La produzione dicircuiti stampati (PCB)coinvolge una serie di processi diversi, molti dei quali richiedono l’uso dei laser. L’uso di laser pulsati UV a nanosecondi è in aumento a causa delle aperture sempre più piccole richieste.
Dispositivi e moduli stanno diventando più compatti grazie alle tecnologie di packaging avanzate. Dopo aver realizzato che esiste una grande differenza tra il nodo del semiconduttore e la dimensione del PCB - dal livello nanometrico a quello millimetrico in casi estremi - gli sviluppatori continuano a concentrarsi sullo sviluppo di tecnologie di packaging avanzate per connettere componenti di diverse dimensioni. Una di queste tecnologie è il sistema SiP (system-in-package), in cui i singoli dispositivi a circuito integrato (IC) vengono raggruppati su un substrato PCB con interconnessioni con tracce metalliche incorporate prima dell'imballaggio finale e della separazione. L'architettura tipicamente include uno strato intermedio per ottenere una distribuzione ragionevolmente densa delle connessioni dei chip nel PCB. I moduli vengono ancora disposti su un unico grande pannello durante l'imballaggio finale, in genere utilizzando l'imballaggio in composto epossidico per stampaggio (EMC) o altri metodi. I moduli vengono poi separati mediante un processo di taglio laser.
Resa, qualità e costo devono corrispondere
Il laser ideale per la separazione SiP dipende dai requisiti specifici e deve raggiungere un equilibrio ottimale tra produttività, qualità e costo. Quando sono coinvolti componenti altamente sensibili, potrebbe essere necessario utilizzare laser a impulsi ultracorti (USP) e/o gli effetti termici intrinsecamente bassi diLunghezze d'onda UV. In altri casi, i laser a impulsi a nanosecondi e a onda lunga a costo inferiore e con produttività più elevata sono scelte più appropriate. Per dimostrare le elevate velocità di elaborazione del taglio del substrato PCB SiP, gli ingegneri applicativi di MKS hanno testato un laser pulsato verde a nanosecondi ad alta potenza. Per tagliare il materiale SiP, costituito da sottile FR4 con fili di rame incorporati e una maschera di saldatura a doppia faccia, è stato utilizzato un laser Spectra-Physics Talon GR70, utilizzando la multielaborazione ad alta velocità con un galvanometro a scansione a doppio asse. Lo spessore totale del materiale è di 250 µm, di cui 150 µm sono il foglio (ultrasottile) FR4 e i restanti 100 µm sono la maschera saldante polimerica a doppia faccia. Utilizzando un'elevata velocità di scansione di 6 m/s, è possibile mitigare gravi effetti termici ed evitare la formazione di zone interessate dal calore (ZTA). Considerando il materiale relativamente sottile, sono state utilizzate una piccola dimensione del punto focale (ca. 16 µm, diametro 1/e2) e un'elevata frequenza di ripetizione degli impulsi (PRF) di 450 kHz. Questa combinazione di parametri sfrutta appieno la capacità unica del laser di mantenere un'elevata potenza a un PRF elevato (67 W a 450 kHz in questo esempio), che aiuta a mantenere la corretta densità di energia e la sovrapposizione da punto a punto a velocità di scansione elevate.
Taglio senza degradazione termica
La velocità di taglio netta complessiva ottenuta dopo scansioni multiple ad alta velocità è stata di 200 mm/s. La Figura 1 mostra i lati in entrata e in uscita del taglio, nonché l'area sotterranea in cui il percorso di taglio attraversa il filo di rame sepolto. Sia la superficie in entrata che quella in uscita sono state tagliate in modo netto con poca o nessuna HAZ. Inoltre, la presenza del filo di rame non ha influito negativamente sul processo di taglio e la qualità dei bordi di taglio in rame sembrava essere ideale, sebbene l'angolo di visione fosse alquanto limitato.
Per una visione più dettagliata della qualità attorno al filo di rame (e in effetti all'intero taglio), osservare la sezione trasversale della parete laterale del taglio (Figura 2).
La qualità è molto buona, con solo una piccolissima quantità di HAZ e pochi frammenti carbonizzati e particolati presenti. ogni fibra nello strato FR4 è chiaramente distinguibile e la porzione fusa è confinata alle facce terminali delle fibre tagliate che sporgono verso l'esterno dalle pareti laterali (cioè perpendicolarmente alle fibre che si estendono lungo la superficie tagliata). È importante sottolineare che in questi strati non è stata osservata alcuna delaminazione.
Inoltre, i risultati indicano che l’area attorno ai fili di rame è di buona qualità e non è soggetta a effetti termici dannosi come il flusso di rame o la delaminazione dagli strati circostanti di FR4 o di maschera di saldatura.
Pannelli FR4 ispessiti che richiedono punti di grande diametro
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) ad una PRF nominale di 275 kHz, è stata utilizzata una dimensione dello spot maggiore (~36 µm); inoltre la qualità del fascio è ottima, con la portata Rayleigh del fascio focalizzato che supera 1,5 mm, ovvero 1,5 volte lo spessore del materiale. Di conseguenza, la dimensione del punto è relativamente grande e costante su tutto lo spessore del materiale, il che contribuisce a un taglio efficiente poiché il volume di irradiazione uniforme e le ampie scanalature risultanti facilitano la rimozione dei detriti. La Figura 3 mostra le immagini microscopiche in entrata e in uscita di un taglio che è stato elaborato utilizzando più scansioni ad alta velocità a 6 m/s (velocità di taglio netta complessiva di 20 mm/s).
Similmente al caso delle piastre SiP, la qualità della superficie sia sul lato in entrata che su quello in uscita del taglio è molto buona e produce una ZTA minima. A causa della natura disomogenea del substrato di vetro/resina epossidica FR4 e della bassa densità di energia all'estremità distale del taglio di ablazione laser, i bordi del taglio di uscita generalmente deviano leggermente da una linea perfettamente dritta. L'imaging della parete laterale in sezione trasversale mostra informazioni più dettagliate sulla qualità del taglio (Figura 4 di seguito).
Nella Fig. 4 possiamo vedere l'ottima qualità raggiunta. Nel taglio si forma solo una piccola quantità di HAZ e di prodotti di carbonio (coke). Inoltre non si è verificata quasi alcuna fusione delle fibre di vetro. con una velocità di taglio netta fino a 20 mm/s, Talon GR70 è chiaramente ideale per la depanelazione di PCB FR4 più spessi, garantendo allo stesso tempo una qualità eccellente e un'elevata produttività.
