เลเซอร์สีเขียวตัดแผงวงจรพิมพ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การผลิตของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่ง ซึ่งหลายกระบวนการจำเป็นต้องใช้เลเซอร์ การใช้เลเซอร์พัลส์ยูวีนาโนวินาทีเพิ่มขึ้นเนื่องจากต้องใช้ช่องรับแสงที่เล็กลงเรื่อยๆ

อุปกรณ์และโมดูลมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นด้วยเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง หลังจากตระหนักว่ามีความแตกต่างอย่างมากระหว่างโหนดเซมิคอนดักเตอร์และมิติ PCB ตั้งแต่ระดับนาโนเมตรไปจนถึงมิลลิเมตรในกรณีที่รุนแรง นักพัฒนายังคงมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเพื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบที่มีขนาดต่างกัน เทคโนโลยีหนึ่งดังกล่าวคือระบบ System-in-Package (SiP) ซึ่งอุปกรณ์วงจรรวม (IC) แต่ละชิ้นจะถูกรวมไว้บนพื้นผิว PCB ที่มีการเชื่อมต่อระหว่างรอยโลหะแบบฝังก่อนการบรรจุและการแยกขั้นสุดท้าย โดยทั่วไปสถาปัตยกรรมจะมีเลเยอร์ตัวกลางเพื่อให้เกิดการกระจายการเชื่อมต่อชิปใน PCB ที่หนาแน่นพอสมควร โมดูลยังคงจัดเรียงอยู่บนแผงขนาดใหญ่เพียงแผงเดียวระหว่างการบรรจุขั้นสุดท้าย โดยทั่วไปจะใช้บรรจุภัณฑ์แบบ epoxy mouldingคอมพาวด์ (EMC) หรือวิธีการอื่นๆ จากนั้นโมดูลจะถูกแยกออกจากกันโดยใช้กระบวนการตัดด้วยเลเซอร์

ผลผลิต คุณภาพ และราคาต้องตรงกัน

เลเซอร์ในอุดมคติสำหรับการแยก SiP ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะ และต้องมีความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างปริมาณงาน คุณภาพ และต้นทุน เมื่อเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบที่มีความไวสูง อาจจำเป็นต้องใช้เลเซอร์ Ultra Short Pulse (USP) และ/หรือผลกระทบทางความร้อนที่ต่ำโดยธรรมชาติของความยาวคลื่นยูวี. ในกรณีอื่นๆ ต้นทุนที่ต่ำกว่า พัลส์นาโนวินาทีที่มีปริมาณงานสูงกว่า และเลเซอร์คลื่นยาวเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมกว่า เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเร็วในการประมวลผลสูงของการตัดซับสเตรต SiP PCB วิศวกรด้านการใช้งาน MKS ได้ทดสอบเลเซอร์พัลซิ่งระดับนาโนวินาทีสีเขียวกำลังสูง เลเซอร์ Spectra-Physics Talon GR70 ถูกนำมาใช้ในการตัดวัสดุ SiP ซึ่งประกอบด้วย FR4 แบบบางที่มีสายทองแดงฝังอยู่และหน้ากากบัดกรีสองด้าน โดยใช้การประมวลผลหลายตัวด้วยความเร็วสูงด้วยกัลวาโนมิเตอร์แบบสแกนสองแกน ความหนารวมของวัสดุคือ 250 µm โดย 150 µm เป็นแผ่น FR4 (บางพิเศษ) และ 100 µm ที่เหลือเป็นแผ่นบัดกรีโพลีเมอร์สองด้าน ด้วยการใช้ความเร็วในการสแกนสูงถึง 6 ม./วินาที ผลกระทบจากความร้อนที่รุนแรงสามารถบรรเทาลงได้ และหลีกเลี่ยงการก่อตัวของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) เมื่อพิจารณาจากวัสดุที่ค่อนข้างบาง จึงใช้ขนาดจุดโฟกัสขนาดเล็ก (ประมาณ 16 µm, เส้นผ่านศูนย์กลาง 1/e2) และความถี่การเกิดพัลส์ซ้ำสูง (PRF) ที่ 450 kHz ถูกนำมาใช้ การรวมกันของพารามิเตอร์นี้ใช้ประโยชน์จากความสามารถเฉพาะตัวของเลเซอร์ในการรักษาพลังงานสูงที่ PRF สูง (67 W ที่ 450 kHz ในตัวอย่างนี้) ซึ่งช่วยรักษาความหนาแน่นของพลังงานที่เหมาะสมและการทับซ้อนแบบจุดต่อจุดที่ความเร็วในการสแกนสูง

