Лазерна депанелізація друкованих плат зменшує кількість домішок

12.09.2023 |

У порівнянні з механічною депанелізацією, після впровадження лазерної депанелізації кількість небажаних частинок на друкованій платі може знизитися до 2-3% від їх початкової кількості.

Вступ

Протягом багатьох років лазери в основному використовувалися для використання у сферах з найвищими вимогами до точності, однак в даний час лазерна депанелізація набуває все більшого застосування. У зв’язку із зростаючим попитом на високу якість різання панелей, особливо у високотехнологічних додатках (наприклад, 5G, IoT) і зростаючим тиском на витрати, стає необхідною переоцінка придатності традиційних методів виробництва. Сьогодні лазери мають багато переваг перед традиційними процесами: у цій статті обговорюються ключові факти про якість процесу та економічні вигоди.

Різання без пилу та відсутність забруднення поверхні друкованої плати покращують довговічність електроніки.

Сучасні лазери, що доповнюють лінії SMT, дозволяють значно заощадити кошти, зберігаючи 100% стабільні умови процесу. У порівнянні зі звичайними механічними методами лазерна депанелізація пропонує багато переваг, таких як більша точність, гнучкість і процес без механічних навантажень. Ці добре відомі переваги дозволяють виробникам електроніки відповідати зростаючим вимогам до друкованих плат у таких додатках, як переносні пристрої, датчики, 5G, IoT та медичні пристрої.

Протягом багатьох років лазерна технологія з короткими та ультракороткими імпульсами успішно використовується для різання підкладок друкованих плат [1] [2] [3]. Тип лазера визначається довжиною хвилі та тривалістю імпульсу, а відповідний вибір в основному визначається вимогами до якості різу та запланованим обсягом/швидкістю виробництва конкретного продукту. На мал.1 показано якість різання різних підкладок друкованих плат, досягнута за допомогою надшвидких імпульсних лазерів.

Малюнок 1. (a) Підкладка FR4 товщиною 1,6 мм, розрізана зеленим наносекундним лазером; (b) гнучка підкладка PI товщиною 150 мкм, розрізана зеленим пікосекундним лазером; (c) керамічна підкладка Al2O3 товщиною 0,8 мм, розрізана пікосекундним інфрачервоним лазером.

Лазерна депанелізація – відповідність вимогам технічної чистоти для автомобільних застосувань

Зростаюча тенденція мініатюризації та збільшення щільності друкованих плат також вимагає впровадження високоякісних виробничих процесів. За останні кілька років – і в найближчому майбутньому – вимоги до технічної чистоти для високоякісних друкованих плат у медицині чи автобудівництві стали ключовим показником якості.

Технічна чистота визначається як відсутність хімічних забруднень і частинок на компонентах, які можуть вплинути на інші виробничі процеси, компоненти на друкованій платі або на правильну роботу всієї системи. Залежно від типу та розміру частинок, їх присутність може по-різному впливати на систему. Наприклад, металеві електропровідні частинки можуть спричинити коротке замикання і, таким чином, вихід з ладу всієї друкованої плати. З іншого боку, неметалеві частинки можуть діяти як ізоляційний бар’єр для електричних контактів на друкованій платі. Також відомо, що за певних умов вологості непровідні частинки можуть стати електропровідними. Крім того, наявність волокон може заважати та спричиняти несправність камер та інших оптичних компонентів.

Одним із методів, який можуть використовувати виробники EMS та OEM для задоволення найсуворіших вимог до чистоти, є додавання процесів очищення друкованих плат за допомогою мийок, ESD щіток, присосок або повітродувок. Основним недоліком додавання стадії очищення є підвищення вартості виробництва та зниження виходу продукції. Щоб зберегти та підвищити рентабельність виробництва електроніки, важливо покращити етапи джерела забруднення, а не додавати додаткові етапи процесу.

