PCB技術 - 高密度FPCレーザ加工における問題解析

FPCは省スペース、軽量、柔軟性が高いなどの利点がある。FPCに対する世界的な需要は年々増加している。FPC材料の特殊な性能に対して、本文は高密度FPCと微小貫通孔を掘削する際に考慮すべきいくつかの問題を紹介した。

高密度FPCはFPC全体の一部であり、通常、線間隔が200μm未満または微細孔が250μm未満のFPCと定義される。高密度FPCは、電気通信、コンピュータ、集積回路、医療機器などの広範な用途を有する。

FPCの独特な特性により、多くのフィールドで剛性回路基板と従来の配線スキームの代替として合成され、多くの新しい分野の発展も促進されている。FPCの成長が最も速い部分は、コンピュータハードディスクドライブ（HDD）の内部接続ケーブルです。ハードディスクのヘッドは回転するディスク上を往復移動しなければスキャンできず、可撓性回路を電線の代わりに使用して移動ヘッドと制御回路基板間の接続を実現することができる。ハードディスク製造業者は、生産性を向上させ、組み立てコストを削減するために「フローティングフレキシブルボード」（FOS）という技術を使用しています。また、ワイヤレスサスペンション技術はより優れた耐衝撃性を有し、製品の信頼性を高めることができる。ハードディスクドライブで使用される高密度FPCのもう1つは、サスペンションとコントローラの間に使用されるインサータフレキシブルボードです。

FPC成長率は、新型集積回路パッケージ分野で2位となった。チップレベルパッケージ（CSP）、マルチチップモジュール（MCM）、FPC上のチップ（COF）はすべてフレキシブル回路を使用している。中でもCSP相互接続回路の市場は特に大きく、半導体デバイスやフラッシュメモリに利用できるためである。上記はPCMCIAカード、ディスクドライブ、パーソナルデジタルアシスタント（PDA）、携帯電話、ポケベル、デジタルカメラ、デジタルカメラに広く利用されている。また、液晶ディスプレイ（LCD）、ポリエステルフィルムスイッチ、インクジェットプリンタカートリッジは高密度FPCの他の3つの高成長応用分野である。

携帯電話などの携帯機器におけるフレキシブル回路技術の市場潜在力は非常に大きい。これらの機器は消費者のニーズを満たすために小さいサイズと軽量が必要であるため、これは自然である。さらに、フレキシブル技術の最新の応用には、製品の体積や重量（補聴器や人体移植装置など）を減らすために設計者が利用できるフラットパネルディスプレイや医療機器も含まれています。

レーザはFPCの製造過程において、成形（切断と切断）、スライスとドリルの3つの主要な機能を持っている。非接触加工工具として、レーザ光は小焦点（100½500μm）に高強度光エネルギー（650 mW/mm 2）を印加することができる。このような高いエネルギーは、材料を切断、ドリル、加工するために使用することができます。マーキング、溶接、スクライブ、その他の様々な加工の場合、加工速度と品質は、波長、エネルギー密度、ピーク電力、パルス幅、周波数などの加工材料の性能と使用されるレーザーの特性に関係しています。FPC加工には紫外（UV）及び遠赤外（FIR）レーザを用いた。前者は通常エキシマまたは紫外ダイオードを用いて固体（UV−DPSS）レーザをポンプし、後者は通常密封CO 2レーザを用いる。

かこうせいけい

レーザー加工の精度が高く、広く応用されている。FPC成形加工に理想的なツールです。CO 2レーザであれDPSSレーザであれ、材料はフォーカス後に任意の形状に加工することができる。それは検流計に鏡を取り付け、焦点を合わせたレーザービームをワークの表面の任意の位置に照射し（図1）、それからベクトルスキャン技術を用いて検流計にコンピュータデジタル制御（CNC）を行い、そしてCAD/CAMソフトウェアを用いて切断図形を作成する。この「ソフトツール」は、設計変更時にレーザーをリアルタイムに制御するのに便利です。光量を調整したり、さまざまな切断ツールを使用したりすることで、レーザー加工によって設計図形を正確に再現することができるのは、そのもう1つの大きな利点です。

くっさく

一部の場所では、機械的穴あけ、プレス、またはプラズマエッチングを使用して微小貫通孔を形成しているが、レーザー穴あけは依然として最も広範なFPC微小貫通孔形成方法を使用しており、主に生産性が高く、柔軟性が高く、動作時間が長いためである。

機械的穴あけと穴あけは高精度ドリルと金型を用いて、FPC上に直径約250μmの穴を作ることができるが、これらの高精度設備は非常に高価で、寿命は比較的短い。高密度FPCに必要な孔径は250μm未満であるため、機械的穴あけには不利である。

