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、軽量化、高柔軟性などの利点がある。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をレーザーで加工することとマイクロビアを掘削する時に考慮しなければならない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の発展が最も早い部分は、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ある。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、可撓性回路をリード線の代わりに使用して移動ヘッドと制御回路基板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、無線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間で使用されるインサータflexです。

FPCの成長率は、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）、オンチップFPC（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使用できるためである。以上は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使用されている。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。

携帯機器（例えば携帯電話）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、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アプリケーションには、補聴器や人体移植装置などの製品の体積や重量を減らすために設計者が使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（100Å／500 Isla 188 m）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。この高エネルギーは、切断、ドリル、材料の加工に使用できます。マーキング、溶接、スクライブライン、その他の様々な加工について、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、周波数などの被加工材料の特性と使用するレーザ光の特性に関係しています。FPC加工には紫外線（UV）と遠赤外（FIR）レーザを用いた。前者は通常エキシマまたはUVダイオードを用いてポンプされる固体（UV−DPSS）レーザを使用し、後者は通常密封CO 2レーザを使用する。

かこうせいけい

レーザー加工は精度が高く、応用範囲が広い。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。それは電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表面の任意の位置に向けて放射し（図1）、それからベクトル走査技術を用いて電流計をコンピュータデジタル制御し、CAD/CAMソフトウェアを用いて切断図形を作成する。設計が変化すると、この「ソフトツール」はレーザを簡単にリアルタイムに制御することができます。光のズーム量や各種カットツールを調整することにより、レーザー加工は設計図形を正確に再現できることがもう一つの大きな利点である。

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穴あけを形成しているが、レーザー穴あけは依然として最も広く使用されているFPC微小穴あけ形成方法であり、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のドリルと金型を使用し、FPCに直径約250μmの穴を形成することができるが、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メンテナンスコストも高く、特にいくつかの化学廃棄物の処理と消耗品などの関連コスト、プラズマエッチングは、均一で信頼性の高いマイクロビアを製造するための新しいプロセスを確立するのにかなりの時間を必要とする。この技術の利点は信頼性が高いことです。紹介によると、その製作の微過孔合格率は98%に達した。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ビアの作製は簡単で低コストなプロセスである。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、現代の密封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上にマイクロビアを生成する方法は、剛性PCB上にマイクロビアを生成する方法と同じであるが、基板と厚さの違いにより、レーザ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。レーザーは加工中に閉じられ、レーザービームが別のドリル位置に到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、共形マスク技術を用いて微小ビアを掘削することもできる。この技術を使用する場合、銅表面をマスクとして使用し、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。

エキシマレーザーを用いて投影マスクを通過する方法は、マイクロビアを製造するためにも使用することができる。この技術は、マイクロポーラスまたはマイクロポーラス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。フィルムを基板の表面にマッピングして穴をあける。エキシマレーザーパンチの品質は良いが、速度が遅く、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タイプは剛性PCBを加工するためのレーザ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マイクロビアの製造と加工に用いられる。

CO 2レーザ（自動代替品）

密封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膜基板などの誘電体に吸収されやすいが、研究により、9.4λmの波長でこの材料を処理する方がはるかに良いことが明らかになった。誘電体の9.4オングストローム波長はより高い吸収係数を有し、10.6オングストローム波長を使用するよりも、この波長を用いて穿孔または切断材料を使用する方が速い。9.4島レーザーはドリルと切断の面で明らかな優位性があるだけでなく、非常に突出したスライス効果がある。したがって、より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50μm未満の加工を行う必要がある。マイクロポーラスでは、紫外線レーザが理想的な選択です。現在、UV-DPSSレーザーの加工とドリル速度を向上させる高出力のUV-DPSSレーザーがあります。

高いUVエッチング閾値を有する材料、例えば銅は、高エネルギー低繰返し速度レーザで処理しなければならない、一方、ポリイミド膜のような低閾値材料は低エネルギーと高繰返しレーザでしか処理できない。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、大部分の大径微小穿孔は2段階に分けて加工する：まずUV-DPSSレーザーを用いて銅箔を穿孔し、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。