PCB Depaneling

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.

Der wachsende Bedarf an laserbasiertem Depaneling

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. 

Im Bereich der Leiterplattentechnologie hat dies zu mehreren Trends geführt. Dazu gehören die Verwendung dünnerer herkömmlicher Leiterplatten, die großflächige Einführung flexibler Schaltungen, dickere leitende Schichten und die verstärkte Verwendung von Dielektrika mit niedrigem κ-Wert (letzteres insbesondere für die 5G-Technologie). Auch aus Kostengründen ist eine bessere Prozessauslastung erforderlich. Konkret bedeutet dies, dass die Leiterplatten auf einer Platine näher beieinander liegen und ein höherer Ertrag besteht. 

Für das Depaneling 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. 

Das Scheiden mit Laser verstehen 

Das laserbasierte Depaneling wird natürlich schon seit einiger Zeit eingesetzt. Es ist jedoch wichtig, die verschiedenen laserbasierten Technologien zu verstehen und voneinander zu unterscheiden. Ursprünglich wurden CO₂-Laser verwendet, die im fernen Infrarot emittieren. Bei dieser Technologie wird das Grundmaterial erhitzt, was zu einer erheblichen Wärmeeinflusszone führt. Außerdem kann diese lange Wellenlänge im Vergleich zu kürzeren UV-Wellenlängen nicht auf eine so kleine Spotgröße fokussiert werden, was zu einer größeren Schnittfugenbreite führt. 

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 Abfall 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.
 

AVIA LX und der neueste Fortschritt im laserbasierten Depaneling von Coherent

Obwohl das laserbasierte Depaneling zweifellos zahlreiche Vorteile bietet, stoßen Leiterplattenhersteller bereits jetzt an die Grenzen dieser Technologie bei Ihren Bestrebungen die immer strengeren Größen-, Material- und Kostenanforderungen zu erfüllen, die sich aus den eingangs erwähnten Marktkräften ergeben. Insbesondere die Erzielung einer weiteren Reduzierung der Wärmeeinflusszone und der Trümmerbildung sowie die Verbesserung der Schnittqualität mit UV-DPSS-Lasern mit Nanosekunden-Pulsbreite sind ein aktiver Entwicklungsbereich.

Um diese Bemühungen zu unterstützen, hat die Anwendungsforschung bei Coherent die Ergebnisse und den Prozessraum der Verwendung eines UV-DPSS-Lasers mit Nanosekunden-Pulsbreite und hoher Pulsenergie (AVIA LX) zum Schneiden einer Vielzahl von Leiterplattenmaterialien und Materialkombinationen untersucht. Basierend auf dieser Arbeit entwickelte das Team bei Coherent eine neue Methode zum Schneiden von Leiterplatten, die bereits nachweislich eine geringere Wärmeeinflusszone, eine höhere Schneidkantenqualität, eine geringere Schnittfugenbreite und einen höheren Produktionsdurchsatz liefert.

Ein Schlüsselelement dieser Technik ist eine proprietäre Methode zur Steuerung des Timings und der räumlichen Positionierung der an die Arbeitsoberfläche abgegebenen Laserpulse, sodass ein Wärmestau vermieden wird. Da bei diesem Ansatz keine thermischen Schäden auftreten, ist es möglich, beim Schneiden dickerer Materialien (1 mm und mehr) einen Laser mit wesentlich höherer Pulsenergie zu verwenden.

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.

Eine höhere Pulsenergie erhöht auch die Laserfokustoleranz auf der Arbeitsoberfläche. Insbesondere bei der Verwendung eines Lasers mit niedrigerer Pulsenergie ist es notwendig, den Fokus des Strahls beim Eindringen in das Material zu verschieben, damit die minimale Fokuspunktgröße immer genau in der Tiefe beibehalten wird, in der der Schnitt erfolgt. Dies ist notwendig, um eine ausreichende Laserfluenz zu erreichen, um über die Materialabtragungsschwelle zu gelangen. In der Praxis erfordert dies jedoch entweder eine physische Verschiebung der Leiterplatte nach oben, was den Prozess verlangsamt, oder den Einsatz eines dreiachsigen Scanners (einer mit Fokussierfunktion), was die Kosten und die Komplexität der Ausrüstung erhöht. 

Die höhere Pulsenergie des AVIA LX ermöglicht es, den Laser einfach auf einen Punkt in der Mitte der Leiterplatte zu fokussieren und den Schnitt durchzuführen. Der Grund dafür ist, dass die Laserfluenz für die Abtragung auch weit außerhalb des perfekten Fokus des Lasers ausreicht. Der Vorteil ist ein schnelleres Schneiden und eine geringere Systemkomplexität.

Ein Beispiel für die Verbesserungen sind die folgenden Fotos, die Schnitte in eine 1,6 mm dicke Leiterplatte mit Kupferbahnen zeigen. Diese wurden mit dem derzeit für diese Anwendung kommerziell erhältlichen UV-DPSS-Lasertyp durchgeführt und stehen im Vergleich zu demselben Material, das mit dem AVIA LX und diesem neuen Ansatz bearbeitet wurde. Die mit dieser Technik bearbeitete Leiterplatte weist eine sauberere Schnittkante und eine deutliche Verbesserung der Schnittkanten der Kupferbahnen auf.