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Nutzentrennsystem ADS 01F Series 2: Fräsen und Staubabsaugung erfolgen von unten
Nutzentrennsystem ALD 02M: Nutzentrennen mittels CO2-Laserquelle
Lasereinwirkung auf Leiterplatte
Martin Gehring (l.), Produktmanager Nutzentrennsysteme und Günter Lorenz, Manager Produktentwicklung Lasersysteme bei Asys
Mit CO2-Laser ist Wärmeeintrag und Karbonisierung auf FR4 deutlich erkennbar (oben). Mit Pikosekundenlaser (unten) ist nahezu kein Wärmeeintrag und keine Karbonisierung auf FR4 zu erkennen

Der Prozess des Nutzentrennens stellt in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung dar. Unterschiedliche Materialien, wie FR4, Kunststoffe, Keramik und HF-Materialien sowie die variierenden Materialdicken von 0,4 mm bis zu 4,5 mm sind mit gleicher Schnittqualität zu bearbeiten. Zudem sollte innerhalb des Herstellungsprozess einer Leiterplatte keine mechanische und thermische Beanspruchung erfolgen, um die Bauteile nicht zu beschädigen. Eine kurze Prozesszeit und die Möglichkeit zum schnellen und komfortablen Produktwechsel werden heute im Wettbewerb zum nötigen Standard erhoben.

„Innerhalb der Branche spricht man beispielsweise von einem schnellen Produktwechsel, wenn dieser bei einem bekannten Produkt unter 30 s liegt, bei einem neuen Produkt bei 15 Minuten. Flexibilität heißt das Stichwort, das unsere Kunden erwarten und das setzen wir in unseren Maschinen um“, erklärt Martin Gehring, Produktmanager Asys Nutzentrennsysteme. Aufgrund der immer kleiner werdenden Leiterplattenformate, gehören geringe Trennbreiten und Trenngenauigkeiten von +/-0,1 mm ebenfalls zu den geforderten Parametern. Wiederholgenauigkeiten von +/-0,02 mm sind derzeit nötig, damit innerhalb des Trennprozesses kontinuierlich die geforderte Qualität geliefert werden kann.

Lösungen nach Bedarf

Um diesen Marktanforderungen gerecht zu werden, bietet Asys eine Reihe von verschiedenen Nutzentrennsystemen an. Die ADS 01F Series 2 ist ein Inline-Nutzentrennsystem, welches Leiterplattendicken von 0,8 mm bis 4,5 mm verarbeiten kann. Die Schneidgeschwindigkeit beträgt 1 bis 10 m/min. Die maximal zu bearbeitende Leiterplattengröße beträgt 460 mm (optional 508 mm) Länge x 460 mm Breite.

Dieses Modell wurde speziell für Applikationen mit mittlerem bis hohen Volumen entwickelt, um kurzen Prozesszeiten und der Möglichkeit zum schnellen Produktwechsel gerecht zu werden. Mit diesen Anlagen können Wiederholgenauigkeiten von nur +/-0,005 mm und Trenngenauigkeiten von nur +/-0,08 mm erzielt werden. Das Fräsen erfolgt von unten. Staub, der durch Fräsen entsteht wird nach unten abgesaugt (Bild 1), wodurch sich kein Staub auf der Oberseite der Leiterplatte ablagern kann.

Der Nutzentrenner ADS 03M hingegen ist ein semi-automatisches Offline-Nutzentrennsystem. Ein bedeutender produktionstechnischer Vorteil ist, dass die Fräsachse wahlweise oberhalb oder unterhalb des elektrisch angetriebenen Drehtisches montiert werden kann. Ein Fräsen von unten oder oben und ein Sägen von oben sind dadurch möglich. Das Einsteigermodell ADS 03M Base ist für ein Fräsen von oben konzipiert. Das Fräsen von unten ist eines der besonderen Merkmale der Nutzentrenner von Asys.

Nutzentrennen mit dem Laser

Die heutigen Highend-Highdensity-, Flex- und Starrflexschaltungen erfordern durch ihre hohe Integrationsdichte und immer dünnere Trägermaterialien neue Trennmethoden. Durch optimierte Laserquellen ist es Asys möglich, auch den Nutzentrennprozess optimal zu gestalten. Generell muss der Lasertyp immer auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.

