierzchniowy, w którym ścieżka cięcia przecina zakopany drut miedziany. Zarówno powierzchnie wchodzące, jak i wychodzące zostały czysto wycięte z niewielką ilością lub bez HAZ. Ponadto obecność drutu miedzianego nie miała negatywnego wpływu na proces cięcia, a jakość krawędzi nacięcia miedzianego wydawała się idealna, chociaż kąt widzenia był nieco ograniczony.
Aby uzyskać bardziej szczegółowy obraz jakości wokół drutu miedzianego (a właściwie całego cięcia), spójrz na przekrój poprzeczny ściany bocznej nacięcia (rysunek 2).
Jakość jest bardzo dobra, zawiera jedynie bardzo małą ilość SWC oraz kilka fragmentów zwęglonych i cząstek stałych. każde włókno w warstwie FR4 jest wyraźnie widoczne, a stopiona część jest ograniczona do końcowych powierzchni ciętych włókien, które wystają na zewnątrz ze ścian bocznych (tj. prostopadle do włókien rozciągających się wzdłuż powierzchni cięcia). Co ważne, w warstwach tych nie zaobserwowano rozwarstwień.
Ponadto wyniki wskazują, że obszar wokół drutów miedzianych jest dobrej jakości i nie podlega szkodliwym wpływom termicznym, takim jak przepływ miedzi lub rozwarstwianie się od otaczających warstw FR4 lub maski lutowniczej.
Pogrubione płyty FR4 wymagające dużych średnic plamek
Cutting thick FR4 for depaneling is a more mature PCB application for nanosecond pulsed lasers, where arrays of devices are separated from panels by cutting small connecting breakpoints, which was tested with the Talon GR70, for which an entirely new breakpoint cutting process was developed specifically for device panels consisting of approximately 900 µm thick FR4 boards. For this thicker material, the use of the largest possible focal spot diameter, while maintaining sufficient energy density (in J/cm2), is a key aspect of achieving the desired yield. Due to the laser's high pulse energy (>250 µJ) przy nominalnej PRF 275 kHz, zastosowano większy rozmiar plamki (~36 µm); ponadto jakość wiązki jest doskonała, a zasięg Rayleigha skupionej wiązki przekracza 1,5 mm, co stanowi 1,5-krotność grubości materiału. Dzięki temu wielkość plamki jest stosunkowo duża i stała na całej grubości materiału, co przyczynia się do wydajnego cięcia, gdyż równomierna objętość napromieniowania i wynikające z tego szerokie rowki ułatwiają usuwanie zanieczyszczeń. Rysunek 3 przedstawia przychodzące i wychodzące obrazy mikroskopowe cięcia, które zostało przetworzone przy użyciu wielu szybkich skanów z szybkością 6 m/s (ogólna prędkość cięcia netto 20 mm/s).
Podobnie jak w przypadku płyt SiP, jakość powierzchni zarówno strony wejściowej, jak i wyjściowej nacięcia jest bardzo dobra i wytwarza minimalną ilość HAZ. Ze względu na niejednorodny charakter podłoża szklano-epoksydowego FR4 i niską gęstość energii na dalszym końcu szczeliny ablacyjnej laserowej, krawędzie szczeliny wyjściowej zazwyczaj nieznacznie odbiegają od linii idealnie prostej. Obrazowanie ścian bocznych w przekroju poprzecznym pozwala uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat jakości nacięcia (Rysunek 4 poniżej).
Na rys. 4 widać osiągniętą doskonałą jakość. W kawałku tworzy się jedynie niewielka ilość HAZ i produktów węglowych (koksu). Ponadto prawie nie doszło do stopienia włókien szklanych. Dzięki prędkości cięcia netto do 20 mm/s Talon GR70 idealnie nadaje się do usuwania paneli z grubszych płytek PCB FR4, zapewniając jednocześnie doskonałą jakość i wysoką wydajność.
