PCB Tecnico - Analisi dei problemi nell'elaborazione laser FPC ad alta densità

FPC ha molti vantaggi come il risparmio di spazio, la riduzione del peso e l'alta flessibilità. La domanda globale di FPC aumenta di anno in anno. In considerazione delle proprietà speciali dei materiali FPC, questo articolo introduce alcune questioni che devono essere prese in considerazione durante la lavorazione di FPC ad alta densità con laser e micro-vie di perforazione.

FPC ad alta densità è una parte dell'intero FPC ed è generalmente definito come FPC con un passo di linea inferiore a 200μm o una microvia inferiore a 250μm. FPC ad alta densità ha una vasta gamma di applicazioni, come telecomunicazioni, computer, circuiti integrati e apparecchiature mediche.

Le caratteristiche uniche di FPC lo rendono un'alternativa ai circuiti rigidi e agli schemi di cablaggio tradizionali in molte occasioni, e promuove anche lo sviluppo di molte nuove aree. La parte in più rapida crescita di FPC è la linea di connessione interna del disco rigido del computer (HDD). La testa magnetica del disco rigido deve muoversi avanti e indietro sul disco rotante per la scansione e i circuiti flessibili possono essere utilizzati al posto dei fili per realizzare la connessione tra la testa magnetica mobile e il circuito di controllo. I produttori di dischi rigidi utilizzano una tecnologia chiamata "Floating Flexible Board" (FOS) per aumentare la produzione e ridurre i costi di assemblaggio. Inoltre, la tecnologia di sospensione wireless ha una migliore resistenza agli urti e può migliorare l'affidabilità del prodotto. Un altro FPC ad alta densità utilizzato nei dischi rigidi è un flex interposer, che viene utilizzato tra la sospensione e il controller.

Il tasso di crescita FPC si colloca secondo nel campo dei nuovi imballaggi a circuito integrato. Il chip-scale packaging (CSP), il modulo multi-chip (MCM) e il chip-on-FPC (COF) utilizzano tutti circuiti flessibili. Tra questi, il mercato dei circuiti di interconnessione CSP è particolarmente enorme perché può essere utilizzato nei dispositivi a semiconduttore e nella memoria flash Quanto sopra è ampiamente utilizzato in schede PCMCIA, unità disco, assistenti digitali personali (PDA), telefoni cellulari, cercapersone, videocamere digitali e fotocamere digitali. Inoltre, display a cristalli liquidi (LCD), interruttori a membrana in poliestere e cartucce per stampanti a getto d'inchiostro sono le altre tre aree di applicazione ad alta crescita di FPC ad alta densità.

Il potenziale di mercato della tecnologia dei circuiti flessibili nei dispositivi portatili (come i telefoni cellulari) è molto ampio. Questo è naturale perché questi dispositivi richiedono dimensioni ridotte e peso leggero per soddisfare le esigenze dei consumatori; Inoltre, le più recenti applicazioni della tecnologia flessibile includono display a schermo piatto e apparecchiature mediche, i progettisti possono utilizzarlo per ridurre il volume e il peso dei prodotti (come apparecchi acustici e dispositivi di impianto umano).

Il laser ha tre funzioni principali nel processo di produzione FPC: formatura (taglio e taglio), affettatura e foratura. Come strumento di elaborazione senza contatto, il laser può applicare energia luminosa ad alta intensità (650mW/mm2) su un piccolo punto focale (100～500μm). Tale alta energia può essere utilizzata per tagliare, forare e lavorare sui materiali. Per marcatura, saldatura, scribing e altre varie lavorazioni, la velocità e la qualità di elaborazione sono correlate alle proprietà del materiale elaborato e alle caratteristiche del laser utilizzato, come lunghezza d'onda, densità di energia, potenza di picco, larghezza di impulso e frequenza. L'elaborazione FPC utilizza laser ultravioletti (UV) e infrarossi lontani (FIR). Il primo utilizza solitamente laser a stato solido pompato ad eccimeri o diodi UV (UV-DPSS), mentre il secondo utilizza generalmente laser a CO2 sigillati.

