لیزر سبز بردهای مدار چاپی را به طور موثر برش می دهد

تولید ازبرد مدار چاپی (PCB)شامل تعدادی فرآیند مختلف است که بسیاری از آنها نیاز به استفاده از لیزر دارند. استفاده از لیزرهای پالسی نانوثانیه UV به دلیل روزنه های کوچکتر و کوچکتر مورد نیاز در حال افزایش است.

دستگاه ها و ماژول ها به لطف فناوری های پیشرفته بسته بندی فشرده تر می شوند. توسعه دهندگان پس از درک اینکه تفاوت زیادی بین گره نیمه هادی و ابعاد PCB وجود دارد - از سطح نانومتر تا میلی متر در موارد شدید - همچنان بر توسعه فناوری های بسته بندی پیشرفته برای اتصال قطعات با اندازه های مختلف تمرکز می کنند. یکی از این فناوری‌ها، سیستم سیستم در بسته (SiP) است که در آن دستگاه‌های مدار مجتمع (IC) جداگانه روی یک بستر PCB با اتصالات فلزی تعبیه‌شده قبل از بسته‌بندی و جداسازی نهایی بسته‌بندی می‌شوند. این معماری معمولاً شامل یک لایه میانی برای دستیابی به توزیع متراکم مناسبی از اتصالات تراشه در PCB است. ماژول ها همچنان در طول بسته بندی نهایی بر روی یک پانل بزرگ قرار می گیرند، معمولاً از بسته بندی ترکیب قالب گیری اپوکسی (EMC) یا روش های دیگر استفاده می کنند. سپس ماژول ها با استفاده از فرآیند برش لیزری جدا می شوند.

عملکرد، کیفیت و هزینه باید مطابقت داشته باشند

لیزر ایده آل برای جداسازی SiP به نیازهای خاص بستگی دارد و باید تعادل مطلوبی بین توان، کیفیت و هزینه برقرار کند. هنگامی که اجزای بسیار حساس درگیر هستند، ممکن است لازم باشد از لیزرهای Ultra Short Pulse (USP) و/یا اثرات حرارتی ذاتی کم استفاده شود.طول موج UV. در موارد دیگر، لیزرهای پالسی نانوثانیه ای و امواج بلند هزینه کمتر، توان عملیاتی بالاتر، انتخاب های مناسب تری هستند. برای نشان دادن سرعت پردازش بالای برش بستر PCB SiP، مهندسان برنامه MKS یک لیزر پالسی نانوثانیه ای سبز رنگ را آزمایش کردند. یک لیزر Spectra-Physics Talon GR70 برای برش مواد SiP، متشکل از FR4 نازک با سیم‌های مسی تعبیه‌شده و یک ماسک لحیم کاری دو طرفه، با استفاده از پردازش چندگانه با سرعت بالا با گالوانومتر اسکن دو محوره استفاده شد. ضخامت کل مواد 250 میکرومتر است که 150 میکرومتر آن ورق (فوق العاده نازک) FR4 و 100 میکرومتر باقیمانده ماسک لحیم پلیمری دو طرفه است. با استفاده از سرعت اسکن بالای 6 متر بر ثانیه، می توان اثرات حرارتی شدید را کاهش داد و از تشکیل مناطق تحت تأثیر گرما (HAZ) جلوگیری کرد. با توجه به مواد نسبتاً نازک، اندازه نقطه کانونی کوچک (تقریباً 16 میکرومتر، قطر 1/e2) و فرکانس تکرار پالس بالا (PRF) 450 کیلوهرتز استفاده شد. این ترکیب پارامترها از توانایی منحصر به فرد لیزر برای حفظ توان بالا در PRF بالا (در این مثال 67 وات در 450 کیلوهرتز) بهره کامل می برد که به حفظ چگالی انرژی مناسب و همپوشانی نقطه به نقطه در سرعت های اسکن بالا کمک می کند.

