Η παραγωγή τουπλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB)περιλαμβάνει μια σειρά από διαφορετικές διαδικασίες, πολλές από τις οποίες απαιτούν τη χρήση λέιζερ. Η χρήση παλμικών λέιζερ UV νανοδευτερόλεπτου αυξάνεται λόγω των μικρών και μικρότερων ανοιγμάτων που απαιτούνται.
Οι συσκευές και οι μονάδες γίνονται πιο συμπαγείς χάρη στις προηγμένες τεχνολογίες συσκευασίας. Αφού συνειδητοποίησαν ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ του κόμβου ημιαγωγών και της διάστασης PCB - από το επίπεδο του νανόμετρου στο επίπεδο του χιλιοστού σε ακραίες περιπτώσεις - οι προγραμματιστές συνεχίζουν να επικεντρώνονται στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας για τη σύνδεση εξαρτημάτων διαφορετικών μεγεθών. Μια τέτοια τεχνολογία είναι το σύστημα system-in-package (SiP), όπου μεμονωμένες συσκευές ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) δεσμεύονται σε ένα υπόστρωμα PCB με ενσωματωμένες μεταλλικές διασυνδέσεις πριν από την τελική συσκευασία και διαχωρισμό. Η αρχιτεκτονική περιλαμβάνει τυπικά ένα ενδιάμεσο στρώμα για την επίτευξη μιας αρκετά πυκνής κατανομής των συνδέσεων τσιπ στο PCB. Τα δομοστοιχεία εξακολουθούν να είναι διατεταγμένα σε ένα μεγάλο πάνελ κατά τη διάρκεια της τελικής συσκευασίας, συνήθως χρησιμοποιώντας συσκευασία εποξειδικής χύτευσης (EMC) ή άλλες μεθόδους. Στη συνέχεια, οι μονάδες διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας μια διαδικασία κοπής με λέιζερ.
Η απόδοση, η ποιότητα και το κόστος πρέπει να ταιριάζουν
Το ιδανικό λέιζερ για διαχωρισμό SiP εξαρτάται από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις και πρέπει να επιτυγχάνει μια βέλτιστη ισορροπία μεταξύ απόδοσης, ποιότητας και κόστους. Όταν εμπλέκονται εξαρτήματα υψηλής ευαισθησίας, μπορεί να είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν λέιζερ Ultra Short Pulse (USP) ή/και οι εγγενώς χαμηλές θερμικές επιδράσεις τουUV μήκη κύματος. Σε άλλες περιπτώσεις, το χαμηλότερο κόστος, η υψηλότερη απόδοση παλμικών λέιζερ νανοδευτερόλεπτου και τα λέιζερ μακρών κυμάτων είναι πιο κατάλληλες επιλογές. Για να αποδείξουν τις υψηλές ταχύτητες επεξεργασίας της κοπής υποστρώματος SiP PCB, οι μηχανικοί εφαρμογών MKS δοκίμασαν ένα πράσινο παλμικό λέιζερ υψηλής ισχύος νανοδευτερόλεπτου. Ένα λέιζερ Spectra-Physics Talon GR70 χρησιμοποιήθηκε για την κοπή υλικού SiP, αποτελούμενο από λεπτό FR4 με ενσωματωμένα χάλκινα σύρματα και μάσκα συγκόλλησης διπλής όψης, χρησιμοποιώντας πολυεπεξεργασία υψηλής ταχύτητας με γαλβανόμετρο σάρωσης διπλού άξονα. Το συνολικό πάχος του υλικού είναι 250 μm, εκ των οποίων τα 150 μm είναι το (υπερλεπτό) φύλλο FR4 και τα υπόλοιπα 100 μm είναι η μάσκα συγκόλλησης πολυμερούς διπλής όψης. Με τη χρήση υψηλής ταχύτητας σάρωσης 6 m/s, μπορούν να μετριαστούν οι σοβαρές θερμικές επιπτώσεις και να αποφευχθεί ο σχηματισμός ζωνών που επηρεάζονται από τη θερμότητα (HAZ). Λόγω του σχετικά λεπτού υλικού, χρησιμοποιήθηκε ένα μικρό μέγεθος εστιακού σημείου (περίπου 16 μm, διάμετρος 1/e2) και μια υψηλή συχνότητα επανάληψης παλμών (PRF) 450 kHz. Αυτός ο συνδυασμός παραμέτρων εκμεταλλεύεται πλήρως τη μοναδική ικανότητα του λέιζερ να διατηρεί υψηλή ισχύ σε υψηλό PRF (67 W στα 450 kHz σε αυτό το παράδειγμα), η οποία βοηθά στη διατήρηση της σωστής ενεργειακής πυκνότητας και της επικάλυψης από σημείο σε σημείο σε υψηλές ταχύτητες σάρωσης.
