DFM: optymalizacja projektu panelu PCB

Aby przejść przez linię montażową w standardowej produkcji SMT, pojedyncze płytki PCB są umieszczane w panelu. Separacja płyt, czyli depanelizacja, odbywa się najczęściej poza linią, po zakończeniu pełnego cyklu montażu i inspekcji. W przypadku stosowania technologii depanelizowania mechanicznego, przestrzeń pomiędzy pojedynczymi płytkami PCB powinna zapewniać wystarczającą ilość miejsca na używane narzędzia skrawające, takie jak frezy czy piłki. W zależności od zastosowanego oprzyrządowania należy stosować minimalne odstępy na cięcie 2-3 mm. Ponadto, jeśli na płytkach zostaną umieszczone wrażliwe komponenty SMT, aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych naprężeniami mechanicznymi lub zanieczyszczeniem cząsteczkami, należy rozważyć zwiększenie odległości między liniami cięcia a płytką drukowaną.

Z drugiej strony, depanelizowanie laserowe wymaga mniejszej szczeliny cięcia, co skutkuje mniejszą przestrzenią wymaganą między pojedynczymi płytkami PCB, pozwala zwiększyć gęstość umieszczenia płytek i jednocześnie zmniejszyć ilość odpadów. Aby określić przestrzeń wymaganą do depanelizowania laserowego sztywnych płytek drukowanych, linię cięcia substratu zoptymalizowano tak, aby uzyskać jakość cięcia bez karbonizacji i przebarwień na krawędziach (Rysunek 1). Do cięcia wykorzystano zielony laser nanosekundowy.

Rysunek 1. Obraz mikroskopowy linii cięcia z wysokiej jakości cięciem laserowym (po lewej). Jakość ścianki bocznej FR4 o grubości 1,6 mm przy zoptymalizowanym rzazie bez zwęglania (po prawej).

Materiałem podłoża płytek PCB był FR4, przetestowano ponadto kilka grubości paneli w zakresie od 200 µm do 1600 µm. Wyniki pokazują, że aby uzyskać najlepszą jakość bez karbonizacji, szerokość linii cięcia musi być dostosowana do grubości materiału (Rysunek 2). Poniższe równanie dopasowano do wyników pomiarów linii cięcia (w), grubości materiału (d) oraz parametrów dopasowania (t), (a1) i (a2).

Najlepsze dopasowanie uzyskuje się przy parametrach t = (98,2 ± 9,8), a₁ = (-1,4 ± 24,9) i a₂ = (100 ± 13,6). Przytoczona funkcja stanowi model matematyczny, który pozwala obliczyć optymalny rzaz w zależności od grubości materiału.

Rysunek 2. Funkcja matematyczna rzazu, optymalizująca jakość cięcia w zależności od grubości materiału FR4.

Optymalizacja projektu panelu została opisana w tym artykule na realnym przykładzie aplikacji medycznej. Zastosowanym materiałem PCB jest podłoże FR4 o grubości 0,8 mm. Proces depanelizowania w aplikacji polegał na pełnym wycięciu całej zawartości PCB.

Układ panelu został zoptymalizowany pod kątem stosunkowo małego rozmiaru pojedynczej PCB. Ponieważ panel został zaprojektowany do cięcia przez frezowanie, w oryginalnym projekcie minimalna odległość między płytkami wynosiła 2 mm. W zoptymalizowanym wzorze panelu, dostosowanym do depanelizacji laserowej wymagana szerokość cięcia dla grubości 0,8 mm wynosi 160 µm (zgodnie z funkcją pokazaną na rysunku 2). Dzięki temu można było wyraźnie zwiększyć gęstość PCB w panelach, co pokazane jest na rysunku 3.

Oryginalny układ paneli

Zoptymalizowany układ projektu panelu

Rysunek 3. Porównanie projektów paneli

Po depanelizacji laserem, ocenie poddano efektywność całego procesu rozdzielania płytek, gdzie wydajność panelu zdefiniowano jako całkowitą liczbę pojedynczych płytek drukowanych na panelu. Dzięki mniejszemu kanałowi cięcia w zoptymalizowanej konstrukcji zmniejszono odległość między płytkami, a tym samym zwiększono liczbę płytek z 440 do 540, co oznacza poprawę o 22% i wzrost wydajności całego procesu. Czas cyklu na jednostkę można było skrócić z 1,6 s/PCB w pierwotnym układzie do 1,3 s/PCB w układzie zoptymalizowanym i to pomimo faktu, że w zoptymalizowanym układzie paneli wycinano więcej płytek PCB. Wynika to z faktu, że gdy projekt panelu został zoptymalizowany pod kątem szerokości cięcia laserowego, a większość linii cięcia była używana równocześnie do cięcia sąsiednich płytek drukowanych za pomocą tylko jednego kanału cięcia. Wreszcie, wydajność panelu odnosi się do efektywnego wykorzystania panelu i została poprawiona z 45% do 63%. Zwiększone wykorzystanie panelu prowadzi do zmniejszenia ilości odpadów i oszczędności na kosztach PCB.

Tabela 3. Wyniki porównania projektów paneli przed i po optymalizacji.

Żródło: Moving Towards Failure-free and Higher Efficient PCB Depaneling Methods with Laser Technology © InnoLas Solutions GmbH, Krailling, Munich, Germany

Autorzy: Lars Ederleh and Javier Gonzalez

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Nexus-Technologies