Leiterplattenbearbeitung mit UV-Lasersystemen

Zugegeben: Bei einfachen Platinenlayouts haben herkömmliche Verfahren beim Trennen von einzelnen Platinen aus größeren Panel die Nase vorne: Sägen können sehr schnell rechteckige Boards aus einem größeren Träger heraustrennen, wenn weder die mechanische Belastung des Materials noch die Staubentwicklung entscheidende Kriterien darstellen. Stanzen sind die erste Wahl, wenn große Stückzahlen ohne Layout-Änderungen hergestellt werden sollen.

Die Alternative dazu ist das Konturfräsen. Meist werden Konturen bis auf enge Stege bereits vor dem Bestücken ausgefräst. Die mechanischen Belastungen beim Fräsen der Kontur und beim manuellen Ausbrechen der Stege sind oft ein Ausschlusskriterium. Empfindliche Boards leiden durch Vibrationen, mechanische Beanspruchung des Basismaterials und der Bauteile. Die Prüfkosten sind entsprechend hoch.

Laserschneidsysteme als Alternative

Feine, kompakt bestückte Elektronikschaltungen sind besonders empfindlich gegenüber mechanischem Stress, Staub und geometrischen Abweichungen. Hier zeigen sich Laserschneidsysteme als die bessere Alternative. Sie vermeiden mechanische Belastungen, reduzieren Werkzeugkosten, sind präziser und ermöglichen größere Netto-Nutzflächen. Eine weitere Herausforderung bei der Elektronikproduktion ist die stetig steigende Variabilität. Kurzfristige Aufträge, häufige Layoutänderungen und geringe Losgrößen erfordern flexible Produktionsprozesse. Auch hier bieten sich Laserschneidsysteme als die sinnvolle Alternative an. Bei empfindlichen Substraten, unregelmäßigen Konturen, schmalen Schnittkanälen und bei häufigen Layout-Veränderungen können Laser-Trennsysteme überzeugen. Aber auch hier sind deutliche Unterscheidungen sinnvoll, weil Laser unterschiedlicher Wellenlängen auch unterschiedlich mit dem Material interagieren.

Zum Einsatz kommen zum Beispiel CO2-Lasersysteme mit einer Wellenlänge von ca. 10,6 µm (Fernes Infrarot). Sie sind vergleichsweise günstig herzustellen und in hohen Leistungsklassen bis zu mehreren kW erhältlich, bringen aber vergleichsweise viel Wärme in die Schnittkante ein und verursachen eine deutliche Karbonisierung der organischen Platinenbestandteile an den Rändern. CO2-Laser lassen sich nicht einfach in Lichtwellenleitern führen, sondern müssen über offene Spiegelsysteme ans Ziel gebracht werden. Sie sind in erster Linie bei stärkeren Leiterplatten vertreten, haben aber auch in der Metallbearbeitung große Bedeutung.

Wenn es deutlich feiner werden muss, schlägt die Stunde der UV-Lasersysteme. UV-Laser arbeiten zum Beispiel mit einer Wellenlänge von 355 nm – diese Strahlung lässt sich gut durch Optiken fokussieren. UV-Laser eignen sich für das Trennen und Markieren von dünnen starren, starr-flexiblen und flexiblen PCB-Substraten und Hilfsfolien. Dabei werden geringe Leistungen unter 20 W auf einen Fokusdurchmesser von nur 20 µm konzentriert, entsprechend genau sind die erzielten Ergebnisse. Die Energie des gepulsten Lasers wirkt nur für Sekundenbruchteile auf das Material, ohne thermische Beeinträchtigungen der Baugruppe. Die entstehenden Schneidgase werden abgesaugt und gefiltert. Randnahe Leiterbahnen und Lotstellen bleiben durch die minimalen Schnittbreiten unversehrt, es entstehen keine Grate.

Darüber hinaus entfallen die Kosten für Werkzeuge oder aufwändige Haltevorrichtungen und die entsprechenden Vorlaufzeiten für deren Herstellung. Bei dünnen Substraten reicht ein Vakuumtisch, um eine plane Substratlage sicher zu stellen. Eine Änderung der Schneidkontur findet beim Laserschneiden über die Änderung der Layout-Daten statt. Die Maschinensoftware übernimmt die Datenformate aus allen gängigen Layout-Programmen. Für das Schneiden unterschiedlicher Materialien greift sie auf eine hinterlegte Bibliothek mit praxiserprobten Schneidparametern zurück.

