PCB电路板行业中的紫外激光加工应用

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UV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UV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。 

图1：CO2激光（左）与UV激光（右）的切割槽比较。UV激光产生热效应较小，其切割边沿干净、整齐

如今，激光系统配置的长寿命激光源已基本接近免维护，在生产过程中，激光等级为1级，安全无需其他保护装置。LPKF激光系统配备吸尘装置，不会造成有害物质的排放。加上其直观易操作的软件控制，使得激光技术正在取代传统机械工艺，节省了特殊刀具的成本。 
    CO2激光还是UV激光？ 
    例如PCB电路板分板或切割时，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。 
    UV激光波长为355nm。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。 
    UV激光加工的优势 
    UV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，UV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。 

图2：一个基板多个元器件，即使紧贴线路也可安全分板

UV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。 
    此外，LPKF UV激光系统集成CAM 软件可直接导入从CAD中导出的数据，对激光切割路径进行编辑，形成激光切割轮廓，选择适用于不同材料的加工参数库，就可以直接激光加工。该激光系统既适合大批量的量产加工，也适用于试样生产。 

    钻孔应用 
    电路板中的通孔用于连接双面板的正反面间线路，或用于连接多层板中任意层间线路。为了其导电，需要在钻孔后将孔壁镀上金属层。如今采用传统的机械方法已经无法满足钻孔直径越来越小的要求：尽管提高了主轴转速，但精密钻孔刀具的径向速度会因直径太小而降低，甚至无法完成要求的加工效果。另外，从经济层面考虑，易于磨损的刀具耗材也是一个限制性因素。 
    针对柔性电路板的钻孔，LPKF公司研发了一种新型的激光钻孔系统。LPKFMicroLine 5000激光设备配有533mm x 610 mm的工作台面，可以卷对卷的自动化作业。钻孔时，激光可以先从孔的中心出发切出微孔轮廓，这比普通方法更为精确。系统可以在高径深比的情况下，在有机或非有机的基板上钻制最小直径为20μm的微孔。柔性电路板、IC基板或HDI电路板都非常需要这样的精度。 
    半固化片切割 
    在电子组件制造过程中，哪些情况要求切割半固化片材料？早在初期，半固化片材料就已经被应用于多层电路板中。多层电路板中的各个电路层通过半固化片的作用被压合在一起；根据电路设计，一些区域的半固化片需要事先切割开窗然后被压合。 

图3：通过激光工艺可以在敏感的覆盖层上形成精确的轮廓

类似的过程也适用于FPC覆盖膜。覆盖膜通常由聚酰亚胺以及厚度为25μm或12．5μm的胶层构成，且容易变形。单个区域（例如焊盘）无需覆盖膜遮盖，以便后期进行装配、连接等工作。 
    这种薄性材料对于机械应力非常敏感——靠非接触式的激光加工可以轻松完成。同时，真空吸附台能够很好固定其位置，保持其平整度。 

    软硬结合板加工 
    在软硬结合板中，将刚性PCB与柔性PCB压合一起形成多层板。压合过程时，柔性PCB上方并没有和刚性PCB压合粘接在一起，通过激光定深切割把覆盖在柔性PCB上面的刚性盖子切割、分离，留下柔性部分，形成软硬结合板。 
    这样的定深加工同样适用于多层板中表面嵌入集成元件的盲槽加工。UV激光会精确切割从多层电路板中分离出来的目标层的盲槽。在该区域内，目标层与其上面所覆盖的材料不可形成连接。 
    PCB和FPC的高效分板 
    SMT后分板即切割多种电子元器件已被装配的电路板，该工序已经处在生产链的末端。对于分板，可选择不同的技术：对于通常用的PCB，优先考虑使用传统的刀切、冲压和轮廓铣削等工艺。对于较为复杂的电子线路以及薄型基板尤其是对机械应力、粉尘和尺寸偏差非常敏感的情况，则采用UV激光切割分板更有优势。以下三个图表从不同因素对这三种方法进行了评估。 

图4：分板方法比较：其他方法无法达到 UV激光器的分板质量

对于完整轮廓的切割，德国LPKF公司会根据使用的不同激光源，建议切割材料厚度不超过1．6mm。针对某些较厚的材料，以及价格昂贵的装配组件，优先考虑安全和质量层面，而切割时长则是其次。 

图5：在Tab－Cut中，激光切割断点分板

切割断点分板，激光系统会通过一个前面所述的加工过程切断连接点。这个切割过程可紧挨靠近边缘的元器件进行，对于较厚的电路板来说也是非常经济的。 
    其他应用领域 
    由于UV激光波长较短，可适用于大多数的材料加工。例如，在电子工业领域可将其用于： 
    ● 加工TCO／ITO玻璃且基底无损伤 
    ● 在柔性或薄型材料上钻孔 
    ● 阻焊层或覆盖膜开窗 
    ● 刚柔／柔性电路板分板 
    ● 开槽 
    ● 已装配或未装配电路板的返修 
    ● 切割烧结陶瓷 
    ● 精密切割 LTCC 

不仅限于对电路板的加工，UV激光系统还可在一个加工作业中同时完成LTCC组件的切割、直写和钻孔。