Weißbuch
Das Coherent Verfahren Coherent zum Schneiden von Leiterplatten Coherent erhöht die Prozessauslastung
Die Materialien, die Dicke und die Zusammensetzung von Leiterplatten unterliegen derzeit einem technologischen Wandel, der einen Übergang von traditionellen mechanischen Schneid- und Plattenschneidverfahren hin zu laserbasierten Verfahren vorantreibt. Doch nicht alle für das Schneiden von Leiterplatten verwendeten Laser sind gleich. Es bestehen deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Lasertypen hinsichtlich ihrer Schneideigenschaften und -qualität, insbesondere im Hinblick auf die Wärmeeinflusszone (HAZ). Dies wirkt sich wiederum auf die Prozessausnutzung aus, da es den Abstand zwischen den Leiterbahnen auf der Leiterplatte bestimmt und zudem die Funktion der Schaltkreise sowie nachgelagerte Prozesse wie die Wasserdichtigkeit oder die EMI-Abschirmung beeinflusst. Dieses Dokument stellt Coherent Schneidverfahren vor, Coherent . Im Vergleich zu anderen auf dem Markt erhältlichen Produkten kann dieser Laser die beim Laserschneiden von Leiterplatten entstehende Wärmeeinflusszone (HAZ) deutlich reduzieren.
Die sich ständig ändernden Anforderungen an das Laserschneiden von Platten
Der Markt für kleine elektronische Geräte wie Smartphones, verschiedene Wearables, VR-Geräte, Fahrzeugsensoren und Hausautomationsgeräte wächst kontinuierlich, was unmittelbar zu einer steigenden Nachfrage nach Leiterplatten mit höherer Packungsdichte und besserer Leistung führt. Im Vergleich zur vorherigen Generation mikroelektronischer Geräte sind diese Geräte nicht nur kleiner und komplexer aufgebaut, sondern müssen auch eine höhere Energieeffizienz (zur Verlängerung der Akkulaufzeit) und günstigere Preise aufweisen, um den Anforderungen der Verbraucher gerecht zu werden.
Dies hat im Bereich der Leiterplattentechnologie eine Reihe von Entwicklungen ausgelöst, darunter den Einsatz dünnerer herkömmlicher Leiterplatten, die großflächige Verwendung flexibler Leiterplatten, die Erhöhung der Dicke der leitfähigen Schichten sowie den vermehrten Einsatz von Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (letzteres eignet sich besonders für die 5G-Technologie). Hinzu kommen Überlegungen zur Verbesserung der Prozessauslastung und zur Kostenkontrolle. Konkret bedeutet dies, dass der Abstand zwischen den Leiterplatten auf den Platten verringert wird, um die Produktionskapazität zu steigern.
Beim Schneiden von Leiterplatten sind hierfür eine immer geringere Schnittbreite und eine höhere Maßgenauigkeit erforderlich. Um den Abstand zwischen der Schnittstelle und den funktionalen Bereichen der Leiterplatte zu verringern, darf der Schneidevorgang zudem weder durch mechanische Beanspruchung noch durch Wärmeentwicklung Auswirkungen auf das umgebende Material oder die Schaltkreise haben. Darüber hinaus muss die Entstehung von Bruchstücken so weit wie möglich minimiert werden, was unter Umständen nachträgliche Reinigungsschritte erforderlich macht.
Angesichts dieser Anforderungen haben traditionelle Verfahren zum Schneiden von Leiterplatten wie Fräsen, Sägen, Stanzen, Lochen, Gravieren und Pizzaschneiden erheblich an Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit verloren. Dies hat die Entwicklung des Laserschneidens vorangetrieben, und fast jeder der zuvor genannten Bereiche hat durch den Einsatz des Laserschneidens enorme Vorteile erzielt, auch wenn die Schnittgeschwindigkeit dabei in der Regel etwas geringer ausfällt.