การตัดโดยไม่สลายตัวจากความร้อน

ความเร็วในการตัดสุทธิโดยรวมที่ได้รับหลังจากการสแกนความเร็วสูงหลายครั้งคือ 200 มม./วินาที รูปที่ 1 แสดงด้านขาเข้าและขาออกของรอยตัด รวมถึงพื้นที่ใต้ผิวดินที่เส้นทางตัดตัดผ่านลวดทองแดงที่ฝังไว้ พื้นผิวทั้งขาเข้าและขาออกถูกตัดอย่างหมดจดโดยมี HAZ เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย นอกจากนี้ การมีอยู่ของลวดทองแดงไม่ได้ส่งผลเสียต่อกระบวนการตัด และคุณภาพของขอบร่องทองแดงก็ดูเหมือนจะเหมาะสมที่สุด แม้ว่ามุมมองจะค่อนข้างจำกัดก็ตาม

หากต้องการดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณภาพรอบๆ ลวดทองแดง (และการตัดทั้งหมด) ให้ดูที่หน้าตัดของแก้มยางของการตัด (รูปที่ 2)

คุณภาพดีมาก โดยมี HAZ ในปริมาณน้อยมาก และมีเศษคาร์บอนและอนุภาคอยู่เล็กน้อย เส้นใยทุกเส้นในชั้น FR4 สามารถมองเห็นได้ชัดเจน และส่วนที่ละลายจะถูกจำกัดอยู่ที่ส่วนปลายของเส้นใยที่ตัดซึ่งยื่นออกมาจากผนังด้านข้าง (กล่าวคือ ตั้งฉากกับเส้นใยที่ขยายไปตามพื้นผิวที่ตัด) ที่สำคัญไม่พบการหลุดร่อนในชั้นเหล่านี้

นอกจากนี้ ผลลัพธ์ยังบ่งชี้ว่าพื้นที่รอบๆ สายทองแดงมีคุณภาพดี และไม่ได้รับผลกระทบจากความร้อนที่เป็นอันตราย เช่น การไหลของทองแดงหรือการหลุดล่อนจาก FR4 หรือชั้นหน้ากากบัดกรีโดยรอบ

บอร์ด FR4 ที่มีความหนาซึ่งต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางจุดขนาดใหญ่

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) ที่ PRF ระบุที่ 275 kHz, ขนาดสปอตที่ใหญ่กว่า (~36 µm) ถูกนำมาใช้; นอกจากนี้คุณภาพของลำแสงยังดีเยี่ยม โดยระยะ Rayleigh ของลำแสงโฟกัสเกิน 1.5 มม. ซึ่งเป็นความหนาของวัสดุถึง 1.5 เท่า ผลที่ได้คือขนาดสปอตค่อนข้างใหญ่และคงที่ตลอดความหนาทั้งหมดของวัสดุ ซึ่งมีส่วนช่วยในการตัดที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากปริมาณการฉายรังสีที่สม่ำเสมอและร่องกว้างที่ได้จะช่วยให้สามารถกำจัดเศษวัสดุได้ รูปที่ 3 แสดงภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ขาเข้าและขาออกของการตัดที่ประมวลผลโดยใช้การสแกนความเร็วสูงหลายครั้งที่ 6 เมตร/วินาที (ความเร็วตัดสุทธิโดยรวม 20 มม./วินาที)

เช่นเดียวกับกรณีของเพลต SiP คุณภาพพื้นผิวของขอบตัดทั้งขาเข้าและขาออกนั้นดีมาก และสร้าง HAZ น้อยที่สุด เนื่องจากลักษณะที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันของซับสเตรตแก้ว/อีพอกซี FR4 และความหนาแน่นของพลังงานต่ำที่ปลายสุดของรอยตัดด้วยเลเซอร์ระเหย ขอบของรอยตัดทางออกโดยทั่วไปจะเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรงที่สมบูรณ์แบบเล็กน้อย การถ่ายภาพผนังด้านข้างแบบตัดขวางแสดงข้อมูลโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณภาพของรอยตัด (รูปที่ 4 ด้านล่าง)

ในรูปที่ 4 เราจะเห็นคุณภาพที่ยอดเยี่ยมที่ได้รับ มีเพียง HAZ และผลิตภัณฑ์คาร์บอน (โค้ก) จำนวนเล็กน้อยเท่านั้นที่ก่อตัวขึ้นในการตัด นอกจากนี้เส้นใยแก้วแทบไม่มีการละลายเลย ด้วยความเร็วตัดสุทธิสูงสุด 20 มม./วินาที Talon GR70 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการถอด PCB FR4 ที่หนาขึ้น ขณะเดียวกันก็รับประกันคุณภาพที่ยอดเยี่ยมและปริมาณงานสูง