白皮书
Neues laserbasiertes Depaneling-Verfahren für Leiterplatten (PCB) von Coherent steigert die Prozessauslastung
Technologische Veränderungen bei den Materialien, der Dicke und der Zusammensetzung von Leiterplatten führen zu einer Abkehr von herkömmlichen mechanischen Schneid- und Depaneling-Verfahren hin zu laserbasierten Verfahren. Aber nicht alle Laser zum Depaneling von Leiterplatten sind gleich. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Lasern in Bezug auf die Schneideigenschaften und die Qualität, insbesondere im Hinblick auf die Wärmeeinflusszone (WEZ). Dies wiederum wirkt sich auf die Prozessauslastung aus, da diese bestimmt, wie eng die Schaltungen auf einer Leiterplatte platziert werden können. Auch kann dies eine Auswirkung auf die Funktionalität der Schaltungen und nachgelagerte Prozesse wie Wasserdichtigkeit oder EMI-Abschirmung haben. In diesem Dokument werden ein neuer Nanosekundenlaser und ein dazugehöriges Schneidverfahren vorgestellt, das bei Coherent entwickelt wurde. Dieses ermöglicht das Depaneling von Leiterplatten per Laser mit einer wesentlich geringeren Wärmeeinflusszone im Vergleich zu anderen derzeit erhältlichen Produkten.
对基于激光的去板化需求日益增长
Das anhaltende Marktwachstum von miniaturisierten elektronischen Geräten, darunter Smartphones, verschiedene Wearables, VR-Geräte, Kfz-Sensoren und Hausautomatisierungsgeräte, um nur einige Beispiele zu nennen, führt direkt zu einem Bedarf an dichteren und leistungsfähigeren Leiterplatten. Diese Geräte sind nicht nur physisch kleiner und komplexer als die vorherige Generation der Mikroelektronik, sondern es gibt auch eine Nachfrage der Verbraucher, sie energieeffizienter (für eine längere Batterielebensdauer) und billiger zu machen.
在印制电路板技术领域，这催生了多项发展趋势。其中包括采用更薄的传统印制电路板、大范围应用柔性电路、增厚导电层，以及更多地使用低介电常数（κ值）的介电材料（后者尤其适用于5G技术）。 出于成本考虑，也必须提高工艺利用率。具体而言，这意味着同一基板上电路板之间的间距更小，从而获得更高的良率。
Für die Nutzentrennung erfordert dies zunehmend schmalere Schnittspaltbreiten und eine höhere Maßgenauigkeit beim Schneidprozess. Die räumliche Nähe des Schnitts zu den Funktionsbereichen der Leiterplatte bedeutet auch, dass der Schneidprozess das umgebende Material oder die Schaltkreise nicht beeinträchtigen darf, weder durch mechanische Belastung noch durch Hitze. Ein weiteres Erfordernis ist die minimale Produktion von Rückständen, die einen nachfolgenden Reinigungsschritt erforderlich machen könnten.
Aufgrund all dieser Einschränkungen sind herkömmliche mechanische Verfahren zum Depaneling von Leiterplatten, wie z. B. Fräsen, Sägen, Stanzen, Ritzen, in Stücke schneiden usw., weniger praktikabel und kostengünstig. Dies führt zu einer Hinwendung zum Laserschneiden, das in praktisch jedem der genannten Bereiche erhebliche Vorteile bietet, allerdings in der Regel auf Kosten einer geringeren Schneidgeschwindigkeit.
