Sponsored content by Semicon Sp. zo.o.
Technika cięcia laserowego w procesie separacji płytek drukowanych
Zastosowanie nowoczesnych systemów laserowych do depanelizacji płytek drukowanych, w porównaniu z tradycyjnymi metodami obróbki mechanicznej, może stanowić poważne wyzwanie dla każdego inżyniera procesu produkcji. Właściwe zrozumienie interakcji pomiędzy wiązką laserową a materiałem podłoża jest niezbędne, aby wybrać i zastosować właściwą technologię separacji płytek drukowanych gwarantującą najwyższą jakość obróbki.
Tendencja ciągłej miniaturyzacji elementów elektronicznych i obwodów drukowanych stawia nowe wyzwania procesom produkcyjnym. Producenci obwodów drukowanych na ogół nie wytwarzają obecnie pojedynczych płytek o małej powierzchni. Ze względu na automatyzację i powtarzalność procesów korzystają z formatek o standardowych rozmiarach. Ta sama zasada obowiązuje przy montażu obwodów elektronicznych. Grupowanie pojedynczych płytek drukowanych w formie matrycy na formatce zmniejsza liczbę operacji montażowych i umożliwia wzrost wydajności produkcji.
W końcowym etapie każdy niezależny obwód drukowany na formatce poddawany jest separacji. Mechaniczne metody oddzielania obwodów drukowanych, wykorzystujące frezarki, wykrojniki czy separatory typu pizza cutter, są powszechnie stosowane wyłącznie przy obróbce laminatów sztywnych. Mechaniczna obróbka, jak każda technika, ma pewne ograniczenia. Przede wszystkim może prowadzić do deformacji krawędzi, a także do delaminacji podłoży. Szybko obracające się frezy czy ostrza wytwarzają tarcie na styku narzędzie-materiał. W przypadku zbyt gwałtownego lub nierównego prowadzenia narzędzia lub po prostu pod wpływem zużywania się narzędzi krawędzie skrawające mogą wykruszać obrabiany materiał lub odrywać jego zewnętrzne warstwy. Odsłonięte lub uszkodzone warstwy mogą narazić płytkę na działanie wilgoci, agresywnych płynów oraz innych czynników zewnętrznych, które spowodują pogorszenie jakości.
Dodatkowo produkują one dużo zanieczyszczeń, które trzeba potem usuwać. Jest to szczególnie ważne w przypadku płytek zawierających elementy optyczne, czujniki lub złącza. W przypadku wykrawania konieczne jest utrzymywanie stale naostrzonych stempli, tak żeby nie dopuścić do zgniatania odcinanego materiału. Występujące w trakcie obróbki mechanicznej naprężenia ściskające i zginające na krawędziach płytki mogą prowadzić do groźnych, bo czasami trudnych do zidentyfikowania, mikropęknięć spoiwa i uszkodzenia elementów, powodując zmniejszenie niezawodności. W celu ograniczenia wpływu obróbki mechanicznej na jakość obwodów drukowanych elementy umieszczane są w pewnej odległości od krawędzi, co zwiększa rozmiary płytek drukowanych.
W przypadku laminatów elastycznych (flex), półelastycznych (semi-flex) czy sztywno-elastycznych (rigid-flex), zawierających w swojej konstrukcji poliimid i/lub włókno szklane spajane żywicą epoksydową o grubości poniżej 200 µm, konieczne jest wykorzystanie innych, alternatywnych metod separacji. Nowoczesnym rozwiązaniem są urządzenia z laserami w zakresie światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik cięcia, promieniowanie laserowe nie wywiera mechanicznego nacisku na obrabiany materiał, a precyzja cięcia pozwala na rozdzielenie znacznie mniejszych płytek PCB.
Wybór lasera
Firma Semicon w ramach realizowanego projektu "Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach flex dla aplikacji krytycznych, Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0" od ponad roku prowadzi badania nad wdrożeniem i zastosowaniem technologii cięcia laserowego w procesie depanelizacji płytek drukowanych. Prowadzone prace skupiają się głównie na wykorzystaniu unikalnego urządzenia ASYS Divisio 8100 wyposażonego w laser zielony o λ = 532 nm i ocenie jakości cięcia w porównaniu do wyników depanelizacji metodami mechanicznymi.
Wybór rodzaju lasera do procesu technologicznego uzależniony jest przede wszystkim od właściwości i grubości obrabianego materiału, wymaganej mocy lasera, średnicy wiązki laserowej oraz wydajności procesu, która będzie wpływać na koszty wdrażanej technologii. Urządzenia laserowe są powszechnie używane do obróbki metali, materiałów dielektrycznych i półprzewodników. Pomijając parametr grubości, niektóre materiały ze względu na strukturę są trudne do przetwarzania z różnych powodów, do których z pewnością zaliczyć należy: zbyt niską szybkość procesu technologicznego czy niedostateczną jakość cięcia, która wpływa na możliwość późniejszego zastosowania. Do takich problematycznych materiałów zaliczyć należy przede wszystkim:
- metale i/lub materiały przewodzące elektrycznie o wysokim współczynniku odbicia, np. aluminium lub miedź i ich stopy,
- niemetale takie jak ceramika, gruba ceramika strukturalna, np. węglik krzemu lub mullit-aluminium,
- kompozyty i materiały kompozytowe, np. włókno węglowe lub włókno szklane,
- materiały kamieniarskie, niejednorodne skały, np. większość materiałów granitowych.
