《电子技术应用》

CO2激光应用于PCB制造的可加工性研究

Research on CO2 laser used in PCB manufacturing

惠州市金百泽电路科技有限公司 作者:吴军权 林映生 卫雄 陈春
2016/12/16 13:27:00

作者简介:

吴军权:大学本科毕业,现任金百泽技术中心研发部工程师。

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摘要:

随着PCB产品趋于短小轻薄和组装结构多样化,不少PCB厂商引入了激光制造工艺以应对结构复杂产品的精密加工。二氧化碳激光常用于PCB的微盲孔加工和薄板切割加工,实际上还可用于开发多种材料的精密加工。本课题通过研究激光的线面加工原理及多种板材的激光加工效果,从而提出了PTFE板料激光切割、激光控深铣槽等新型激光加工技术。

关键词:激光线面加工  PTFE板料激光切割  激光控深铣槽

Abstract:

As the PCB product tending to be short, thin and assembly structures with diversified, many PCB manufacturers introduce laser precision machining to deal with the complex structure product. Carbon dioxide laser is used in micro-blind hole machining and sheet cutting. In fact, it can also be used in a variety of materials developing precision machining. By studying the laser line and surface processing principle and the effect of various laser processing, we proposed new laser machining technology such as PTFE material laser cutting, laser depth control milling groove technology and so on.

Key words:Laser Line And Surface Machining; PTFE Material Laser Cutting; Laser Depth Control Milling Groove

1  前言

随着电子技术的快速发展,市场上逐渐出现了许多结构复杂、加工精密的PCB产品。新产品对加工精度的要求在提升,对产品外观的要求也变得严格,而且还有了采用新型板材制板的需求,这使得传统的机械加工变得难以满足如此新颖的市场需求。由于激光加工具有优于传统机械加工的精密加工性、高速加工性、低成本加工性,越来越多的厂商开始引入激光设备开发新的制板工艺来应对此状况。为了更好地开发二氧化碳激光加工技术,我们先对二氧化碳激光可能的加工模式进行分析。

       2  二氧化碳激光的加工模式分析

用于PCB加工的二氧化碳激光通常为波长10.6um的高功率脉冲整形激光,对非金属材料具有极强的加工能力。目前常用的二氧化碳激光加工技术有微盲孔加工、软板PI切割以及激光打标等,如下图1和图2所示。

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图1 激光加工微盲孔                            图2  激光加工PI覆盖膜

可见目前的二氧化碳激光加工特点在于点加工和简单的薄板线加工,这不禁让我们开始思考二氧化碳激光是否具有其它加工模式。如何进一步拓展其应用,实现由点及线的线加工方式,以及由点及面的面加工方式,已成为业界同行共同思考的话题。

2.1  二氧化碳激光线加工原理及分析

二氧化碳激光线加工,其实质是由点连成线的点阵式加工。当连成线的相邻光点间距足够小的时候,激光将呈现出平滑的线加工效果,沿线方向激光线加工的效果如下图3所示。

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图3 沿线方向激光线加工效果

此外激光的加工焦距有一定的范围,激光加工能量会随加工深度增加而衰减,加工本质类似于V-CUT外形。但由于激光光束径很小,加工出来的开口很小,通常被认为具有平直切割的效果,而截面的线加工效果如下图4所示。

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图4 激光线加工截面效果

2.2  二氧化碳激光面加工原理及分析

激光面加工涉及三个维度,加工时以点阵图形确定加工面的两个维度,以激光能量确定加工深度一个维度。点阵图的设计根据光束径尺寸进行间距计算,铺满整个加工面,可满足激光在各种深度下加工出均匀的平面,如下图5所示。

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图5 激光面加工点阵图模型                   图6  激光面加工截面示意图

       以点阵方式进行面加工,加工面的底部会存在微坑,但只要激光能量调整适当,可使得加工深度的可控性不受微坑影响,而且从宏观看加工面几乎是平整的,其加工示意图如上图6所示。

3  二氧化碳激光线面加工模式应用与技术开发

3.1  二氧化碳激光线加工应用研究

3.1.1  PCB材料的激光线加工效果分析

二氧化碳激光通常用于加工非金属材料,非金属材料对二氧化碳激光的能量吸收率较高,因此我们将对环氧树脂+玻纤、PTFE+玻纤及陶瓷填料+玻纤这几类常用的基材进行激光加工效果分析,以研究其激光加工的外观品质及加工可控程度。我们围绕三个方面对多种板材的激光线加工效果进行考察。第一方面是激光加工效率,以同参数下的加工深度比值来表示;第二个方面是加工均匀性,以加工的最大偏差值来表示;第三方面是外观品质,观察加工后的产品外观是否严重碳化。材料的激光线加工效果如下表1所示。

表1  几种材料的激光线加工效果

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由上述的激光线加工效果可知,加工效率方面PTFE+玻纤材料的线加工深度比较高,更容易被激光加工;均匀性上最大偏差值均小于0.1mm,表明材料的线加工的可控程度可满足常规外形公差;而加工外观环氧树脂+玻纤材料较容易出现碳化现象,陶瓷填料+玻纤材料也会出现轻微的碳化现象,而PTFE+玻纤材料则不存在碳化现象,若对产品外观要求严格把控时,不同材料的碳化情况应引起注意。

3.1.2  二氧化碳激光线加工技术开发

我们常用激光来进行PI覆盖膜、软板薄板的切割加工,激光线工的能力仿佛被定格于薄板及软性材料的切割加工。通过上述材料对激光加工能力的考察,我们知道激光同样也可满足硬材料的切割,而且控深加工能力很强,因此激光线加工可满足的材料切割品种和材料厚度有更大的开发空间。