Laserschneiden verstehen
Die Laserschneidtechnik ist bereits seit einiger Zeit im Einsatz, doch ist es wichtig, die verschiedenen lasergestützten Verfahren zu kennen und voneinander zu unterscheiden. Als erstes kam der CO₂-Laserzum Einsatz, der Ferninfrarotstrahlung erzeugt. Diese Technik schneidet durch Erhitzen poröser Materialien, wobei eine deutliche Wärmeeinflusszone entsteht.Zudem ist die Wellenlänge dieses Lasers im Vergleich zu UV-Licht mit kürzerer Wellenlänge länger, sodass der fokussierte Lichtfleck nicht so klein wie bei UV-Licht sein kann, was eine größere Schnittbreite zur Folge hat.
Vor mehr als zehn Jahren kamen diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS) mit Nanosekunden-Pulsdauer und dreifacher Frequenz zum Einsatz, die eine praktikable Laserquelle für das Schneiden von Leiterplatten darstellten. Diese Laser liefern eine UV-Strahlung (355 nm) mit ausreichender Pulsenergie, um Material durch einen relativ „kalten“ Abtragungsprozess zu entfernen. Das heißt,im Vergleich zu CO₂-Lasern die Wärmeeinflusszone bei diesen Lasern deutlich kleiner ist (wenn auch immer noch deutlich erkennbar) und die Menge an Spänen und umgeschmolzenem Material erheblich geringer ist. Die Pulsenergie und Wiederholfrequenz der handelsüblichen Lichtquellen ermöglichen das Schneiden mit wirtschaftlichen und praktischen Vorschubgeschwindigkeiten, auch wenn diese im Vergleich zu CO₂-Lasern etwas langsamer sind. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Vorteile dieser Technologie zusammen.
Vorteile |
Erläuterung |
Maschinelle Genauigkeit |
Die Schnittgenauigkeit ist sehr hoch, und die Schnittbreite ist sehr schmal. Dies verbessert die Möglichkeit, Schnitte in unmittelbarer Nähe aktiver Bauteile auf der Leiterplatte auszuführen. |
spannungsfrei |
Der Schneidevorgang selbst verursacht weder Vibrationen noch Reibung, führt nicht zu mechanischen Verformungen oder Delaminationen der Leiterplatte und erzeugt keine Restspannungen. Auf diese Weise verursacht der Schneidevorgang keine nachfolgenden Defekte. |
HAZ niedrig |
Die dem UV-Laserabtragungsverfahren innewohnende „Kälte“ verhindert größere Veränderungen am Substrat und beugt dem Schmelzen von Leiterbahnen vor, was zu Kurzschlüssen führen könnte. Da bei diesem Verfahren nur sehr wenig Abtragungsmaterial entsteht, sind keine nachträglichen Reinigungsschritte erforderlich, und gleichzeitig wird das Risiko späterer Schaltkreisausfälle erheblich verringert. Mit diesem Verfahren lassen sich sogar bereits bestückte Leiterplatten schneiden. |
Flexibilität bei der Bedienung |
Der Laserstrahl ist ein trägheitsfreies Werkzeug, dessen Bewegung computergesteuert ist und dessen Leistung sich schnell anpassen lässt. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. Erstens kann der Laserstrahl nahezu jede beliebige Form schneiden, wodurch Leiterplattenentwickler von den formalen Einschränkungen befreit werden, die bei herkömmlichen Schneidverfahren zu berücksichtigen sind. Zweitens lassen sich die Schnittmuster per Software steuern, was einen flexiblen und agilen Produktionsprozess ermöglicht und die kurzfristige Fertigung kosteneffizient macht.Schließlich können dank der variablen Laserleistung mit einem einzigen Werkzeug neben dem Schneiden auch verschiedene andere Bearbeitungen durchgeführt werden, darunter Markieren/Gravieren und Metallabtrag. |
unabhängig von bestimmten Materialien |
Nahezu alle Leiterplattenmaterialien absorbieren UV-Strahlung in hohem Maße. Daher ist dieses Verfahren mit fast allen Leiterplattenstrukturen kompatibel, darunter herkömmliche kupferbeschichtete flexible Laminate, flexible Materialien (selbst solche mit dickeren leitfähigen Schichten) sowie verschiedene Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante. |
Tabelle 1. Hauptmerkmale und Vorteile des PCB-Schneidens mit UV-Lasern
Neueste Entwicklungen bei Coherent von AVIA LX Coherent
Obwohl die Laserschneidtechnologie für Leiterplatten offensichtlich zahlreiche Vorteile bietet, haben die Leiterplattenhersteller das Potenzial dieser Technologie bereits voll ausgeschöpft, um den im einleitenden Abschnitt genannten, immer strengeren Anforderungen des Marktes hinsichtlich Abmessungen, Materialien und Kosten gerecht zu werden. Als aktuelle Schwerpunkte der Entwicklung sind insbesondere die weitere Verringerung der Wärmeeinflusszone und der Bruchbildung sowie die Verbesserung der Schnittqualität durch UV-DPSS-Laser mit Nanosekunden-Pulsdauer zu nennen.