了解激光分娩
基于激光的去板技术当然已经应用了一段时间。然而，理解并区分各种基于激光的技术至关重要。 最初使用的是发射远红外光的二氧化碳激光器。该技术会加热基材，从而产生较大的热影响区。此外，与较短的紫外波长相比，这种长波长无法聚焦到如此小的光斑尺寸，导致切口宽度较大。
Vor über einem Jahrzehnt entwickelte sich der diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS) mit Nanosekunden-Pulsbreite und frequenzverdreifachter Lasertechnik zu einer brauchbaren Quelle für das Leiterplatten-Depaneling. Dieser Laser bietet ultraviolette Strahlung (355 nm) mit ausreichender Pulsenergie, um die Materialentfernung durch einen relativ „kalten“ Abtragungsprozess zu ermöglichen. Das heißt, mit einer viel kleineren (aber immer noch spürbaren) Wärmeeinflusszone als beim CO2-Laser und mit einer wesentlich geringeren Produktion von Trümmerteilen und Nachgussmaterial. Die Pulsenergie und die Wiederholrate der handelsüblichen Quellen ermöglichen das Schneiden mit wirtschaftlich vertretbaren Vorschubgeschwindigkeiten, wenn auch nicht so schnell wie der CO2-Laser. Die Hauptvorteile dieser Technologie sind in der Tabelle zusammengefasst.
优势 |
说明 |
机械精度 |
切割过程具有极高的尺寸精度和精确度，且切口宽度极窄。这提高了从印刷电路板上切割出几乎所有活性元件的能力。 |
无压力 |
切割过程本身无振动、无摩擦，可避免电路板发生机械变形或分层，并消除内部应力。因此，可避免因切割过程而引入后续的缺陷机制。 |
Niedriger HAZ |
Die inhärente „kalte” Beschaffenheit des UV-Laserabtragsverfahrens verhindert Veränderungen am Substrat und vermeidet das Schmelzen von Leiterbahnen, was zu einem Kurzschluss führen könnte. Durch die minimale Verschmutzung des Prozesses entfällt die Notwendigkeit nachfolgender Reinigungsschritte, was wiederum die Möglichkeit eines späteren Stromkreislaufdefekts minimiert. Das Verfahren ermöglicht sogar die Trennung von montierten Platten. |
操作灵活性 |
激光束是一种无惯性的工具，它由计算机控制移动，且功率可快速调节。这带来了多重优势。首先，几乎可以切割任何形状。因此，电路板设计师摆脱了传统切割方法所施加的形状限制。 此外，切割图案可通过软件控制进行调整，这使得生产能够快速转换，同时也使小批量生产变得经济实惠。最后，不同的激光功率使得单一设备除了单纯的切割外，还能执行许多其他加工工序。这可能包括标记/雕刻以及金属去除。 |
与材料无关 |
紫外线会被印刷电路板上的几乎所有材料强烈吸收。因此，该工艺几乎与任何印刷电路板结构都兼容，包括传统的铜覆层柔性层压板、柔性材料（即使是那些具有较厚导电层的材料）以及各种低介电常数介电材料。 |
表 1. 基于紫外激光的电路板切割的主要特点与优势
AVIA LX 高意在激光分板技术领域的最新进展
尽管基于激光的拆板技术无疑具有诸多优势，但在努力满足由前文所述市场力量所带来的日益严格的尺寸、材料和成本要求时，电路板制造商已然触及了该技术的极限。 特别是利用具有纳秒脉冲宽度的紫外线DPSS激光器，进一步缩小热影响区、减少碎屑产生并提高切割质量，已成为当前一个活跃的研发领域。
为了支持这些高意 对激光器 （AVIA LX）切割多种电路板材料及材料组合高意 工艺空间进行了研究。 基于这项高意 切割高意 已被证实可实现更小的热影响区、更高的切边质量、更窄的切缝宽度以及更高的生产吞吐量。
该技术的一个关键要素是一种专有方法，用于控制作用于工作表面的激光脉冲的时序和空间定位，从而避免热量积聚。由于这种方法不会造成热损伤，因此在切割较厚材料（1毫米及以上）时，可以使用脉冲能量显著更高的激光器。
Der Vorteil einer höheren Pulsenergie besteht darin, dass die herkömmliche Methode zum Schneiden dickerer Materialien nicht mehr verwendet werden muss. Konkret geht es dabei um die Herstellung einer Reihe seitlich versetzter Anreißer, um eine „V-Nut“ zu erzeugen. Die „V-Nut“-Geometrie ist erforderlich, um ein Abschneiden des Strahls zu vermeiden, wenn er bei einem Schnitt mit hohem Seitenverhältnis weiter in das Material eindringt. Dies würde seine Leistung verringern und somit die Abtragseffizienz einschränken. Allerdings kann der AVIA LX in Verbindung mit diesem neuartigen Puls-Timing-Ansatz Pulsenergien von bis zu ~400 μJ nutzen, um wiederholt entlang derselben Linie zu ritzen (keine seitliche Verschiebung oder „V-Nut“). Das Ergebnis ist ein schnelleres Schneiden und eine deutlich reduzierte Schnittfugenbreite.
