לייזר ירוק חותך מעגלים מודפסים ביעילות

הייצור שלמעגלים מודפסים (PCB)כרוך במספר תהליכים שונים, שרבים מהם דורשים שימוש בלייזר. השימוש בלייזרים פולסים UV ננו-שניות הולך וגדל עקב הפתחים הקטנים והקטנים הנדרשים.

התקנים ומודולים הופכים קומפקטיים יותר הודות לטכנולוגיות אריזה מתקדמות. לאחר שהבינו שיש הבדל גדול בין צומת המוליכים למחצה למימד ה-PCB - מננומטר ועד לרמת המילימטר במקרים קיצוניים - ממשיכים המפתחים להתמקד בפיתוח טכנולוגיות אריזה מתקדמות לחיבור רכיבים בגדלים שונים. טכנולוגיה אחת כזו היא מערכת ה-System-in-Package (SiP), שבה התקני מעגל משולבים בודדים (IC) מאגדים על מצע PCB עם חיבורי מתכת משובצים לפני האריזה הסופית וההפרדה. הארכיטקטורה כוללת בדרך כלל שכבת ביניים כדי להשיג חלוקה צפופה למדי של חיבורי שבבים ב-PCB. המודולים עדיין מסודרים על פאנל גדול אחד במהלך האריזה הסופית, בדרך כלל באמצעות אריזת תרכובת אפוקסי (EMC) או שיטות אחרות. לאחר מכן מופרדים המודולים באמצעות תהליך חיתוך בלייזר.

התשואה, האיכות והעלות חייבים להתאים

הלייזר האידיאלי להפרדת SiP תלוי בדרישות הספציפיות וחייב ליצור איזון אופטימלי בין תפוקה, איכות ועלות. כאשר מעורבים רכיבים רגישים ביותר, ייתכן שיהיה צורך להשתמש בלייזרי Ultra Short Pulse (USP) ו/או בהשפעות התרמיות הנמוכות מטבען שלאורכי גל UV. במקרים אחרים, עלות נמוכה יותר, תפוקה גבוהה יותר של ננו-שניות פעימות וגלים ארוכים הם בחירות מתאימות יותר. כדי להדגים את מהירויות העיבוד הגבוהות של חיתוך מצע SiP PCB, מהנדסי יישום MKS בדקו לייזר פועם ננו-שניות ירוק בעל הספק גבוה. לייזר Spectra-Physics Talon GR70 שימש לחיתוך חומר SiP, המורכב מ-FR4 דק עם חוטי נחושת משובצים ומסכת הלחמה דו-צדדית, תוך שימוש בעיבוד רב-מהירות גבוה עם גלוונומטר סריקה דו-צירי. העובי הכולל של החומר הוא 250 מיקרומטר, מתוכם 150 מיקרומטר הוא יריעת FR4 (דקה במיוחד) ו-100 מיקרומטר הנותרים הם מסכת הלחמה פולימר דו-צדדית. באמצעות מהירות סריקה גבוהה של 6 מ"ש, ניתן למתן השפעות תרמיות חמורות ולמנוע היווצרות של אזורים מושפעי חום (HAZ). לאור החומר הדק יחסית, נעשה שימוש בגודל נקודת מוקד קטן (כ-16 מיקרומטר, קוטר 1/e2) ובתדירות חזרת פולסים גבוהה (PRF) של 450 קילו-הרץ. שילוב זה של פרמטרים מנצל את מלוא היכולת הייחודית של הלייזר לשמור על הספק גבוה ב-PRF גבוה (67 W ב-450 קילו-הרץ בדוגמה זו), מה שעוזר לשמור על צפיפות אנרגיה נכונה וחפיפה מנקודה לנקודה במהירויות סריקה גבוהות.

חיתוך ללא השפלה תרמית

מהירות החיתוך נטו הכוללת שהושגה לאחר סריקות מרובות במהירות גבוהה הייתה 200 מ"מ לשנייה. איור 1 מציג את הצדדים הנכנסים והיוצאים של החריף, כמו גם את האזור התת-קרקעי שבו הנתיב החתוך חוצה את חוט הנחושת הקבור. הן המשטחים הנכנסים והן היוצאים נחתכו בצורה נקייה עם מעט או ללא HAZ. בנוסף, נוכחות חוט הנחושת לא השפיעה לרעה על תהליך החיתוך, ואיכות קצוות נחושת נראתה אידיאלית, אם כי זווית הצפייה הייתה מוגבלת במקצת.

לתצוגה מפורטת יותר של האיכות מסביב לחוט הנחושת (ואכן את כל החתך), התבונן בחתך הרוחב של דופן החתך (איור 2).

האיכות טובה מאוד, עם כמות קטנה מאוד של HAZ וכמה שברים מוגזים וחלקיקים נוכחים. ניתן להבחין בבירור בכל סיב בשכבת FR4, והחלק המומס מוגבל לפנים הקצה של הסיבים החתוכים הבולטים החוצה מהדפנות (כלומר, בניצב לסיבים המשתרעים לאורך משטח החתך). חשוב לציין, לא ניתן היה לראות דלמינציה בשכבות אלו.

בנוסף, התוצאות מצביעות על כך שהאזור סביב חוטי הנחושת הוא באיכות טובה ואינו נתון להשפעות תרמיות מזיקות כגון זרימת נחושת או דה למינציה משכבות ה-FR4 או מסיכת הלחמה שמסביב.

לוחות FR4 מעובים הדורשים קוטרי נקודה גדולים

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) ב-PRF נומינלי של 275 קילו-הרץ, נעשה שימוש בגודל נקודה גדול יותר (~36 µm); יתרה מכך, איכות האלומה מעולה, כאשר טווח ריילי של האלומה הממוקדת עולה על 1.5 מ"מ, שהם פי 1.5 מעובי החומר. כתוצאה מכך, גודל הנקודה גדול יחסית וקבוע על פני כל עובי החומר, מה שתורם לחיתוך יעיל מכיוון שנפח הקרינה האחיד והחריצים הרחבים שנוצרו מקלים על פינוי הפסולת. איור 3 מציג את התמונות המיקרוסקופיות הנכנסות והיוצאות של חיתוך שעובד באמצעות סריקות מהירות מרובות במהירות של 6 מ"ש (מהירות חיתוך נטו של 20 מ"מ לשנייה).

בדומה למקרה של לוחות SiP, איכות פני השטח של שני הצדדים הנכנסים והיוצאים של הכריך טובה מאוד ומייצר HAZ מינימלי. בשל האופי הבלתי-הומוגני של מצע הזכוכית/אפוקסי FR4 וצפיפות האנרגיה הנמוכה בקצה המרוחק של משטח אבלציה הלייזר, קצוות משטח היציאה בדרך כלל חורגים מעט מקו ישר לחלוטין. הדמיה של דופן צדדית בחתך מראה מידע מפורט יותר על איכות החתך (איור 4 להלן).

באיור 4 אנו יכולים לראות את האיכות המעולה שהושגה. רק כמות קטנה של HAZ ומוצרי פחמן (קוקה) נוצרת בחיתוך. בנוסף, כמעט ולא הייתה התכה של סיבי הזכוכית. עם מהירות חיתוך נטו של עד 20 מ"מ לשנייה, ה-Talon GR70 מתאים באופן אידיאלי לסילוק לוחות FR4 עבים יותר, ובו בזמן מבטיח איכות מעולה ותפוקה גבוהה.