Um dieses Ziel zu erreichen, hat die AnwendungsforschungCoherent die Ergebnisse und den Prozessspielraum beim Schneiden verschiedener Leiterplattenmaterialien und Materialkombinationen mit UV-DPSS-Lasern (AVIA LX) mit Nanosekunden-Pulsdauer und hoher Pulsenergie untersucht. Auf der Grundlage dieser ArbeitenCoherent ein neues Verfahren zum Schneiden von LeiterplattenCoherent , das nachweislich die Wärmeeinflusszone verringert, die Qualität der Schnittkanten verbessert, die Schnittbreite reduziert und den Durchsatz erhöht.
Ein wesentlicher Bestandteil dieser Technologie ist ein proprietäres Verfahren zur Steuerung der zeitlichen und räumlichen Positionierung der auf die Arbeitsfläche gerichteten Laserimpulse, wodurch gleichzeitig eine Wärmeansammlung vermieden wird. Da dieses Verfahren keine thermischen Schäden verursacht, können beim Schneiden dickerer Materialien (ab 1 mm) Laser mit höherer Impulsenergie eingesetzt werden.
Der Vorteil der Verwendung höherer Impulsenergie besteht darin, dass keine herkömmlichen Verfahren zum Schneiden dickerer Materialien erforderlich sind. Konkret bedeutet dies, dass durch wiederholtes quer verlaufendes Ritzen eine „V-förmige Nut“ erzeugt wird. Bei Schnitten mit hohem Seitenverhältnissorgt die Geometrie der „V-Nut“ dafür, dass der Strahl das Material durchdringen kann, ohne auf halbem Weg blockiert zu werden. Dies verringert die Leistung und schränkt somit die Abtragseffizienz ein. Kombiniert man jedoch AVIA LX neuartigen Pulszeitmethode, lassen sich mit einer Pulsenergie von bis zu ~400 μJ wiederholte Schnitte entlang derselben Linie ausführen (ohne seitliche Verschiebung oder „V-Nut“).Dadurch wird die Schnittgeschwindigkeit erhöht und die Schnittbreite deutlich verringert.
Eine höhere Pulsenergie erhöht zudem die Toleranz bei der Laserfokussierung auf der Arbeitsfläche. Konkret bedeutet dies, dass bei Lasern mit niedrigerer Pulsenergie der Fokus des Strahls beim Durchdringen des Materials verschoben werden muss, damit im Verlauf des Schneidvorgangs stets ein kleiner Fokuspunkt in der Schnitttiefe gewährleistet ist. Dies ist notwendig, um einen ausreichenden Laserfluss zu erzielen, der die Abtragungsschwelle des Materials überschreitet.Die praktische Umsetzung erfordert jedoch entweder die Bewegung der Leiterplatte, was den Prozess verlangsamt, oder den Einsatz eines dreiachsigen Scanners (mit Fokussierfunktion), was die Kosten und die Komplexität der Anlage erhöht.
AVIA LX , wodurch der Laserstrahl einfach auf einen Punkt in der Mitte der Leiterplatte fokussiert und dort geschnitten werden kann. Dies liegt daran, dass die Energiedichte selbst bei unzureichender Fokussierung des Lasers ausreicht, um das Material abzutragen. Dies hat den Vorteil einer höheren Schnittgeschwindigkeit und einer geringeren Komplexität des Systems.
