Technika cięcia laserowego w procesie separacji płytek drukowanych
Zastosowanie nowoczesnych laserów do depanelizacji PCB stanowi wyzwanie dla każdego inżyniera procesu produkcji. Zrozumienie interakcji pomiędzy wiązką laserową a podłożem jest niezbędne, aby wybrać i zastosować właściwą technologię separacji PCB.
Depanelizacja mechaniczna
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 nowoczesny laser z zakresu promieniowania zielonego o długości fali l = 532 nm. Ocena jakości cięcia realizowanego przy wykorzystaniu tego urządzenia wymaga porównania wyników depanelizacji metodami mechanicznymi oraz cięcia laserowego przy zastosowaniu promieniowania z różnych zakresów długości fali.
Każdy niezależny obwód drukowany na formatce poddawany jest procesowi 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, posiada 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 utratę funkcjonalności w zespole elektroniki. Dodatkowo generują one dużo zanieczyszczeń, które trzeba potem usuwać (jest to szczególnie ważne w przypadku płytek zawierających elementy optyczne czy czujniki). 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 jak i uszkodzeń elementów, powodując zmniejszenie niezawodności lub w najgorszym przypadku uszkodzenie całego zespołu elektronicznego. W celu ograniczenia wpływu obróbki mechanicznej na jakość obwodów drukowanych elementy umieszczane są w pewnej odległości od krawędzi, co zwiększa rozmiary płytek drukowanych i generuje dodatkowe koszty.
W przypadku laminatów elastycznych FLEX, pół-elastycznych SEMI-FLEX czy sztywno-elastycznych RIGID-FLEX, zawierających w swojej konstrukcji poliimid i/lub włókno szklane spajane żywicą epoksydową o grubości poniżej 200 mm, konieczne jest wykorzystanie innych, alternatywnych metod separacji obwodów drukowanych. Nowoczesnym rozwiązaniem są urządzenia wykorzystujące emisję laserową 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.
Wykorzystanie laserów do depenalizacji PCB
Ze względu na konstrukcję podłoży płytek drukowanych konieczne jest wykorzystanie lasera pozwalającego na precyzyjną obróbkę materiałów takich jak: mata szklana impregnowana żywicą epoksydową, poliimidy, czy folia miedziana o grubościach od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Ważne jest, aby dla każdego materiału wyznaczyć charakterystykę jego absorpcji dla określonej długości fali promieniowania laserowego. Od właściwości absorpcyjnych materiałów składowych będą zależały wszystkie parametry cięcia dla danego podłoża.
© Semicon
Rysunek 1. Krzywe absorpcji miedzi, szkła i żywicy epoksydowej w laminacie FR4
Wiązka laserowa może przenosić znaczną energię, a jej mała rozbieżność kątowa pozwala na skoncentrowanie energii w niewielkim obszarze. Jeżeli taka wiązka trafia na powierzchnię materiału, to zostanie częściowo odbita, częściowo pochłonięta w materiale, a część energii wiązki może w różnej postaci przejść przez materiał (Rysunek 2). Współczynniki odbicia, absorpcji i transmisji są wysoce zależne od rodzaju materiału, stanu powierzchni (jak gładkość i kolor) oraz długości fali światła laserowego. Problem jest dość złożony, ponieważ na przykład współczynnik odbicia metalu jest zwykle znacznie wyższy w stanie stałym niż w stanie ciekłym, więc absorpcja energii materiału zmienia się podczas przetwarzania.
© Semicon
Rysunek 2 Schematyczna prezentacji interakcji wiązki laserowej z materiałem
Na Rys. 2 przedstawiono zależność absorpcji materiałów składających się na laminat typu FR4 w zależności od długości fali promieniowania elektromagnetycznego. W odróżnieniu od źródła zielonego - 532nm, czy lasera CO2 - 1064nm, dla źródła UV – 355nm wszystkie wymienione materiały doskonale pochłaniają tę długość fali. W przypadku żywicy epoksydowej, która stanowi do 70% zawartości laminatu, promieniowanie pochłaniane jest nawet czasami zbyt mocno, co ogranicza tym samym głębokość wnikania wiązki w podłoże i szybkość procesu, w wyniku czego cięcie materiałów typu FR4 o grubościach powyżej 0,8mm jest mało wydajne. Sytuacja wygląda w tym przypadku inaczej niż w przypadku źródła zielonego, czy lasera CO2. Lepsza transmisja niż absorpcja pozwala wnikać światłu dalej w materiał, co jest szczególnie korzystne w przypadku grubszych materiałów.
Inna trudność wynika z faktu, że podłoża FR4 wzmacniane włóknami nie są jednorodne. Włókno szklane ma zupełnie inne właściwości fizyko-termiczne od żywicy epoksydowej, co wpływa na różne gęstości energii w procesie ablacji dla obu rodzajów materiałów. Ablacja laserowa polega na usunięciu materiału z podłoża przez bezpośrednie pochłanianie energii lasera. Zwykle omawiana jest w kontekście laserów impulsowych, aczkolwiek proces taki jest również możliwy przy intensywnym napromieniowaniu laserami pracy ciągłej. Początek ablacji występuje powyżej progowej energii impulsu (fluencji), która zależy od mechanizmów absorpcji, określonych właściwości materiału, mikrostruktury, morfologii, obecności defektów oraz parametrów lasera, takich jak długość fali i czas trwania impulsu.
W zależności od relacji między czasem trwania impulsu a energią impulsu rozpatruje się dwa podstawowe modele ablacji. Dla impulsów mikro i nanosekundowych uznaje się, że w ablacji decydującą rolę odgrywają procesy termiczne, związane z przewodzeniem ciepła, topnieniem, odparowaniem i kształtowaniem się plazmy. Stosunkowo duża energia impulsu jest pochłaniana przez materiał w wyniku przewodzenia. W zależności od powstałego rozkładu temperatury stopiony materiał odparowuje lub przechodzi w stan plazmy. Ablacja jest tu osiągana zarówno przez topnienie jak i wyrzucanie stopionego materiału, o czym decyduje czas trwania impulsu.