印刷電路板 (PCB) 的生產(chǎn)涉及多種不同的工藝流程，其中很多都需要用到激光器。由于所需的孔徑越來越小，紫外納秒脈沖激光器的使用越來越多。

圖 1. 厚度為 250 µm 的 SiP 材料的入射面和出射面切口以及內(nèi)嵌銅線的光學(xué)顯微鏡視圖（凈切割速度為 200 mm/s）

得益于先進(jìn)的封裝技術(shù)，設(shè)備和模塊變得更加緊湊。在意識(shí)到半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)與 PCB 維度之間存在很大的差別（在極端情況下從納米到毫米級(jí)別）后，開發(fā)商繼續(xù)專注于開發(fā)先進(jìn)的封裝技術(shù)，以便將不同尺寸的元件連接起來。其中一種技術(shù)是系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 系統(tǒng)，在最終封裝和分離之前，將各個(gè)集成電路 (IC) 器件捆綁在 PCB 基板上，該基板具有嵌入式金屬跡線互連。此架構(gòu)通常包含一個(gè)中介層，用于在 PCB 中實(shí)現(xiàn)合理的高密度芯片連接分布。最終封裝一般采用環(huán)氧塑封料 (EMC) 封裝或其他方法，在進(jìn)行最終封裝時(shí)，模塊仍然排列在單個(gè)大面板上。然后采用激光切割工藝對(duì)模塊進(jìn)行分離。

產(chǎn)量、質(zhì)量和成本必須匹配

用于 SiP 分離的理想激光器取決于具體要求，并且必須在產(chǎn)量、質(zhì)量和成本之間取得最佳平衡。當(dāng)涉及高靈敏度元件時(shí)，可能需要利用超短脈沖(USP) 激光器和/或紫外波長固有的低熱效應(yīng)。在其他情況下，成本更低、產(chǎn)量更高的納秒脈沖和長波激光器是更為恰當(dāng)?shù)倪x擇。為了展示 SiP PCB 基板切割的高加工速度，MKS 應(yīng)用工程師對(duì)綠光高功率納秒脈沖激光器進(jìn)行了測(cè)試。我們使用一臺(tái) Spectra-Physics Talon GR70 激光器，通過采用雙軸掃描振鏡的高速多次加工技術(shù)，對(duì) SiP 材料進(jìn)行了切割，該材料由具有內(nèi)嵌銅線的薄型 FR4 和雙面阻焊層構(gòu)成。材料的總厚度為250 µm，其中 150 µm 為（超薄型）FR4 板，剩余 100 µm 為雙面聚合物阻焊層。通過采用 6 m/s 的高掃描速度，可以緩解嚴(yán)重的熱效應(yīng)并避免熱影響區(qū) (HAZ) 的形成�？紤]到材料相對(duì)較薄，他們采用了較小的焦點(diǎn)光斑大�。�約為16 µm，1/e2 直徑）和 450 kHz 的高脈沖重復(fù)頻率 (PRF)。這種參數(shù)組合可以充分發(fā)揮激光器的獨(dú)特能力，即可以在高PRF 下保持高功率（本示例中為在 450 kHz 下保持67 W），有助于在高掃描速度下保持適當(dāng)?shù)哪芰棵芏群凸獍咧凉獍叩闹丿B。

圖 2. 展示優(yōu)異質(zhì)量（特別是在玻璃纖維織物內(nèi)部和內(nèi)嵌銅線附近）的激光切割 SiP 側(cè)視圖

沒有熱降解的切割

多次高速掃描后實(shí)現(xiàn)的總體凈切割速度為 200 mm/s。圖 1 顯示了切口的入射面和出射面，以及切割路徑與埋入銅線交叉的表面下區(qū)域。入射面和出射面的切口均干凈利落，HAZ 很小或根本不存在。此外，銅線的存在沒有對(duì)切割工藝產(chǎn)生不利影響，盡管觀察角度受到一定的限制，但銅切口邊緣的質(zhì)量看起來很理想。

如需詳細(xì)了解銅線（乃至整個(gè)切口）周圍的質(zhì)量，可查看切口側(cè)壁的橫截面（圖 2）。

質(zhì)量非常好，僅存在極小的 HAZ 以及少量的碳化和顆粒碎片。FR4 層中的每一根纖維都清晰可辨，熔化部分僅限于從側(cè)壁向外伸出的切割纖維端面（即，垂直于沿切割面延伸的纖維）。重要的是，在這些層中觀察不到任何分層現(xiàn)象。 

此外，結(jié)果表明，銅線周圍的區(qū)域質(zhì)量較好，沒有受到有害熱效應(yīng)的影響，例如從周圍的 FR4 或阻焊層流出銅液或出現(xiàn)分層現(xiàn)象。 

需要大光斑直徑的加厚 FR4 板

切割厚型 FR4 以實(shí)現(xiàn)器件分板，是納秒脈沖激光器一種更加成熟的 PCB 應(yīng)用，此應(yīng)用通過切割小型連斷點(diǎn)從面板中分離陣列器件。Talon GR70  進(jìn)行了這方面的測(cè)試，為此，相關(guān)人員開發(fā)了一種全新的斷點(diǎn)切割工藝，專門用于處理由約 900 µm 厚 FR4 板構(gòu)成的器件面板。對(duì)于這種更厚的材料，采用盡可能大的焦斑直徑，同時(shí)保持足夠的能量密度（單位為J/cm2），是實(shí)現(xiàn)理想產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于激光器在 275 kHz 的標(biāo)稱PRF 下脈沖能量較高 (>250 µJ)，我們采用了更大的光斑大�。�約 36 µm）；而且，其光束質(zhì)量極好，聚焦光束的瑞利范圍超過 1.5 mm，是材料厚度的 1.5 倍。因此，在材料的整個(gè)厚度上，光斑尺寸相對(duì)較大且保持不變，這有助于實(shí)現(xiàn)高效切割，因?yàn)榫鶆虻恼丈潴w積和所形成的寬溝槽有利于排出碎片。圖 3 顯示了采用 6 m/s 多次高速掃描加工的切口的入射和出射顯微圖像（總體凈切割速度為 20 mm/s）。

圖 3.以 20 mm/s 凈切割速度進(jìn)行激光切割后的FR4 PCB（厚度為 900 µm）入射面和出射面

與 SiP 板的情況類似，切口入射側(cè)和出射側(cè)表面質(zhì)量都非常好，并且產(chǎn)生的 HAZ 極小。由于玻璃/環(huán)氧樹脂 FR4 基體性質(zhì)不均勻，以及激光燒蝕切口遠(yuǎn)端的能量密度較低，出射切口邊緣一般會(huì)稍稍偏離完美的直線。橫截面?zhèn)缺诔上耧@示了有關(guān)切口質(zhì)量的更多詳細(xì)信息（下方圖 4）。

圖 4. FR4（厚度為 900 μm）的激光切割側(cè)壁視圖，展示出優(yōu)異的質(zhì)量。碳化程度極低，幾乎為零，纖維束幾乎未發(fā)生熔化

在圖 4 中，我們可以看到實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的質(zhì)量。切口處僅有少量 HAZ 和碳產(chǎn)物（焦炭）形成。此外，幾乎沒有發(fā)生玻璃纖維熔化現(xiàn)象。Talon GR70 的凈切割速度高達(dá) 20 mm/s，顯然非常適合對(duì)較厚的 FR4 PCB 進(jìn)行分板處理，同時(shí)可確保獲得優(yōu)異質(zhì)量和高產(chǎn)量。

文章來源：MKS 光電解決方案，作者：Resource 館主

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