Auf den folgenden Fotos werden zwei Verfahren zum Schneiden einer 1,6 mm dicken Leiterplatte mit Kupferbahnen gezeigt: zum einen ein handelsüblicher UV-DPSS-Laser, der für diese Anwendung geeignet ist, und zum anderen AVIA LX den Vergleich der Ergebnisse beider Verfahren wird die Leistungssteigerung verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit dieser Technik bearbeiteten Leiterplatten sauberere Schnittkanten aufweisen und die Schnittkanten der Kupferbahnen deutlich verbessert wurden.
Abb. 1: Querschnitt einer 1,6 mm dicken Leiterplatte nach dem Schneiden. Links ist das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser eines Mitbewerbers zu sehen, rechts das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser (AVIA LX) Coherent neuen Coherent . Letzterer weist eine bessere Kantenqualität und sauberere Schnitte an den Kupferbahnen auf.
Die nächste Bilderserie zeigt, wie mit Coherent eine Coherent Schnittbreite erzielt wird.
Abb. 2. Draufsicht auf den Schnitt einer 0,95 mm dicken Leiterplatte: Links das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser eines Mitbewerbers, rechts das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser mit hoher Pulsenergie (AVIA LX); letzterer erzeugt einen schmaleren und gleichmäßigeren Schnitt.
Die nächste Bilderserie zeigt, AVIA LX beim Schneiden von mehrschichtigen Leiterplatten (mit Glasfaserschichten) die Zerspanungsabfälle deutlich reduziert, die Nutbreite verringert und die Wärmeeinflusszone erheblich verkleinert.
Abb. 3: Querschnitt einer 1,6 mm dicken mehrschichtigen Leiterplatte (mit Glasfaserschicht). Links ist das Ergebnis beim Einsatz eines UV-DPSS-Lasers eines Mitbewerbers zu sehen, rechts das Ergebnis beim Einsatz eines UV-DPSS-Lasers (AVIA LX) Coherent und Coherent neuen Coherent , der schmalere Nutkanäle und eine geringere Wärmeeinflusszone aufweist.
In der Vergangenheit kam es beim Laserschneiden von Polyimiden und EMI-Abschirmfolien aufgrund der breiten Wärmeeinflusszone zu einer gewissen Delaminierung an der Schnittlinie. In solchen Fällen war es notwendig, eine geringere Impulsenergie zu verwenden, um eine Beschädigung des Materials zu vermeiden. Mit dem oben beschriebenen Impulsverfahren lassen sich jedoch sowohl die Wärmeansammlung beseitigen als auch die Wärmeeinflusszone und die Schnittbreite verringern. Dies wiederum steigert die Kapazität der nachgelagerten Produktionsprozesse und senkt somit die Produktionskosten.
Abb. 4: Draufsicht auf eine 100 μm dicke Polyimidfolie. Links ist das mit einem UV-DPSS-Laser eines Mitbewerbers erzielte Schnittergebnis zu sehen, das sich durch einen breiten Schnitt und eine große Wärmeeinflusszone auszeichnet. Rechts ist das mit Avia LX erzielte Schnittergebnis zu sehen, das sich durch einen schmaleren Schnittkanal und eine geringere Wärmeeinflusszone auszeichnet.
Die letzte Bilderserie zeigt, dass sich mit Coherent die Wärmeeinflusszone verringern und der Durchsatz steigern lässt, wobei bei der Bearbeitung flexibler Leiterplatten jedoch eine geringere Pulsenergie zum Einsatz kommt.
Abb. 5: Draufsicht auf den Schnitt einer 0,13 mm dicken FPCB; links das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser eines Mitbewerbers, rechts das Ergebnis mit einem UV-DPSS-Laser mit hoher Impulsenergie (AVIA LX), der eine geringere Wärmeeinflusszone aufweist und gleichzeitig eine höhere Schnittgeschwindigkeit bietet (13 mm/s gegenüber 11 mm/s beim erstgenannten).
