Lasersysteme die Revolution in der Leiterplattenproduktion

Nahezu jedes elektronische Gerät enthält eine oder mehrere Leiterplatten. Sie dienen als isolierendes und verbindendes Trägerelement der Schaltkreise für Handys, Smartwatches, Computer, Drucker, Haushaltsgeräte, Roboter und vieles mehr.

Markierungen, so klein wie ein Sandkorn

Leiterplatten werden zur Nachverfolgbarkeit gekennzeichnet bzw. markiert. Oft verwendet die Industrie Barcodes oder 2-D-Codes in unterschiedlichen Formaten. Aufgrund der immer höheren Packungsdichte auf den PCB verringert sich stetig die mögliche Fläche zum Markieren. Standardleiterplatten liegen derzeit noch bei 5 mil und 7,5 mil. Aber der Trend geht immer mehr zu Miniatur-Codegrößen von 3 mil. Zum besseren Verständnis hilft die Vorstellung, dass 1 mil einem 1000stel Zoll, also nur 0,025 mm entspricht. Eine mit dem Auge nicht mehr wahrnehmbare Größe.

Die meisten Leiterplatten werden mittels CO2-Laser markiert, wobei es bei diesem Verfahren zu einem Farbumschlag des auf der Oberfläche der Leiterplatte aufgebrachten, meist grünen Lötstopplacks kommt, der zum Schutz und zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte dient. Bei 75 µm Pixelgröße stößt der CO2-Laser allerdings an seine physikalischen Grenzen, dann sind andere Lösungen gefragt.

Alternativen bieten hier Faserlaser, wobei in diesem Fall sich nicht der Lötstopplack verfärbt, sondern der Laser trägt ihn bis auf die darunterliegende Kupferschicht ab. Interessant sind auch Laserstrahlen im grünen (532 nm) und blauen (450 nm) Wellenlängenbereich. Diese werden vom Lötstopplack sehr gut absorbiert und durch die kurze Wellenlänge sind zudem sehr kleine Spotdurchmesser möglich, sodass auch Codegrößen kleiner als 3 mil kein Problem mehr darstellen.

Mit einer geringen Laserleistungen von nur ca. 6 W bei 450 nm und mit Hilfe der Scanner-Technologie lassen sich hier gut lesbare Codes markieren. Meist wird der Code direkt im Anschluss an die Lasermarkierung entweder on-axis durch den Scanner hindurch oder off-axis gelesen: lesbar und mit dem richtigen Inhalt. Bei fehlerhafter Markierung auf der Gesamtleiterplatte, auch „Nutzen“ genannt, kann nach dem Nutzen- trennen dieses Ausschussteil leicht aussortiert werden.

Lasernutzentrennung - Keiner schneidet präziser und sauberer

Das Lasernutzentrennen ist eines der innovativsten Verfahren zur Vereinzelung von Leiterplatten aus dem Gesamtnutzen. Beim Nutzentrennen werden die zuvor bestückten Leiterplatten (PCBs) meist mittels eines fokussierten Laserstrahls, der das Material schichtweise abträgt, sprich: „ablatiert“, herausgeschnitten. Die Leiterplatten werden dabei in der Regel nicht komplett mit dem Laser aus dem Nutzen herausgetrennt, sondern der Laserschnitt erfolgt meist an den Stegen, die die einzelnen Leiterplatten verbinden.

Herkömmliche mechanische Verfahren weisen gegenüber dem Laser deutliche Nachteile auf, wie Werkzeugverschleiß und mechanische Bauteilbeanspruchung, sie arbeiten auch deutlich weniger rein. Das kann schlimmstenfalls zur Verunreinigung und zum Bruch der gesamten Platte oder an den Schaltkreisen und Lötstellen führen.

Das Trennen der Stege mittels Laser geschieht durch die vorgenannte Ablation des Materials. Dabei können durchaus 50 bis 100 Überfahrten des Lasers, je nach Leiterplattendicke, notwendig sein. Um der gestiegenen Nachfrage nach Präzision gerecht zu werden, sind schon jetzt nur noch Laser im Einsatz, deren Spot maximal 
25 μm umfassen.

Die Laserschneidetechnologie bietet hier aufgrund des berührungsfreien Bearbeitungsprozesses und einer frei programmierbaren Formgebung der PCBs erhebliche Vorteile. Dabei geht der Trend klar zu immer kleineren Leiterplattennutzen und somit auch zu immer dünneren Materialien.

