La producció deplaques de circuits impresos (PCB)implica una sèrie de processos diferents, molts dels quals requereixen l'ús de làsers. L'ús de làsers polsats de nanosegons UV està augmentant a causa de les obertures cada cop més petites necessàries.
Els dispositius i els mòduls són cada cop més compactes gràcies a les tecnologies d'envasament avançades. Després d'adonar-se que hi ha una gran diferència entre el node semiconductor i la dimensió del PCB, des del nanòmetre fins al mil·límetre en casos extrems, els desenvolupadors continuen centrant-se en el desenvolupament de tecnologies d'embalatge avançades per connectar components de diferents mides. Una d'aquestes tecnologies és el sistema de sistema en paquet (SiP), on els dispositius individuals de circuit integrat (IC) s'agrupen en un substrat de PCB amb interconnexions de traça metàl·lica incrustades abans de l'embalatge i la separació finals. L'arquitectura inclou normalment una capa intermèdia per aconseguir una distribució raonablement densa de connexions de xip a la PCB. Els mòduls encara estan disposats en un únic panell gran durant l'envasament final, normalment utilitzant envasos de compostos d'emmotllament epoxi (EMC) o altres mètodes. A continuació, els mòduls es separen mitjançant un procés de tall làser.
El rendiment, la qualitat i el cost han de coincidir
El làser ideal per a la separació SiP depèn dels requisits específics i ha d'aconseguir un equilibri òptim entre rendiment, qualitat i cost. Quan hi ha components altament sensibles, pot ser necessari utilitzar làsers Ultra Short Pulse (USP) i/o els efectes tèrmics inherentment baixos deLongituds d'ona UV. En altres casos, els làsers de pols de nanosegons i d'ona llarga de menor cost, de major rendiment són opcions més adequades. Per demostrar les altes velocitats de processament del tall de substrats de PCB SiP, els enginyers d'aplicacions de MKS van provar un làser polsat de nanosegons d'alta potència verd. Es va utilitzar un làser Spectra-Physics Talon GR70 per tallar material SiP, format per FR4 prim amb cables de coure incrustats i una màscara de soldadura de doble cara, utilitzant un multiprocessament d'alta velocitat amb un galvanòmetre d'escaneig de doble eix. El gruix total del material és de 250 µm, dels quals 150 µm és la làmina FR4 (ultrafina) i els 100 µm restants són la màscara de soldadura de polímer de doble cara. Mitjançant l'ús d'una alta velocitat d'exploració de 6 m/s, es poden mitigar els efectes tèrmics greus i evitar la formació de zones afectades per la calor (HAZ). Tenint en compte el material relativament prim, es va utilitzar una mida de punt focal petita (aproximadament 16 µm, diàmetre 1/e2) i una freqüència de repetició de pols elevada (PRF) de 450 kHz. Aquesta combinació de paràmetres aprofita al màxim la capacitat única del làser per mantenir una gran potència a PRF elevat (67 W a 450 kHz en aquest exemple), cosa que ajuda a mantenir la densitat d'energia adequada i la superposició punt a punt a altes velocitats d'escaneig.
Tall sense degradació tèrmica
La velocitat total de tall net aconseguida després de múltiples exploracions d'alta velocitat va ser de 200 mm/s. La figura 1 mostra els costats entrants i sortints del tall, així com la zona subterrània on el camí de tall creua el cable de coure enterrat. Tant les superfícies d'entrada com de sortida es van tallar netament amb poca o cap HAZ. A més, la presència del filferro de coure no va afectar negativament el procés de tall i la qualitat de les vores del tall de coure semblava ser ideal, tot i que l'angle de visió era una mica limitat.
Per obtenir una visió més detallada de la qualitat al voltant del cable de coure (i, de fet, tot el tall), mireu la secció transversal de la paret lateral del tall (figura 2).
La qualitat és molt bona, amb només una quantitat molt petita de HAZ i alguns fragments carbonitzats i partícules presents. cada fibra de la capa FR4 és clarament discernible, i la part fosa es limita a les cares extrems de les fibres tallades que sobresurten cap a l'exterior de les parets laterals (és a dir, perpendiculars a les fibres que s'estenen al llarg de la superfície tallada). És important destacar que no es va poder observar cap delaminació en aquestes capes.
A més, els resultats indiquen que l'àrea al voltant dels cables de coure és de bona qualitat i no està subjecta a efectes tèrmics nocius com ara el flux de coure o la delaminació de les capes de màscara de soldadura o FR4 circumdants.
Taulers FR4 gruixuts que requereixen grans diàmetres de punt
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) a un PRF nominal de 275 kHz, es va utilitzar una mida de punt més gran (~ 36 µm); a més, la qualitat del feix és excel·lent, amb el rang Rayleigh del feix enfocat que supera els 1,5 mm, que és 1,5 vegades el gruix del material. Com a resultat, la mida del punt és relativament gran i constant en tot el gruix del material, la qual cosa contribueix a un tall eficient perquè el volum d'irradiació uniforme i les ranures amples resultants faciliten l'eliminació de residus. La figura 3 mostra les imatges microscòpiques entrants i sortints d'un tall que es va processar mitjançant múltiples exploracions d'alta velocitat a 6 m/s (velocitat de tall neta global de 20 mm/s).
De manera similar al cas de les plaques SiP, la qualitat de la superfície tant dels costats d'entrada com de sortida del tall és molt bona i produeix un HAZ mínim. A causa de la naturalesa no homogènia del substrat de vidre/epoxi FR4 i de la baixa densitat d'energia a l'extrem distal del tall d'ablació làser, les vores del tall de sortida generalment es desvien lleugerament d'una línia perfectament recta. Les imatges de la paret lateral de la secció transversal mostren informació més detallada sobre la qualitat del tall (figura 4 a continuació).
A la figura 4 podem veure l'excel·lent qualitat aconseguida. Només es formen una petita quantitat de HAZ i productes de carboni (coc) al tall. A més, gairebé no hi havia fusió de les fibres de vidre. Amb una velocitat de tall neta de fins a 20 mm/s, el Talon GR70 és clarament ideal per a despanejar PCB FR4 més gruixuts, alhora que garanteix una qualitat excel·lent i un alt rendiment.
