Laserowa depanelizacja PCB zmniejsza ilość zanieczyszczeń

Wprowadzenie

Przez lata lasery były używane głównie do zastosowań o najwyższych wymaganiach dotyczących dokładności, jednak obecnie depanelizacja laserowa staje się coraz szerzej stosowana. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na doskonałą jakość cięcia paneli, zwłaszcza w zastosowaniach high-end (np. 5G, IoT) oraz rosnącą presję kosztową,  konieczna staje się ponowna ocena przydatności tradycyjnych metod produkcji. Obecnie lasery oferują wiele korzyści w porównaniu z tradycyjnymi procesami: w artykule omówiono najważniejsze fakty dotyczące jakości procesu i korzyści ekonomicznych.

Bezpyłowe cięcie i brak zanieczyszczeń powierzchni PCB poprawiają trwałość elektroniki.

Nowoczesne lasery uzupełniające linie SMT umożliwiają znaczne oszczędności kosztów, przy zachowaniu 100-procentowo stabilnych warunków procesu. W porównaniu z konwencjonalnymi metodami mechanicznymi, depanelizacja laserowa zapewnia wiele korzyści, takich jak większa dokładność, elastyczność i proces pozbawiony stresu mechanicznego. Te dobrze już znane korzyści umożliwiają producentom elektroniki sprostanie rosnącym wymaganiom odnośnie PCB w takich aplikacjach jak urządzenia przenośne, czujniki, 5G, IoT czy urządzenia medyczne.

Od lat technologia lasera o krótkich i ultrakrótkich impulsach jest z powodzeniem stosowana do cięcia substratów płytek drukowanych [1] [2] [3]. Typ lasera jest określony przez długość fali i czas trwania impulsu, a odpowiedni wybór determinowany jest głównie przez wymagania dotyczące jakości cięcia i planowanej wielkości/szybkości produkcji konkretnego produktu. Rysunek 1 przedstawia jakość cięcia różnych podłoży płytek drukowanych uzyskaną za pomocą ultraszybkich laserów impulsowych.

Rysunek 1. (a) Podłoże FR4 1,6 mm cięte zielonym laserem nanosekundowym, (b) podłoże PI flex 150 µm cięte zielonym laserem pikosekundowym, (c) ceramiczne podłoże Al₂O₃ o grubości 0,8 mm cięte podczerwonym laserem pikosekundowym.

Depanelizacja laserowa - spełnienie wymagań czystości technicznej dla zastosowań motoryzacyjnych

Rosnący trend miniaturyzacji i coraz większego upakowania płytek drukowanych wymaga również implementacji wysokiej jakości procesów produkcyjnych. W ciągu ostatnich kilku lat - jak również w najbliższej przyszłości - wymagania czystości technicznej dla wysokiej klasy obwodów drukowanych w zastosowaniach medycznych czy motoryzacyjnych stały się kluczowym wskaźnikiem jakości.

Czystość techniczna została zdefiniowana jako brak zanieczyszczeń chemicznych i cząstek na elementach, które mogłyby mieć wpływ na inne procesy produkcyjne, na znajdujące się na PCB komponenty lub na prawidłowe działanie całego układu. W zależności od rodzaju i wielkości cząstek, ich obecność może mieć różny wpływ na układ. Na przykład metalowe, przewodzące prąd elektryczny cząsteczki mogą powodować zwarcia, a tym samym awarię całej płytki drukowanej. Z drugiej strony cząstki niemetaliczne mogą działać jako bariera izolacyjna dla styków elektrycznych przewidzianych na PCB. Wiadomo również, że w pewnych warunkach wilgotności, cząstki nieprzewodzące mogą stać się przewodzącymi. Ponadto, obecność włókien może zakłócać i powodować nieprawidłowe działanie kamer i innych elementów optycznych.

Jedną z metod, którą mogą zastosować producenci EMS i OEM, aby spełnić najbardziej rygorystyczne wymagania w zakresie czystości, jest dodanie procesów czyszczenia PCB za pomocą myjek, szczotek ESD, ssawek czy dmuchaw. Główną wadą dodania etapu czyszczenia jest zwiększony koszt produkcji i zmniejszenie jej wydajności. Aby utrzymać i poprawić efektywność kosztową produkcji  elektroniki, należy raczej ulepszać etapy będące źródłem zanieczyszczenia, zamiast dodawać dodatkowe etapy procesu.

