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紫外激光在PCB行业的应用

文章来源:人气:658发表时间:2018-11-09

        由于紫外激光加工系统具有柔性的加工方式、高精度的加工效果以及灵活可控的加工过程,从生产最基本的电路板,电路布线,到生产袖珍型嵌入式芯片等高级工艺都通用,这一材料的差异性使得紫外激光器成为了很多工业领域中各种PCB材料应用的最佳选择。


对于电路板行业的激光切割或者钻孔,只需几瓦或十多瓦的紫外激光即可,无需千瓦级别的激光功率,在消费类电子产品、汽车行业或机器人制造技术中,柔性电路板的使用变得日趋重要。由于紫外激光加工系统具有柔性的加工方式、高精度的加工效果以及灵活可控的加工过程,因而成为了柔性电路板以及薄型PCB 激光钻孔与切割的首选。



例如PCB分板或切割时,可以选择波长约为10.6μm 的 CO2 激光系统。其加工成本相对较低,提供的激光功率也可达数千瓦。但是它会在切割过程中产生大量热能,从而造成边缘严重碳化。


紫外 激光波长为355 nm。这种波长的激光束非常容易光学聚焦。小于20瓦激光功率的UV 激光聚焦后光斑直径只有20μm – 而其产生的能量密度甚至可媲美太阳表面。

 


紫外激光加工的优势

紫外激光尤其适用于硬板、软硬结合板、软板及其辅料的切割以及打标。那么这种激光工艺究竟有哪些优点呢?


在SMT行业的电路板分板以及PCB行业的微钻孔等领域,紫外激光切割系统展现出极大的技术优势。 根据电路板材料厚度的不同,激光沿着所需的轮廓一次或者多次切割。材料越薄,切割的速度越快。如果累积的激光脉冲低于穿透材料所需的激光脉冲,只会在材料表面上出现划痕;因此,可以在材料上进行二维码或者条形码的打标,以便后续制程的信息追踪。

电路板

一个基板多个元器件,即使紧贴线路也可安全分板。

紫外激光的脉冲能量仅在材料上作用微秒级的时间,在切口旁的几微米处,已无明显热影响,因此无需考虑其产生的热量对元件造成的损坏。靠近边缘的线路和焊点完好无损,无毛刺。


01表面蚀刻/电路生产


        紫外激光器在生产电路时工作迅速,数分钟就能将表面图样蚀刻在电路板上。这使得紫外激光器成为生产PCB样品的最快方法。研发部门注意到,越来越多的样品实验室正在配备内部紫外激光系统。

        依赖于光学仪器检定,紫外激光光束的大小可以达到10-20μm, 从而生产柔性电路迹线。图2中的应用表明紫外线在生产电路迹线方面的最大优势,电路迹线极其微小,需要在显微镜下才能看见。

        这一电路板尺寸为0.75英寸x0.5 英寸,由一块烧结陶瓷基片和钨/镍/铜/表面组成。激光器能够产生2mils的电路迹线,间距为1 mil,从而使得整个间距仅为3 mils。


虽然使用激光光束生产电路是PCB 样品最快的方法,但大规模进行表面蚀刻应用最好留给化学工艺。


02.PCB的拆卸

        紫外激光器切割对于大型或小型生产来说都是一个最佳的选择,同时对于PCB的拆卸,尤其是需要应用于柔性或刚柔结合的电路板上时也是一个不错的选择。拆卸就是将单个电路板从嵌板上移除,考虑到材料柔性的不断增加,这种拆卸就会面临很大的挑战。

        V槽切割和自动电路板切割等机械拆卸方法容易损伤灵敏而纤薄的基板,给电子专业制造服务(EMS)企业在拆卸柔性和刚柔结合的电路板时带来麻烦。

        紫外激光器切割不仅可以消除在冲缘加工、变形和损伤电路元件等拆卸过程中产生的机械应力的影响,同时比应用如CO2激光器切割等其它激光器拆卸时产生热应力影响要少一些。

        “切割缓冲垫”的减少能够节省空间,这意味着元件能够放置在更靠近线路边缘的位置,每一块电路板上可以安装更多线路,将效率提升到最高,从而达到柔性线路应用的最大极限。


03.钻孔

        另外一种利用紫外激光器小型光束尺寸和低应力属性的应用是钻孔,包括贯穿孔、微孔和盲埋孔。紫外激光器系统通过聚焦垂直波束径直切割穿透基板来钻孔。依据所使用的材料,可以钻出小至10μm的孔。

        紫外激光器在进行多层钻孔时尤为有用。多层PCB使用复合材料经热压铸入在一起。这些所谓的“半固化”会发生分离,特别是在使用温度更高的激光器加工后。但是,紫外激光器相对来说无应力的属性就解决了这一问题,如下图所示。

        在图示横切面,一块14 mil的多层板上钻直径为4mil的孔。这一在柔性聚酰亚胺镀铜基板上的应用,显示了各层之间没有出现分离。关于紫外激光器低应力属性,还有重要一点:提高了成品率数据。成品率是从一块嵌板上移除的可用电路板的百分率。

在制造过程中,很多情况都会造成电路板的损坏,包括断裂的焊点、破裂的元件或分层。任一种因素都会导致电路板在生产线上被丢进废物箱而非进入运输箱。


04.深度雕刻

        另外一种展示紫外激光器通用性的应用是深度雕刻,这包含多种形式。利用激光器系统的软件控制,激光光束设定进行受控消融,即能够按照所需深度在某一材料上进行切割,在转向另外一种深度和开始另外一个任务之前可以停止、继续和完成所需的加工。

        各种深度应用包括:嵌入芯片时用到的小型生产以及将有机材料从金属表面移除的表面研磨。

        紫外激光器还可以在基板上进行多步骤操作。在聚乙烯材料上,第一步是用激光产生一个深度为2 mils的凹槽,第二步是在上一步的基础上产生8 mils的凹槽,第三步是10mils的凹槽。这说明紫外激光系统所提供的整体用户控制功能。


       紫外激光器最为引人瞩目的是能够用单一的步骤来完成上述所有应用。这对于制造电路板意味着什么?人们不再需要在不同的设备上使用同时产生影响的工艺和方法来完成某一应用,而只需一次加工就可以获得完整的零件。
        这一流线型的生产方案有助于消除电路板在不同流程间转换时产生的质量控制问题。紫外线无碎屑消融特性也意味着不需要进行后加工清洗。


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