PCBデパネリング

PCBの材料、厚さ、構成が技術的に変化したことで、従来の機械的な切断やパネル剥離の方法からレーザベースの加工方法への移行が進んでいます。しかし、PCBデパネリング用レーザがすべて同じように作られているわけではありません。切断の特性と品質、特に熱影響部（HAZ）の点では、さまざまなレーザによって大きな違いがあります。これは、PCB上に回路をどの程度密に配置できるかを決定するため、加工方法の利用率に影響します。また、回路の機能や、防水やEMIシールドのような下流工程にも影響を与える可能性があります。このドキュメントでは、Coherentで開発された新しいナノ秒レーザと関連する切断加工方法についてご紹介します。これは、現在入手可能な他の製品に比べ、HAZを大幅に低減したレーザPCBデパネリングを実現するものです。

レーザによるデパネリングのニーズの進化

ほんの数例を挙げると、スマートフォン、各種ウェアラブル機器、VR機器、車載用センサー、ホームオートメーション機器など、小型化されたエレクトロニクス機器の継続的な市場成長は、高密度で高性能なプリント基板のニーズに直結しています。これらのデバイスは、旧世代のマイクロエレクトロニクスよりも物理的に小型で複雑であるだけでなく、消費者からは、よりエネルギー効率が高く（バッテリーの寿命が長く）、より安価であることが求められています。 

PCB技術の面では、これがいくつかのトレンドを牽引してきました。その中には、より薄い従来の基板の使用、フレックス回路の広範な実装、より厚い導電層、低κ誘電体の利用拡大（後者は特に5G技術向け）などがあります。コストを考慮すると、加工方法利用率の向上も必要になります。具体的には、歩留まりを向上させるために、パネル上の基板同士を近づけることです。 

デパネリングに関しては、このようなことから、切り口幅をますます狭くし、切断工程の寸法精度を高める必要があります。また、PCBの機能エリアとカットの物理的な距離が近いということは、機械的なストレスや熱によるものであれ、切断工程が周囲の材料や回路に影響を及ぼしてはならないということです。その後の洗浄工程が必要となるようなゴミの発生を最小限に抑えることも必要条件です。 

これらの制約があるため、ルーター、のこぎり、型抜き、パンチング、スコアリング、ピザ切断など、従来の機械的なPCBデパネリング方法は実用的でなく、費用対効果も低くなっています。このため、切断速度の低下は通常避けられないものの、先に述べた事実上すべての分野で大きなメリットをもたらすレーザ切断への移行が進んでいます。 

レーザ切断を理解する 

レーザデパネリングは、もちろん以前から使われていました。ただし、さまざまなレーザベース技術を理解し、区別することが重要です。当初の実装では、遠赤外線を放出するCO₂レーザを利用していました。この技術ではバルク材を加熱して切断するため、HAZが大きくなります。また、紫外線の波長が短いのに比べ、この長い波長はスポットサイズを小さく集光できないため、カーフ幅が大きくなります。 

10年以上前、LD励起固体レーザ（DPSS）、ナノ秒パルス幅、周波数3倍レーザが、PCBのデパネリングに有効な光源として登場しました。紫外線（355 nm）出力と十分なパルスエネルギーにより、比較的「低温」のアブレーション加工方法による材料除去が実現します。つまり、CO2レーザよりもHAZがはるかに小さく（それでも目立つ）、破片や再キャスト材の発生が大幅に少ないレーザです。市販されている光源のパルスエネルギーと繰り返し周波数は、CO2レーザほどではありませんが、経済的に実行可能な送り速度での切断を可能にします。この技術の主な利点を表にまとめました。
 

CoherentのAVIA LXとレーザデパネリングの最新技術

レーザデパネリングが多くの利点をもたらすことは明らかですが、PCBメーカーは、冒頭で述べたような市場原理がもたらすサイズ、材料、コストに関するこれまで以上に厳しい課題に対応するため、すでにこの技術を限界まで押し進めています。特に、ナノ秒パルス幅のUV LD励起固体レーザで、HAZと加工屑の形成をさらに低減し、切断品質を向上させることは、活発な開発分野です。

この取り組みを支援するために、Coherentのアプリケーション研究では、ナノ秒パルス幅、高パルスエネルギー、UV LD励起固体レーザ（AVIA LX）を使用して、さまざまなPCB材料や材料の組み合わせを切断するための結果と加工方法スペースを調査しました。Coherentのチームは、この研究に基づき、新しいPCB切断方法を開発しました。この方法は、HAZの減少、切断エッジの品質向上、カーフ幅の減少、生産スループットの向上を実現することがすでに実証されています。

この技術の重要な要素のひとつは、加工面に照射されるレーザパルスのタイミングと空間的位置を、熱の蓄積を避けるように制御する独自の方法です。このアプローチでは熱損傷がないため、厚い材料（1 mm以上）を切断する際に、大幅に高いパルスエネルギーを持つレーザを使用することができます。

高いパルスエネルギーの利点は、厚い材料の切断に使用される従来の方式を採用する必要がなくなることです。具体的には、横方向にずらした一連のスクライブで「V溝」を作ります。「V溝」の形状は、高アスペクト比のカットを行う際に、ビームが材料に深く食い込むのを避けるために必要です。これでは出力が低下し、アブレーション効率が低下します。しかし、AVIA LXとこの新しいパルスタイミングアプローチを組み合わせることで、400 μJという高いパルスエネルギーを利用して、同じラインに沿って繰り返しスクライブすることができます（横方向の変位、すなわち「V溝」はありません）。その結果、切断速度が向上し、カーフ幅が大幅に減少します。

パルスエネルギーが高いほど、加工面におけるレーザ焦点の許容範囲も広がります。具体的には、低いパルスエネルギレーザを使用する場合、材料が貫通するにつれてビームの焦点を移動させ、最小集光スポットサイズを切断が発生する深さで常に正確に維持する必要があります。これは、材料のアブレーションしきい値を超えるのに十分なレーザフルエンスを得るために必要です。しかし、実際にこれを行うには、物理的にプリント基板を上にずらす必要があり、プロセスが遅くなるか、3軸スキャナ（フォーカス機能を持つもの）を採用する必要があり、装置のコストと複雑さが増します。 

AVIA LXはパルスエネルギーが高いため、プリント基板の中間にレーザを集光して切断することができます。これは、レーザの焦点が完全に合っていなくても、アブレーションに十分なレーザフルエンスがあるからです。その利点は、切断の高速化とシステムの複雑性の軽減です。

改善の例を以下の写真に示します。このアプリケーション用に現在市販されているタイプのUV LD励起固体レーザを使用した場合と、AVIA LXとこの新しいアプローチで同じ素材を加工した場合の、銅トレースのある厚さ1.6mmのプリント基板のカットを比較しています。この技術で加工された基板は、切り口がきれいになり、銅トレースの切り口が大幅に改善されています。