Neuer, industrietauglicher Prozess zum Nutzentrennen und Laserschneiden von Leiterplatten

Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauteile und Leiterplatten führt zu stetig steigenden Ansprüchen an die Verfahren zum Schneiden und Nutzentrennen. Ziel ist, die einwirkenden mechanischen und thermischen Belastungen beim Trennen bestückter oder unbestückter Einzelschaltungen aus einem Gesamtnutzen auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig den kontinuierlich wachsenden Anforderungen an Präzision, Sauberkeit und Flexibilität gerecht zu werden. Folgerichtig hat sich der Laser als Schneidwerkzeug bereits vielfach gegenüber Säge- und Stanztechniken durchgesetzt. Allerdings ist der Betrieb der heute meist verwendeten UV-Laserstrahlquellen in der industriellen Fertigung mit erheblichem Wartungsaufwand und hohen Anschaffungskosten verbunden.

Innolas Photonics ist nun seit gut einem Jahr äußerst erfolgreich mit einer speziell entwickelten grünen Laserstrahlquelle auf dem Markt, dem BLIZZ 532–30-V. Das Leiterplattenschneiden mit 532 nm Wellenlänge ist ist bei vergleichbarem Durchsatz und Schneidqualität wesentlich wirtschaftlicher im Produktionseinsatz, da robuster und praktisch wartungsfrei.

PCB-Verbundmaterial stellt hohe Anforderungen an den Trennprozess

Epoxidharze, Glasfasern, Kupferschichten, Polyimide - präzises und sauberes Trennen von PCB-Verbundmaterial ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Klassische mechanische Verfahren wie Sägen, Stanzen oder Fräsen kämpfen mit hohen Wartungs- und Werkzeugkosten, begrenzter Flexibilität und dem Risiko von Beschädigungen und Verschmutzungen am Bauteil. Dem gegenüber ist beim Laserschneiden insbesondere das Problem der ausreichenden Absorption in allen Materialkomponenten zu lösen. So absorbiert Kupfer die Strahlung konventioneller CO₂ oder Faserlaser praktisch gar nicht und deren relativ starker Wäremeeintrag führt zur Karbonisierung des Epoxidharzes.

UV-Strahlquellen - teuer und wartungsintensiv im industriellen Einsatz

UV-Strahlquellen mit 355 nm Wellenlänge, wie sie zum Leiterplattentrennen heute meist eingesetzt werden, zeigen diese Nachteile nicht. Sie werden von praktisch allen relevanten Materialkomponenten gut absorbiert und bieten sehr kleine Spotdurchmesser unter 20 µm. Aufgrund der kleinen Spots, ihrer relativ langen Pulsdauern und der extrem hohen Absorption in Epoxidharzen benötigen sie jedoch hohe Pulsenergien, um auch dickere PCB-Substrate zuverlässig über die ganze Tiefe zu trennen. Die energiereiche UV-Strahlung mit 355 nm stellt zudem höchste Anforderungen an die Laser- und Optikkomponenten und limitiert die Lebensdauer der in der Maschine verwendeten Optiken deutlich. Im industriellen 24/7 Einsatz müssen deshalb kostenintensive Wartungen, und die entsprechenden Produktionsunterbrechungen, in relativ kurzen Intervallen einkalkuliert werden.

Der erste industrietaugliche PCB-Trennprozess mit grünen Strahlquellen

Frequenzverdoppelte, grüne Laser mit 532 nm zeigen ähnlich gute Schneidresultate in Expoxidharzen und Kupfer, boten bislang aber nicht genug Pulsspitzenleistung zum zuverlässigen Trennen der im Regelfall enthaltenen Glasfaserkomponente. Dieses Problem konnte Innolas Photonics nun durch gezielte Optimierung grüner DPSS Strahlquellen lösen. Umfangreiche Versuche im Applikationslabor zeigten, dass bei 532 nm Wellenlänge und einer Pulsspitzenleistung über 35 kW Schneidgeschwindigkeit und -qualität in der Glasfaserkomponente den anderen Schichten ebenbürtig sind. Dazu erzeugt Innolas Photonics BLIZZ 532–30-V Strahlquelle nun 20 ns kurze Pulse mit 750 µJ Pulsenergie bei 40 kHz Pulsfrequenz und 30 Watt Durchschnittsleistung. Auf dieser Basis konnte ein neuer, wirtschaftlicherer Ansatz zur high-speed Bearbeitung von PCBs entwickelt werden.

