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CO2激光應用于PCB制造的可加工性研究

Research on CO2 laser used in PCB manufacturing
2016-12-16
作者:吳軍權 林映生 衛雄 陳春
來源:惠州市金百澤電路科技有限公司
關鍵詞: PCB PTFE板料

作者簡介:

吳軍權:大學本科畢業,現任金百澤技術中心研發部工程師。

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摘要:

隨著PCB產品趨于短小輕薄和組裝結構多樣化,不少PCB廠商引入了激光制造工藝以應對結構復雜產品的精密加工。二氧化碳激光常用于PCB的微盲孔加工和薄板切割加工,實際上還可用于開發多種材料的精密加工。本課題通過研究激光的線面加工原理及多種板材的激光加工效果,從而提出了PTFE板料激光切割、激光控深銑槽等新型激光加工技術。

關鍵詞:激光線面加工  PTFE板料激光切割  激光控深銑槽

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

隨著電子技術的快速發展,市場上逐漸出現了許多結構復雜、加工精密的PCB產品。新產品對加工精度的要求在提升,對產品外觀的要求也變得嚴格,而且還有了采用新型板材制板的需求,這使得傳統的機械加工變得難以滿足如此新穎的市場需求。由于激光加工具有優于傳統機械加工的精密加工性、高速加工性、低成本加工性,越來越多的廠商開始引入激光設備開發新的制板工藝來應對此狀況。為了更好地開發二氧化碳激光加工技術,我們先對二氧化碳激光可能的加工模式進行分析。

       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為波長10.6um的高功率脈沖整形激光,對非金屬材料具有極強的加工能力。目前常用的二氧化碳激光加工技術有微盲孔加工、軟板PI切割以及激光打標等,如下圖1和圖2所示。

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圖1 激光加工微盲孔                            圖2  激光加工PI覆蓋膜

可見目前的二氧化碳激光加工特點在于點加工和簡單的薄板線加工,這不禁讓我們開始思考二氧化碳激光是否具有其它加工模式。如何進一步拓展其應用,實現由點及線的線加工方式,以及由點及面的面加工方式,已成為業界同行共同思考的話題。

2.1  二氧化碳激光線加工原理及分析

二氧化碳激光線加工,其實質是由點連成線的點陣式加工。當連成線的相鄰光點間距足夠小的時候,激光將呈現出平滑的線加工效果,沿線方向激光線加工的效果如下圖3所示。

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圖3 沿線方向激光線加工效果

此外激光的加工焦距有一定的范圍,激光加工能量會隨加工深度增加而衰減,加工本質類似于V-CUT外形。但由于激光光束徑很小,加工出來的開口很小,通常被認為具有平直切割的效果,而截面的線加工效果如下圖4所示。

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圖4 激光線加工截面效果

2.2  二氧化碳激光面加工原理及分析

激光面加工涉及三個維度,加工時以點陣圖形確定加工面的兩個維度,以激光能量確定加工深度一個維度。點陣圖的設計根據光束徑尺寸進行間距計算,鋪滿整個加工面,可滿足激光在各種深度下加工出均勻的平面,如下圖5所示。

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圖5 激光面加工點陣圖模型                   圖6  激光面加工截面示意圖

       以點陣方式進行面加工,加工面的底部會存在微坑,但只要激光能量調整適當,可使得加工深度的可控性不受微坑影響,而且從宏觀看加工面幾乎是平整的,其加工示意圖如上圖6所示。

3  二氧化碳激光線面加工模式應用與技術開發

3.1  二氧化碳激光線加工應用研究

3.1.1  PCB材料的激光線加工效果分析

二氧化碳激光通常用于加工非金屬材料,非金屬材料對二氧化碳激光的能量吸收率較高,因此我們將對環氧樹脂+玻纖、PTFE+玻纖及陶瓷填料+玻纖這幾類常用的基材進行激光加工效果分析,以研究其激光加工的外觀品質及加工可控程度。我們圍繞三個方面對多種板材的激光線加工效果進行考察。第一方面是激光加工效率,以同參數下的加工深度比值來表示;第二個方面是加工均勻性,以加工的最大偏差值來表示;第三方面是外觀品質,觀察加工后的產品外觀是否嚴重碳化。材料的激光線加工效果如下表1所示。

表1  幾種材料的激光線加工效果

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由上述的激光線加工效果可知,加工效率方面PTFE+玻纖材料的線加工深度比較高,更容易被激光加工;均勻性上最大偏差值均小于0.1mm,表明材料的線加工的可控程度可滿足常規外形公差;而加工外觀環氧樹脂+玻纖材料較容易出現碳化現象,陶瓷填料+玻纖材料也會出現輕微的碳化現象,而PTFE+玻纖材料則不存在碳化現象,若對產品外觀要求嚴格把控時,不同材料的碳化情況應引起注意。

3.1.2  二氧化碳激光線加工技術開發

我們常用激光來進行PI覆蓋膜、軟板薄板的切割加工,激光線工的能力仿佛被定格于薄板及軟性材料的切割加工。通過上述材料對激光加工能力的考察,我們知道激光同樣也可滿足硬材料的切割,而且控深加工能力很強,因此激光線加工可滿足的材料切割品種和材料厚度有更大的開發空間。