Κοπή χωρίς θερμική υποβάθμιση
Η συνολική καθαρή ταχύτητα κοπής που επιτεύχθηκε μετά από πολλαπλές σαρώσεις υψηλής ταχύτητας ήταν 200 mm/s. Το σχήμα 1 δείχνει τις εισερχόμενες και εξερχόμενες πλευρές της κεφαλής, καθώς και την υπόγεια περιοχή όπου η διαδρομή κοπής διασχίζει το θαμμένο χάλκινο σύρμα. Τόσο η εισερχόμενη όσο και η εξερχόμενη επιφάνεια κόπηκαν καθαρά με ελάχιστο ή καθόλου HAZ. Επιπλέον, η παρουσία του χάλκινου σύρματος δεν επηρέασε δυσμενώς τη διαδικασία κοπής και η ποιότητα των χάλκινων άκρων της κεφαλής φαινόταν ιδανική, αν και η γωνία θέασης ήταν κάπως περιορισμένη.
Για μια πιο λεπτομερή εικόνα της ποιότητας γύρω από το χάλκινο σύρμα (και μάλιστα ολόκληρη την κοπή), κοιτάξτε τη διατομή του πλευρικού τοιχώματος της κοπής (Εικόνα 2).
Η ποιότητα είναι πολύ καλή, με μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα HAZ και μερικά ανθρακούχα και σωματιδιακά θραύσματα. κάθε ίνα στο στρώμα FR4 είναι σαφώς διακριτή και το λιωμένο τμήμα περιορίζεται στις ακραίες όψεις των κομμένων ινών που προεξέχουν προς τα έξω από τα πλευρικά τοιχώματα (δηλαδή, κάθετα στις ίνες που εκτείνονται κατά μήκος της επιφάνειας κοπής). Είναι σημαντικό ότι δεν παρατηρήθηκε αποκόλληση σε αυτά τα στρώματα.
Επιπλέον, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η περιοχή γύρω από τα χάλκινα σύρματα είναι καλής ποιότητας και δεν υπόκειται σε επιβλαβείς θερμικές επιδράσεις όπως ροή χαλκού ή αποκόλληση από τα περιβάλλοντα στρώματα FR4 ή μάσκας συγκόλλησης.
Πυκνωμένες σανίδες FR4 που απαιτούν μεγάλες διαμέτρους κηλίδων
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) σε ονομαστικό PRF 275 kHz, χρησιμοποιήθηκε μεγαλύτερο μέγεθος κηλίδας (~36 μm). Επιπλέον, η ποιότητα της δέσμης είναι εξαιρετική, με το εύρος Rayleigh της εστιασμένης δέσμης να ξεπερνά το 1,5 mm, δηλαδή 1,5 φορές το πάχος του υλικού. Ως αποτέλεσμα, το μέγεθος της κηλίδας είναι σχετικά μεγάλο και σταθερό σε όλο το πάχος του υλικού, γεγονός που συμβάλλει στην αποτελεσματική κοπή επειδή ο ομοιόμορφος όγκος ακτινοβολίας και οι προκύπτουσες φαρδιές αυλακώσεις διευκολύνουν την απομάκρυνση των υπολειμμάτων. Το σχήμα 3 δείχνει τις εισερχόμενες και εξερχόμενες μικροσκοπικές εικόνες μιας κοπής που υποβλήθηκε σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας πολλαπλές σαρώσεις υψηλής ταχύτητας στα 6 m/s (συνολική καθαρή ταχύτητα κοπής 20 mm/s).
Παρόμοια με την περίπτωση των πλακών SiP, η ποιότητα της επιφάνειας τόσο της εισερχόμενης όσο και της εξερχόμενης πλευράς της κεφαλής είναι πολύ καλή και παράγει ελάχιστο HAZ. Λόγω της ανομοιογενούς φύσης του υποστρώματος γυαλιού/εποξειδικού FR4 και της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας στο απομακρυσμένο άκρο της κεφαλής αφαίρεσης λέιζερ, οι άκρες της κεφαλής εξόδου γενικά αποκλίνουν ελαφρώς από μια τέλεια ευθεία γραμμή. Η απεικόνιση πλευρικού τοιχώματος διατομής δείχνει πιο λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα της κεφαλής (Εικόνα 4 παρακάτω).
Στο Σχ. 4 μπορούμε να δούμε την εξαιρετική ποιότητα που επιτεύχθηκε. Μόνο μια μικρή ποσότητα HAZ και προϊόντων άνθρακα (κοκ) σχηματίζεται στην κοπή. Επιπλέον, δεν υπήρξε σχεδόν καμία τήξη των ινών γυαλιού. με καθαρή ταχύτητα κοπής έως και 20 mm/s, το Talon GR70 είναι σαφώς ιδανικό για την αποκόλληση παχύτερων PCB FR4, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζει εξαιρετική ποιότητα και υψηλή απόδοση.
