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PCB激光分板工艺的进展

发布人:admin时间:2021-08-29阅读数:50027字号: 缩小━ 默认❏ 放大✚

不断发展的PCB加工需求

随着电子设备不断向小型化发展,如智能手机、可穿戴设备、VR 设备、汽车传感器和智能家居设备等,电子产品对PCB的高密度和高性能需求越来越突出,因为与上一代微电子产品相比,这些小型化电子设备不仅物理规格更小、更复杂,而且更加高效节能(更长的续航时间)且价格更低。


在这种需求推动下,PCB加工也趋向于广泛应用更薄的传统电路板、大范围采用柔性电路挠性电路、更厚的导电层,以及更加充分利用低介电常数介质(尤其在5G技术中得到了广泛应用)。成本方面的考虑也加强了提高工艺利用率的需求。具体来说,就是将板间距离缩小,以增加产量。


这些趋势会促使切割和分板工艺的切口宽度越来越窄,尺寸精度越来越高。切割位置离PCB功能区域越近,就意味着不论是从机械应力还是温度角度考虑,切割工艺一定不能影响切割位置周围的材料或电路。另一项要求是尽可能减少残渣,因为出现残渣就意味着后续还要增加清洗步骤。


受到这些限制因素的影响,包括铣削、锯切、模切、打孔、刻槽和半切等在内的传统PCB机械分板法都变得不切实际了,且成本效益会变低。这促使行业考虑采用激光切割,因为激光技术可以满足上述的任何一个要求,但缺点是切割速度会降低。


当然,激光分板应用了一定时间,已经不是新技术了,但是,了解和区分各种基于激光的加工技术仍十分重要。最早的激光切割采用的是发射远红外线的CO2激光器。这种技术通过加热基体材料实现切割,导致严重的焦(碳化)化现象,因此会造成明显的热影响区。而且,与较短的紫外波长相比,这种长波长无法集中形成很小的光斑,所以会导致较宽的切口。


十多年前,二极管泵浦固体 (DPSS)、纳秒脉冲宽度紫外波长的三倍频激光器成为 PCB 切割的另一种可行工具。这种激光器输出的紫外线(355nm)带有足够的脉冲能量,用“冷”加工的烧蚀方法去除材料。换言之,这种工艺的热影响区比CO2激光器小得多(但仍然看得到),而且所产生的毛刺和材料改性层也要少很多。这种激光器的高单脉冲能量和重复频率能使切割速度保持在较快水平,成本可控,尽管速度还是比不上CO2激光器。


表 1. 紫外激光器 PCB 切割的主要特征和优势


PCB激光分板工艺的最新进展

PCB激光分板工艺已经带来了诸多优势,PCB制造商已经将这项技术发挥到了极致,以满足在尺寸、材料和成本方面越来越严苛的挑战。目前正在积极研发的领域包括:进一步减少热影响区和毛刺的形成,以及提高纳秒紫外固体激光器的切割质量。


为了帮助实现这一目标,Coherent 相干公司在应用研究中利用纳秒高脉冲能量的紫外固体激光器(AVIA LX)切割不同PCB与复合材料得到了多种加工效果和工艺窗口,研发出一种切割PCB的新方法,并且已证实这种方法可以减少热影响区,使切割边缘更光滑、切口宽度更窄且切割效率更高。


该方法的一个关键要素就在于,使用了一种专有方法控制传输到工件表面的激光脉冲时机和空间定位,可避免热量积聚。因为使用该方法不会造成热损伤,所以在切割较厚材料(1 mm及以上)时可以使用脉冲能量非常高的激光器进行加工。


较高脉冲能量的优势在于无需再使用切割较厚材料时所用的传统方式。采用传统激光器切割厚板时,一般都需要预留一个V槽,避免在切割过程中造成光路中断而降低激光器功率,影响切割效率。使用Coherent相干公司AVIA LX激光器切割时,可以充分利用高达400µJ的脉冲能量沿同一条线反复划线,无需V槽,因此切割速度更快,切口宽度明显减小。


对于脉冲能量较低的激光器,必须在光束穿透材料时不断移动光束焦点,使焦点的最小尺寸始终与切割深度精确吻合,才能获取高于材料烧蚀阈值的激光通量。但在实际加工过程中,需要将PCB板上移,或者额外使用具有聚焦功能的三轴振镜。无论哪种方法,都会极大的影响整体加工效率和进度,增加设备成本和操作复杂性。


AVIA LX的高脉冲能量可以让激光聚焦在PCB中间层的深度进行切割,因为就算激光不能用最佳焦点进行切割操作,也具备足够的激光密度来烧蚀材料。其优点就在于切割速度更快、系统更简便。


图1所示是使用新方法后,切口宽度有效减小。

 

图1:使用竞争对手紫外固体激光器切割的0.95mm PCB(左)与使用高脉冲能量紫外固体激光器(AVIA LX)切割的相同电路板(右)的俯视对比图,后者的切口宽度更窄、切口更一致。


图2所示是利用这种新方法切割多层PCB(带有玻纤层)时可最大程度地减少毛刺产生、缩小切口宽度并大幅减小HAZ。

 

图2:左侧的剖面图是使用竞争对手UV DPSS激光器切割的1.6mm多层PCB(有玻纤层),右侧剖面图是使用Coherent公司高脉冲能量UV DPSS激光器(AVIA LX)及新的Coherent方法切割的相同PCB。后者形成的切槽更窄、HAZ更小。



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