Praktischer DPSS-UV-Laser mit hoher Impulsenergie
In der praktischen Fertigung erfordert die Anwendung Coherent bei herkömmlichen dicken Leiterplattenmaterialien eine UV-DPSS-Laserquelle, die eine höhere Impulsenergie aufweist als bisher auf dem Markt erhältliche Produkte. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden,Coherent AVIA LXCoherent AVIA LX20-W AVIA LX(355 nm) mit Nanosekunden-Impulsdauer, der eine Impulsenergie von bis zu 500 μJ erzeugt.
AVIA LX das effiziente und hochwertige Schneiden von Leiterplatten AVIA LX . Er vereint zahlreiche Fortschritte in Konstruktion und Fertigungstechnik und bietet eine hohe Leistungsabgabe sowie herausragende Zuverlässigkeit, hervorragende Leistung und niedrige Betriebskosten.
AVIA LX die umfassende Erfahrung Coherent zuverlässiger, langlebiger Laser mit UV-Ausgang.AVIA LX (Dreifachfrequenz-)Kristalle werden bei Coherent hergestellt, sodass wir die Qualität und die optischen Eigenschaften dieser Schlüsselkomponente direkt kontrollieren können und eine längere Lebensdauer, höhere Leistung sowie niedrigere Betriebskosten erzielen.Der integrierte Kristallversetzer enthält eine Karte des tatsächlichen Kristalls im Laser sowie die Positionen von 20 vorab verifizierten Punkten zur Erzeugung der dritten Harmonischen (mit einer Lebensdauer von jeweils über 1000 Stunden). Durch den Einsatz dieses Kristallversetzers lässt sich die Lebensdauer weiter verlängern.
Die Verschmutzung optischer Komponenten ist ein entscheidender Faktor, der die Lebensdauer von UV-Lasern beeinträchtigt.AVIA LX , und die internen optischen Komponenten, die direkt dem UV-Licht ausgesetzt sind, sind in einer PureUV-versiegelten Kammer untergebracht, um eine Verschmutzung im praktischen Einsatz zu verhindern. Dies verlängert die Lebensdauer und die Wartungsintervalle erheblich.
Darüber hinausAVIA LX äußerst robustes und zuverlässigesAVIA LX wurde im Rahmen von HASS- und HALT-Tests validiert. Beim HALT-Test (Highly Accelerated Life Test) durchläuft der Prototyp einen wiederholten Zyklus aus Zerstörung, Neukonstruktion und erneuter Prüfung, um etwaige inhärente Mängel zu beseitigen.Anschließend werden im Rahmen des HASS-Tests (Highly Accelerated Stress Screening) die Serienprodukte Belastungen ausgesetzt, die über ihre spezifizierte Betriebsumgebung hinausgehen. Dieses Verfahren deckt etwaige Mängel in der Fertigung und Verpackung auf und gewährleistet so eine hervorragende Produktzuverlässigkeit und Lebensdauer.
AVIA LX wurden AVIA LX die Anforderungen an eine einfache Integration und Benutzerfreundlichkeit berücksichtigt. So wird die Integration beispielsweise durch den Einsatz einer integrierten Steuerelektronik und eines integrierten Strahlverbreiters vereinfacht. Der Einsatz von Wasserkühlung verlängert die Lebensdauer und sorgt für eine hohe Stabilität zwischen den Impulsen erheblich, selbst bei Betrieb mit hoher Leistung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Verfahren und sogar zu den früher verwendeten UV-DPSS-Lasern mit Nanosekunden-PulsdauerzeigtAVIA LX Coherent AVIA LX hervorragende Ergebnisse beim Schneiden von Leiterplatten.AVIA LX und ist zu Recht die praktische Laserquelle für Fertigungsprozesse zur Herstellung von Mikroelektronik der nächsten Generation, darunter das Schneiden von herkömmlichen Leiterplatten und flexiblen Schaltungen, das Schneiden und Fräsen von SiPs sowie das Schneiden von EMI-Abschirmungen.