更高的脉冲能量也能提高激光在加工表面上的聚焦容差。特别是当使用激光器 时，必须在光束进入材料时偏移其焦点，以确保最小焦点尺寸始终精确地保持在发生切割的深度处。 这是为了达到足够的激光通量，从而突破材料去除阈值。但在实际操作中，这要么需要将电路板向上物理移动，从而减慢加工速度，要么需要使用三轴扫描仪（带聚焦功能），从而增加设备的成本和复杂性。
AVIA LX 更高的脉冲能量AVIA LX 激光AVIA LX 轻松聚焦于电路板中心的一点并完成切割。这是因为即使在远离激光器 理想焦点的区域，用于材料去除的激光通量激光器 。其优势在于切割速度更快且系统结构更简单。
以下照片展示了这些改进的效果，其中展示了对一块厚度为1.6毫米、带有铜箔线路的印刷电路板的切割情况。这些切割是使用目前市面上针对此应用可购买的UV-DPSS激光器完成的，并与AVIA LX 加工的相同材料进行了对比。 采用该技术加工的电路板切口边缘更为平整，且铜箔线路的切口边缘质量显著提升。
图1. 厚度为1.6毫米的印刷电路板横截面 ，左侧采用竞争对手的UV-DPSS激光器切割，右侧高意 的新型切割工艺——高脉冲能量UV-DPSS激光器（AVIA LX）高意 。后者能确保更优的边缘质量，并使铜箔线路的切口更加整洁。
下一组图片展示了通过高意 工艺高意 切缝宽度缩减效果。
Abbildung 2. Draufsicht auf eine 0,95 mm dicke Leiterplatte, die mit einem UV-DPSS-Laser eines Wettbewerbers (links) und einem UV-DPSS-Laser mit hoher Pulsenergie (AVIA LX) geschnitten wurde, der einen schmaleren und gleichmäßigeren Schnittspalt erzeugt.
下一组照片AVIA LX 多层电路板（含玻璃纤维层）的AVIA LX 特点是残留物极少、切口宽度小，且热影响区显著缩小。
图3.一块厚度为1.6毫米的多层印刷电路板（含玻璃纤维层）的横截面图，左侧采用竞争对手的UV-DPSS激光器切割，右侧高意采用新工艺的高脉冲能量UV-DPSS激光器（AVIA LX）切割。 这使得切割通道更窄，热影响区更小。
过去，在激光切割聚酰亚胺和电磁屏蔽膜时，由于热影响区较宽，切口处会出现一定程度的分层。在这种情况下，必须使用较低的脉冲能量，以避免损坏材料。 然而，采用相同的脉冲工艺可以消除热积聚，从而获得缩小热影响区和切口宽度的相同优势。这反过来又降低了生产成本，因为后续生产工序能够获得更高的良率。
图4.这张100 μm厚聚酰亚胺薄膜的俯视图左侧展示了使用竞争对手的UV-DPSS激光器获得的切割结果，其切缝较宽，热影响区也相当大。 右侧的切割结果Avia LX DPSS激光器实现。这使得切口更窄，热影响区更小。
下图展示了高意 工艺在加工柔性电路板时高意 更小的热影响区和更高的加工效率，且所需脉冲能量更低。
Abbildung 5. Draufsicht auf 0,13 mm dicke FPCBs, die mit einem (links) UV-DPSS-Laser eines Wettbewerbers und (rechts) einem UV-DPSS-Laser mit hoher Pulsenergie (AVIA LX) geschnitten wurden. Dies führte zu einer viel kleineren Wärmeeinflusszone und dies bei einer höheren Schneidgeschwindigkeit (13 mm/s im Vergleich zu 11 mm/s).
