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pcb分板过程中切割线路板基板时激光能量对材料的作用

时间:2017/6/8 10:52:29

与传统的机械分板方法相比,使用现代激光系统进行电路板分板可能会对制造工程师提出一些挑战。为了利用激光技术的优势,避免产生意想不到的副作用,必须充分了解激光能量对基板材料的正常影响。本文深入分析使用各种不同的激光系统在进行分板时的操作参数,以确定由此得到的基板材料温度变化。我们建立了一套理论模型,用它和实际的测量结果进行比较。这项研究包括在分板过程中由激光能量造成的温度上升对PCB基板性能的影响,它的影响包括从无法测量出来的变化到不同激光切割参数造成的切割缝侧壁的表面电阻的下降。



分板方法


在SMT行业中有很多分板方法,例如:


1、冲剪/模切

2、v形划刻

3、轮切割/比萨切割

4、锯切

5、喷射水流

6、挖刻(+分段冲裁)


其中的一些方法只适合在成本非常低,质量要求也不高的应用中使用;其他方法只能用于矩形电路板。由于非常大的压力和/或弯曲力可能会导致基板出现某种程度的分层,而这些分层可能会影响电路板的长期可靠性,这是由于其中的一些方法可能会损坏电路板的边缘。这一切都意味在电路板的布局过程中必须要注意保护脆弱的元件,并且有时还要使电路走线远离电路板的边缘。几乎没有人尝试开发用喷射水流来分板的方法。


图1:在一块拼版上使用几种分离方法


最常用的方法是挖刻,不管电路板是什么形状,拼板制造商都是按照围绕各个电路板的切缝来切割的。在进行组装工艺的过程中,为了把电路板保持在拼板中,切缝在少数几个位置是断开的。在拼板中挖刻的切缝宽度通常约为3毫米,这表示在有很多小电路板的情况下,有相当多的拼板空间用来做切割槽。有时,拼板会因为其中有很多槽而变得没有像原来那么坚硬,在组装过程中需要支撑拼板或托盘。为了让电路板能够更容易地从拼板中断开,通常是在连接区域(切缝中断的位置)钻孔,这意味着在电路板布线过程中就必须确定这些钻孔的位置,并且必须让脆弱的元件远离这些位置。


激光切割


最新的分板方法是激光挖刻,它可以在电路板组装工艺最后一个步骤完成之后进行。这意味着拼板在进行激光分板之前的所有组装步骤中始终保持它的刚性。和挖刻器一样,激光切割整块电路板,因此不会产生使电路板边缘弯曲或下压的力,这表示没有在电路板材料上施加压力。由于使用激光,可以切割任何形状的电路板,而且工艺如果完全是由计算机来控制的,可以很快切换到切割不同形状的电路板。


激光系统


激光切割系统的三个主要部分包括激光,用于移动拼板的X–Y坐标板和用来移动与定位激光束位置的扫描器。


有几种类型的激光可以用来切割不同的材料。包括从20多年前波长约10微米的二氧化碳激光到大约在10年前出现的波长约350纳米的紫外激光。大约在20年前引进在不锈钢模板切割系统中使用的1054纳米波长的Nd:YAG激光器。


随着波长变得更短,生产出经济便宜的激光器变得越来越困难。更短波长的激光和那些非常窄的脉冲宽度通常都相当昂贵,这就是为什么在组装行业中要花时间来部署它们的原因。



图2:激光分板系统的例子,在线自动加载与卸载装置


红外激光被称为“热”激光,这是因为它们在材料中沿着预定的路径加热和燃烧来切割材料。紫外激光能够烧蚀材料。高能量短脉冲进入材料的顶层,使材料蒸发,以爆破的方式移掉一层材料。通过对同一路径的多次烧蚀,最终完成材料的切割。由于紫外激光束产生的热量很小,在切割路径的边缘极少甚至不燃烧材料,这取决于如何使用紫外激光(图3)。



图3:红外线切割与紫外线切割


根据光的波长,有些材料会反射光,有些材料是完全透明的。为了使烧蚀方法起作用,激光束必须穿透到材料中进行切割。从图4中可以看到各种电路板成分对不同的光波长的反应。为了能够烧蚀所有电路板,紫外激光是个不错的选择。在过去的10年里,紫外激光(波长约为350纳米)在经济上的吸引力已经显现出来。



图4:电路板的各种成本对不同波长的反应


紫外激光的波长比较短,光学性能非常出色,因此它的光束尺寸能够达到非常小,通常只有约15到25纳米。这使它能够在拼板中切割出一道非常窄的切缝,电路板之间的空间浪费非常少,尤其是在系统结构允许非常精确的激光束位置的情况中。图5是有很小的电路板的拼板的部分的例子。在使用挖刻工艺时,每块拼板的电路板的数量大约是125个,而拼板在经过重新布局后,使用激光切割的电路板数量增加近三倍。这在经济方面的优势非常明显。



图5:非常小的电路的拼版的例子


在这个使用激光系统切割的例子中,一块拼板放在有气流向下流的有排孔表面上,或者通过机械方法安装在高精度可移动的X-Y坐标板上,以防止拼板在切割操作过程中移动。对于两侧都有元件的电路板,需要使用专用的支撑托盘。


为了切割在一块拼板区域上所有的切割路径,整个拼板区域分成多个50毫米x 50毫米的方块,电脑通过安装在电流计上的镜子精密地控制激光束在各个方块区域中的移动。激光束在这些方块区域中的移动速度得到很好的控制,移动速度最高可达到1000毫米/秒。如图6所示,空气流在切割时通过整个拼板,带走碎片,尽可能减少留在拼板顶部的碎片。当一个50毫米x 50毫米方块区域内的切割完成后,坐标板移动到下一个方块区域,直到切割任务结束。


图6:空气流与排气


定位精度


激光系统可以根据原始设计数据(例如Gerber文件)使用拼板的基准点定位要切割的位置。由电脑控制的坐标板的移动和电流计的移动,可以在假定的25微米范围内定位激光束。不过,在分离电路板或柔性电路时,拼板图像的精度通常比较低,往往因为如此,对于拼板中比较小的部分使用额外的基准点,变得很有必要。甚至可以使用电路板图案可辨认的部分来满足更精确的电路板边缘定位要求。


电路板表面的残留物


即使气流穿过整个切割区域(图6),也不是所有被切下来的材料都会被气流从切缝中带走。一些留在切缝中的颗粒是粉末状的环氧树脂颗粒和玻璃颗粒。这些颗粒中经过测量最大尺寸没有超过20微米,平均尺寸在10微米左右。(请参见图7中所示的圆形区域)。它们的尺寸和数量不会引起关注。


图7:激光切割后的表面


但为了确定重新沉积的材料是否会引起问题,设计出一种用FR4材料制作的厚度为800微米的测试电路板(图7)。测试电路板有四种图案,分为两组,分别内置了数字化梳状器。把每一对这样的梳状器和电路板的边缘连接起来,便于测量表面绝缘电阻(SIR)。作为这个测试的一部分,在离梳状器非常近的位置切割一个槽。在这个槽切割完成之后,这些测试电路板(在40°C,RH = 93%,无凝结的环境下)经过长达170个小时的气候测试并测量表面绝缘电阻。在所有的测量值中,超过10E11欧姆就表示表面绝缘电阻没有受到不良影响(图8)。



图8:表明电阻测量

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