Mit der ALD 02M (Bild 2) bietet Asys im Bereich der Lasernutzentrennsysteme eine halbautomatische Offline-Maschine an. Leiterplatten mit einer Dicke von nur 0,4 bis zu 0,8 mm können bearbeitet werden. Als Laserquellen kommen wahlweise CO2-Laser mit einer modifizierten Wellenlänge von 9,4 µm und einer Pulsfrequenz von bis zu 100 kHz oder UV-Laser mit 343 nm Wellenlänge mit Repetitionsraten bis 120 kHz und Pulslängen von 10 ns zum Einsatz.
Ein weiteres Lasernutzentrennsystem ist die ALD 01. Als besonderes Merkmal ist der integrierte Rundschalttisch zu nennen. Die vier Prozessschritte Beladen, Trennen, Entladen und die Reststegentsorgung können parallel durchgeführt werden. Eine deutliche optimierte Taktzeit ist das Ergebnis.

Vorteile des Lasertrennprozesses

„Besonders positiv sind die hohen Durchsatzraten innerhalb eines Produktionsprozesses zu bewerten. Während mit der herkömmlichen Technologie kleine Losgrößen kaum rentabel waren, kann mit der Lasertechnologie noch mehr Flexibilität erreicht werden. Wo unsere Kunden früher starre Linien über mehrere Monate hinweg installiert hatten, fordern sie heute flexible Lösungen für eine zeitnahe Produktion und kleine Losgrößen“, so Martin Gehring.

In die Zukunft mit dem Pikosekundenlaser

Zu den zwei häufigsten Lasertypen, welche bei Asys eingesetzt werden, gehört der CO2-Laser und der UV-Laser. „In den letzten Jahren haben wir uns intensiv mit der Optimierung des Lasernutzentrennens beschäftigt. Um eine noch bessere Schnittkantenqualität zu erreichen, machten wir Versuche mit Pikosekundenlasern, was zu sehr guten Ergebnissen führte. Wir werden zukünftig einige Systeme mit Pikosekundenlaser ausstatten, damit wir unseren Kunden eine noch bessere Qualität in ihren Prozessen bieten können“, so Günter Lorenz (Bild 4), Manager Asys Produktentwicklung Lasersysteme.

Der Pikosekundenlaser hat eine Wellenlänge von 1 064 nm und Pulslängen von <12 ps. Das bedeutet, dass die Laserenergie nur sehr kurze Zeit ins Material eingetragen wird. Die Trennung erfolgt dabei nicht mehr durch absorbierte Wärmenergie, sondern direkt durch Trennen der Molekülbindungen. Dadurch kann jedes relevante Material so schnell Energie absorbieren, dass nahezu kein Wärmeeintrag auf der Leiterplatte zu erkennen ist (Bild 5). Die ultrakurzen Lichtimpulse erzeugen keine Grate mehr. Saubere Schnitte sind möglich, ohne das Substrat an den Schnittkanten dunkel zu verfärben.

Wo CO2- und UV-Laser schon längst den Einzug in den Massenmarkt gefunden haben, gehören die noch  hohen Anschaffungskosten des Pikosekundenlasers zu den Barrieren für einen industrietauglichen Einsatz. Was die Schnelligkeit innerhalb des Trennprozesses betrifft, gilt der Pikosekundenlaser für die elektronische Fertigung ebenfalls als noch nicht 100 % einsetzbar. Schätzungsweise werden die nötige Arbeitsleistung und ein akzeptabler Preis bis 2012 erreicht sein.

Nutzentrennen mit dem Pikosekunden-Laser

Der Pikosekundenlaser hat eine Wellenlänge von 1 064 nm und Pulslängen von <12 ps. Das bedeutet, dass die Laserenergie nur sehr kurze Zeit ins Material eingetragen wird. Die Trennung erfolgt dabei nicht mehr durch absorbierte Wärmenergie, sondern direkt durch Trennen der Molekülbindungen. Dadurch kann jedes relevante Material so schnell Energie absorbieren, dass nahezu kein Wärmeeintrag auf der Leiterplatte zu erkennen ist. Die ultrakurzen Lichtimpulse erzeugen keine Grate mehr. Saubere Schnitte sind möglich, ohne das Substrat an den Schnittkanten dunkel zu verfärben.