Die Produktion vonLeiterplatten (PCBs)Dabei handelt es sich um eine Reihe verschiedener Prozesse, von denen viele den Einsatz von Lasern erfordern. Der Einsatz von gepulsten UV-Nanosekundenlasern nimmt aufgrund der immer kleineren benötigten Aperturen zu.
Geräte und Module werden dank fortschrittlicher Verpackungstechnologien immer kompakter. Nachdem sie erkannt haben, dass es einen großen Unterschied zwischen dem Halbleiterknoten und der Leiterplattendimension gibt – im Extremfall vom Nanometer- bis zum Millimeterbereich –, konzentrieren sich die Entwickler weiterhin auf die Entwicklung fortschrittlicher Verpackungstechnologien, um Komponenten unterschiedlicher Größe zu verbinden. Eine dieser Technologien ist das System-in-Package-System (SiP), bei dem einzelne integrierte Schaltkreise (IC) vor der endgültigen Verpackung und Trennung auf einem PCB-Substrat mit eingebetteten Metallleiterbahnverbindungen gebündelt werden. Die Architektur umfasst typischerweise eine Zwischenschicht, um eine einigermaßen dichte Verteilung der Chipverbindungen auf der Leiterplatte zu erreichen. Bei der Endverpackung werden die Module immer noch auf einer einzigen großen Platte angeordnet, typischerweise unter Verwendung einer Epoxid-Formmasse-Verpackung (EMC) oder anderer Methoden. Anschließend werden die Module durch ein Laserschneidverfahren getrennt.
Ertrag, Qualität und Kosten müssen übereinstimmen
Der ideale Laser für die SiP-Trennung hängt von den spezifischen Anforderungen ab und muss ein optimales Gleichgewicht zwischen Durchsatz, Qualität und Kosten finden. Wenn hochempfindliche Komponenten beteiligt sind, kann es erforderlich sein, Ultrakurzpulslaser (UKP) und/oder die inhärent geringen thermischen Effekte von zu verwendenUV-Wellenlängen. In anderen Fällen sind gepulste Nanosekunden- und Langwellenlaser mit geringeren Kosten und höherem Durchsatz die geeignetere Wahl. Um die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten beim Schneiden von SiP-Leiterplattensubstraten zu demonstrieren, testeten die Anwendungsingenieure von MKS einen grünen Hochleistungs-Pulslaser im Nanosekundenbereich. Ein Spectra-Physics Talon GR70-Laser wurde zum Schneiden von SiP-Material, bestehend aus dünnem FR4 mit eingebetteten Kupferdrähten und einer doppelseitigen Lötmaske, unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Mehrfachverarbeitung mit einem zweiachsigen Scan-Galvanometer verwendet. Die Gesamtdicke des Materials beträgt 250 µm, davon entfallen 150 µm auf die (ultradünne) FR4-Folie und die restlichen 100 µm auf die doppelseitige Polymer-Lötmaske. Durch die Verwendung einer hohen Scangeschwindigkeit von 6 m/s können starke thermische Effekte abgemildert und die Bildung von Wärmeeinflusszonen (HAZ) vermieden werden. Aufgrund des relativ dünnen Materials wurden eine kleine Brennfleckgröße (ca. 16 µm, 1/e2 Durchmesser) und eine hohe Pulswiederholungsfrequenz (PRF) von 450 kHz verwendet. Diese Kombination von Parametern nutzt die einzigartige Fähigkeit des Lasers, eine hohe Leistung bei hoher PRF (in diesem Beispiel 67 W bei 450 kHz) aufrechtzuerhalten, voll aus, was dazu beiträgt, die richtige Energiedichte und Punkt-zu-Punkt-Überlappung bei hohen Scangeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
Schneiden ohne thermischen Abbau
Die nach mehreren Hochgeschwindigkeitsscans erreichte Gesamtnettoschnittgeschwindigkeit betrug 200 mm/s. Abbildung 1 zeigt die Eingangs- und Ausgangsseite der Schnittfuge sowie den Untergrundbereich, wo der Schnittpfad den vergrabenen Kupferdraht kreuzt. Sowohl die Eintritts- als auch die Austrittsflächen wurden sauber geschnitten und zeigten kaum oder keine HAZ. Darüber hinaus beeinträchtigte das Vorhandensein des Kupferdrahts den Schneidprozess nicht und die Qualität der Kupferschnittkanten schien ideal zu sein, obwohl der Betrachtungswinkel etwas eingeschränkt war.
Um einen detaillierteren Überblick über die Qualität rund um den Kupferdraht (und tatsächlich den gesamten Schnitt) zu erhalten, sehen Sie sich den Querschnitt der Seitenwand des Schnitts an (Abbildung 2).
Die Qualität ist sehr gut, nur eine sehr geringe Menge an HAZ und einige verkohlte und partikelförmige Fragmente sind vorhanden. Jede Faser in der FR4-Schicht ist klar erkennbar, und der geschmolzene Anteil ist auf die Endflächen der geschnittenen Fasern beschränkt, die von den Seitenwänden nach außen ragen (dh senkrecht zu den Fasern, die sich entlang der Schnittfläche erstrecken). Wichtig ist, dass in diesen Schichten keine Delaminierung beobachtet werden konnte.
Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Bereich um die Kupferdrähte von guter Qualität ist und keinen schädlichen thermischen Effekten wie Kupferfluss oder Delaminierung von den umgebenden FR4- oder Lötmaskenschichten ausgesetzt ist.
Verdickte FR4-Platten, die große Punktdurchmesser erfordern
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) bei einer nominalen PRF von 275 kHz wurde eine größere Spotgröße (~36 µm) verwendet; Darüber hinaus ist die Strahlqualität hervorragend: Der Rayleigh-Bereich des fokussierten Strahls beträgt mehr als 1,5 mm, was dem 1,5-fachen der Materialdicke entspricht. Dadurch ist die Punktgröße relativ groß und über die gesamte Materialdicke konstant, was zu einem effizienten Schneiden beiträgt, da das gleichmäßige Bestrahlungsvolumen und die daraus resultierenden breiten Rillen die Entfernung von Schmutzpartikeln erleichtern. Abbildung 3 zeigt die eingehenden und ausgehenden mikroskopischen Bilder eines Schnitts, der mithilfe mehrerer Hochgeschwindigkeitsscans mit 6 m/s (Gesamtnettoschnittgeschwindigkeit von 20 mm/s) verarbeitet wurde.
Ähnlich wie bei SiP-Platten ist die Oberflächenqualität sowohl auf der Ein- als auch auf der Austrittsseite der Schnittfuge sehr gut und erzeugt nur minimale HAZ. Aufgrund der inhomogenen Beschaffenheit des FR4-Substrats aus Glas/Epoxidharz und der geringen Energiedichte am distalen Ende der Laserablationsfuge weichen die Kanten der Austrittsfuge im Allgemeinen leicht von einer perfekt geraden Linie ab. Die Querschnittsseitenwandbildgebung zeigt detailliertere Informationen über die Qualität der Schnittfuge (Abbildung 4 unten).
In Abb. 4 sehen wir die erreichte hervorragende Qualität. Im Schnitt entstehen nur geringe Mengen an WEZ und Kohlenstoffprodukten (Koks). Zudem kam es nahezu zu keinem Aufschmelzen der Glasfasern. Mit einer Netto-Schnittgeschwindigkeit von bis zu 20 mm/s ist der Talon GR70 eindeutig ideal zum Trennen dickerer FR4-Leiterplatten geeignet und gewährleistet gleichzeitig eine hervorragende Qualität und einen hohen Durchsatz.