(1)軟硬結合板單面激光揭蓋技術

軟硬結合板是新型PCB產品的主力軍之一,揭蓋技術通常使用機械V-CUT工藝。實際上激光也可實現軟硬結合板的揭蓋加工[1],基于激光強大的控深加工能力,通過對激光能量的適當調整可得到一定范圍內所需的深度加工,類似于機械V-CUT加工,加工效果如下圖7和圖8所示。

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圖7 激光線加工V-CUT效果                  圖8 激光線加工后揭蓋實物效果圖

相比常規的機械V-CUT加工,激光控深線加工可實現更小深度的精確加工。而機械V-CUT的控深精度受板材硬度和厚度影響,因此難以實現薄板加工和較小深度的V-CUT精確加工。

此外由于激光線加工在揭蓋加工時不必像機械加工一樣為了保證外形尺寸精度而進行雙面V-CUT,可直接單面激光加工到蓋板底部,也無需做精度補償,如下圖9所示。

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圖9 機械揭蓋與激光揭蓋的區別

(2)PTFE板料激光切割技術

PTFE板料采用常規的機械銑加工很容易在邊緣產生毛刺,后期處理或再返工十分耗時。而采用激光加工則不存在毛刺,上述試驗結果也表明PTFE進行激光切割時無碳化現象,因此該板料是極其適合采用激光進行外形加工的。

然而用PTFE板料制作的成品PCB遠比我們用于PI軟板切割要厚,進行激光切割時容易超出焦距范圍。此時只靠常規單面激光加工無法滿足需求,因此可利用激光進行雙面切割來提升對厚板的切割性能,機械加工與激光加工效果對比分別如下圖10和圖11所示。

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圖10  PTFE板料激光切割示意圖          圖11  PTFE板料機械銑與激光切割效果對比

3.2  二氧化碳激光面加工應用研究

3.2.1  PCB材料的激光面加工研究

與上述對多種材料進行激光線加工的研究方式一樣,激光面加工同樣圍繞材料的激光加工效率、加工均勻性和外觀品質這三個方面展開研究,材料的激光面加工效果如下表2所示。

表2  幾種材料的激光面加工效果

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由上表2對幾種材料的激光面加工測試可知,加工效率方面同樣是PTFE+玻纖材料的面加工深度比較高,均勻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滿足常規外形公差;加工外觀方面,環氧樹脂+玻纖材料整個加工面已經出現較嚴重的碳化,其余材料面加工的碳化程度則比較低。在使用這些材料進行激光面加工時,需要優先考慮激光加工引起的外觀問題能否有解決方案或滿足客戶的加工需求。

3.2.2  二氧化碳激光線加工技術開發

激光面加工常見的應用是激光打標,即圖形字符的表面雕刻,屬于比較淺層的激光加工。實際上同樣類似激光圖形應用的淺層加工還可以用于對阻焊油墨的修整。若對加工深度進行較大的提升,則可以把加工能力延伸至凹槽加工。

(1)激光阻焊返工技術

我們有時會遇到阻焊層漏開窗或油墨入孔的問題,這種情況通常只能褪阻焊返工或報廢處理。實際上激光加工設備的出現可以很輕易地解決這樣的難題,我們在前面提到二氧化碳激光加工具有高精度定位的優點及強大的控深加工能力,利用這些優勢對需要阻焊返工的部位進行激光面加工,可快速地完成高品質阻焊返工,效果如下圖12所示。

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(a)焊盤位阻焊漏開窗                                  (b)激光阻焊返工后

圖12 激光阻焊返工前后效果對比

(2)激光控深銑槽技術

凹槽加工特別是臺階槽加工,經常因為壓合厚度公差控制問題、開窗流膠問題和機械銑控深精度問題而難以加工,采用傳統的機械加工工藝需要很高工藝流程配合度才能實現大批量的生產,否則即便是樣板生產也會面臨大量的報廢風險。而激光面加工的控深加工能力十分出色,若應用于臺階槽加工,可以采用更簡單的壓合結構,從而避免機械加工時出現的諸多困擾。

采用激光控深銑槽技術,臺階板在壓合時無需開窗,因此不存在流膠控制的問題。二氧化碳激光對金屬和非金屬具有選擇性加工,對金屬加工能力很弱,即便壓合厚度有一定的浮動也不影響臺階位的焊盤完整性,機械加工則容易因板厚變化或下刀傾斜而傷及焊盤。激光加工臺階槽時,可直接從最表層激光控深面加工至所需層次,再利用金屬對激光的弱吸收率對焊盤進行激光除膠,此時可得到較完整的臺階槽,加工原理及加工效果分別如下圖13和圖14所示。

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圖13  激光控深銑槽加工示意圖      圖14  FR-4+陶瓷板料混壓三階臺階槽激光加工實物效果圖

4  結論

綜上所述,二氧化碳激光可應用于多種PCB材料的線面加工,由激光線面加工衍生的一些新的激光加工技術,可輕易解決傳統制造工藝的一些難題,從而實現PCB的精細加工。在如今產品林立的PCB市場,實現結構復雜產品的精密加工已逐步了成為追求高附加值PCB產品制造的技術發展趨勢。激光加工技術承載著高精密加工的使命,不斷挑戰著傳統制造工藝所難以實現的精密加工極限,有望成為日后復雜結構PCB精密加工的主流加工技術。

參考文獻

[1] 林映生,林啟恒,吳軍權,陳裕韜,陳春,二氧化碳激光鉆孔機新技術應用的探究[J].印制電路信息,2013,4.


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