So klein wie möglich, so dick wie nötig, lautet das ungeschriebene Gesetz: Der Trend geht klar zu immer kleineren Leiterplattenkonfigurationen und somit zu immer dünneren Materialien, die bearbeitet werden müssen. Um der gestiegenen Nachfrage nach Präzision gerecht zu werden, sind schon jetzt nur noch Laser im Einsatz, deren Spot maximal 25 Mikrometer umfasst. Einer der Innovationstreiber, der die Branche derzeit bewegt, ist das Nutzentrennen per Laser. Die Laserschneidtechnologie zählt zu den innovativsten Verfahren, um Leiterplatten aus einem Gesamtnutzen zu vereinzeln, die derzeit auf dem Markt sind.

Laser statt Fräse

Im Gegensatz zu den klassischen bzw. mechanischen Verfahren Fräsen oder Sägen werden beim Nutzentrennen per Laser die Nutzen voneinander getrennt, ohne dass eine Berührung von außen stattfindet. Vielmehr geschieht die Trennung durch die schichtweise Ablation des Materials mit dem Laser. Die kontaktlose Bearbeitungstechnik ist für Unternehmen besonders lukrativ, da sie sowohl schonend für das zu bearbeitende Material als auch für den Laser selbst ist. Durch den äußerst geringen Verschleiß werden die Betriebskosten gesenkt, gleichzeitig bleibt die Qualität langfristig gewährleistet. Und selbst sehr sensible Nutzen werden bei dem Verfahren nicht beschädigt, da durch den Laser nur an der vorgesehenen Stelle Wärme erzeugt und das Material nicht mechanisch gestresst wird.

Leiterplatte vor dem Einmessen. Photonic Systems

Leiterplatte vor dem Einmessen. Photonic Systems

Aufnahme der Leiterplatte vor dem Nutzentrennprozess.

Aufnahme der Leiterplatte vor dem Nutzentrennprozess. Photonic Systems

Aufnahme der Nutzen nach der Vereinzelung.

Aufnahme der Nutzen nach der Vereinzelung. Photonic Systems

Fräsköpfe oder Sägeblätter benötigen einen sehr breiten Arbeitsbereich und stoßen somit früher oder später an physikalische bzw. geometrische Grenzen. Im Gegensatz dazu ist der Laserstrahl sehr fein, weshalb selbst sehr kleine Strukturen realisiert werden können. Somit bringt das Nutzentrennen per Laser als Verfahren bereits eine gewisse Flexibilität mit sich, die bislang verwehrt blieb: Durch die flexible Linienführung und den gebündelten Laserstrahl können sowohl äußerst feine als auch sehr komplexe Strukturen realisiert werden, ohne dass die Qualität leidet.

Lasern statt Fräsen oder Sägen lautet demnach die Devise. Durch Full Cut – auch Frameless Routing genannt – lassen sich zudem bis zu 30 Prozent mehr Flächennutzung erzielen. Verbleibt beim Trennen der Nutzen per Säge oder Fräse aufgrund des notwendigen Spielraums für Sägeblätter oder Fräsköpfe immer ein Leiterplattenrest, sitzen beim Trennen per Laser die Nutzen nahtlos aneinander. Überschüssiges Material nach dem Prozess wird somit vermieden und Kosten eingespart. Demnach steigert die spezielle Laserschneidtechnologie die Effizienz aus produktivem und aus ökologischem Gesichtspunkt. Doch nicht nur die Ausnutzung hebt sich von den gängigen mechanischen Verfahren ab, auch der Trennvorgang an sich ist präziser.

Qualitätssicherung

Um den Bedürfnissen des Marktes einerseits und den individuellen Anforderungen auf Kundenseite andererseits gerecht zu werden, sieht sich jedes Unternehmen kontinuierlich mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Auch hier punktet die Flexibilität des Lasers, denn sie ermöglicht erst eine maßgeschneiderte Prozessentwicklung für jedes aktuelle Kundenproblem; ausgerichtet auf die jeweiligen Bedürfnisse.

Gerade in der Mikromaterialbearbeitung hat die Gewährleistung von Qualität oberste Priorität. Da bei der Bearbeitung mit dem Laser das Material verdampft wird, kommt es bei dieser Art des Nutzentrennens weder zu einer Staubentwicklung noch zu einer Karbonisierung an den Schnittkanten der einzelnen Nutzen. Eine Nachbearbeitung oder Reinigung nach dem Prozess entfallen. Durch die präzisere Bearbeitung der Leiterplatten wird eine höhere Schnittgenauigkeit bei einem gleichzeitig höheren Produktionsdurchsatz garantiert. Unternehmen müssen also mit keinerlei Qualitätsbeeinträchtigung rechnen, im Gegenteil: Die Qualität wird noch gesteigert.

