Výrobadesky plošných spojů (PCB)zahrnuje řadu různých procesů, z nichž mnohé vyžadují použití laserů. Používání UV nanosekundových pulzních laserů se zvyšuje kvůli stále menším a menším požadovaným otvorům.
Zařízení a moduly se stávají kompaktnějšími díky pokročilým technologiím balení. Poté, co si vývojáři uvědomili, že je velký rozdíl mezi polovodičovým uzlem a rozměrem PCB – od nanometrové až po milimetrovou úroveň v extrémních případech – se nadále zaměřují na vývoj pokročilých obalových technologií pro spojování součástek různých velikostí. Jednou z takových technologií je systém v balení (SiP), kde jsou jednotlivá zařízení s integrovanými obvody (IC) spojena s PCB substrátem se zabudovanými kovovými trasovacími propojeními před konečným balením a separací. Architektura typicky zahrnuje prostřední vrstvu pro dosažení přiměřeně husté distribuce čipových spojů v PCB. Moduly jsou stále uspořádány na jednom velkém panelu během konečného balení, obvykle pomocí balení epoxidové formovací směsi (EMC) nebo jiných metod. Moduly jsou poté odděleny pomocí procesu řezání laserem.
Výnos, kvalita a cena musí odpovídat
Ideální laser pro separaci SiP závisí na specifických požadavcích a musí dosáhnout optimální rovnováhy mezi výkonem, kvalitou a cenou. Pokud se jedná o vysoce citlivé komponenty, může být nutné použít lasery s ultra krátkým pulzem (USP) a/nebo přirozeně nízké tepelné účinkyUV vlnové délky. V jiných případech jsou vhodnější volbou nižší náklady, vyšší propustnost nanosekundových pulzních a dlouhovlnných laserů. Aby demonstrovali vysoké rychlosti zpracování při řezání substrátu SiP PCB, aplikační inženýři MKS otestovali zelený vysoce výkonný nanosekundový pulzní laser. Laser Spectra-Physics Talon GR70 byl použit k řezání materiálu SiP, sestávajícího z tenkého FR4 s vloženými měděnými dráty a oboustranné pájecí masky, pomocí vysokorychlostního multiprocesingu s dvouosým skenovacím galvanometrem. Celková tloušťka materiálu je 250 µm, z toho 150 µm (ultratenká) deska FR4 a zbývajících 100 µm je oboustranná polymerová pájecí maska. Použitím vysoké rychlosti skenování 6 m/s lze zmírnit závažné tepelné účinky a zabránit vzniku tepelně ovlivněných zón (HAZ). Vzhledem k relativně tenkému materiálu byla použita malá velikost ohniska (cca 16 µm, průměr 1/e2) a vysoká frekvence opakování pulzů (PRF) 450 kHz. Tato kombinace parametrů plně využívá jedinečné schopnosti laseru udržovat vysoký výkon při vysoké PRF (v tomto příkladu 67 W při 450 kHz), což pomáhá udržovat správnou hustotu energie a překrývání mezi jednotlivými body při vysokých rychlostech skenování.
Řezání bez tepelné degradace
Celková čistá řezná rychlost dosažená po několika vysokorychlostních skenech byla 200 mm/s. Obrázek 1 ukazuje vstupní a výstupní stranu zářezu, stejně jako podpovrchovou oblast, kde cesta řezu protíná zakopaný měděný drát. Vstupní i výstupní povrchy byly čistě řezány s malým nebo žádným HAZ. Kromě toho přítomnost měděného drátu neovlivnila nepříznivě proces řezání a kvalita měděných hran se zářezy se zdála být ideální, ačkoli úhel pohledu byl poněkud omezený.
Pro podrobnější pohled na kvalitu kolem měděného drátu (a vlastně celého řezu) se podívejte na průřez boční stěny řezu (obrázek 2).
Kvalita je velmi dobrá, je přítomno pouze velmi malé množství HAZ a několik karbonizovaných a částicových úlomků. každé vlákno ve vrstvě FR4 je jasně rozeznatelné a roztavená část je omezena na koncové plochy nařezaných vláken, které vyčnívají ven z bočních stěn (tj. kolmo k vláknům, která probíhají podél povrchu řezu). Důležité je, že v těchto vrstvách nebylo možné pozorovat žádnou delaminaci.
Kromě toho výsledky naznačují, že oblast kolem měděných drátů je dobré kvality a není vystavena škodlivým tepelným účinkům, jako je proudění mědi nebo delaminace z okolních vrstev FR4 nebo pájecí masky.
Zesílené desky FR4 vyžadující velké bodové průměry
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 uJ) při nominálním PRF 275 kHz, byla použita větší velikost bodu (~36 um); kvalita paprsku je navíc vynikající, Rayleighův rozsah zaostřeného paprsku přesahuje 1,5 mm, což je 1,5 násobek tloušťky materiálu. Výsledkem je, že velikost bodu je relativně velká a konstantní po celé tloušťce materiálu, což přispívá k účinnému řezání, protože rovnoměrný objem ozařování a výsledné široké drážky usnadňují odstraňování nečistot. Obrázek 3 ukazuje příchozí a odchozí mikroskopické snímky řezu, který byl zpracován pomocí více vysokorychlostních skenů při 6 m/s (celková čistá řezná rychlost 20 mm/s).
Podobně jako v případě SiP desek je kvalita povrchu vstupní i výstupní strany zářezu velmi dobrá a vytváří minimální HAZ. Kvůli nehomogenní povaze substrátu sklo/epoxid FR4 a nízké hustotě energie na distálním konci zářezu laserové ablace se okraje výstupní zářezu obecně mírně odchylují od dokonale rovné linie. Zobrazení boční stěny v řezu ukazuje podrobnější informace o kvalitě řezu (obrázek 4 níže).
Na obr. 4 můžeme vidět dosaženou vynikající kvalitu. V řezu se tvoří pouze malé množství HAZ a uhlíkatých produktů (koks). Navíc nedocházelo téměř k žádnému tavení skleněných vláken. s čistou řeznou rychlostí až 20 mm/s se Talon GR70 jednoznačně ideálně hodí pro depanelování silnějších desek plošných spojů FR4 a zároveň zajišťuje vynikající kvalitu a vysokou propustnost.
