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PCB電路闆行業中的紫外激光加工應用

發布時間:2018-04-20 熱度:

對于電路闆行業的激光切割或者鑽孔,隻需幾瓦或十多瓦的UV激光即可,無需千瓦級别的激光功率,在消費類電子産品、汽車行業或機器人制造技術中,柔性電路闆的使用變得日趨重要。由于UV激光加工系統具有柔性的加工方式、高精度的加工效果以及靈活可控的加工過程,因而成為了柔性電路闆以及薄型PCB激光鑽孔與切割的首選。 

圖1:CO2激光(左)與UV激光(右)的切割槽比較。UV激光産生熱效應較小,其切割邊沿幹淨、整齊

如今,激光系統配置的長壽命激光源已基本接近免維護,在生産過程中,激光等級為1級,安全無需其他保護裝置。LPKF激光系統配備吸塵裝置,不會造成有害物質的排放。加上其直觀易操作的軟件控制,使得激光技術正在取代傳統機械工藝,節省了特殊刀具的成本。 
    CO2激光還是UV激光? 
    例如PCB電路闆分闆或切割時,可以選擇波長約為10.6μm的CO2激光系統。其加工成本相對較低,提供的激光功率也可達數千瓦。但是它會在切割過程中産生大量熱能,從而造成邊緣嚴重碳化。 
    UV激光波長為355nm。這種波長的激光束非常容易光學聚焦。小于20瓦激光功率的UV激光聚焦後光斑直徑隻有20μm–而其産生的能量密度甚至可媲美太陽表面。 
    UV激光加工的優勢 
    UV激光尤其适用于硬闆、軟硬結合闆、軟闆及其輔料的切割以及打标。那麼這種激光工藝究竟有哪些優點呢? 
    在SMT行業的電路闆分闆以及PCB行業的微鑽孔等領域,UV激光切割系統展現出極大的技術優勢。 根據電路闆材料厚度的不同,激光沿着所需的輪廓一次或者多次切割。材料越薄,切割的速度越快。如果累積的激光脈沖低于穿透材料所需的激光脈沖,隻會在材料表面上出現劃痕;因此,可以在材料上進行二維碼或者條形碼的打标,以便後續制程的信息追蹤。 

圖2:一個基闆多個元器件,即使緊貼線路也可安全分闆

UV激光的脈沖能量僅在材料上作用微秒級的時間,在切口旁的幾微米處,已無明顯熱影響,因此無需考慮其産生的熱量對元件造成的損壞。靠近邊緣的線路和焊點完好無損,無毛刺。 
    此外,LPKF UV激光系統集成CAM 軟件可直接導入從CAD中導出的數據,對激光切割路徑進行編輯,形成激光切割輪廓,選擇适用于不同材料的加工參數庫,就可以直接激光加工。該激光系統既适合大批量的量産加工,也适用于試樣生産。 

    鑽孔應用 
    電路闆中的通孔用于連接雙面闆的正反面間線路,或用于連接多層闆中任意層間線路。為了其導電,需要在鑽孔後将孔壁鍍上金屬層。如今采用傳統的機械方法已經無法滿足鑽孔直徑越來越小的要求:盡管提高了主軸轉速,但精密鑽孔刀具的徑向速度會因直徑太小而降低,甚至無法完成要求的加工效果。另外,從經濟層面考慮,易于磨損的刀具耗材也是一個限制性因素。 
    針對柔性電路闆的鑽孔,LPKF公司研發了一種新型的激光鑽孔系統。LPKFMicroLine 5000激光設備配有533mm x 610 mm的工作台面,可以卷對卷的自動化作業。鑽孔時,激光可以先從孔的中心出發切出微孔輪廓,這比普通方法更為精确。系統可以在高徑深比的情況下,在有機或非有機的基闆上鑽制最小直徑為20μm的微孔。柔性電路闆、IC基闆或HDI電路闆都非常需要這樣的精度。 
    半固化片切割 
    在電子組件制造過程中,哪些情況要求切割半固化片材料?早在初期,半固化片材料就已經被應用于多層電路闆中。多層電路闆中的各個電路層通過半固化片的作用被壓合在一起;根據電路設計,一些區域的半固化片需要事先切割開窗然後被壓合。 

圖3:通過激光工藝可以在敏感的覆蓋層上形成精确的輪廓

類似的過程也适用于FPC覆蓋膜。覆蓋膜通常由聚酰亞胺以及厚度為25μm或12.5μm的膠層構成,且容易變形。單個區域(例如焊盤)無需覆蓋膜遮蓋,以便後期進行裝配、連接等工作。 
    這種薄性材料對于機械應力非常敏感——靠非接觸式的激光加工可以輕松完成。同時,真空吸附台能夠很好固定其位置,保持其平整度。 

    軟硬結合闆加工 
    在軟硬結合闆中,将剛性PCB與柔性PCB壓合一起形成多層闆。壓合過程時,柔性PCB上方并沒有和剛性PCB壓合粘接在一起,通過激光定深切割把覆蓋在柔性PCB上面的剛性蓋子切割、分離,留下柔性部分,形成軟硬結合闆。 
    這樣的定深加工同樣适用于多層闆中表面嵌入集成元件的盲槽加工。UV激光會精确切割從多層電路闆中分離出來的目标層的盲槽。在該區域内,目标層與其上面所覆蓋的材料不可形成連接。 
    PCB和FPC的高效分闆 
    SMT後分闆即切割多種電子元器件已被裝配的電路闆,該工序已經處在生産鍊的末端。對于分闆,可選擇不同的技術:對于通常用的PCB,優先考慮使用傳統的刀切、沖壓和輪廓銑削等工藝。對于較為複雜的電子線路以及薄型基闆尤其是對機械應力、粉塵和尺寸偏差非常敏感的情況,則采用UV激光切割分闆更有優勢。以下三個圖表從不同因素對這三種方法進行了評估。 

圖4:分闆方法比較:其他方法無法達到 UV激光器的分闆質量

對于完整輪廓的切割,德國LPKF公司會根據使用的不同激光源,建議切割材料厚度不超過1.6mm。針對某些較厚的材料,以及價格昂貴的裝配組件,優先考慮安全和質量層面,而切割時長則是其次。 

圖5:在Tab-Cut中,激光切割斷點分闆

切割斷點分闆,激光系統會通過一個前面所述的加工過程切斷連接點。這個切割過程可緊挨靠近邊緣的元器件進行,對于較厚的電路闆來說也是非常經濟的。 
    其他應用領域 
    由于UV激光波長較短,可适用于大多數的材料加工。例如,在電子工業領域可将其用于: 
    ● 加工TCO/ITO玻璃且基底無損傷 
    ● 在柔性或薄型材料上鑽孔 
    ● 阻焊層或覆蓋膜開窗 
    ● 剛柔/柔性電路闆分闆 
    ● 開槽 
    ● 已裝配或未裝配電路闆的返修 
    ● 切割燒結陶瓷 
    ● 精密切割 LTCC 

不僅限于對電路闆的加工,UV激光系統還可在一個加工作業中同時完成LTCC組件的切割、直寫和鑽孔。


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