Ausschlaggebend für die Qualität der Leiterplatten ist in erster Linie die Laserquelle. Abhängig davon, ob ein Infrarot-, ein grüner oder ein UV-Laser zum Einsatz kommt und welche Optik darüber hinaus verwendet wird, bewegt sich der Durchmesser des Laserspots zwischen zehn und 25 Mikrometern. Einen großen Einfluss darauf, wie das Material auf die Laserquelle reagiert, hat die Pulsdauer: Sie entscheidet, ob ein Laser seine Energie – je nach Nano-, Piko- oder Femtosekunde – über kurze oder lange Zeit an das Material weitergibt. Während ein langer Puls das Material über lange Zeit erwärmt und damit die Wahrscheinlichkeit einer Karbonisierung am Substrat steigert, ist bei kurzen Pulsen die Energieeinwirkung so hoch, dass das Material verdampft. Entsprechend qualitativ hochwertiger ist der Schnitt und damit das gesamte Werkstück.

Laser der nächsten Generation

Steckte die Lasertechnologie vor 20 Jahren noch in den Kinderschuhen, gibt es heutzutage in der Elektronikindustrie keine Technologie, die die Herstellung von Leiterplatten mehr prägt als der Laser. Setzte man zudem vor wenigen Jahren noch auf UV-Laser, ist nun der grüne Laser auf dem Vormarsch. Tendenzen lassen aber schon jetzt mutmaßen, dass der Ultrakurzpulslaser (UKPL) als Laserquelle der Zukunft an die Spitze rücken wird.

Der Prozess des Nutzentrennens per Laser ist schon jetzt maßgeblich dafür, wie schnell und wirtschaftlich die Produktion in der Leiterplattenindustrie erfolgen kann. Von der Fertigungsgeschwindigkeit, über den Produktionsdurchsatz bis hin zu Präzision und Sauberkeit beim Trennen der Nutzen: Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren schlägt der Laser die Mechanik in diesen Punkten um Längen. Gerade durch die Kombination einer erheblichen Steigerung des Produktionsdurchsatzes mit einer deutlich höheren Produktqualität wird das Nutzentrennen per Laser den Anforderungen in der Elektronikfertigung und damit den hohen Erwartungen auf Unternehmensseite gerecht.

Schneller und präziser müssen auch die Laseranlagen sein und gleichzeitig mit einer hohen Kosteneffizienz sowie einer niedrigen Wartungszeit punkten. Gerade diese Kombination ist es, die die Messlatte in der Lasertechnologie auf ein neues Niveau anhebt. Dem Stand der Technik entsprechen und gleichzeitig Wegweiser für die Zukunft der Leiterplattenentwicklung sein: Das sind die Herausforderungen, die an die Laseranlagen der nächsten Generation gestellt werden.

5 Tipps rund um die Lasermaterialbearbeitung

  1. 1. Die Laserquelle ist entscheidend

Für jede Anwendung empfiehlt sich eine andere Laserquelle, mit der das bestmögliche Ergebnis bei der Materialbearbeitung erzielt werden kann. Die „falsche“ Laserquelle erzeugt entweder zu viel oder zu wenig Wärme; Karbonisierung und Blasenbildung am Substrat oder aber ein zeitintensiver Bearbeitungsprozess sind die entsprechende Folge.

  1. 2. Konstante Bedingungen schaffen

Die Qualität der Lasermaterialbearbeitung hängt von vielen Faktoren ab. Beispielsweise haben Temperaturschwankungen oder eine erhöhte Raumfeuchtigkeit einen starken Einfluss auf den Laser sowie dessen Positioniergenauigkeit auf dem Werkstück. Auf den ersten Blick mögen die Abweichungen minimal sein, die Auswirkungen sind jedoch umso größer. Eine konstante Temperatur um die 22 °C ist optimal.

3. Gute Vorbereitung: das A&O
Neben der Laserquelle ist auch das „Drumherum“ für eine saubere Bearbeitung prägend: Wird das Werkstück richtig aufgenommen, liegt es korrekt auf dem Träger auf, ist der Laser richtig eingestellt? Hier gilt die Faustregel: Immer einen Probedurchgang durchführen, bevor der gesamte Auftrag ausgeführt wird, um zu sehen, ob die Leistung stimmt oder nachjustiert werden muss.

4. Immer schön sauber bleiben
Bei der Materialbearbeitung per Laser entsteht Rauch, da das Material verdampft. Dieser Rauch bildet Rückstände auf Linsen und Spiegeln, was dazu führt, dass die Leistung des Laserstrahls abnimmt. Um den Prozess rein zu halten, sollte permanent eine Absaugung aktiv sein, so dass Dämpfe abgesaugt werden und die Luft von Rückständen gefiltert wird. Außerdem empfiehlt sich die regelmäßige manuelle Reinigung von Linsen und Spiegeln.

  1. 5. Regelmäßiger Austausch

Jedes Material reagiert anders, wenn es mit dem Laser in Berührung kommt. Um neben dem geeigneten Laser mit dem dazugehörigen optischen Aufbau auch Parameter und Strategien exakt für einen Prozess zu definieren, ist entsprechendes Know-how notwendig. Ein regelmäßiger Austausch – beispielsweise von Vertrieb und Applikation – ist daher unabdingbar, um ein High-Quality-Ergebnis zu ermöglichen.