Lasers Trim Embedded Passive Components

Michael Watts, Spectra-Physics
在电子行业中，对更高功能性和更小封装尺寸的需求始终存在。因此，这种趋势催生了对更高密度、更好性能和更灵活包装选项的集成电路和印刷电路板的需求。支持这一发展的新兴技术之一就是嵌入式无源元件的使用，这是一种在层压电路板中形成的电子元件。

现代印刷电路板由多种面板（通常是FR-4复合材料）层压而成，形成多层电路板。嵌入式无源元件一词通常指在这些面板上局部形成的薄膜电阻器和电容器。

提供集成激光设备用于此应用的公司之一是位于俄勒冈州波特兰的电科学公司（Electro Scientific Industries Inc.，简称ESI）。ESI研究人员金·菲尔斯特德（Kim Fjeldsted）表示，与使用离散表面贴装元件相比，嵌入式方法在许多重要方面都可能具有显著优势，包括节省宝贵电路板空间、提高性能、降低生产成本和改善可靠性。此外，该方法还使得使用更具成本效益的基材成为可能。

渥太华的GSI Lumonics公司也推动了这一应用的发展。GSI研究员保罗·蔡斯（Paul Chase）指出，已经开发出多种电阻材料，如杜邦（DuPont）、旭化成（Asahi）、古尔德（Gould）、麦克德米德（McDermid）和Ohmega Technologies等公司所研发的材料，这些材料可分为薄膜和厚膜装置。厚膜材料包括多种类型的陶瓷糊，经过烘烤生产，另一种厚膜材料则是掺碳或金属颗粒的环氧树脂基聚合物。电阻薄膜则在铜箔上制造，随后通过蚀刻去除铜箔。在另一种工艺中，铜和薄膜电阻器都使用光掩模和化学蚀刻技术进行图案化。

激光修整技术

对于嵌入式元件，通常的电阻公差为±10%或更差。然而，对于这些印刷电路板的许多消费者应用，通常需要接近±1%的公差。最有前景的准确调整电阻值的方法是激光修整，这在陶瓷基底的混合电路中已被证明是经济有效的。

在给定薄膜厚度和电阻率的材料中，设备电阻与两个接触电极间限制的有效电阻区域成反比。几种不同类型的激光切割可改变这个有效区域（见图1）。最常见的几何形状包括插切和L型切割。单个插切通常是成本最低的，适用于对过程速度和低成本要求高的应用。

图1. 单个插切通常是处理速度要求高的应用中最经济的修整选项。由GSI Lumonics Inc.提供。
激光修整涉及闭环控制。因此，需使用探头尖端对电阻或电路板的一部分施加电压。当测得的电压或电流达到目标值时，切割进程即告结束。L型切割从切割电流流动方向的垂直方向开始，电阻值会迅速增加。随着该值逐渐接近目标值，系统软件会将激光切割方向改为与电流流向平行。在这一方向上，电阻值与切割长度变化关系较慢，能更精确地接近最终值。

蛇形切割则用于设计和其他制造限制要求最终电阻值显著高于初始沉积或形成的电阻值。U型切割则可实现电压隔离，以避免在切割过程中短路。对于更高电压，扫描切割则可以完全去除电阻材料的某一区域，还能有效避免在高速应用中形成并联板和电容性反应元件。

典型的集成修整系统包括激光器、光束传递和聚焦光学装置、用于扫描激光点的快速振镜、半自动化或全自动化设备以处理和定位面板、探头电子设备以及系统软件。蔡斯表示：“我们的目标是以最高速度切割电阻，同时达到精度要求，避免损坏FR-4面板材料。”

用于嵌入式无源元件的激光修整系统通常包括一个Nd:YAG激光器，其在1.06µm处产生5到10W的平均功率。尽管现在许多微加工应用使用Nd:YVO4激光器，但在此应用中，Nd:YAG激光器因其能够提供相对高的脉冲能量而得到偏爱。举例来说，Spectra-Physics公司的导航Y70SC-106Q型号就适用于这一应用，其脉冲重复率可调至100kHz，脉冲能量超过1.5mJ。

那么，为什么选择二极管泵而非灯泵激光器？菲尔斯特德表明：“这些激光器满足了灵活性和脉冲稳定性的关键要求。”灵活性指的是在不妨碍输出模式质量的情况下，能够改变脉冲能量和重复率。二极管泵激光器产生的平滑高斯光束没有热点，这些热点可能会限制修整过程的准确性，并可能损害面板。

在实际应用中，单个激光脉冲产生的孔径（直径）和脉冲率决定了最大修整速度。典型的孔径从1.5到15µm不等，具体取决于电阻材料及其厚度。重叠的激光脉冲必须能够完全切穿电阻薄膜，而不会损坏下面的面板。同时，蔡斯指出，连续切割的重叠必须至少达到50%以确保产生平滑边缘的切口。

印刷电路板制造商利用三种统计参数来衡量电阻修整的准确性：χ、3σ和Cpk。σ（标准差）是修整成品的一个很好的度量，显示最终值的分散情况，但不考虑任何净偏移。而过程能力指数Cpk是偏移均值与3σ的比率，Cpk值越高，工艺性能越好。

图2. ESI提供用于修整应用的集成激光系统。图中展示的是70Ω聚合物厚膜电阻器的数据。
在10月份的IPC年度会议上，ESI工程师报告了其应用实验室修整的不同电阻器的统计数据。对于每个面板的电阻器，两个类型的电阻器经过修整，最终Cpk值在1%公差下超过2.0，在5%公差下超过10。

联系方式：Michael Watts，Spectra-Physics产品经理，加州山景城；+1 (650) 966-；传真：+1 (650) 961-。

电阻激光修整机是用于精确调整厚膜和薄膜电路的高精度设备。它们在厚膜混合集成电路、电子元件、汽车电子、传感器、军事研究和薄膜电阻器等多个行业得到广泛应用。

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这些机器的工作原理是使用精细的激光束对电阻材料进行汽化，通过改变电阻的几何形状来实现所需的电阻值。激光束由计算机程序控制，在修整过程中不断测量和监控电阻，以达到目标电阻值。

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与传统手动调整方法或使用可变电阻器相比，激光修整机提供了更精确、更高效的调整，且人力干预减少。此外，激光修整机还消除了可变电阻器可能出现的超调、反弹和参数漂移等问题。随着对各种电子应用中高精度电阻器需求的不断增加，激光修整机已成为实现所需精度水平的必备工具。

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