Výrobadosky plošných spojov (PCB)zahŕňa množstvo rôznych procesov, z ktorých mnohé vyžadujú použitie laserov. Používanie UV nanosekundových pulzných laserov sa zvyšuje v dôsledku čoraz menších požadovaných otvorov.
Zariadenia a moduly sa stávajú kompaktnejšími vďaka pokročilým technológiám balenia. Po zistení, že medzi polovodičovým uzlom a rozmerom PCB je veľký rozdiel – od nanometrovej až po milimetrovú úroveň v extrémnych prípadoch – sa vývojári naďalej zameriavajú na vývoj pokročilých obalových technológií na spájanie komponentov rôznych veľkostí. Jednou z takýchto technológií je systém v balení (SiP), kde sú jednotlivé zariadenia s integrovaným obvodom (IC) spojené s PCB substrátom so zabudovanými kovovými prepojením pred konečným balením a oddelením. Architektúra typicky obsahuje medzivrstvu na dosiahnutie primerane hustého rozloženia čipových spojení v PCB. Moduly sú stále usporiadané na jedinom veľkom paneli počas konečného balenia, zvyčajne pomocou balenia epoxidovej formovacej hmoty (EMC) alebo iných metód. Moduly sa potom oddelia pomocou procesu rezania laserom.
Výnos, kvalita a cena musia zodpovedať
Ideálny laser na separáciu SiP závisí od špecifických požiadaviek a musí nájsť optimálnu rovnováhu medzi výkonom, kvalitou a nákladmi. Ak ide o vysoko citlivé komponenty, môže byť potrebné použiť lasery s ultra krátkym pulzom (USP) a/alebo inherentne nízke tepelné účinkyUV vlnové dĺžky. V iných prípadoch sú vhodnejšou voľbou nižšie náklady, vyššia priepustnosť nanosekundových pulzných a dlhovlnných laserov. Aby sa demonštrovala vysoká rýchlosť spracovania rezania substrátu SiP PCB, aplikační inžinieri MKS testovali zelený vysokovýkonný nanosekundový pulzný laser. Laser Spectra-Physics Talon GR70 bol použitý na rezanie SiP materiálu, pozostávajúceho z tenkého FR4 s vloženými medenými drôtmi a obojstrannej spájkovacej masky, pomocou vysokorýchlostného multiprocesingu s dvojosovým skenovacím galvanometrom. Celková hrúbka materiálu je 250 µm, z toho 150 µm (ultratenký) plech FR4 a zvyšných 100 µm je obojstranná polymérová spájkovacia maska. Použitím vysokej rýchlosti skenovania 6 m/s je možné zmierniť vážne tepelné účinky a zabrániť vzniku tepelne ovplyvnených zón (HAZ). Vzhľadom na relatívne tenký materiál bola použitá malá veľkosť ohniska (približne 16 µm, priemer 1/e2) a vysoká frekvencia opakovania impulzov (PRF) 450 kHz. Táto kombinácia parametrov plne využíva jedinečnú schopnosť lasera udržiavať vysoký výkon pri vysokej PRF (v tomto príklade 67 W pri 450 kHz), čo pomáha udržiavať správnu hustotu energie a prekrývanie medzi bodmi pri vysokých rýchlostiach skenovania.
Rezanie bez tepelnej degradácie
Celková čistá rýchlosť rezania dosiahnutá po viacerých vysokorýchlostných skenoch bola 200 mm/s. Obrázok 1 znázorňuje vstupnú a výstupnú stranu zárezu, ako aj podpovrchovú oblasť, kde cesta rezu pretína zakopaný medený drôt. Vstupné aj výstupné povrchy boli čisto rezané s malým alebo žiadnym HAZ. Okrem toho prítomnosť medeného drôtu neovplyvnila nepriaznivo proces rezania a kvalita medených hrán so zárezmi sa javila ako ideálna, hoci pozorovací uhol bol trochu obmedzený.
Pre detailnejší pohľad na kvalitu okolo medeného drôtu (a vlastne celého rezu) sa pozrite na prierez bočnej steny rezu (obrázok 2).
Kvalita je veľmi dobrá, len s veľmi malým množstvom HAZ a niekoľkými karbonizovanými a časticami prítomnými úlomkami. každé vlákno vo vrstve FR4 je jasne rozoznateľné a roztavená časť je obmedzená na koncové plochy narezaných vlákien, ktoré vyčnievajú von z bočných stien (tj kolmo na vlákna, ktoré sa rozprestierajú pozdĺž povrchu rezu). Dôležité je, že v týchto vrstvách nebolo možné pozorovať žiadnu delamináciu.
Okrem toho výsledky naznačujú, že oblasť okolo medených drôtov je dobrej kvality a nie je vystavená škodlivým tepelným účinkom, ako je tok medi alebo delaminácia z okolitých vrstiev FR4 alebo spájkovacej masky.
Zahustené dosky FR4 vyžadujúce veľké bodové priemery
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) pri nominálnom PRF 275 kHz sa použila väčšia veľkosť bodu (~36 um); navyše kvalita lúča je vynikajúca, Rayleighov rozsah zaostreného lúča presahuje 1,5 mm, čo je 1,5-násobok hrúbky materiálu. Výsledkom je, že veľkosť bodu je relatívne veľká a konštantná po celej hrúbke materiálu, čo prispieva k efektívnemu rezaniu, pretože rovnomerný objem ožiarenia a výsledné široké drážky uľahčujú odstraňovanie nečistôt. Obrázok 3 zobrazuje prichádzajúce a odchádzajúce mikroskopické snímky rezu, ktorý bol spracovaný pomocou viacerých vysokorýchlostných skenov pri 6 m/s (celková čistá rýchlosť rezania 20 mm/s).
Podobne ako v prípade dosiek SiP je kvalita povrchu vstupnej aj výstupnej strany zárezu veľmi dobrá a vytvára minimálne HAZ. Kvôli nehomogénnej povahe skleneného/epoxidového substrátu FR4 a nízkej hustote energie na distálnom konci rezu laserovej ablácie sa okraje výstupného rezu vo všeobecnosti mierne odchyľujú od dokonale priamej línie. Zobrazovanie priečneho rezu bočnej steny zobrazuje podrobnejšie informácie o kvalite rezu (obrázok 4 nižšie).
Na obr. 4 môžeme vidieť dosiahnutú vynikajúcu kvalitu. V reze sa tvorí len malé množstvo HAZ a uhlíkových produktov (koks). Okrem toho nedochádzalo takmer k žiadnemu roztaveniu sklenených vlákien. s čistou reznou rýchlosťou až 20 mm/s sa Talon GR70 jednoznačne ideálne hodí na depanelovanie hrubších dosiek plošných spojov FR4, pričom zároveň zabezpečuje vynikajúcu kvalitu a vysokú priepustnosť.
