印刷电路板 (PCB) 的生产涉及多种不同的工艺流程，其中很多都需要用到激光器。由于所需的孔径越来越小，紫外纳秒脉冲激光器的使用越来越多。

图 1. 厚度为 250 µm 的 SiP 材料的入射面和出射面切口以及内嵌铜线的光学显微镜视图（净切割速度为 200 mm/s）

得益于先进的封装技术，设备和模块变得更加紧凑。在意识到半导体节点与 PCB 维度之间存在很大的差别（在极端情况下从纳米到毫米级别）后，开发商继续专注于开发先进的封装技术，以便将不同尺寸的元件连接起来。其中一种技术是系统级封装 (SiP) 系统，在最终封装和分离之前，将各个集成电路 (IC) 器件捆绑在 PCB 基板上，该基板具有嵌入式金属迹线互连。此架构通常包含一个中介层，用于在 PCB 中实现合理的高密度芯片连接分布。最终封装一般采用环氧塑封料 (EMC) 封装或其他方法，在进行最终封装时，模块仍然排列在单个大面板上。然后采用激光切割工艺对模块进行分离。

产量、质量和成本必须匹配

用于 SiP 分离的理想激光器取决于具体要求，并且必须在产量、质量和成本之间取得最佳平衡。当涉及高灵敏度元件时，可能需要利用超短脉冲(USP) 激光器和/或紫外波长固有的低热效应。在其他情况下，成本更低、产量更高的纳秒脉冲和长波激光器是更为恰当的选择。为了展示 SiP PCB 基板切割的高加工速度，MKS 应用工程师对绿光高功率纳秒脉冲激光器进行了测试。我们使用一台 Spectra-Physics Talon GR70 激光器，通过采用双轴扫描振镜的高速多次加工技术，对 SiP 材料进行了切割，该材料由具有内嵌铜线的薄型 FR4 和双面阻焊层构成。材料的总厚度为250 µm，其中 150 µm 为（超薄型）FR4 板，剩余 100 µm 为双面聚合物阻焊层。通过采用 6 m/s 的高扫描速度，可以缓解严重的热效应并避免热影响区 (HAZ) 的形成。考虑到材料相对较薄，他们采用了较小的焦点光斑大小（约为16 µm，1/e2 直径）和 450 kHz 的高脉冲重复频率 (PRF)。这种参数组合可以充分发挥激光器的独特能力，即可以在高PRF 下保持高功率（本示例中为在 450 kHz 下保持67 W），有助于在高扫描速度下保持适当的能量密度和光斑至光斑的重叠。

图 2. 展示优异质量（特别是在玻璃纤维织物内部和内嵌铜线附近）的激光切割 SiP 侧视图

没有热降解的切割

多次高速扫描后实现的总体净切割速度为 200 mm/s。图 1 显示了切口的入射面和出射面，以及切割路径与埋入铜线交叉的表面下区域。入射面和出射面的切口均干净利落，HAZ 很小或根本不存在。此外，铜线的存在没有对切割工艺产生不利影响，尽管观察角度受到一定的限制，但铜切口边缘的质量看起来很理想。

如需详细了解铜线（乃至整个切口）周围的质量，可查看切口侧壁的横截面（图 2）。

质量非常好，仅存在极小的 HAZ 以及少量的碳化和颗粒碎片。FR4 层中的每一根纤维都清晰可辨，熔化部分仅限于从侧壁向外伸出的切割纤维端面（即，垂直于沿切割面延伸的纤维）。重要的是，在这些层中观察不到任何分层现象。 

此外，结果表明，铜线周围的区域质量较好，没有受到有害热效应的影响，例如从周围的 FR4 或阻焊层流出铜液或出现分层现象。 

需要大光斑直径的加厚 FR4 板

切割厚型 FR4 以实现器件分板，是纳秒脉冲激光器一种更加成熟的 PCB 应用，此应用通过切割小型连断点从面板中分离阵列器件。Talon GR70  进行了这方面的测试，为此，相关人员开发了一种全新的断点切割工艺，专门用于处理由约 900 µm 厚 FR4 板构成的器件面板。对于这种更厚的材料，采用尽可能大的焦斑直径，同时保持足够的能量密度（单位为J/cm2），是实现理想产量的关键环节。由于激光器在 275 kHz 的标称PRF 下脉冲能量较高 (>250 µJ)，我们采用了更大的光斑大小（约 36 µm）；而且，其光束质量极好，聚焦光束的瑞利范围超过 1.5 mm，是材料厚度的 1.5 倍。因此，在材料的整个厚度上，光斑尺寸相对较大且保持不变，这有助于实现高效切割，因为均匀的照射体积和所形成的宽沟槽有利于排出碎片。图 3 显示了采用 6 m/s 多次高速扫描加工的切口的入射和出射显微图像（总体净切割速度为 20 mm/s）。

图 3.以 20 mm/s 净切割速度进行激光切割后的FR4 PCB（厚度为 900 µm）入射面和出射面

与 SiP 板的情况类似，切口入射侧和出射侧表面质量都非常好，并且产生的 HAZ 极小。由于玻璃/环氧树脂 FR4 基体性质不均匀，以及激光烧蚀切口远端的能量密度较低，出射切口边缘一般会稍稍偏离完美的直线。横截面侧壁成像显示了有关切口质量的更多详细信息（下方图 4）。

图 4. FR4（厚度为 900 μm）的激光切割侧壁视图，展示出优异的质量。碳化程度极低，几乎为零，纤维束几乎未发生熔化

在图 4 中，我们可以看到实现了优异的质量。切口处仅有少量 HAZ 和碳产物（焦炭）形成。此外，几乎没有发生玻璃纤维熔化现象。Talon GR70 的净切割速度高达 20 mm/s，显然非常适合对较厚的 FR4 PCB 进行分板处理，同时可确保获得优异质量和高产量。

文章来源：MKS 光电解决方案，作者：Resource 馆主

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