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电路板激光分板技术发展探讨
  2020-06-16      115

作者:德国LPKF

一般来说,分板工序是在装配生产线的末端。分板工序就是把单个产品从更大的拼板电路板上切割分离下来。分板技术中除了激光分板外,还有一些机械分板技术,这是过去分板工序的主流技术。不同的分板技术,有着不同的精度、成本以及品质,具体选择根据具体产品而定。

冲模:使用该技术,电路板是被冲模冲切下来的,其技术原理是基于剪切力切割。如果产品的量特别大,并且设计固定、没有对机械应力方面的特殊要求,冲模是这类产品的首选。

铣切:这是一种机械加工技术,加工过程中,通过高速旋转的铣切头去除材料。使用铣切技术要求切割断点附近无敏感的元器件。

锯切:锯切过程中,使用锯片切割组装好的电路板。锯切技术只能处理直线轮廓,在分板过程中,对于机械应力和粉尘都不是决定性标准的产品而言,这种锯切技术切割矩形电路板的速度会非常快。

特别对于简单的电路板外形分板,传统的分板技术,如铣切和锯切的速度更快,是首选的解决方案。但近几年来,激光分板技术越来越受到重视,得到了持续的发展和改进。同时,由于客户对分板技术和质量要求的不断提高,激光分板技术也越来越受到关注。与机械分板技术相比,激光分板技术(特别是德国LPKF的最新方案)的性价比不断提升,可以和机械分板技术相媲美、甚至超越。电子产品制造行业的另一个挑战是产品种类变化的多样性,加急的订单、频繁的设计变化和小批量制造需求等都对高灵活性的生产工艺提出了新要求。因此,激光分板技术才是更加有利的解决方案。

激光分板技术中,每个激光脉冲精准移除材料目标区域(见图1)。因此,激光切割材料是逐层进行的。从理论上来说,这就意味着激光可加工几乎任何厚度的电路板,任何复杂的轮廓都可以从硬板、软板以及软硬结合板上通过逐层去除的方式实现分板切割。基于激光层层去除材料的原理,除了分板切割之外,还可以进行更多的加工应用,例如,只对材料表面进行加工处理,类似激光打标;或者,使用激光去除铜层,形成金属线路。通过设置不同激光参数,激光分板技术还可以同时加工不同材料、不同厚度的电路板。

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       1 激光层层去除材料实现分板切割加工原理图

激光分板技术的优势

激光分板技术的应用为高质量、复杂电路板切割需求的客户提供了相对较多的优势。总体而言,在过去十年中,性价比增长了近十倍。特别是对于具有不规则轮廓外形或者高密度组装的产品,激光是最佳解决方案:激光可以切割任何电路板材料包括金属,可以切割任何复杂的几何形状,而且不会对电路板或者电路板上的元器件产生机械应力。另外,由于激光分板系统性价比的提高,电路板的分板成本也降低了。得益于创新的LPKF CleanCut 技术,激光分板可以产生前所未有的清洁度此外,LPKF 激光分板的加工速度也可与铣切分板技术不分伯仲

优良的切割边缘品质

激光光斑直径小,使材料能够进行精确和高质量的加工。此外,材料切割边缘上的融合可防止进一步的磨损,并确保切割边缘呈闭合状态。LPKF创新的CleanCut 技术确保了加工材料呈现前所未有的技术清洁度(100% 无碳化)。

与机械分板技术相比,激光分板技术的精度、可重复性和稳定性保证了长期持续的优良切割品质。

无应力加工

机械分板技术相比,激光分板技术不会在电路板分板工序中对电路板产生任何机械应力。这样可以防止对敏感部件(例如传感器)的损坏和电路板的故障。此外,还可以防止对在焊接点堆积应力和对基材介电性能产生负面影响。无应力激光分板技术也可与铣切分板技术相结合使用,过用激光对需要高密度组装的位置进行预切割,由于这是一种无应力加工技术,这样可以使得电路板的边缘位置得到最大程度的使用

无粉尘加工

在机械分板技术(如铣)中,加工时会产生大量的粉尘。对于激光分板技术,激光一层层去除材料、并使得材料蒸发在这种情况下,用吸尘系统处理产生的烟雾,避免了粉尘的沉积从而出现潜在的故障