Promocja projektu pt. Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach FLEX dla aplikacji krytycznych, Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0. Umowa o dofinansowanie: POIR.01.01.01-00-1083/17-00 z dnia 22.06.2018. Projekt jest współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
Korzyści z zielonego lasera
Technologia cięcia laserem zielonym jest szczególnie atrakcyjna, bo umożliwia wycinanie skomplikowanych kształtów nie tylko w obwodach elastycznych wykonanych z poliimidu, ale również w laminatach sztywnych, przy użyciu skolimowanej wiązki laserowej o średnicy około 20 µm. Powszechnie używany w konstrukcji podłoży elastycznych poliimid jest wyjątkowo odporny termicznie i chemicznie. Poliimid nie topi się w trakcie cięcia laserowego, ale jest bezpośrednio odparowywany w interakcji z wiązką laserową. Dzięki stosunkowo niskiej temperaturze parowania wynoszącej 750°C wymagana moc lasera jest relatywnie niska dla osiągnięcia dużych prędkości cięcia.
Mała głębokość penetracji optycznej zmniejsza objętość materiału, w którym energia jest pochłaniana. Głębokość penetracji termicznej jest również niewielka ze względu na zastosowanie krótkich impulsów laserowych o odpowiednio dobranej częstotliwości repetycji. W efekcie uzyskuje się dobrze zdefiniowany obszar usuwania materiału i doskonałą jakość cięcia przy minimalnej karbonizacji.
Jakość cięcia i szybkość w zależności od grubości laminatu i rodzaju materiału pokazano na rysunkach 5–7.
Rys. 5. Widok krawędzi płytek FR4
Rys. 6. Wyniki cięcia płytek poliimidowych Flex
Rys. 7. Wyniki cięcia płytek rigid-flex
Lasery CO2
Rys. 8. Porównanie wydajności mechanicznego procesu depanelingu oraz różnych systemów laserowych dla płytek typu FR4
Oprócz laserów pracujących w paśmie zielonym oraz UV powszechnie wykorzystywane są do cięcia różnych materiałów lasery CO2. Zasadniczą różnicą pomiędzy laserami CO2 a opisywanymi powyżej laserami pracującymi w paśmie zielonym oraz UV jest długość fali promieniowania laserowego. Lasery CO2 pracują w obszarze dalekiej podczerwieni (FIR), podczas gdy promieniowanie o długości fali 10,6 µm jest silnie pochłaniane przez zdecydowaną większość materiałów dielektrycznych. System cięcia laserowego oparty na laserach CO2 powoduje, że powierzchnia obrabianego materiału jest silnie podgrzewana i odparowywana, co często określa się wręcz mianem obróbki termicznej.
Lasery te są stosowane do cięcia wszystkich rodzajów metali, wielu materiałów organicznych i większości tworzyw sztucznych. Jednak pewnych tworzyw sztucznych i specjalnych polimerów, np. poliimidu, nie można dokładnie obrobić za pomocą lasera pracującego w zakresie podczerwieni. Obróbka termiczna powoduje deformację tworzywa sztucznego, karbonizację krawędzi cięcia, a to prowadzi do osłabienia mechanicznego i utworzenia dodatkowej ścieżki przewodzącej. W przypadku wielu aplikacji jest to niedopuszczalne, ponieważ produkty węglowe mogą przewodzić i absorbować wilgoć, co może prowadzić do awarii całego urządzenia. Ponadto związki węgla są silnie aromatyczne, co jest nie do zaakceptowania w aplikacjach, w których produkt znajduje się blisko twarzy użytkownika, takich jak telefony komórkowe czy zestawy głośnomówiące Bluetooth. Karbonizacja krawędzi zauważalna jest również w przypadku laminatów epoksydowo-szklanych. Poprawa jakości cięcia wymaga wielu dodatkowych zabiegów, dlatego lasery pracujące w paśmie podczerwieni nie są odpowiednie do obróbki obwodów drukowanych zarówno sztywnych, jak i elastycznych.
Dodatkowo, energia wiązki lasera pracującego w zakresie podczerwieni nie może być dobrze pochłaniana przez miedź nawet przy wysokich gęstościach energii, co jeszcze bardziej ogranicza zastosowanie lasera CO2. Miedź charakteryzuje się wysokim przewodnictwem cieplnym, a dodatkowo w stanie stałym silnie odbija promieniowanie podczerwone. To sprawia, że takie metale są trudne do cięcia laserem CO2. Współczynnik odbicia miedzi i innych metali zmniejsza się dopiero wraz ze wzrostem temperatury metalu i gwałtownie spada, gdy materiał osiągnie temperaturę topnienia (np. do <70% dla miedzi w stanie stopionym). Metale te pochłaniają znacznie więcej energii lasera w stanie stopionym. Do efektywnego cięcia potrzebne są więc znaczne ilości energii, rzędu 100 W i większe. W tabeli 2 zestawiono właściwości lasera CO2, UV i zielonego.
Promocja projektu pt. Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach FLEX dla aplikacji krytycznych, Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0.
Umowa o dofinansowanie: POIR.01.01.01-00-1083/17-00 z dnia 22.06.2018. Projekt jest współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Więcej informacji udzieli Państwu:
Piotr Ciszewski
Kontakt:
Semicon Sp. zo.o.
adres: ul. Zwoleńska 43/43A
04-761 Warszawa
tel.: (22) 615-73-71
email:
„Artykuł ukazał się w magazynie Elektronik 7/2020 oraz na elektronikab2b.pl.”