Gleiche Qualität und Geschwindigkeit zu deutlich geringeren Kosten

Kurz gefasst: praktisch alle bekannten UV-Anwendungen zum Nutzentrennen und Leisterplattenschneiden, lassen sich mit 532 nm und entsprechend hoher Pulsspitzenleistung mit mindestens vergleichbarer Qualität und Geschwindigkeit realisieren. Für die industrielle Fertigung steht so ein gleichwertiger Bearbeitungsprozess zur Verfügung, der ca. 50 % geringere Investitionen erfordert und - mindestens ebenso entscheidend - mit rund mit 90 % geringeren Wartungsaufwänden aufkommt. Dies belegen nicht nur umfangreiche Tests in Innolas Photonics Applikationslabor sondern mittlerweile auch zahlreiche installierte Systeme in der industriellen Produktion.

Bildquelle: Innolas Photonics

Besonders interessant dabei ist der Retrofitting-Aspekt dieser neuen Lösung. Schneidsysteme auf Basis von 532 nm Strahlquellen sind kompakter und stellen deutlich geringere Anforderungen an die Optikkomponenten und die Ausführung des Strahlenganges des Laserbearbeitungssystems. Somit kann jede bestehende UV-Anwendung problemlos durch die - einfachere und wirtschaftlichere - grüne Lösung ersetzt werden.

Einfacherer Systemaufbau, überlegen bei flexiblen Materialien

Die hohe Pulsernergie der neuen grünen Strahlquelle erlaubt zudem die Verwendung längerer Brennweiten. So lässt sich mit einer 420 mm Scanneroptik so ein Bearbeitungsfeld von 300 x 300 mm abdecken ohne mit motorischen Achsen verfahren zu müssen.

Die stärksten Wachstumsraten im PCB-Markt zeigen aktuell Rigid-Flex PCBs. Deren variierende Dicke und Flexibilität stellt besondere Anforderungen an das Trennverfahren. Zum einen ist Material unterschiedlicher Stärke und Zusammensetzung in einem Arbeitsgang zu trennen, zum anderen können sich die flexiblen Komponenten während des Trennvorganges aus der eingestellten Fokusebene heraus bewegen. Mit ihrer außerordentlich hohen Tiefenschärfe durch die Verwendung langer f-theta Brennweiten sind hier grüne Strahlquellen der UV-Bearbeitung weit überlegen. Sie bieten zuverlässig hochwertige Schneidresultate auch ohne Nachführung der z-Achse.

Immer häufiger wird beim Nutzentrennen auch eine Markierung der Komponenten gefordert. Innolas Photonics BLIZZ 532–30-V kann dies mit einem veränderten Parametersatz einfach miterledigen. Mit höchster Qualität - die zu m Beispiel Matrix-Codes mit 0,8 mm Kantenlänge erlaubt.

Applikationsentwicklung für und mit dem Kunden

Innolas Photonics entwickelt spezialisierte Laserstrahlquellen für die hochpräzise, industrielle Mikromaterialbearbeitung. Im hauseigenen Applikationslabor entstehen zusammen mit dem Kunden maßgeschneiderte Laserlösungen zur Integration in den betreffenden Fertigungsprozess, etwa in der Elektronik-, Halbleiter- oder Photovoltaikbranche. Anfragen für Bemusterungen sind jederzeit willkommen.

http://www.innolas-photonics.com