Zbadano, że około 80% cząstek powstaje podczas przetwarzania komponentów i układów, a tylko ok. 20% wynika z wpływu środowiska [4]. Jednym z etapów procesu montażu elektroniki, który zazwyczaj ma znaczący wpływ na co czystość komponentów, jest wyodrębnianie poszczególnych PCB czyli ich depanelizacja. Jednak kluczowe kategorie cząstek, takich jak fragmenty włókna szklanego, pył frezarski zawierający materiał substratu PCB i pozostałości wynikające z zużycia narzędzi, są związane głównie z tradycyjnymi technologiami cięcia mechanicznego, czyli frezowaniem, piłowaniem lub wykrawaniem. Z drugiej strony, nowoczesna technologia cięcia laserowego charakteryzuje się postawaniem niewielkiej, liczącej tylko kilka mikrometrów szczeliny cięcia, a tym samym mniejszym wolumenem usuwanego materiału niż cięcie mechaniczne. Co więcej, usuwany materiał jest odparowywany, a powstały dym może być usunięty przez odpowiedni system wyciągowy. Z drugiej strony laser jest procesem praktycznie bezdotykowym, minimalizującym wszelkie rozpryski podczas cięcia, a tym samym eliminuje ryzyko rozprzestrzeniania się cząstek na powierzchni płytki drukowanej lub w kierunku wrażliwych elementów w pobliżu krawędzi cięcia.

Jaki jest wpływ depanelizacji laserowej sztywnych PCB na generowanie cząstek zanieczyszczeń?

Zmontowane testowo płytki zostały rozdzielone z panelu za pomocą technologii laserowej i przebadane zgodnie z procedurą testową opisaną w normach VDA 19.1 / ISO16232 Kontrola czystości technicznej. Płytki drukowane użyte do testów zawierały m.in. czujniki optyczne i zostały projektowane do aplikacji motoryzacyjnych. Zmontowane panele zostały dokładnie oczyszczone przed obróbką laserową, dzięki czemu możliwe było poddanie ocenie wpływu jedynie samego procesu cięcia laserowego. Panele były obrabiane w laboratorium w warunkach standardowych (pokojowych) i następnie poddane pomiarom w laboratorium testowym, dlatego można było znaleźć na nich również cząsteczki pochodzące z otoczenia.

Analizowanym substratem był FR4 o grubości 1,1 mm, a panel zawierał 25 sztuk pojedynczych płytek. System laserowy użyty do depanelizacji (Rysunek 2) oparty był za zastosowaniu zielonego nanosekundowego lasera impulsowego o mocy wyjściowej około 40W. Wiązka laserowa jest kierowana na obrabiany przedmiot przez skaner galvo i ogniskowana na plamce o średnicy około 25 µm za pomocą telecentrycznej soczewki f-theta. Rysunek 2 przedstawia jakość cięcia na przykładzie ścianek bocznych depanelizowanych PCB.

Rysunek 2. System laserowy użyty do cięcia płytek PCB oraz obrazy mikroskopowe laserowo wyciętej ściany bocznej PCB.

Trzy główne etapy określania czystości technicznej zgodnie z VDA 19.1 / ISO16232 to ekstrakcja cząstek, filtracja i analiza cząstek. Aby usunąć cząsteczki z PCB, zastosowano proces płukania ciśnieniowego zgodnie z zaleceniami VDA 19.1. Dodatkowe parametry procesu ekstrakcji cząstek i filtracji wyszczególniono w Tabeli 1.

Tabela 1. Parametry procesu ekstrakcji cząstek

Cząstki wyłapane za pomocą filtra analizowano ilościowo i jakościowo za pomocą mikroskopii świetlnej i skanowania. Łączną ilość znalezionych cząstek sklasyfikowano według wielkości określonych w normie ISO (Tabela 2).

Tabela 2. Klasyfikacja wielkości cząstek według VDA 19.1 / ISO16232

Ponadto w wynikach pomiarów rozróżniono cząstki metaliczne i niemetaliczne. Cząsteczki metaliczne są na ogół kojarzone z cząstkami przewodzącymi i mogą charakteryzować się błyszczącą i odbijającą światło powierzchnią (przykład pokazano na Rysunku 4). Chociaż całkowita analizowana powierzchnia PCB wynosiła 200 cm², zidentyfikowaną liczbę cząstek ekstrapolowano, aby wyrazić ją dla znormalizowanej powierzchni 1.000 cm² (ponieważ jest to wartość bazowa określona w standardzie, umożliwiająca porównywalność różnych PCB) a wyniki przedstawiono na Rysunku 3. Obecnie w przemyśle elektronicznym nie ma znormalizowanych wartości granicznych cząstek, ponieważ w dużym stopniu zależy to od indywidualnego procesu montażu i jednocześnie od indywidualnych wymagań dotyczących produktu. Jednak w niniejszej pracy za celowe uznano porównanie zmierzonych wartości po procesie depanelizacji laserowej zmontowanej płytki PCB z empirycznymi wartościami cząstek znalezionych w nieoczyszczonej zmontowanej płytce drukowanej z kilku firm produkujących elektronikę [4].