实用型高脉冲能量DPSS紫外激光器
对于传统的厚电路板高意 冲控制方法的实际应用高意 脉冲能量高于目前市场上现有高意 。 为满足AVIA LX LX，这是一款20 W（355 nm波长）的固态激光器，具有纳秒级脉冲宽度，可产生高达500 μJ的脉冲能量。
Der AVIA LX Laser wurde speziell für das hochwertige Trennen von Leiterplatten mit hohem Durchsatz entwickelt. Er kombiniert eine Reihe von technologischen Fortschritten in Design und Herstellung, um diese hohe Energieausbeute zusammen mit einer unübertroffenen Kombination aus hoher Zuverlässigkeit, überlegener Leistung und niedrigen Betriebskosten zu erreichen.
Der AVIA LX nutzt die umfassende Erfahrung von Coherent in der Herstellung zuverlässiger, langlebiger UV-Laser. Die im AVIA LX verwendeten nichtlinearen Kristalle (Frequenzverdreifachung) werden bei Coherent hergestellt, wodurch wir direkte Kontrolle über die Qualität und die optischen Eigenschaften dieser kritischen Komponente haben und eine längere Lebensdauer, bessere Leistung und geringere Betriebskosten erzielen können. Die Lebensdauer wird durch die Verwendung eines eingebauten Kristallverschiebers weiter maximiert, der eine Karte des tatsächlichen Kristalls im Laser und die Position von 20 vorqualifizierten Spots zur Erzeugung der dritten Harmonischen (mit über 1.000 Stunden Lebensdauer pro Spot) enthält.
Die Verschmutzung der Optik ist ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer von UV-Lasern begrenzt. Die AVIA LX-Laser werden in einem Reinraum hergestellt, und die internen Optiken, die direkt dem UV-Licht ausgesetzt sind, befinden sich in einem versiegelten PureUV-Raum, um eine Kontamination während des Gebrauchs zu verhindern. Dadurch werden die Lebensdauer und die Wartungsintervalle maximiert.
Außerdem basiert der AVIA LX auf einem extrem robusten Industriedesign, das durch HASS- und HALT-Tests validiert wurde. Bei HALT (High Accelerated Life Testing) werden Prototypen iterativ bis zur Zerstörung getestet, neu entworfen und erneut getestet, um alle inhärenten Schwächen zu beseitigen. HASS (Highly Accelerated Stress Screening) belastet dann die tatsächlichen Produktionseinheiten über ihre spezifizierte Betriebsumgebung hinaus. Mit diesem Protokoll werden eventuelle Mängel bei der Herstellung und Verpackung ausgeschlossen. Das Ergebnis ist eine unübertroffene Produktzuverlässigkeit und Lebensdauer.
Bei der Entwicklung des AVIA LX wurde auch auf einfache Integration und Benutzerfreundlichkeit geachtet. Die Integration wird beispielsweise durch eine eingebaute Steuerelektronik und einen integrierten Strahlaufweiter vereinfacht. Der Einsatz von Wasserkühlung maximiert die Lebensdauer und die Puls-zu-Puls-Stabilität, selbst bei hoher Leistung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der AVIA LX-Laser von Coherent in Verbindung mit der neuartigen Pulskontrolltechnologie beim Trennen von Leiterplatten bessere Ergebnisse erzielt hat als herkömmliche mechanische Verfahren und sogar als bisher verfügbare UV-DPSS-Laserquellen mit Nanosekunden-Pulsbreite. Es dürfte sich als nützliche Quelle für eine Vielzahl von Fertigungsprozessen erweisen, die für mikroelektronische Geräte der nächsten Generation erforderlich sind, einschließlich des Schneidens herkömmlicher Leiterplatten und flexibler Schaltungen, des Schneidens von SiP und des Grabenschneidens sowie des Schneidens von EMI-Abschirmungen.