材料多样性:

激光分板技术可以通过改变激光参数,同时加工不同的材料而不会产生问题。加工不同材料不需要额外的工具或特殊系统。

当前一些新的应用,如高频通信等,需要加工可以满足高频需求的特殊材料。使用传统的机械技术只能在有限范围内进行加工,从而在这些应用场景中,激光分板技术必定成为首选激光可以加工的材料种类包括金属(铜、铝、银等)、聚合物(PETPMMA)、有机(玻璃)和无机材料(陶瓷)等等。

设计自由度高

与机械分板技术相比,激光分板技术电路板的设计自由度几乎没有任何限制。激光束光斑直径很小且具有柔性,即使是非常精细和复杂的结构也可以轻松实现。激光可以确保元器件贴装靠近电路板切割边缘的距离最小化,而且还可以允许更高的元器件高度

例如,不必考虑激光分板加工时最小半径限制切割宽度。因此通过激光全切分板,可以节省30%以上的材料(见图2)。这种影响随着电路板尺寸的减小而增大,并且根据电路板的特定形状而变化。

总之,使用激光分板加工在电路板设计时考虑以结果为导向且更复杂的电路板设计

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图2 激光分板技术对电路板材料的节约

灵活性:

除了激光切割技术,激光还提供了广泛的其他应用:钻孔、打标外形加工。例如,激光加工技术已经广泛应用在覆盖膜开窗或者柔性电路板的外形加工

无磨损

激光系统是无磨损的,比如不像机械分板机需要经常更换铣切头或锯片等工具,因此不需要额外的、多频次的相关成本。机械铣切的铣切头必须大约每2000小时更换一次,如果经常加工坚固的材料,更换频率更高更重要的是,无磨损意味着长期稳定、高质量得到长期保证。

激光分板技术误解

激光技术除了以上涉及的优势外,业内也存在一些关于激光分板技术的误解,当然现在都被证实为偏见。

成本高

激光分板技术常被认为成本很高。事实上,激光设备(尤其是德国LPKF的设备)的价格与市场上的标准铣切设备的价格已经越来越接近,而且在技术能力以及性价比方面更具竞争力。另外,激光系统不会产生铣切头或锯片磨损成本,实际上激光系统运行成本大约是每小时2欧元。

此外,还可以通过上述节省耗材来实现成本降低。

温度高

激光系统而言长期以来存在一种偏见,即电路板被激光束加工的时候产生的温度过高,从而附近的元器件可能受损。然而实验证明,距离切割位置100μm处,仅出现最高65°C的温度,而这温度只有前面回流焊工序中温度的一半左右。因此,电路板或者贴装的元器件就像过回流焊工序一样,并不会被损坏

结论

综上所述,激光分板技术以其机械分板技术的诸多优点受到青睐得益于激光技术的不断进步,特别是德国LPKF持续发展,它不仅在技术上优于传统的机械分板技术甚至在很多方面比传统的机械分板技术性价比更高。尤其是在高端产品应用中,激光分板技术是不可替代的。

激光分板CleanCut 创新技术

常规激光分板技术中,碳化问题在过去经常发生、甚至被认为是无法避免的,这是在激光层层去除材料过程中产生的。激光能量聚集在被加工位置,材料开始熔化并蒸发,需要控制该过程,不得超过特定的温度阈值否则材料被灼烧形成碳化。例如,对于FR4材料,该阈值为350°C

激光分板工序中材料产生碳化,这一现象很早就出现,现在依然有很多设备无法避免的,给客户带来很多不利因素:气味难闻、视觉缺陷、表面质量差和电路板元器件上存在潜在风险

CleanCut是德国LPKF公司针对电路板激光分板工序的一创新技术,可呈现前所未有的技术清洁度和卓越品质(见图3加工后的产品100%碳化。达到这种技术清洁度,LPKF系统无需额外的清洁步骤,也无需额外延长加工时间。

总的来说,清洁无尘的激光分板技术可以大幅度降低加工过程中的不良率。

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图3 使用LPKF CleanCut创新技术的电路板分板截面图

 

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