Rysunek 3. Pomiary cząstek (metalicznych i wszystkich cząstek) analizowanych PCB i porównanie z danymi uzyskanymi z analizy innych partii PCB [4].

Pomiary po depanelizacji pokazują większą liczbę cząstek metalicznych jak i niemetalicznych o mniejszych rozmiarach. Cząsteczki niemetaliczne mierzone po depanelizacji laserowej wynoszą około 3% (lub mniej) w stosunku do ilości cząstek zidentyfikowanych w zmontowanych PCB z danych empirycznych. W przypadku cząstek metalicznych zmierzona liczba cząstek wynosi tylko 2% (lub mniej) w porównaniu z danymi empirycznymi. Nie znaleziono również cząstek metalicznych w zakresie klasy wielkości G lub większej.

Oprócz liczby cząstek w poszczególnych klasach rozmiarów, ustalone normy motoryzacyjne określają limit długości cząstek metalicznych na poziomie 500 µm, natomiast w przypadku cząstek niemetalicznych limit długości ustalono na 1000 µm. Najdłuższe cząstki znalezione w opisywanym teście były znacznie poniżej limitu; 141 µm dla cząstek metalicznych i 268 µm dla cząstek niemetalicznych.

Rysunek 4. Najdłuższa cząsteczka metaliczna 141 x 31 µm (lewa strona) oraz najdłuższa cząsteczka niemetaliczna 268 x 21 µm (prawa strona)

W opisywanym badaniu nie były brane pod uwagę włókna, ponieważ zazwyczaj prowadzi to do błędów analitycznych, jeśli pochodzą ze środowiska produkcyjnego lub laboratoryjnego. Rozmiar włókien zidentyfikowanych podczas testu wskazuje, że źródłem nie mógł być proces cięcia laserowego i jako takie powinny być powiązane z zewnętrznymi źródłami środowiskowymi. Znalezione włókna mają długość ponad 2000 µm (Rysunek 5).

Rysunek 5: Włókna odnalezione w trancie eksperymentu.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono pomiary czystości zmontowanych sztywnych płytek drukowanych do zastosowań motoryzacyjnych. Pomiary w oparciu o normę VDA 19.1 / ISO16232 spełniły wymagania stawiane wobec produkcji do celów motoryzacyjnych. Ponadto, dane porównano z danymi empirycznymi pochodzącymi od producentów elektroniki, aby wykazać, że proces laserowy nie jest istotnym źródłem generowania cząstek, dzięki czemu może być stosowany na liniach produkcyjnych o najbardziej wyśrubowanych wymaganiach dotyczących czystości technicznej. Co więcej, jeśli na liniach produkcyjnych elektroniki nie zostanie zidentyfikowane żadne inne źródło generowania cząstek, depanelizowanie laserowe może wyeliminować potrzebę dodatkowych etapów czyszczenia, a co za tym idzie może przyczynić się do wyeliminowania kosztów sprzętu czyszczącego i skrócenia całkowitego czasu procesu.

Przypisy  

[1]  Wang, X. C.. (2007). 355 nm DPSS UV laser cutting of FR4 and BT/epoxy-based PCB Substrates. Optics and Lasers in Engineering, 404 – 409.

[2]  Matt Henry, Paus Harrison, Jozef Wendland, and Duncan Parsons-Karavassillis (2005). Cutting flexible printed circuit boards with a 523nm Q-Switched diode pumped solid state laser. Icaleo 2005, M804.

[3]  Oosterhof, A. Gonzalez, J. (2018, January 24-26). Investigation of Cutting Quality and Mitigation Methods for Laser Depaneling of Printed Circuit Boards. IPC APEX EXPO Technical Conference 2018, San Diego, CA, United States.

[4]  ZVEI Guideline – Technical Cleanliness in Electrical Engineering / PCB and Electronics Systems Divisions (2019)

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