Виробництводруковані плати (PCB)передбачає низку різних процесів, багато з яких потребують використання лазерів. Використання ультрафіолетових наносекундних імпульсних лазерів зростає через дедалі менші необхідні отвори.
Пристрої та модулі стають компактнішими завдяки передовим технологіям упаковки. Зрозумівши, що існує велика різниця між розмірами напівпровідникового вузла та друкованої плати - від нанометрів до міліметрів у крайніх випадках, розробники продовжують зосереджуватися на розробці передових технологій упаковки для з'єднання компонентів різних розмірів. Однією з таких технологій є система «система в упаковці» (SiP), де окремі пристрої з інтегральною схемою (IC) об’єднуються на підкладку друкованої плати з вбудованими металевими з’єднувальними з’єднувальними елементами перед остаточним пакуванням і розділенням. Архітектура, як правило, включає проміжний рівень для досягнення досить щільного розподілу з’єднань мікросхем на друкованій платі. Модулі все ще розташовуються на одній великій панелі під час остаточного пакування, як правило, з використанням упаковки з епоксидної суміші (EMC) або іншими методами. Потім модулі розділяються за допомогою процесу лазерного різання.
Урожайність, якість і вартість повинні збігатися
Ідеальний лазер для розділення SiP залежить від конкретних вимог і повинен досягати оптимального балансу між продуктивністю, якістю та вартістю. Якщо задіяні високочутливі компоненти, може знадобитися використовувати ультракороткоімпульсні (USP) лазери та/або низькі теплові ефекти, властивідовжини хвилі УФ. В інших випадках більш відповідним вибором є лазери з наносекундними імпульсами та довгохвильовими лазерами з нижчою ціною та вищою пропускною здатністю. Щоб продемонструвати високу швидкість обробки підкладки SiP PCB, інженери MKS випробували зелений потужний наносекундний імпульсний лазер. Лазер Spectra-Physics Talon GR70 використовувався для різання матеріалу SiP, що складається з тонкого FR4 із вбудованими мідними дротами та двосторонньою паяльною маскою, використовуючи високошвидкісну багатопроцесорну обробку з двовісним скануючим гальванометром. Загальна товщина матеріалу становить 250 мкм, з яких 150 мкм — це (надтонкий) лист FR4, а решта 100 мкм — це двостороння полімерна паяльна маска. Використовуючи високу швидкість сканування 6 м/с, можна пом’якшити сильний термічний вплив і уникнути утворення зон термічного впливу (HAZ). Зважаючи на відносно тонкий матеріал, використовувався малий розмір фокусної плями (приблизно 16 мкм, діаметр 1/e2) і висока частота повторення імпульсів (PRF) 450 кГц. Ця комбінація параметрів повною мірою використовує унікальну здатність лазера підтримувати високу потужність при високій PRF (у цьому прикладі 67 Вт при 450 кГц), що допомагає підтримувати належну щільність енергії та перекриття від точки до точки на високих швидкостях сканування.
Різання без термічної деградації
Загальна чиста швидкість різання, досягнута після кількох високошвидкісних сканувань, становила 200 мм/с. На малюнку 1 показано вхідну та вихідну сторони пропилу, а також область під поверхнею, де розріз перетинає закопаний мідний дріт. Як вхідна, так і вихідна поверхні були акуратно розрізані з невеликим вмістом ЗТВ або без нього. Крім того, наявність мідного дроту не вплинула негативно на процес різання, і якість країв мідного пропилу виявилася ідеальною, хоча кут огляду був дещо обмеженим.
Для більш детального уявлення про якість навколо мідного дроту (і навіть усього розрізу) подивіться на поперечний переріз бічної стінки розрізу (Малюнок 2).
Якість дуже добра, лише з дуже невеликою кількістю ЗТВ і кількома обвугленими та твердими фрагментами. кожне волокно в шарі FR4 чітко помітне, а розплавлена частина обмежена торцями розрізаних волокон, які виступають назовні з бічних стінок (тобто перпендикулярно до волокон, які простягаються вздовж поверхні розрізу). Важливо, що в цих шарах не спостерігалося розшарування.
Крім того, результати показують, що область навколо мідних проводів має хорошу якість і не піддається шкідливим термічним впливам, таким як потік міді або відшарування від оточуючих шарів FR4 або паяльної маски.
Потовщені плити FR4, які вимагають великих діаметрів плям
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 мкДж) при номінальній PRF 275 кГц, використовувався більший розмір плями (~36 мкм); крім того, якість променя чудова, діапазон Релея сфокусованого променя перевищує 1,5 мм, що в 1,5 рази перевищує товщину матеріалу. У результаті розмір плями є відносно великим і постійним по всій товщині матеріалу, що сприяє ефективному різанню, оскільки рівномірний об’єм опромінення та отримані в результаті широкі канавки полегшують видалення сміття. На малюнку 3 показані вхідні та вихідні мікроскопічні зображення розрізу, обробленого за допомогою багаторазового високошвидкісного сканування зі швидкістю 6 м/с (загальна чиста швидкість різання 20 мм/с).
Як і у випадку з плитами SiP, якість поверхні як вхідної, так і вихідної сторони пропилу є дуже хорошою та створює мінімальну ЗТВ. Через неоднорідну природу підкладки зі скла/епоксидної смоли FR4 та низьку щільність енергії на дистальному кінці пропилу лазерної абляції, краї вихідного пропилу зазвичай трохи відхиляються від ідеально прямої лінії. Зображення бічної стінки поперечного перерізу показує більш детальну інформацію про якість пропилу (Малюнок 4 нижче).
На рис. 4 ми бачимо досягнуту чудову якість. У розрізі утворюється лише невелика кількість ЗТВ і вуглецевих продуктів (коксу). Крім того, практично не відбувалося плавлення скловолокна. Завдяки чистій швидкості різання до 20 мм/с Talon GR70 ідеально підходить для депанелювання більш товстих друкованих плат FR4, водночас забезпечуючи відмінну якість і високу пропускну здатність.
