La production decartes de circuits imprimés (PCB)implique un certain nombre de processus différents, dont beaucoup nécessitent l’utilisation de lasers. L’utilisation de lasers pulsés UV nanosecondes augmente en raison des ouvertures de plus en plus petites requises.
Les appareils et les modules deviennent plus compacts grâce aux technologies d'emballage avancées. Après avoir réalisé qu'il existe une grande différence entre le nœud semi-conducteur et la dimension du PCB - du nanomètre au millimètre dans les cas extrêmes - les développeurs continuent de se concentrer sur le développement de technologies d'emballage avancées pour connecter des composants de différentes tailles. L'une de ces technologies est le système System-in-Package (SiP), dans lequel des dispositifs de circuits intégrés (CI) individuels sont regroupés sur un substrat PCB avec des interconnexions métalliques intégrées avant l'emballage final et la séparation. L'architecture comprend généralement une couche intermédiaire pour obtenir une répartition raisonnablement dense des connexions de puces dans le PCB. Les modules sont toujours disposés sur un seul grand panneau lors de l'emballage final, généralement à l'aide d'un emballage en composé de moulage époxy (EMC) ou d'autres méthodes. Les modules sont ensuite séparés à l'aide d'un processus de découpe laser.
Le rendement, la qualité et le coût doivent correspondre
Le laser idéal pour la séparation SiP dépend des exigences spécifiques et doit trouver un équilibre optimal entre débit, qualité et coût. Lorsque des composants très sensibles sont impliqués, il peut être nécessaire d'utiliser des lasers à impulsions ultra courtes (USP) et/ou les effets thermiques intrinsèquement faibles deLongueurs d'onde UV. Dans d’autres cas, des lasers pulsés nanosecondes et à ondes longues moins coûteux et à plus haut débit sont des choix plus appropriés. Pour démontrer les vitesses de traitement élevées de la découpe de substrats de PCB SiP, les ingénieurs d'application de MKS ont testé un laser pulsé nanoseconde vert haute puissance. Un laser Spectra-Physics Talon GR70 a été utilisé pour découper un matériau SiP, constitué d'un mince FR4 avec des fils de cuivre intégrés et un masque de soudure double face, en utilisant un multitraitement à grande vitesse avec un galvanomètre à balayage à deux axes. L'épaisseur totale du matériau est de 250 µm, dont 150 µm sont la feuille (ultra-mince) FR4 et les 100 µm restants sont le masque de soudure polymère double face. En utilisant une vitesse de balayage élevée de 6 m/s, les effets thermiques graves peuvent être atténués et la formation de zones affectées par la chaleur (ZAT) évitée. Compte tenu du matériau relativement fin, une petite taille de point focal (environ 16 µm, diamètre 1/e2) et une fréquence de répétition d'impulsions (PRF) élevée de 450 kHz ont été utilisées. Cette combinaison de paramètres tire pleinement parti de la capacité unique du laser à maintenir une puissance élevée à un PRF élevé (67 W à 450 kHz dans cet exemple), ce qui permet de maintenir une densité d'énergie appropriée et un chevauchement point à point à des vitesses de balayage élevées.
Découpe sans dégradation thermique
La vitesse de coupe nette globale obtenue après plusieurs balayages à grande vitesse était de 200 mm/s. La figure 1 montre les côtés entrant et sortant de la saignée, ainsi que la zone souterraine où le chemin coupé traverse le fil de cuivre enterré. Les surfaces entrantes et sortantes ont été découpées proprement avec peu ou pas de ZAT. De plus, la présence du fil de cuivre n’a pas affecté négativement le processus de coupe et la qualité des bords de coupe en cuivre semblait idéale, même si l’angle de vision était quelque peu limité.
Pour une vue plus détaillée de la qualité autour du fil de cuivre (et même de l'ensemble de la coupe), regardez la coupe transversale de la paroi latérale de la coupe (Figure 2).
La qualité est très bonne, avec seulement une très petite quantité de HAZ et quelques fragments carbonisés et particulaires présents. chaque fibre de la couche FR4 est clairement discernable et la partie fondue est confinée aux faces d'extrémité des fibres coupées qui dépassent vers l'extérieur des parois latérales (c'est-à-dire perpendiculairement aux fibres qui s'étendent le long de la surface coupée). Il est important de noter qu’aucune délamination n’a pu être observée dans ces couches.
De plus, les résultats indiquent que la zone autour des fils de cuivre est de bonne qualité et n'est pas soumise à des effets thermiques nocifs tels que l'écoulement du cuivre ou le délaminage des couches environnantes de FR4 ou de masque de soudure.
Panneaux FR4 épaissis nécessitant de grands diamètres de spots
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) à un PRF nominal de 275 kHz, une taille de spot plus grande (~ 36 µm) a été utilisée ; de plus, la qualité du faisceau est excellente, la plage de Rayleigh du faisceau focalisé dépassant 1,5 mm, soit 1,5 fois l'épaisseur du matériau. En conséquence, la taille des taches est relativement grande et constante sur toute l’épaisseur du matériau, ce qui contribue à une coupe efficace car le volume d’irradiation uniforme et les larges rainures qui en résultent facilitent l’élimination des débris. La figure 3 montre les images microscopiques entrantes et sortantes d’une coupe qui a été traitée à l’aide de plusieurs balayages à grande vitesse à 6 m/s (vitesse de coupe nette globale de 20 mm/s).
Semblable au cas des plaques SiP, la qualité de surface des côtés entrant et sortant de la saignée est très bonne et produit une ZAT minimale. En raison de la nature inhomogène du substrat verre/époxy FR4 et de la faible densité d’énergie à l’extrémité distale de la saignée d’ablation laser, les bords de la saignée de sortie s’écartent généralement légèrement d’une ligne parfaitement droite. L’imagerie transversale des parois latérales montre des informations plus détaillées sur la qualité de la saignée (Figure 4 ci-dessous).
Sur la figure 4, nous pouvons voir l'excellente qualité obtenue. Seule une petite quantité de HAZ et de produits carbonés (coke) se forme dans la coupe. De plus, les fibres de verre ne fondaient quasiment pas. avec une vitesse de coupe nette allant jusqu'à 20 mm/s, le Talon GR70 est clairement parfaitement adapté au dépannage de PCB FR4 plus épais, tout en garantissant en même temps une excellente qualité et un débit élevé.