プラズマエッチングは50μm厚のポリイミド薄膜基板上に100μm未満の寸法のマイクロビアを作製することができるが、設備投資とプロセスコストはかなり高く、プラズマエッチングプロセスの維持コストも高く、特にいくつかの化学廃棄物処理や消耗品などの関連コストがかかり、また、プラズマエッチングは一致した信頼性の高いマイクロビアを作製するための新しいプロセスを確立するにはかなりの時間が必要である。このプロセスの利点は、高い信頼性です。製造された微貫通孔合格率は98%に達したと報告されている。そのため、プラズマエッチングは医療や航空電子機器に一定の市場が残っている。

対照的に、レーザーを用いたマイクロ貫通孔の製造は簡単で低コストのプロセスである。レーザー設備への投資は非常に低く、レーザーは非接触工具であり、機械的ドリルとは異なり、高価な工具交換コストがかかります。また、現代の密閉式CO 2とUV-DPSSレーザはメンテナンスフリーで、ダウンタイムを最大限に削減し、生産性を大幅に向上させることができる。

FPC上に微小貫通孔を作製する方法は剛性PCB上と同じであるが、基板と厚さの違いにより、レーザ光のいくつかの重要なパラメータを変更する必要がある。密封されたCO 2及びUV−DPSSレーザは、成形プロセスと同じベクトル走査技術を用いてFPCに直接穿孔することができる。唯一の違いは、ドリルアプリケーションがスキャンミラーを1つの微孔から別の微孔にスキャンすることです。この過程でレーザを閉じ、レーザビームが別のドリル位置に達したときにのみ開きます。FPC基板の表面に穴を垂直にするためには、レーザ光を基板に垂直に照射する必要がある。これは、走査ミラーと基板との間に遠心レンズ系を用いることにより実現することができる。

CO 2レーザはまた、コモンマスク技術を用いて微小貫通孔を穿孔することができる。この技術を使用する場合、銅表面はマスクとして使用され、まず通常の印刷方法とエッチング方法で穴をエッチングし、その後、CO 2レーザービームを銅箔中の穴に照射して露出した誘電体材料を除去する。

エキシマレーザを用いて投影マスクを通過する方法は、マイクロ貫通孔を製造するためにも使用することができる。この技術は、マイクロ貫通孔またはマイクロ貫通孔アレイ全体の画像を基板上にマッピングし、その後、マスクを作製するためにエキシマレーザービームを照射する必要がある。フィルムマップを基板表面にマッピングして穴をあける。エキシマレーザードリルの品質は良いが、速度が低く、コストが高いという欠点がある。

レーザ選択

FPCを加工するためのレーザータイプは剛性PCBを加工するためのレーザータイプと同じですが、材料と厚さの違いは加工パラメータと速度に大きく影響します。エキシマレーザと横励起ガス（TEA）CO 2レーザを使用することができますが、この2つの方法は速度が遅く、メンテナンスコストが高く、生産性の向上を制限しています。対照的に、CO 2とUV−DPSSレーザは広く応用され、速度が速く、コストが低いため、この2種類のレーザは主にFPCマイクロビアの生産と加工に用いられている。

CO 2レーザ（自動代替品）

密封されたCO 2レーザは、波長10.6μmまたは9.4μmのFIRレーザを発光することができる。いずれの波長もポリイミド薄膜基板などの誘電体に吸収されやすいが、処理波長が9.4μmのこのような材料の方がはるかに優れていることが明らかになった。9.4μm波長の誘電体は、10.6μm波長を使用するよりも速い波長ドリルまたは切断材料を使用する方が高い吸収係数を有する。9.4μmレーザーは穴あけと切断の面で明らかな優位性があるだけでなく、非常に優れた切断効果がある。したがって、短波長のレーザを用いることでFPCの生産性と品質を向上させることができる。

UV−DPSSレーザ

誘電体も銅も出力波長355 nmのUV−DPSSレーザを容易に吸収できる。UV−DPSSレーザはCO 2レーザよりも光スポットが小さく、出力パワーが低い。誘電加工の過程では、UV−DPSSレーザは通常、小サイズ（50μm未満）プロセスに使用されるので、高密度FPC基板上に直径50μ未満の加工を行う必要がある。マイクロ貫通孔には紫外レーザが理想的な選択である。現在、UV−DPSSレーザの加工とドリル速度を向上させる高出力UV−DPSSレーザがある。

銅などの高い紫外エッチング閾値を有する材料は、高エネルギー低繰返し速度レーザで加工しなければならない。一方、ポリイミドフィルムなどの低閾値材料は低エネルギーと高繰返しレーザー加工しかできない。エネルギーと高繰返し率は、銅製パッドの損傷を回避し、生産性を向上させるためです。生産能力を高めるために、大径マイクロ貫通孔の多くは2段階に分けて加工されている：まずUV-DPSSレーザーを用いて銅箔に穿孔し、その後CO 2レーザーを用いて露出した誘電体を除去する。