Встановлено, що близько 80% частинок утворюється в процесі обробки компонентів і систем і лише близько 20% зумовлено впливом навколишнього середовища [4]. Одним із етапів процесу монтажу електроніки, який зазвичай має значний вплив на чистоту компонентів, є розділення окремих друкованих плат, тобто їх депанелізація. Однак ключові категорії частинок, такі як фрагменти скловолокна, фрезерний пил, що містить матеріал підкладки друкованої плати, і залишки зносу інструменту, в основному пов’язані з традиційними технологіями механічного різання, такими як фрезерування, пиляння або штампування. З іншого боку, сучасна технологія лазерного різання характеризується створенням невеликого, лише кілька мікрометрів, зазору, що забезпечує менший обсяг видаленого матеріалу, ніж механічне різання. Більше того, видалений матеріал випаровується, а дим, що утворюється, може видалятися за допомогою відповідної витяжної системи. Лазер, з іншого боку, є практично безконтактним процесом, завдяки якому мінімізуються будь-які бризки під час розрізу та усуваються ризики розповсюдження частинок поверхнею друкованої плати або до чутливих компонентів біля краю розрізу.

Як впливає лазерна депаналізація твердих друкованих плат на утворення частинок забруднення?

Плати, змонтовані під час тестування, були відокремлені від панелі за допомогою лазерної технології та перевірені відповідно до процедури тестування, описаної в стандартах контролю технічної чистоти VDA 19.1 / ISO16232. Серед друкованих плат, які використовувалися для тестів, були оптичні датчики, які розроблялися для автомобільного застосування. Змонтовані панелі були ретельно очищені перед лазерною обробкою, щоб можна було оцінити лише сам процес лазерного різання. Панелі були оброблені в лабораторії в стандартних (кімнатних) умовах, а потім виміряні в випробувальній лабораторії, тому на них також можна було виявити частинки з навколишнього середовища.

Була проаналізована підкладка FR4 товщиною 1,1 мм, а панель містила 25 окремих плат. Лазерна система, використана для депанелізації (мал.2), ґрунтувалася на використанні зеленого наносекундного імпульсного лазера з вихідною потужністю близько 40 Вт. Лазерний промінь направляється на заготовку гальво-сканером і фокусується на плямі діаметром приблизно 25 мкм за допомогою телецентричної f-тета лінзи. На мал.2 показано якість різання на прикладі бічних стінок депанелізованих друкованих плат.

Малюнок 2. Лазерна система, що використовується для різання друкованих плат, і мікроскопічні зображення бокової стінки друкованої плати, вирізаної лазером.

Три основні кроки у визначенні технічної чистоти відповідно до VDA 19.1 / ISO16232 – це вилучення частинок, фільтрація та аналіз частинок. Для видалення частинок з друкованої плати використовувався процес промивання під тиском відповідно до рекомендацій VDA 19.1. Додаткові параметри процесу вилучення частинок і фільтрації наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Параметри процесу вилучення частинок

Панель, що перевірялася
Поверхня 8 см2
Кількість перевірених плат 25
Спосіб вилучення частинок
Метод Промивання під тиском
Насадка 1 л/хв паралельна струменева форсунка
Об’єм рідини на панель 4,100 мл
Тип рідини Етанол 99,5%, збагачений 1% MEK GPR RECTAPUR
Тип фільтра Матриця Sefar Petex 5 мкм

Частинки, захоплені фільтром, були проаналізовані кількісно та якісно за допомогою світлової мікроскопії та сканування. Загальна кількість знайдених частинок була класифікована відповідно до розмірів, зазначених у стандарті ISO (табл. 2).

