Wykorzystanie lasera zielonego 532 nm w obróbce obwodów drukowanych

Istnieją pewne wyzwania związane z obróbką podłoży PCB, które obejmują tworzenie się strefy oddziaływania termicznego HAZ (Heat Affected Zone), karbonizację, wtórne osadzanie usuniętego materiału oraz zanieczyszczenia. Inna trudność wynika z faktu, że podłoża PCB wzmacniane włóknami są niejednorodne, ponieważ włókno szklane ma zdecydowanie inne właściwości termiczno-fizyczne niż żywica epoksydowa. W efekcie uzyskuje się różne gęstości energii progowej ablacji dla włókna szklanego i żywicy epoksydowej [13].

Przedmiotem pracy były badania wpływu różnych parametrów lasera na jakość cięcia pod kątem występowania efektów HAZ i karbonizacji ciętego materiału. Prace miały na celu uzyskanie jak najwyższej jakości cięcia podłoży PCB na bazie laminatu FR4 i poliimidu bez rozwarstwiania i uszkodzeń powierzchni, z jak najmniejszą karbonizacją i minimalnym wpływem HAZ.

Dotychczasowe badania dotyczące obróbki płytek drukowanych za pomocą laserów DPSSL 532 nm skupiały się wyłącznie na płytkach giętkich (FPCB), cienkich płytkach sztywnych (o grubości 300 μm) oraz cienkich arkuszach folii miedzianej (o grubości 100 μm). Dla materiału składającego się z poliimidu pokrytego z dwóch stron folią miedzianą oraz z elastycznej warstwy wierzchniej celem było osiągnięcie szerokości cięcia poniżej 40 μm. Najlepsze wyniki cięcia w zakresie utrzymania prędkości i jakości, bez nagrzewania (przypalania) powierzchni, osiągnięto odpowiednio przy 80 W, 25 kHz (100 mm/s), 10 cięć na linię oraz 60 W, 40 kHz (400 mm/s), 10 cięć na linię [2]. W pracy autorstwa innej grupy laser został wykorzystany do zademonstrowania skuteczności w obrębie różnych procesów produkcji płytek PCB, np. przy wykonywaniu otworów, cięciu/profilowaniu czy depanelizacji. Okazało się, że do osiągnięcia wysokiej jakości cięcia przy niskim poziomie karbonizacji oraz minimalnej strefie HAZ, optymalne było użycie częstotliwości powtarzania impulsów 150 kHz o energii impulsu na poziomie 64 μJ, co odpowiadało średniej mocy lasera na poziomie 10 W. Aby zwiększyć skuteczność procesu cięcia, wykonano wielokrotne skanowanie linii cięcia. Osiągnięto średnią prędkość cięcia na poziomie 50 mm/s. Nie są dostępne informacje na temat dokładnej liczby skanów. Osiągnięte wyniki potwierdziły, że wysoce wydajne lasery o długości fali 532 nm są odpowiednie do obróbki cienkich (do 180 μm) materiałów FPCB składających się z miedzi i poliimidu, a także cienkich (do 300 μm) sztywnych płytek drukowanych z materiałów żywicznych [4].

Cięcie giętkiej płytki PCB o grubości 50 μm za pomocą lasera 532 nm zostało zbadane empirycznie w kolejnej pracy [14]. Porównano różne długości fali, w tym 532 nm oraz podstawową długość 1064 nm. Laser 532 nm miał dostępny zakres powtarzania impulsów w przedziale od 10 do 20 kHz przy czasie trwania impulsu na poziomie 50–70 ns i średniej mocy powyżej 25 W. Zanotowano prędkość cięcia na poziomie > 120 mm/s bez oznak rozwarstwiania, bez mierzalnego efektu przetapiania czy strefy HAZ, a także bez powstawania widocznych odpadów czy to na powierzchni, czy na materiale podłoża.

Dotychczasowe prace badawcze nie obejmowały oceny użyteczności badanych laserów w obróbce tradycyjnych materiałów podłoży o większej grubości. Nasza praca skupia się na środowisku przemysłowym, w którym narzędzia powinny cechować się większą elastycznością, pomimo że konieczne jest indywidualne dobranie i zoptymalizowanie okien procesowych celem ograniczenia kosztów operacyjnych urządzenia. Badania obejmowały cięcie laminatów FR4 o szerokim zakresie grubości – od 0,10 mm do 1,55 mm, co w tym wypadku okazało się zadaniem równie wymagającym, co opracowanie rozwiązania technologicznego do cięcia cienkich laminatów giętkich.

Bibliografia:

[1]   Meier, D.J., Schmidt, S.H., PCB Laser Technology for Rigid and Flex HDI: Via Formation, Structuring, Routing. in Proceedings of IPC Printed Circuits Expo, 22-26 (2002).

[2]   Hsu H.C. et Al, Cutting PCB with a 532nm DPSS green laser. in 9th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT) (2014).

[3]   Hüske M., Burr and Stress-Free Cutting of Flexible Printed Circuits, OnBoard Technology 6, 18-21 (2006)

[4]   Tamhankar A. and Patel R., Investigating PCB Processing Using Q-Switched DPSS Nanosecond Green Laser. in 31st International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics (ICALEO 2012) (2012). https://doi.org/10.2351/1.5062386

[5]   Lawrence J., Advances in Laser Materials Processing. (Elsevier Ltd., 2018). https://doi.org/10.1016/C2015-0-05718-5 

[6]   Hahn Ch. et Al., Green Beats UV: New Solutions for Depaneling & Pcb Cutting, The Laser User 82, 22-23 (2016)

[7]   Oosterhof A. and Gonzalez J., Investigation of Cutting Quality and Mitigation Methods for Laser Depaneling of Printed Circuit Boards, (2019)

[8]   Patel R., Bovatsek J. and Tamhankar A., Pulse Control in High-Power UV Laser Enables New Micromachining Options, Laser Focus World 49, 49-53 (2013) 

[9]   Illyefalvi-Vitéz Z., Ruszinkó M. & Pinkola J., Laser Drilling and Pattern Processing for MCM-L Prototyping, The International Journal Of Microcircuits And Electronic Packaging 21, 349-354 (1998).

[10]   Bluebean Optical Tech Ltd.: Nd:YVO4 Crystal Properties and Applications, Avalible       at: http://www.bbotech.com/product.php?cid=93. (Accessed: 04th June 2020).

[11]   ITI Electro-Optics Corp.: High Purity Nd: YVO4 Laser Crystals. Available at: https://www.photonicsonline.com/doc/high-purity-ndyvo4-laser-crystals-0001. (Accessed: 04th June 2020).

[12]   Precision Micro-Optics Inc. Neodymium Doped Yttrium Orthvanadate (Nd:YVO4) (2016). http://www.pmoptics.com/neodymium_doped_yvo4.html. (Accessed: 04th June 2020).

[13]   Wang X.C. and Zheng H.Y. High quality laser cutting of electronic printed circuit board substrates, Circuit World 35, 46-55 (2009). https://doi.org/10.1108/03056120911002415

[14]   Henry M., Harrison P., Wendland J. and Parsons- Karavassilis D., Cutting flexible printed circuit board with a 532 nm Q-switched diode pumped solid state laser. in Proceedings of ICALEO, (2005)

Więcej w poniższym artykule: https://journals.pan.pl/dlibra/publication/135258/edition/118245/content

Autorzy: Piotr Ciszewski, Mariusz Sochacki

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Semicon