Lavorazione e stampaggio

L'elaborazione laser ha alta precisione e ampia applicazione. È uno strumento ideale per la lavorazione dello stampaggio FPC. Che si tratti di un laser CO2 o di un laser DPSS, il materiale può essere elaborato in qualsiasi forma dopo la messa a fuoco. Installa uno specchio sul galvanometro per sparare il raggio laser messo a fuoco ovunque sulla superficie del pezzo in lavorazione (Figura 1), quindi utilizza la tecnologia di scansione vettoriale per eseguire il controllo numerico del computer (CNC) sul galvanometro e utilizzare il software CAD / CAM per fare grafica di taglio. Questo "soft tool" può comodamente controllare il laser in tempo reale quando il design viene cambiato. Regolando la quantità di zoom luminoso e vari strumenti di taglio, l'elaborazione laser può riprodurre accuratamente la grafica di progettazione, che è un altro vantaggio significativo di esso.

Perforazione

Anche se alcuni luoghi utilizzano ancora perforazione meccanica, stampaggio o incisione al plasma per formare micro-vie, la perforazione laser è ancora il metodo di formatura micro-via FPC più utilizzato, principalmente a causa della sua alta produttività, forte flessibilità e lungo tempo di attività.

La perforazione meccanica e la punzonatura utilizzano trapani e stampi ad alta precisione, che possono fare fori con un diametro di circa 250μm nel FPC, ma queste attrezzature ad alta precisione sono molto costose e relativamente di breve durata. Poiché il diametro del foro richiesto per FPC ad alta densità è inferiore a 250μm, la perforazione meccanica non è favorita.

L'incisione al plasma può produrre micro vias con una dimensione inferiore a 100μm su un substrato di film di poliimide di spessore 50μm, ma i costi di investimento e di processo delle apparecchiature sono piuttosto elevati e anche il costo di manutenzione del processo di incisione al plasma è alto, in particolare alcuni rifiuti chimici Lavorazione e materiali di consumo e altri costi correlati, in aggiunta, L'incisione al plasma richiede una notevole quantità di tempo quando si stabilisce un nuovo processo per realizzare micro vie coerenti e affidabili. Il vantaggio di questo processo è la sua elevata affidabilità. Secondo i rapporti, il tasso qualificato di micro vias da esso realizzato ha raggiunto il 98%. Pertanto, l'incisione al plasma ha ancora un certo mercato nelle apparecchiature mediche e avioniche.

Al contrario, realizzare micro vie con laser è un processo semplice e a basso costo. L'investimento nell'attrezzatura laser è molto basso e il laser è uno strumento senza contatto, a differenza della perforazione meccanica, ci sarà un costo costoso di sostituzione dell'utensile. Inoltre, i moderni laser sigillati a CO2 e UV-DPSS sono esenti da manutenzione, che possono ridurre al minimo i tempi di inattività e aumentare notevolmente la produttività.

Il metodo di produzione di micro vias su FPC è lo stesso di PCB rigido, ma a causa della differenza di substrato e spessore, alcuni parametri importanti del laser devono essere modificati. Sia i laser sigillati CO2 che UV-DPSS possono utilizzare la stessa tecnologia di scansione vettoriale del processo di stampaggio per forare direttamente fori sul FPC. L'unica differenza è che il software applicativo di perforazione scansionerà lo specchio di scansione da una microvia all'altra. Il laser viene spento durante il processo e il raggio laser viene acceso solo quando raggiunge un'altra posizione di perforazione. Per rendere il foro perpendicolare alla superficie del substrato FPC, il raggio laser deve essere irradiato verticalmente sul substrato del circuito stampato. Questo può essere fatto utilizzando un sistema di lenti telecentriche tra lo specchio di scansione e il substrato.