برش بدون تخریب حرارتی

سرعت خالص برش کلی که پس از چندین اسکن با سرعت بالا به دست آمد 200 میلی متر بر ثانیه بود. شکل 1 دو طرف ورودی و خروجی کرف و همچنین ناحیه زیرسطحی را نشان می دهد که مسیر برش از سیم مسی مدفون عبور می کند. هر دو سطح ورودی و خروجی به طور تمیز با مقدار کم یا بدون HAZ بریده شدند. علاوه بر این، وجود سیم مسی تأثیر نامطلوبی بر روند برش نداشت و کیفیت لبه‌های مسی ایده‌آل به نظر می‌رسید، اگرچه زاویه دید تا حدودی محدود بود.

برای مشاهده جزئیات بیشتر از کیفیت اطراف سیم مسی (و در واقع کل برش)، به سطح مقطع دیواره جانبی برش نگاه کنید (شکل 2).

کیفیت بسیار خوب است، فقط مقدار بسیار کمی HAZ و چند قطعه کربنی شده و ذرات موجود در آن وجود دارد. هر الیاف در لایه FR4 به وضوح قابل تشخیص است و بخش ذوب شده به وجوه انتهایی الیاف بریده شده محدود می شود که از دیواره های جانبی به بیرون بیرون زده اند (یعنی عمود بر الیافی که در امتداد سطح برش امتداد دارند). نکته مهم این است که هیچ لایه لایه شدنی در این لایه ها مشاهده نمی شود.

علاوه بر این، نتایج نشان می‌دهد که ناحیه اطراف سیم‌های مسی از کیفیت خوبی برخوردار است و در معرض اثرات مضر حرارتی مانند جریان مس یا لایه‌برداری از لایه‌های FR4 اطراف یا ماسک لحیم نیست.

تخته های FR4 ضخیم شده که به قطر لکه های بزرگ نیاز دارند

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 میکروژول) در یک PRF اسمی 275 کیلوهرتز، اندازه نقطه بزرگتر (~36 میکرومتر) استفاده شد. علاوه بر این، کیفیت پرتو عالی است، با محدوده ریلی پرتو متمرکز بیش از 1.5 میلی متر، که 1.5 برابر ضخامت ماده است. در نتیجه، اندازه لکه نسبتاً بزرگ و ثابت در کل ضخامت ماده است که به برش کارآمد کمک می کند زیرا حجم یکنواخت تابش و شیارهای گسترده حاصل از آن حذف زباله را تسهیل می کند. شکل 3 تصاویر میکروسکوپی ورودی و خروجی از یک برش را نشان می دهد که با استفاده از اسکن های متعدد با سرعت بالا در 6 متر بر ثانیه (سرعت خالص برش 20 میلی متر بر ثانیه) پردازش شده است.

مشابه با صفحات SiP، کیفیت سطح هر دو طرف ورودی و خروجی کرف بسیار خوب است و حداقل HAZ را تولید می کند. به دلیل ماهیت ناهمگن زیرلایه شیشه/اپوکسی FR4 و چگالی انرژی کم در انتهای انتهایی لبه فرسایش لیزری، لبه‌های خروجی معمولاً کمی از یک خط کاملاً مستقیم منحرف می‌شوند. تصویربرداری مقطعی دیواره جانبی اطلاعات دقیق تری را در مورد کیفیت کرف نشان می دهد (شکل 4 در زیر).

در شکل 4 می توانیم کیفیت عالی به دست آمده را مشاهده کنیم. فقط مقدار کمی از HAZ و محصولات کربن (کک) در برش تشکیل می شود. علاوه بر این، تقریباً هیچ ذوبی از الیاف شیشه وجود نداشت. Talon GR70 با سرعت خالص تا 20 میلی‌متر بر ثانیه، به وضوح برای جدا کردن صفحات مدار چاپی ضخیم‌تر FR4 مناسب است و در عین حال کیفیت عالی و توان عملیاتی بالا را تضمین می‌کند.