Nutzentrennen bestückter und unbestückter Leiterplatten mit Laser

Kleinere Geräte – kleinere Leiterplatten. Diese Entwicklung hat zur Folge, dass auch die Verfahren zum Heraustrennen einzelner Schaltkreise aus größeren Substraten höheren Anforderungen entsprechen müssen. Das Laserschneiden empfiehlt sich hier als fortschrittliche Technologie mit vielen Vorteilen.

Klassische Trennverfahren mit Stanzen oder Schlagscheren haben einen gravierenden Nachteil: Die hohen mechanischen Belastungen können die SMD-Bauteile, Lötverbindungen oder das Substrat schädigen und das erhöht die Ausfallrate. Stressärmere Techniken wie Fräsen oder Sägen verursachen Staub – ebenfalls eine ernstzunehmende Fehlerquelle.

An dieser Stelle kommt das Trennen mit Lasersystemen ins Spiel: Das Procedere ist nahezu staubfrei und vermeidet jede mechanische Beanspruchung. Darüber hinaus bietet es eine besondere Flexibilität: auch komplizierte Konturen lassen sich ohne besondere Werkzeuge maßgenau produzieren.

Für die Umstellung der Schneidkonturen reicht es, eine neue Layoutdatei zu laden. Werkzeugkosten und Umrüstzeiten entfallen. Für doppelseitig bestückte Leiterplatten sind lediglich passende Aufnahmen vorzusehen. Große Bauteilhöhen stellen keine Hürde für das berührungslose Laser-Depanelling dar, während herkömmliche Verfahren nicht mehr zum Einsatz kommen können.

Ein weiterer Aspekt ist die bislang unerreichte Präzision: Der Laserstrahl schneidet mit einem Fokus von wenigen Mikrometern. Diese enge Fokussierung verhindert, dass Bauteile oder Leiterstrukturen am Rand der einzelnen Leiterplatte beeinflusst werden. Das erhöht die mögliche Packungsdichte. Durch minimierte Schnittkanäle lassen sich beim Lasertrennverfahren in vielen Fällen zusätzliche Boards auf einem Nutzen platzieren.

Schnittleistung und -qualität sind vom verwendeten Material, dessen Stärke und der eingesetzten Laserquelle abhängig. Grundsätzlich gilt: Je dünner, desto schneller. Lasersysteme haben gerade da ihre Stärken, wo die Probleme klassischer Verfahren beginnen. Da sie berührungslos schneiden, sind auch feine, flexible oder starr-flexible Strukturen kein Hindernis.

CO2-Laser oder UV-Laser?

Bei dünnen PI-Substraten erreichen CO2-Laser in Tests beim Garbsener Laserspezialisten LPKF Laser & Electronics eine effektive Schneidgeschwindigkeit von über 950 mm/s. Der UV-Laser trennt in der gleichen Zeit eine Strecke von immerhin 95 mm. Auch bei stärkeren Materialien bleibt dieses Verhältnis bestehen. Der CO2-Laser erreicht etwa zehnfach höhere Schneidgeschwindigkeiten.

Bei der Betrachtung der Qualität dreht sich diese Verhältnis um: Im PI-Beispiel erreicht der CO2-Laser eine Schnittbreite von 120 µm, der UV-Laser unterbietet diesen Wert mit lediglich 30 µm deutlich. Die Faustregel: Der CO2-Laser ermöglicht höhere Schneidgeschwindigkeiten, der UV-Laser hat Vorteile bei Präzision und Qualität. Seine Fähigkeit, auch Metalle zu trennen, öffnet dem UV-Laser weitere Einsatzgebiete.
 
Mit zunehmender Materialstärke nimmt die Schnittleistung ab. Das ist leicht zu erklären: Jeder Laserimpuls verdampft eine bestimmte Menge Material. Bei dickeren Substraten schneidet der Laser das Substrat in mehreren Durchgängen von oben nach unten.

Die Effektivität beim Laser-Depanneling hängt von weiteren Faktoren ab. Die Strahlführung des Lasers, die Positionierung von Laserkopf und Werkstück und die Integration in eine durchgängige Produktionslinie sind wichtige Kriterien für die wirtschaftliche Integration in die Leiterplattenfertigung. LPKF Laser & Electronics entwickelt und vertreibt Lasersysteme für unterschiedliche Aufgaben in der Elektronikindustrie. Diese Systeme lassen sich für bestückte und unbestückte Leiterplatten einsetzen, bei denen herkömmliche Trennverfahren scheitern.

Karbonisierung

Das Lasertrennen ist ein thermisches Verfahren. Aufgrund der extremen Fokussierung verdampfen die geschnittenen Leiterplattenmaterialien in Sekundenbruchteilen. Dabei entsteht bei einigen Materialien eine Karbonisierung – ein dunkler Rand entlang der Schneidkontur. Richtig ausgeführt ist diese Karbonisierung lediglich kosmetischer Natur: Messreihen belegen, dass weder Kriechströme auftreten noch die Durchschlagfestigkeit beeinträchtig wird.

LPKF Laser & Electronics produziert Maschinen und Lasersysteme, die in der Elektronikfertigung, in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und bei der Herstellung von Solarzellen zum Einsatz kommen. Rund 20 Prozent der Mitarbeiter sind im Bereich Forschung und Entwicklung beschäftigt.