(1)软硬结合板单面激光揭盖技术

软硬结合板是新型PCB产品的主力军之一,揭盖技术通常使用机械V-CUT工艺。实际上激光也可实现软硬结合板的揭盖加工[1],基于激光强大的控深加工能力,通过对激光能量的适当调整可得到一定范围内所需的深度加工,类似于机械V-CUT加工,加工效果如下图7和图8所示。

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图7 激光线加工V-CUT效果                  图8 激光线加工后揭盖实物效果图

相比常规的机械V-CUT加工,激光控深线加工可实现更小深度的精确加工。而机械V-CUT的控深精度受板材硬度和厚度影响,因此难以实现薄板加工和较小深度的V-CUT精确加工。

此外由于激光线加工在揭盖加工时不必像机械加工一样为了保证外形尺寸精度而进行双面V-CUT,可直接单面激光加工到盖板底部,也无需做精度补偿,如下图9所示。

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图9 机械揭盖与激光揭盖的区别

(2)PTFE板料激光切割技术

PTFE板料采用常规的机械铣加工很容易在边缘产生毛刺,后期处理或再返工十分耗时。而采用激光加工则不存在毛刺,上述试验结果也表明PTFE进行激光切割时无碳化现象,因此该板料是极其适合采用激光进行外形加工的。

然而用PTFE板料制作的成品PCB远比我们用于PI软板切割要厚,进行激光切割时容易超出焦距范围。此时只靠常规单面激光加工无法满足需求,因此可利用激光进行双面切割来提升对厚板的切割性能,机械加工与激光加工效果对比分别如下图10和图11所示。

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图10  PTFE板料激光切割示意图          图11  PTFE板料机械铣与激光切割效果对比

3.2  二氧化碳激光面加工应用研究

3.2.1  PCB材料的激光面加工研究

与上述对多种材料进行激光线加工的研究方式一样,激光面加工同样围绕材料的激光加工效率、加工均匀性和外观品质这三个方面展开研究,材料的激光面加工效果如下表2所示。

表2  几种材料的激光面加工效果

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由上表2对几种材料的激光面加工测试可知,加工效率方面同样是PTFE+玻纤材料的面加工深度比较高,均匀性上最大偏差值均小于0.1mm,材料的面加工可控程度依然可满足常规外形公差;加工外观方面,环氧树脂+玻纤材料整个加工面已经出现较严重的碳化,其余材料面加工的碳化程度则比较低。在使用这些材料进行激光面加工时,需要优先考虑激光加工引起的外观问题能否有解决方案或满足客户的加工需求。

3.2.2  二氧化碳激光线加工技术开发

激光面加工常见的应用是激光打标,即图形字符的表面雕刻,属于比较浅层的激光加工。实际上同样类似激光图形应用的浅层加工还可以用于对阻焊油墨的修整。若对加工深度进行较大的提升,则可以把加工能力延伸至凹槽加工。

(1)激光阻焊返工技术

我们有时会遇到阻焊层漏开窗或油墨入孔的问题,这种情况通常只能褪阻焊返工或报废处理。实际上激光加工设备的出现可以很轻易地解决这样的难题,我们在前面提到二氧化碳激光加工具有高精度定位的优点及强大的控深加工能力,利用这些优势对需要阻焊返工的部位进行激光面加工,可快速地完成高品质阻焊返工,效果如下图12所示。

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(a)焊盘位阻焊漏开窗                                  (b)激光阻焊返工后

图12 激光阻焊返工前后效果对比

(2)激光控深铣槽技术

凹槽加工特别是台阶槽加工,经常因为压合厚度公差控制问题、开窗流胶问题和机械铣控深精度问题而难以加工,采用传统的机械加工工艺需要很高工艺流程配合度才能实现大批量的生产,否则即便是样板生产也会面临大量的报废风险。而激光面加工的控深加工能力十分出色,若应用于台阶槽加工,可以采用更简单的压合结构,从而避免机械加工时出现的诸多困扰。

采用激光控深铣槽技术,台阶板在压合时无需开窗,因此不存在流胶控制的问题。二氧化碳激光对金属和非金属具有选择性加工,对金属加工能力很弱,即便压合厚度有一定的浮动也不影响台阶位的焊盘完整性,机械加工则容易因板厚变化或下刀倾斜而伤及焊盘。激光加工台阶槽时,可直接从最表层激光控深面加工至所需层次,再利用金属对激光的弱吸收率对焊盘进行激光除胶,此时可得到较完整的台阶槽,加工原理及加工效果分别如下图13和图14所示。

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图13  激光控深铣槽加工示意图      图14  FR-4+陶瓷板料混压三阶台阶槽激光加工实物效果图

4  结论

综上所述,二氧化碳激光可应用于多种PCB材料的线面加工,由激光线面加工衍生的一些新的激光加工技术,可轻易解决传统制造工艺的一些难题,从而实现PCB的精细加工。在如今产品林立的PCB市场,实现结构复杂产品的精密加工已逐步了成为追求高附加值PCB产品制造的技术发展趋势。激光加工技术承载着高精密加工的使命,不断挑战着传统制造工艺所难以实现的精密加工极限,有望成为日后复杂结构PCB精密加工的主流加工技术。

参考文献

[1] 林映生,林启恒,吴军权,陈裕韬,陈春,二氧化碳激光钻孔机新技术应用的探究[J].印制电路信息,2013,4.


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