Таблиця 2. Класифікація частинок за розміром відповідно до VDA 19.1 / ISO16232

Клас E F G H I J K
Розмір 50£x<100 100£x<150 150£x<200 200£x<400 400£x<600 600£x<1000 1000£x

Крім того, результати вимірювань розрізняли металеві та неметалеві частинки. Металеві частинки, як правило, асоціюються з провідними частинками і можуть мати блискучу та мати відбивну поверхню (приклад показано на мал.4). Незважаючи на те, що загальна проаналізована площа поверхні друкованої плати становила 200 см², кількість ідентифікованих частинок було екстрапольовано для поверхні 1000 см² (оскільки це базове значення, указане в стандарті, щоб забезпечити можливість порівняння між різними друкованими платами), і результати показані на мал.3. Наразі не існує стандартизованих обмежень щодо частинок, оскільки це сильно залежить від індивідуального процесу монтажу та водночас від індивідуальних вимог до продукту. Однак у цій статті було визнано доцільним порівняти виміряні значення після процесу лазерної депанелізації змонтованої друкованої плати з емпіричними значеннями частинок, знайдених у неочищеній змонтованій друкованій платі від кількох компаній-виробників електроніки [4].

Малюнок 3. Вимірювання частинок (металевих і всіх) проаналізованих ПХБ і порівняння з даними, отриманими в результаті аналізу інших партій друкованих плат [4].

Вимірювання після депанелізації показують більшу кількість металевих і неметалевих частинок меншого розміру. Неметалічні частинки, виміряні після лазерної депанелізації, становлять приблизно 3% (або менше) від кількості частинок, ідентифікованих у змонтованих друкованих платах за емпіричними даними. Для металевих частинок виміряна кількість частинок становить лише 2% (або менше) порівняно з емпіричними даними. Металевих частинок класу розміру G або більшого діапазону також не виявлено.

Крім того щодо кількості частинок у кожному класі розміру встановлені автомобільні стандарти задають обмеження на довжину металевих частинок на рівні 500 мкм, тоді як для неметалевих часток обмеження встановлено на рівні 1000 мкм. Найдовші частинки, знайдені в цьому тесті, були значно нижче межі – 141 мкм для металевих частинок і 268 мкм для неметалічних частинок.

Малюнок 4. Найдовша металева частинка 141х31 мкм (ліворуч) і найдовша неметалева частинка 268х21 мкм (праворуч)

У цьому дослідженні не розглядалися волокна, оскільки це зазвичай призводить до аналітичних помилок, якщо вони походять із виробничого чи лабораторного середовища. Розмір волокон, виявлених під час випробування вказує на те, що джерелом не міг бути процес лазерного різання, і як такий він повинен бути пов’язаний із зовнішніми джерелами навколишнього середовища. Довжина знайдених волокон перевищує 2000 мкм (мал. 5).

Малюнок 5. Волокна, знайдені під час експерименту.

Висновки

У цій статті представлені вимірювання чистоти змонтованих жорстких друкованих плат для автомобільного застосування. Вимірювання на основі стандарту VDA 19.1 / ISO16232 відповідають вимогам до виробництва для автомобільних цілей. Крім того, дані порівнювали з емпіричними даними виробників електроніки, щоб показати, що лазерний процес не є значним джерелом утворення частинок, тому його можна використовувати на виробничих лініях з найсуворішими вимогами до технічної чистоти. Крім того, якщо на виробничих лініях електроніки не виявлено жодного іншого джерела утворення частинок, лазерна депанелізація може усунути потребу в додаткових етапах очищення і, таким чином, може допомогти зменшити витрати на обладнання для очищення та скоротити загальний час процесу.

Примітки

[1]  Wang, X. C.. (2007). 355 nm DPSS UV laser cutting of FR4 and BT/epoxy-based PCB Substrates. Optics and Lasers in Engineering, 404 – 409.

[2]  Matt Henry, Paus Harrison, Jozef Wendland, and Duncan Parsons-Karavassillis (2005). Cutting flexible printed circuit boards with a 523nm Q-Switched diode pumped solid state laser. Icaleo 2005, M804.

[3]  Oosterhof, A. Gonzalez, J. (2018, January 24-26). Investigation of Cutting Quality and Mitigation Methods for Laser Depaneling of Printed Circuit Boards. IPC APEX EXPO Technical Conference 2018, San Diego, CA, United States.

[4]  ZVEI Guideline – Technical Cleanliness in Electrical Engineering / PCB and Electronics Systems Divisions (2019)

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