Sản lượng củabảng mạch in (PCB)liên quan đến một số quy trình khác nhau, nhiều quy trình trong số đó yêu cầu sử dụng tia laser. Việc sử dụng tia laser xung nano giây UV ngày càng tăng do yêu cầu khẩu độ ngày càng nhỏ hơn.
Các thiết bị và mô-đun ngày càng trở nên nhỏ gọn hơn nhờ các công nghệ đóng gói tiên tiến. Sau khi nhận thấy có sự khác biệt lớn giữa nút bán dẫn và kích thước PCB - từ mức nanomet đến milimet trong những trường hợp cực đoan - các nhà phát triển tiếp tục tập trung phát triển các công nghệ đóng gói tiên tiến để kết nối các thành phần có kích thước khác nhau. Một trong những công nghệ như vậy là hệ thống hệ thống trong gói (SiP), trong đó các thiết bị mạch tích hợp (IC) riêng lẻ được đóng gói trên đế PCB với các kết nối dấu vết kim loại nhúng trước khi đóng gói và phân tách cuối cùng. Kiến trúc thường bao gồm một lớp trung gian để đạt được sự phân bố dày đặc hợp lý các kết nối chip trong PCB. Các mô-đun vẫn được sắp xếp trên một bảng lớn duy nhất trong quá trình đóng gói cuối cùng, thường sử dụng bao bì hợp chất đúc epoxy (EMC) hoặc các phương pháp khác. Các mô-đun sau đó được tách ra bằng quy trình cắt laser.
Năng suất, chất lượng và chi phí phải phù hợp
Loại laser lý tưởng để tách SiP phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể và phải đạt được sự cân bằng tối ưu giữa công suất, chất lượng và chi phí. Khi có các thành phần có độ nhạy cao, có thể cần phải sử dụng tia laser Xung siêu ngắn (USP) và/hoặc hiệu ứng nhiệt vốn có thấp củabước sóng tia cực tím. Trong các trường hợp khác, laser sóng dài và xung nano giây có thông lượng cao hơn, chi phí thấp hơn là những lựa chọn thích hợp hơn. Để chứng minh tốc độ xử lý cao của quá trình cắt bề mặt PCB SiP, các kỹ sư ứng dụng MKS đã thử nghiệm tia laser xung nano giây công suất cao màu xanh lá cây. Laser Spectra-Physics Talon GR70 đã được sử dụng để cắt vật liệu SiP, bao gồm FR4 mỏng với dây đồng nhúng và mặt nạ hàn hai mặt, sử dụng đa xử lý tốc độ cao với điện kế quét trục kép. Tổng độ dày của vật liệu là 250 µm, trong đó 150 µm là tấm FR4 (siêu mỏng) và 100 µm còn lại là mặt nạ hàn polymer hai mặt. Bằng cách sử dụng tốc độ quét cao 6 m/s, có thể giảm thiểu các hiệu ứng nhiệt nghiêm trọng và tránh hình thành các vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Do vật liệu tương đối mỏng nên kích thước tiêu điểm nhỏ (khoảng 16 µm, đường kính 1/e2) và tần số lặp xung cao (PRF) 450 kHz đã được sử dụng. Sự kết hợp các thông số này tận dụng tối đa khả năng độc đáo của laser để duy trì công suất cao ở PRF cao (67 W ở 450 kHz trong ví dụ này), giúp duy trì mật độ năng lượng thích hợp và chồng chéo từng điểm ở tốc độ quét cao.
Cắt mà không bị suy giảm nhiệt
Tốc độ cắt ròng tổng thể đạt được sau nhiều lần quét tốc độ cao là 200 mm/s. Hình 1 cho thấy các mặt vào và ra của rãnh cắt, cũng như khu vực dưới bề mặt nơi đường cắt đi qua dây đồng chôn trong. Cả bề mặt vào và ra đều được cắt sạch với ít hoặc không có HAZ. Ngoài ra, sự hiện diện của dây đồng không ảnh hưởng xấu đến quá trình cắt và chất lượng của các cạnh cắt bằng đồng có vẻ lý tưởng, mặc dù góc nhìn có phần hạn chế.
Để có cái nhìn chi tiết hơn về chất lượng xung quanh dây đồng (và thực tế là toàn bộ vết cắt), hãy nhìn vào mặt cắt ngang của thành bên của vết cắt (Hình 2).
Chất lượng rất tốt, chỉ có một lượng rất nhỏ HAZ và một số mảnh cacbon hóa và dạng hạt hiện diện. mọi sợi trong lớp FR4 đều có thể nhận thấy rõ ràng và phần nóng chảy được giới hạn ở mặt cuối của các sợi cắt nhô ra ngoài từ các thành bên (tức là vuông góc với các sợi kéo dài dọc theo bề mặt cắt). Điều quan trọng là không thể quan sát thấy sự phân tách trong các lớp này.
Ngoài ra, kết quả chỉ ra rằng khu vực xung quanh dây đồng có chất lượng tốt và không chịu các tác động nhiệt có hại như dòng chảy đồng hoặc sự tách lớp từ các lớp FR4 hoặc mặt nạ hàn xung quanh.
Bảng FR4 dày yêu cầu đường kính điểm lớn
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) ở tần số PRF danh nghĩa là 275 kHz, kích thước điểm lớn hơn (~36 µm) đã được sử dụng; hơn nữa, chất lượng chùm tia rất tuyệt vời, với phạm vi Rayleigh của chùm tia hội tụ vượt quá 1,5 mm, tức là gấp 1,5 lần độ dày của vật liệu. Kết quả là, kích thước điểm tương đối lớn và không đổi trên toàn bộ độ dày của vật liệu, góp phần cắt hiệu quả vì khối lượng chiếu xạ đồng đều và các rãnh rộng tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ mảnh vụn. Hình 3 cho thấy các hình ảnh hiển vi đến và đi của vết cắt được xử lý bằng cách sử dụng nhiều lần quét tốc độ cao ở tốc độ 6 m/s (tốc độ cắt thực tổng thể là 20 mm/s).
Tương tự như trường hợp của tấm SiP, chất lượng bề mặt của cả hai mặt vào và ra của rãnh cắt đều rất tốt và tạo ra HAZ tối thiểu. Do tính chất không đồng nhất của chất nền thủy tinh/epoxy FR4 và mật độ năng lượng thấp ở đầu xa của vết cắt cắt đốt bằng laser, các cạnh vết cắt thoát ra thường hơi lệch so với một đường thẳng hoàn hảo. Hình ảnh mặt cắt ngang của thành bên cho thấy thông tin chi tiết hơn về chất lượng của rãnh cắt (Hình 4 bên dưới).
Trong Hình 4, chúng ta có thể thấy chất lượng tuyệt vời đã đạt được. Chỉ một lượng nhỏ HAZ và các sản phẩm carbon (than cốc) được hình thành trong quá trình cắt. Ngoài ra, sợi thủy tinh hầu như không bị nóng chảy. với tốc độ cắt thực lên tới 20 mm/s, Talon GR70 rõ ràng là sự lựa chọn lý tưởng để loại bỏ tấm PCB FR4 dày hơn, đồng thời đảm bảo chất lượng tuyệt vời và công suất cao.
