精密激光微加工創(chuàng)造了高性能PC板和先進(jìn)電子封裝所需的優(yōu)良特性。
激光技術(shù)極大地改善了微機(jī)械應(yīng)用，并繼續(xù)對先進(jìn)的電子封裝和印刷電路板(PCB)制造產(chǎn)生強(qiáng)大影響，有助于推動性能提高、功耗降低的設(shè)備的發(fā)展。脈沖紫外激光技術(shù)尤其為大批量生產(chǎn)應(yīng)用鋪平了道路，采用了更一致、更環(huán)保的工藝。同時(shí)，測量行業(yè)也迫切需要跟上最新激光發(fā)展的步伐。因此，這兩個(gè)領(lǐng)域的同步研究和創(chuàng)新對于進(jìn)一步改進(jìn)工藝鏈和評估如何使用敏感材料至關(guān)重要。
支持5G移動通信的新材料
移動設(shè)備市場是先進(jìn)電子封裝和印刷電路板(PCB)制造業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力之一，激光技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從FR4等厚纖維復(fù)合材料到薄柔性層壓板(柔性PCB或FPCB)，一組高度多樣化的材料現(xiàn)在可以使用多種激光源以多種方式進(jìn)行加工。其中一個(gè)發(fā)展是5G移動通信，它可以顯著提高無線數(shù)據(jù)速率。毫不奇怪，新材料被要求以更高的速度接收、操作和傳輸數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的聚酰亞胺介電層必須被改性聚酰亞胺(MPI)和液晶聚合物(LCP)等先進(jìn)材料所取代，這兩種材料在5G頻率下都具有優(yōu)異的介電性能。出于各種原因，包括其對更高頻率以及天線相關(guān)組件的適用性，LCP被視為5G的首選材料。在激光加工方面，在FPCB制造中進(jìn)行全深度輪廓切割/布線，其中設(shè)備或組件的最終設(shè)計(jì)形狀從材料板或腹板上切割。
在厚度為100um的銅箔上鉆孔，20WFORMULA系列激光器的效率比15W提升了60%，達(dá)到250 mm/s。
用于全深度切割的高功率紫外激光器
高功率紫外(UV)混合光纖激光器非常適合FPCB制造中的全深度切割。MKS工業(yè)激光應(yīng)用研究人員更仔細(xì)地觀察了切割的質(zhì)量：他們使用光譜物理類星體激光器進(jìn)行了一系列切割實(shí)驗(yàn)，該類星體激光器的平均紫外功率為80 W，每脈沖高達(dá)400μJ。測試了基于LCP的FPCB材料，包括裸LCP板和覆銅LCP層壓板。類星體激光器提供了時(shí)移可編程脈沖技術(shù)的靈活性，允許在從單次激發(fā)到3.5 MHz的寬脈沖重復(fù)頻率(PRF)范圍內(nèi)探索一系列時(shí)間定制的脈沖輸出(脈沖寬度、脈沖模式、脈沖整形)。所有測試均使用用于高速多程處理的2軸掃描檢流計(jì)進(jìn)行，f-θ物鏡(f=330 mm)與可變光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡相結(jié)合，以探索焦距范圍(20–35μm，1/e2直徑)。
測量光束的挑戰(zhàn)
激光的切割深度在很大程度上取決于施加在材料上的能量。保持激光束的脈沖能量在規(guī)定范圍內(nèi)是非常重要的，但是測量激光束并不容易，因?yàn)楦呙}沖能量和短脈沖導(dǎo)致激光束的峰值功率很高。只有使用能夠承受更高功率密度的專用傳感器，才能測量光束的平均功率或間歇功率。通過使用新開發(fā)的涂層，Ophir F80(120)a-CM-17等熱傳感器能夠在上述應(yīng)用中測量納秒脈沖紫外激光。由于其獨(dú)特的吸收體，傳感器不會受到通常由非常短的脈沖引起的燒蝕的影響，并且可以在80 W時(shí)承受高達(dá)7 kW/cm2的高功率密度。
使用LCP板材實(shí)現(xiàn)最佳切割效果除了應(yīng)用于材料的能量外，還有許多其他參數(shù)會影響切割質(zhì)量。該系列的第一次試驗(yàn)是在厚度為50μm的裸LCP板材上進(jìn)行的。初步試驗(yàn)表明，與聚酰亞胺類似，該材料在紫外光下的燒蝕閾值相對較低。然而，與聚酰亞胺不同，LCP對過度加熱敏感，需要仔細(xì)優(yōu)化工藝以避免熔化和炭化。最佳切割結(jié)果是使用短激光脈沖寬度(~2–3 ns)和在高PRF(>750 kHz)下提供的適度脈沖能量。圖1中的光學(xué)顯微鏡圖像顯示了最終切割的入口、出口和橫截面視圖。
圖1用類星體UV80激光切割50μm厚的裸LCP。入口(左上角)、出口(右上角)和橫截面(底部)視圖顯示了卓越的質(zhì)量和最小的過度加熱。