Das Laserschneiden kommt ohne nennenswerte Ränder aus. Der berührungslose Prozess benötigt praktisch keine Platinenfläche als Schnittkanal, die Bauteile rücken bis dicht an den Rand. Durch den Laser-Trennprozess lassen sich mehr Komponenten auf einer einzelnen Leiterplatte platzieren und gleichzeitig mehr Nutzen auf einem Panel unterbringen. Das UV-Laserschneiden kommt bei der Verarbeitung dünner Flexboards auch deshalb zum Einsatz, weil es den häufig auftretenden Verzug des Materials nach dem Reflowlöten berücksichtigen kann. UV-Laserschneidsysteme von LPKF erfassen mit einem integrierten Visionsystem die Verformung des weichen Materials an mehreren Positionen und sorgen mit einer dynamischen Lagekorrektur für norm- und toleranzgerechte Endplatinen.

Einsatzgebiete von UV-Laserschneidsystemen

UV-Laserschneidsysteme zeigen ihre besonderen Stärken bei kleinen, dünnen und flexiblen Leitungsträgern. Je nach Stärke des Leiterplattenmaterials sind ein oder mehrere Schnitte entlang der gewünschten Kontur erforderlich. Je dünner das Material, desto schneller läuft der Schneidprozess ab. Werden weniger Laserimpulse abgegeben als zum Durchdringen des Materials erforderlich ist, findet eine Gravierung des Substrats statt. Auf diese Weise ist es möglich, eindeutige Bauteilmarkierungen für Tracking und Tracing beim Separationsprozess aufzubringen.

Flache Materialien lassen sich einfach durch einen Vakuumtisch sicher in Position halten, da der Schneidprozess keine mechanischen Auswirkungen auf das Schneidgut hat. Zum Schutz von Leiterbahnen werden auf flexiblen Schaltungsträgern Deckfolien (Coverlayer) aufgebracht. Sie bestehen oft aus Polyimid und Kleber mit einer Stärke von 25 µm oder 12,5 µm und sind empfindlich für Verformungen. Einzelne Bereiche – etwa bei Lotpads – müssen aus den Coverlayern herausgetrennt werden. Auch diese Bearbeitung ist eine Stärke der UV-Laser.

Für den Schnitt von Komplettkonturen empfiehlt LPKF eine maximale Stärke bis 1,6 mm, je nach eingesetzter Laserquelle. Durch mehrfaches Schneiden sind auch deutlich größere Materialstärken möglich – bei empfindlichen und wertvollen Platinen treten die längeren Schneidzeiten gegenüber den Sicherheits- und Qualitätsaspekten in den Hintergrund. Das gilt auch für Decap-Anwendungen und Taschen in Multilayern: Dabei trennt der UV-Laser starre und flexible Komponenten oder löst präzise Bereiche aus mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) heraus.

Spezialisierte UV-Lasersysteme

Auf der SMT Hybrid Packaging zeigt LPKF den jüngsten Vertreter der UV-Lasertrenner. Am Hauptstand 428 in Halle 6 steht das Standalone-System LPKF MicroLine 1820 P, ausgestattet mit einer leistungsfähigen High-Power-Laserquelle. Der besonders kompakte LPKF „MicroLine 2120 Si“ ist in der Live-Fertigungslinie des Fraunhofer IZM in Halle 6 am Stand 434 in Aktion zu sehen. Dort übernimmt das völlig neu konzipierte System das Nutzentrennen der im Vorfeld gefertigten Baugruppen.

Mit dem „MicroLine 2000 Si“ führt LPKF erstmals ein Lasersystem ein, das nach den neuesten Gestaltungsrichtlinien konzipiert und aufgebaut wurde. Es lässt sich mittels SMEMA-Schnittstelle einfach in eine Produktionslinie integrieren. Das Produktlayout sieht nicht nur gut aus, sondern vereint im neuen Design hohe Funktionalität, Wartungsfreundlichkeit und Dynamik. Dieses Konzept wurde bereits belohnt – mit dem IF Award 2014 in der Kategorie „Industry/Skilled Trades“.

SMT Hybrid Packaging 2014: Halle 6, Stand 428

(mrc)