ТЕХНІКА ЛАЗЕРНОГО РІЗАННЯ В ПРОЦЕСІ РОЗДІЛЕННЯ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

17.01.2023 |

Використання сучасних лазерів для депанелізації друкованих плат є викликом для кожного технолога. Розуміння взаємодії між лазерним променем і підкладкою є важливим для вибору та застосування правильної технології поділу друкованих плат.

Механічне розділення друкованих плат

Кожна незалежна плата, надрукована на формі, проходить процес поділу. Механічні методи поділу друкованих плат за допомогою фрезерних верстатів, пуансонів або розділювачів типу «ножа для піци» зазвичай використовуються лише при обробці жорстких ламінатів.

Механічна обробка, як і будь-яка техніка, має деякі обмеження. Перш за все, це може призвести до деформації країв, а також розшарування підкладок. Різці або леза, що швидко обертаються, створюють тертя на межі між інструментом і матеріалом. Якщо інструмент рухати занадто різко або нерівномірно, або просто через знос інструменту, ріжучі кромки можуть відколоти заготовку або відірвати її зовнішні шари. Відкриті або пошкоджені шари можуть піддати плату впливу вологи, агресивних рідин та інших зовнішніх факторів, що спричинить втрату функціональності електронного блоку. Крім того, вони генерують багато домішок, які пізніше потрібно видалити (це особливо важливо у випадку плат, що містять оптичні елементи або датчики). У разі пробивання необхідно тримати пробійники гострими, щоб не подрібнити розрізаний матеріал.

Напруги стиску та згину, що виникають під час механічної обробки на краях плати, можуть призвести до небезпечних мікротріщин у сполучному матеріалі, які іноді важко визначити, а також до пошкодження компонентів, що призводить до зниження надійності або, у гіршому випадку, до пошкодження всієї електронної збірки. Щоб зменшити вплив механічної обробки на якість друкованих плат, елементи розташовують на певній відстані від краю, що збільшує розміри друкованих плат і створює додаткові витрати.

У випадку гнучкого FLEX, напівгнучкого SEMI-FLEX або жорстко-гнучкого ламінату RIGID-FLEX, що містить поліімід та/або скловолокно, скріплене епоксидною смолою, шириною менше 200 мм, необхідно використовувати інші, альтернативні методи розділення друкованих плат. Сучасним рішенням є пристрої, що використовують лазерне випромінювання у видимому діапазоні світла, ультрафіолетовому або інфрачервоному. На відміну від традиційних методів різання, лазерне випромінювання не чинить механічного тиску на оброблюваний матеріал, а точність різу дозволяє відокремлювати набагато менші друковані плати.

Використання лазерів для розділення друкованих плат

Беручи до уваги конструкцією підкладок друкованих плат необхідно використовувати лазер, який дозволяє точно обробляти такі матеріали, як: матове скло, просочене епоксидною смолою, полііміди або мідна фольга товщиною від декількох мікрометрів до кількох десятків мікрометрів. Важливо визначити характеристики поглинання кожного матеріалу для конкретної довжини хвилі лазерного випромінювання. Усі параметри різання для даної основи залежатимуть від поглинаючих властивостей компонентів матеріалів.

Малюнок 1. Криві поглинання міді, скла та епоксидної смоли у ламінаті FR4

Лазерний промінь може нести значну енергію, а його мала кутова розбіжність дозволяє зосередити енергію на невеликій площі. Якщо такий промінь потрапляє на поверхню матеріалу, він частково відбивається, частково поглинається матеріалом, і частина енергії променю може проходити через матеріал у різних формах (рис. 2). Коефіцієнти відбиття, поглинання та пропускання сильно залежать від типу матеріалу, стану поверхні (наприклад, гладкість і колір) і довжини хвилі лазерного світла. Проблема досить складна, оскільки, наприклад, відбивна здатність металу зазвичай набагато вища в твердому стані, ніж у рідкому стані, тому енергопоглинання матеріалу змінюється під час обробки.

Малюнок 2. Схематичне зображення взаємодії лазерного променю з матеріалом

На мал. 2 показана залежність поглинання матеріалів, з яких складається ламінат типу FR4, в залежності від довжини хвилі електромагнітного випромінювання. На відміну від зеленого джерела – 532 нм, або СО2-лазера – 1064 нм, для джерела УФ – 355 нм, всі ці матеріали чудово поглинають цю довжину хвилі. У випадку епоксидної смоли, яка становить до 70% вмісту ламінату, випромінювання іноді поглинається занадто сильно, що обмежує глибину проникнення променю в підкладку та швидкість процесу, в результаті чого різання матеріалів FR4 товщиною понад 0,8 мм неефективно. Ситуація в цьому випадку інша, ніж у випадку зеленого джерела або CO2-лазера. Краще пропускання, ніж поглинання, дозволяє світлу проникати глибше в матеріал, що особливо корисно для більш товстих матеріалів.

Інша складність виникає через те, що армовані волокном підкладки FR4 неоднорідні. Скловолокно має зовсім інші фізико-теплові властивості, ніж епоксидна смола, що призводить до різної щільності енергії в процесі абляції для обох типів матеріалів. Лазерна абляція передбачає видалення матеріалу з підкладки шляхом прямого поглинання лазерної енергії. Зазвичай він обговорюється в контексті імпульсних лазерів, хоча такий процес можливий і при інтенсивному опроміненні безперервними лазерами. Початок абляції (лазерне різання — метод видалення речовини з поверхні лазерним імпульсом) відбувається при перевищенні порогової енергії імпульсу (флюенсу), яка залежить від механізмів поглинання, конкретних властивостей матеріалу, мікроструктури, морфології, наявності дефектів і параметрів лазера, таких як довжина хвилі та тривалість імпульсу.

Залежно від співвідношення між тривалістю імпульсу та енергією імпульсу розглядаються дві основні моделі абляції. Для мікро- та наносекундних імпульсів вважається, що теплові процеси, пов’язані з теплопровідністю, плавленням, випаровуванням і утворенням плазми, відіграють вирішальну роль в абляції. Відносно висока енергія імпульсу поглинається матеріалом в результаті провідності. Залежно від отриманого розподілу температури розплавлений матеріал випаровується або переходить у стан плазми. Тут абляція досягається як плавленням, так і викидом розплавленого матеріалу, що визначається тривалістю імпульсу.

Інші застосування лазерів в електроніці

Крім процесу різання, лазер найчастіше використовується для свердління наскрізних і глухих мікроотворів. Інші застосування включають можливість створення спеціальних порожнин, які використовуються у виробництві вбудованих компонентів, ремонт паяльних масок на друкованих платах, видалення органічних або металевих масок у фотолітографічних процесах, а також покриття, створені на гнучких ламінатах (мал. 1). Покривний шар на гнучких платах виконує ту ж функцію, що і паяльна маска на жорсткій платі. Захищає та інкапсулює контури. Єдина відмінність – гнучка форма такої паяльної маски. Структура такого покриття складається з шару полііміду, зазвичай товщиною 25 мкм, на який наноситься шар акрилового клею такої ж товщини.

Малюнок 3. Різні застосування лазерів в обробці матеріалів

За матеріалами сайту https://tek.info.pl