這些圖像顯示了納秒紫外線脈沖的卓越品質(zhì)，幾乎沒有或幾乎沒有熔化和炭化的跡象。橫截面圖顯示了無熱熔回流(即表面“平滑”)的精細(xì)紋理加工表面。橫截面圖顯示了一些朝向切口出口側(cè)的“溝道”。這是由于該過程的高速/低脈沖重疊性質(zhì)，以及隨著深度增加而出現(xiàn)的燒蝕直徑減小，這導(dǎo)致燒蝕“點(diǎn)”向切口出口側(cè)幾乎分離。在實(shí)踐中，隨著切割深度的加深，可以通過降低光束掃描速度來減少或消除這種影響。通過以8 m/s的掃描速度進(jìn)行13次重疊掃描，實(shí)現(xiàn)了約615 mm/s的凈切割速度。
覆銅LCP層壓板的高脈沖能量
我們還切割了覆銅LCP層板，使用了兩種不同厚度的Cu / LCP / Cu層板:18 / 100 / 18 μm和9 / 25 / 9 μm。較厚的材料尤其具有挑戰(zhàn)性，較高的脈沖能量有助于避免切割切口寬度變寬(例如通過實(shí)施平行線/光柵掃描過程)。由于類星體激光器的高脈沖能量高達(dá)400μJ，因此不需要采取此類措施。利用激光器的時(shí)移脈沖剪裁能力，研究了各種條件，包括短脈沖寬度與長脈沖寬度以及突發(fā)模式輸出。當(dāng)脈沖較長(10 ns)時(shí)，切割速度在100–120 mm/s時(shí)處于較高的一端，質(zhì)量趨向于較小的邊緣毛刺，但氧化區(qū)較大。另一方面，較短(2.5 ns)的脈沖較慢(~90 mm/s)，邊緣毛刺較高，但氧化程度顯著降低。使用短脈沖(2 ns)產(chǎn)生最佳的整體結(jié)果，其最高切割速度為130 mm/s，且在毛刺高度和氧化量方面質(zhì)量適中。
光學(xué)顯微鏡圖像
圖2用類星體UV80激光切割的厚覆銅LCP。入口(左上角)、出口(右上角)和橫截面(底部)視圖展示了通過時(shí)間定制的ns脈沖實(shí)現(xiàn)的干凈、高質(zhì)量的切割。
圖2顯示了從入口和出口側(cè)的這種切口以及橫截面透視圖。顯微鏡圖像顯示，通過仔細(xì)的工藝優(yōu)化和脈沖強(qiáng)度輸出的時(shí)間裁剪，可以實(shí)現(xiàn)整體良好的質(zhì)量。之前展示的優(yōu)秀LCP切割即使與銅包層一起切割，也是預(yù)先準(zhǔn)備好的。此外，由于與聚酰亞胺相比，LCP的銅剝離強(qiáng)度通常要低得多，因此需要注意的是，在Cu-LCP界面上沒有分層的跡象。對于較薄的9/25/9μm分層堆疊，觀察到了類似的結(jié)果，但凈切割速度顯著高于350 mm/s。
光學(xué)顯微鏡清晰地高亮度顯示了使用ns脈沖激光加工銅時(shí)出現(xiàn)的任何氧化物生長和熔融銅區(qū)域，如毛刺、粗糙邊緣等。掃描電子顯微鏡(SEM)是精細(xì)表面結(jié)構(gòu)及其調(diào)制的特寫成像的一種替代方法，并用于進(jìn)一步分析切割樣品。圖3顯示了通過SEM觀察到的18/100/18μm堆棧的宏觀透視圖。
圖3 SEM成像揭示了用類星體UV80激光切割的覆銅LCP的光滑材料表面和清晰的幾何結(jié)構(gòu)。
用電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察，薄氧化物的光學(xué)效應(yīng)和之前熔融銅的散射/反射性質(zhì)不太明顯，這使得人們可以關(guān)注表面的真實(shí)尺寸方面，例如調(diào)制、邊緣平直度等。在這里，SEM圖像顯示了一個(gè)干凈且經(jīng)過精密加工的特征，具有高質(zhì)量的表面。
特別值得注意的是LCP切割邊緣的光滑度和垂直度，沒有明顯的“桶裝”或從銅鋪管機(jī)的切割邊緣拉回。高度放大的界面SEM視圖如圖4所示，并確認(rèn)LCP和Cu層之間的結(jié)合得到了很好的保留。更詳細(xì)的細(xì)節(jié)還顯示了光滑平坦的LCP表面，沒有任何從切割銅邊緣拉回的痕跡。
圖4 SEM特寫圖顯示，激光切割后，銅LCP完全完好，沒有LCP從銅切割邊緣拉回。
紫外激光被批準(zhǔn)用于高質(zhì)量切割工藝
新材料往往伴隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，制造方法和測量設(shè)備必須相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。對于5G移動設(shè)備，高數(shù)據(jù)速率和高速電子設(shè)備需要更換FPCB中的傳統(tǒng)聚酰亞胺電介質(zhì)，在許多情況下需要LCP薄膜和層壓板。為了優(yōu)化這些材料的制造工藝，必須選擇最合適的激光技術(shù)，微調(diào)參數(shù)設(shè)置，并在使用激光時(shí)，使用合適的設(shè)備定期檢查激光束的能量。在MKS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，使用高功率、高脈沖能譜的物理類星體紫外激光器，切割效果非常好。時(shí)移可編程脈沖技術(shù)固有的靈活性有助于解決材料所呈現(xiàn)的廣泛變化的熱和光學(xué)特性，從而開發(fā)出高質(zhì)量、高通量的精密激光切割工藝。
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