Was ist Leiterplattentrennung?

Technologische Veränderungen bei den Materialien, der Dicke und der Zusammensetzung von Leiterplatten führen dazu, dass man sich zunehmend von herkömmlichen mechanischen Schneide- und Depaneling-Verfahren abwendet und auf laserbasierte Verfahren umsteigt. Doch nicht alle Laser für Leiterplattentrennung gleich. Es bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Lasern hinsichtlich der Schneideigenschaften und -qualität, insbesondere was die Wärmeeinflusszone (HAZ) betrifft. Dies wirkt sich wiederum auf die Prozessausnutzung aus, da es bestimmt, wie dicht Schaltkreise auf einer Leiterplatte platziert werden können, und kann auch die Schaltkreisfunktionalität sowie nachgelagerte Prozesse wie die Wasserdichtigkeit oder die EMI-Abschirmung beeinflussen. Dieses Dokument stellt einen neuen Nanosekundenlaser und den dazugehörigen Schneidprozess vor, Coherent bei Coherent entwickelt wurden Coherent Leiterplattentrennung einer im Vergleich zu anderen derzeit verfügbaren Produkten deutlich reduzierten HAZ ermöglichen. 

Der wachsende Bedarf an Laser-Depaneling

Das anhaltende Marktwachstum bei miniaturisierten elektronischen Geräten – darunter Smartphones, verschiedene Wearables, VR-Geräte, Sensoren für die Automobilindustrie und Hausautomationsgeräte, um nur einige Beispiele zu nennen – führt unmittelbar zu einem Bedarf an Leiterplatten mit höherer Packungsdichte und besserer Leistung. Diese Geräte sind nicht nur physisch kleiner und komplexer als die Mikroelektronik der vorherigen Generation, sondern es besteht auch eine Nachfrage seitens der Verbraucher nach mehr Energieeffizienz (für eine längere Akkulaufzeit) und geringeren Kosten. 

Im Bereich der Leiterplattentechnologie hat dies mehrere Trends ausgelöst. Dazu gehören der Einsatz dünnerer herkömmlicher Leiterplatten, die großflächige Einführung von Flex-Leiterplatten, dickere Leiterbahnen sowie die verstärkte Nutzung von Dielektrika mit niedrigem κ-Wert (letzteres insbesondere für die 5G-Technologie). Auch Kostenaspekte erfordern eine verbesserte Prozessauslastung. Konkret bedeutet dies, dass die Leiterplatten auf einer Platte enger beieinander angeordnet werden, um die Ausbeute zu steigern. 

Was das Depaneling betrifft, erfordert all dies immer schmalere Schnittspalten und eine höhere Maßgenauigkeit beim Schneidprozess. Da der Schnitt näher an den funktionalen Bereichen der Leiterplatte erfolgt, darf der Schneidprozess das umgebende Material oder die Schaltkreise weder durch mechanische Beanspruchung noch durch Wärme beeinträchtigen. Eine weitere Anforderung ist die minimale Entstehung von Spänen, die einen anschließenden Reinigungsschritt erforderlich machen könnten. 

All diese Einschränkungen machen herkömmliche mechanische Leiterplattentrennung – darunter Fräsen, Sägen, Stanzen, Lochen, Ritzen und das sogenannte „Pizza-Schneiden“ – weniger praktikabel und weniger kosteneffizient. Dies führt zu einer zunehmenden Hinwendung zum Laserschneiden, das in nahezu allen zuvor genannten Bereichen erhebliche Vorteile bietet, wenn auch meist auf Kosten einer geringeren Schnittgeschwindigkeit. 

Laserschneiden verstehen 

Das Laser-De-Paneling ist natürlich schon seit einiger Zeit im Einsatz. Es ist jedoch wichtig, die verschiedenen laserbasierten Technologien zu verstehen und voneinander zu unterscheiden. Bei den ursprünglichen Anwendungen kamen_CO₂-Laser zum Einsatz, die im fernen Infrarotbereich emittieren. Diese Technologie schneidet durch Erhitzen des Grundmaterials, was zu einer erheblichen Wärmeeinflusszone führt. Außerdem lässt sich diese lange Wellenlänge im Vergleich zu kürzeren UV-Wellenlängen Wellenlänge auf einen so kleinen Spot fokussieren, was eine größere Schnittbreite zur Folge hat. 

Vor über einem Jahrzehnt etablierte sich der Diode Festkörperlaser (DPSS) mit Nanosekunden-Pulsdauer und dreifacher Frequenz als praktikable Quelle für Leiterplattentrennung. Er bietet eine ultraviolette (355 nm) Ausgangsleistung mit ausreichender Pulsenergie Materialabtrag durch einen relativ „kalten“ Ablationsprozess Pulsenergie ermöglichen. Das heißt, ein Prozess mit einer viel geringeren (aber immer noch wahrnehmbaren) Wärmeeinflusszone als beim CO2-Laser und zudem deutlich weniger anfallendem Abfall und Umformmaterial. Die Pulsenergie die Wiederholfrequenz handelsüblicher Quellen ermöglichen das Schneiden bei wirtschaftlich rentablen Vorschubgeschwindigkeiten, wenn auch nicht so schnell wie beim CO2-Laser. Die Hauptvorteile dieser Technologie sind in der Tabelle zusammengefasst.
 