Die Qual der Wahl - Unterschiedliche Leiterplattentypen

Es gibt mehrere Typen von Leiterplatten: starr, flexibel, metallisch und aus Keramik. Flexible kommen dort zum Einsatz, wo das Endprodukt bewegt oder gefaltet wird, wie das bei medizinischen Produkten, wie z. B. Hörgeräten, der Fall ist, metallische finden ihren Einsatz, wo hohe Spannungen herrschen und keramische, wo hohe Ströme fließen, wie bei Sensorapplikationen und E-Autos. Die flexiblen Leiterplatten aus Polyimid werden ebenso wie die mit Metallkern komplett mit dem Laser ausgeschnitten, dagegen werden die Keramik-Leiterplatten geritzt und später herausgebrochen. Je nach Leiterplattenform kommen hier unterschiedliche Laser zum Einsatz, wie Infrarot, UV und grüner Laser.

Eine besondere Anforderung an den Scanner liegt in der Wiederholgenauigkeit, speziell bei den starren Leiterplatten im Bereich von 15 μm. Der Schneideprozess macht Mehrfachüberfahrten immer wieder im gleichen Schnittspalt notwendig, um das Material zu durchtrennen. Oft werden daher zwei Schnittlinien nebeneinander angebracht, um die Breite des Schnittspaltes zu vergrößern.

Leiterplatten-Cleaning - Schnelle und sanfte Laserreinigung

Leiterplatten sind anfällig für viele Arten von Verschmutzungen, daher gehört die Reinigung unerlässlich zum Vorbereitungsprozess der Leiterplatten-Produktion, die auf vielfältige Weise vollzogen werden kann. Das Reinigen mit dem Laser, das sogenannte „Cleaning“, erweist sich immer dann als vorteilhaft, wenn eine hohe lokale Kontrolle notwendig erscheint. So werden z. B. Klebeflächen bei der Rückfahrkameraproduktion mittels Laser von Fertigungsrückständen und Staub gereinigt, um eine hohe Haftung, „Adhäsion“, des Klebstoffes zu ermöglichen. „Der Vorteil gegenüber der sonst üblichen Plasmareinigung“, betont Günter Lorenz, Director Business Development Laser bei ASYS Automatisierungssysteme, „besteht in der deutlich geringeren Gefahr von Schädigungen an bereits montierten Elektronikbauteilen. Bondpads, die kleinen elektrischen Verbindungsstellen auf den Schaltungsträgern, werden mittels Laser durch einen selektiven Prozess von Flux-Rückständen gereinigt, um eine bestmögliche Stromübertragung zu gewährleisten.“ Typischerweise haben diese Punkte nur eine sehr kleine Fläche von z. B. 2 mm x 2 mm und sind daher mit Lasern und ihren Komponenten besonders gut zu bearbeiten. Als Laserquelle eignen sich gepulste Faserlaser mit einer Leistung von ca. 50 W.

Der SUPERSCAN-IV-15- digital geregelt, dynamisch, vielseitig einsetzbar

Der SUPERSCAN-IV-15 eignet sich besonders zum Schneiden von Nutzen und zum Reinigen von Bondingpads. Die modellbasierende, digitale Regelung des Laser-Scanners bietet höchste Dynamik und Endgeschwindigkeit, die vor allem bei ablativen Prozessen von Oberflächen zum Tragen kommt. Das robuste, wassergekühlte Masterblock-Design ermöglicht geringstes Driftverhalten.

Steuerkarte SP-ICE-3

Kein SUPERSCAN-IV-15 ohne Steuerkarte. Sie ist wesentlicher Teil des Scan-Systems und unverzichtbare Steuereinheit für alle Laserprozesse. Durch mehrere flexibel konfigurierbaren Porte ist die SP-ICE-3 Steuerkarte universell und selbst bei besonders spezifischen Anforderungen einsetzbar. Dank der .NET Programmierumgebung und der Flexibilität der SP-ICE-3 Steuerkarte lassen sich auch Strukturierungen mit ihr schnell realisieren.

RAYGUIDE LASERPROZESS-SOFTWARE

Die RAYGUIDE Software ist eine von RAYLASE entwickelte, hochmoderne Software für die Laserbearbeitung. Sie unterstützt das Einrichten des Galvo-Scanners und das Kalibrieren des Arbeitsfeldes, das Erstellen von Laserbearbeitungsjobs und deren Implementierung. Die folgenden Features gehören zur ständig größer werdenden Palette an nützlichen Funktionen für das Markieren, Schneiden, Reinigen und Löten von Leiterplatten.

SP-ICE-1-Kontrollkarte

Die SP-ICE-1-PCIe–PRO–Steuerkarte arbeitet hochpräzise, ist flexibel in der Anwendung und einfach zu integrieren. Die DLL-Treibersoftware ist Teil des Lieferumfangs. Der integrierte Prozessor für Echtzeitbetrieb ermöglicht eine exakte Synchronisation von Scannerbewegung und Lasersteuerung. Dank der dualen Pufferung kann während des Ablaufs eines Jobs ein weiterer heruntergeladen werden. Die Steuerkarte bildet zusammen mit den MINISCAN-Modellen die richtige Wahl für das Markieren und Löten von Leiterplatten.

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Langjährige Zusammenarbeit: ASYS Automatisierungssysteme GmbH