Il laser CO2 può anche utilizzare la tecnologia della maschera conforme per perforare micro vie. Quando si utilizza questa tecnologia, la superficie di rame viene utilizzata come maschera e i fori vengono prima incisi su di essa con metodi di stampa e incisione ordinari, quindi un raggio laser CO2 viene irradiato sui fori della lamina di rame per rimuovere quei materiali dielettrici esposti.

Il metodo di utilizzare un laser ad eccimeri per passare attraverso una maschera di proiezione può anche essere utilizzato per fare micro vie. Questa tecnologia richiede la mappatura di un'immagine di un micro via o dell'intero micro via array sul substrato, e poi il raggio laser dell'eccimero irradia la maschera per fare la maschera. La mappa del film è mappata alla superficie del substrato per perforare fori. La qualità della perforazione laser ad eccimeri è molto buona, ma i suoi svantaggi sono bassa velocità e alto costo.

Selezione laser

Anche se il tipo di laser utilizzato per elaborare FPC è lo stesso di quello utilizzato per elaborare PCB rigidi, la differenza di materiale e spessore influenzerà notevolmente i parametri di elaborazione e la velocità. A volte possono essere utilizzati laser ad eccimeri e laser a CO2 a gas di eccitazione laterale (TEA), ma questi due metodi sono lenti nella velocità e alti nei costi di manutenzione, che limitano l'aumento della produttività. In confronto, poiché i laser CO2 e UV-DPSS sono ampiamente utilizzati, veloci e a basso costo, questi due tipi di laser sono utilizzati principalmente per la produzione e la lavorazione di micro-via FPC.

Laser CO2 (alternative di automazione)

I laser a CO2 sigillati possono emettere laser FIR con una lunghezza d'onda di 10.6μm o 9.4μm. Sebbene entrambe le lunghezze d'onda siano facilmente assorbite da dielettrici come substrati di film poliimidici, gli studi hanno dimostrato che l'elaborazione di tali materiali con una lunghezza d'onda di 9.4μm è molto migliore. La lunghezza d'onda 9.4μm del dielettrico ha un coefficiente di assorbimento più elevato ed è più veloce utilizzare questa lunghezza d'onda per forare o tagliare materiali che utilizzare la lunghezza d'onda 10.6μm. Il laser da 9,4μm non solo ha evidenti vantaggi nella perforazione e nel taglio, ma ha anche un effetto di taglio molto eccezionale. Pertanto, l'uso di un laser a lunghezza d'onda più corta può migliorare la produttività e la qualità di FPC.

Laser UV-DPSS

Sia dielettrico che rame possono assorbire facilmente il laser UV-DPSS con lunghezza d'onda di uscita di 355nm. Il laser UV-DPSS ha un punto più piccolo e una potenza di uscita inferiore rispetto al laser CO2. Nel processo di elaborazione dielettrica, il laser UV-DPSS è solitamente utilizzato per il processo di piccole dimensioni (meno di 50μm), quindi è necessario elaborare il diametro di meno di 50μm su substrato FPC ad alta densità. Per micro vie, i laser UV sono ideali. Ora c'è un laser UV-DPSS ad alta potenza, che può aumentare la velocità di elaborazione e perforazione del laser UV-DPSS.

I materiali con soglie di incisione UV più elevate come il rame devono essere lavorati con laser ad alta energia a bassa frequenza di ripetizione; mentre i materiali a bassa soglia come i film in poliimide possono essere lavorati solo con laser a bassa energia e ad alta ripetizione. L'energia e l'alto tasso di ripetizione sono per evitare danni ai cuscinetti di rame e aumentare la produttività. Al fine di aumentare la capacità produttiva, la maggior parte dei micro-vias di grande diametro vengono elaborati in due fasi: prima utilizzare il laser UV-DPSS per forare la lamina di rame e poi utilizzare un laser CO2 per rimuovere il dielettrico esposto.