AVIA LX die neueste Entwicklung im Bereich Laser-Depaneling von Coherent

Obwohl das Laser-Defaneling zweifellos zahlreiche Vorteile bietet, gehen die Leiterplattenhersteller bereits an die Grenzen dieser Technologie, um den immer strengeren Anforderungen hinsichtlich Größe, Materialien und Kosten gerecht zu werden, die sich aus den eingangs erwähnten Marktkräften ergeben. Ein aktives Entwicklungsgebiet ist insbesondere die weitere Verringerung der Wärmeeinflusszone (HAZ) und der Ablagerungsbildung sowie die Verbesserung der Schnittqualität, die mit UV-DPSS-Lasern mit Nanosekunden-Pulsdauer erzielt wird.

Um diese Bemühungen zu unterstützen, Coherent die Anwendungsforschung bei Coherent die Ergebnisse und den Prozessraum beim Einsatz eines UV-DPSS-Laser AVIA LX) mit Nanosekunden-Pulsdauer und hoher Pulsenergie zum Schneiden verschiedener Leiterplattenmaterialien und Materialkombinationen untersucht. Auf der Grundlage dieser Arbeiten entwickelte das Coherent ein neues Verfahren zum Schneiden von Leiterplatten, das sich bereits durch eine reduzierte Wärmeeinflusszone, eine höhere Schnittkantenqualität, eine geringere Schnittbreite und einen höheren Produktionsdurchsatz bewährt hat.

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Technik ist ein firmeneigenes Verfahren zur Steuerung des zeitlichen Ablaufs und der räumlichen Positionierung der auf die Werkstückoberfläche gerichteten Laserimpulse, wodurch eine Wärmeentwicklung vermieden wird. Da bei diesem Verfahren keine thermischen Schäden auftreten, ist es möglich, Pulsenergie Schneiden dickerer Materialien (ab 1 mm) einen Laser mit deutlich höherer Pulsenergie einzusetzen.

Der Vorteil einer höheren Pulsenergie , dass das herkömmliche Verfahren zum Schneiden dickerer Materialien entfällt. Konkret bedeutet dies, dass eine Reihe seitlich versetzter Ritzmarkierungen erzeugt werden, um eine „V-Nut“ zu bilden. Die Geometrie der „V-Nut“ ist notwendig, um ein Abknicken des Strahls zu vermeiden, wenn dieser bei einem Schnitt mit hohem Seitenverhältnis tiefer in das Material eindringt. Dies würde seine Leistung verringern und somit die Ablationseffizienz einschränken. Der AVIA LX hingegen kann in Verbindung mit diesem neuartigen Pulszeitablaufverfahren Pulsenergien von bis zu ~400 μJ nutzen, um wiederholt entlang derselben Linie zu ritzen (ohne seitliche Versetzung oder „V-Nut“). Das Ergebnis ist ein schnellerer Schnitt und eine deutlich reduzierte Schnittbreite.

Pulsenergie höhere Pulsenergie erhöht Pulsenergie die Toleranz des Laserfokus an der Arbeitsfläche. Insbesondere bei Verwendung eines Pulsenergie niedrigerer Pulsenergie ist es erforderlich, den Fokus des Strahls während des Eindringens in das Material zu verschieben, damit die minimale fokussierte Spotgröße stets genau in der Tiefe beibehalten wird, in der der Schnitt stattfindet. Dies ist notwendig, um eine ausreichende Laserfluenz zu erreichen, die über der Materialabtragungsschwelle liegt. In der Praxis erfordert dies jedoch entweder eine physische Verschiebung der Leiterplatte nach oben, was den Prozess verlangsamt, oder den Einsatz eines dreiachsigen Scanners (mit Fokussierfunktion), was die Kosten und die Komplexität der Anlage erhöht. 

AVIA LX Pulsenergie höheren Pulsenergie AVIA LX sich der Laser einfach auf einen Punkt in der Mitte der Leiterplatte fokussieren und der Schneidvorgang durchführen. Dies liegt daran, dass auch weit außerhalb des perfekten Fokusbereichs des Lasers eine ausreichende Laserfluenz für die Ablation vorhanden ist. Der Vorteil sind schnellere Schneidvorgänge und eine geringere Komplexität des Systems.

Ein Beispiel für diese Verbesserungen ist auf den folgenden Fotos zu sehen, auf denen Schnitte in einer 1,6 mm dicken Leiterplatte mit Kupferbahnen verglichen werden, die mit einem für diese Anwendung UV-DPSS-Laser handelsüblichen UV-DPSS-Laser hergestellt wurden, mit demselben Material, das mit dem AVIA LX diesem neuen Verfahren bearbeitet wurde. Die mit dieser Technik bearbeitete Leiterplatte weist eine sauberere Schnittkante und eine deutliche Verbesserung an den Schnittkanten der Kupferbahnen auf.