In der Produktion von Leiterplatten gelten – je nach Umfeld – ganz unterschiedliche Anforderungen. Das machen zwei Beispiele deutlich. Beispiel 1: Für die Entwicklung und Klein-/Mittelserienproduktion, wie sie in Europa und den USA vorherrscht, gilt das Gebot der unbedingten Flexibilität. Die hier hergestellten Stückzahlen pro Baugruppe reichen meist nicht aus, um aufwändige spezifische Maschinen in einer Linie einzusetzen. Beispiel 2: Asiatische Zulieferer von Smartphone-Komponenten produzieren riesige Stückzahlen und sind auf hohen Durchsatz, sichere Prozesse und einfache Bedienung der Produktionsanlagen angewiesen. Die Gemeinsamkeit bei den Beispielen ist, dass bei beiden ein verlässlicher Prozess und eine hohe Qualität der Bearbeitung nötig ist. Diese Anforderungen lassen sich mit dem Einsatz moderner Lasertechnik erfüllen.
Lotpastenstencils mit dem Laser herstellen
Um Lotpastenschablonen (Stencils) herzustellen, nutzt man als Standardverfahren das Laser-Schmelzschneiden. Beim Lotpastendruck wird die Lotpaste mit einer Rakel über den Stencil gezogen. Dabei gelangt die Lotpaste durch Löcher im Stencil auf die Leiterplatte. Nach dem Abheben des Stencils werden SMD-Bauteile auf die Lotpastendepots appliziert und anschließend verlötet. Die Stencilproduktion findet im Vorfeld der PCB-Herstellung statt. Beim Schneiden der Löcher kommt es auf eine hohe Präzision der Aperturen an, sowohl in Lage als auch in Größe, Form und Orientierung. In mehr als zwanzig Jahren haben sich die Verfahren so weit entwickelt, dass auch Bauteile mit Seitenlängen unter 1 mm oder hochpolige ICs ankontaktiert werden können.
Mittlerweile gewinnen auch Sonderformen von Stencils an Bedeutung. Step-Up-Stencils weisen Verstärkungen an der Oberfläche auf, so dass lokal mehr Lotpaste auf die Leiterplatte übertragen wird. Das ist zum Beispiel bei mechanisch beanspruchten Komponenten wie Steckverbindungen erforderlich. Auch der umgekehrte Weg ist möglich: Bei Step-Down-Stencils wird die Metallfolie lokal abgetragen, so dass geringere Lotpastenvolumina auf die Leiterplatte gelangen. Diese Form ist bei kleinen, hochpoligen ICs sinnvoll.
Maschinen wie der Stencil-Laser erzeugen die Löcher, indem der Laser im Inneren eines Lochs einsticht und den Schneidkanal zu den Rändern der Apertur weiterführt. Anstatt das gesamte Material zu verdampfen, erzeugt der Laserstrahl eine Schmelze, die mit einem Schneidgas auf der Schnittfuge ausgetrieben wird. Moderne Systeme können für anspruchslose Passagen wie Haltelöcher die Schneidqualität zugunsten der Leistung reduzieren und im Prozess zwischen unterschiedlichen Schneidgasen umschalten. Um das Schneidergebnis zu prüfen, empfiehlt sich eine Inline-Kontrolle noch im Prozess. Das reduziert externe Arbeitsschritte und erhöht die Produktivität des Lasers. Lasergeschnittene Lotpastenstencils lassen sich derzeit mit einer effektiven Größe bis zu 60 cm x
160 cm herstellen, zum Beispiel für große Beleuchtungsträger.
UV-Laser können sehr präzise schneiden
Will man Konturen aus vollflächigen Basismaterialien herausarbeiten, hat der Laser klare Vorteile: Er kann anspruchsvolle Konturen ohne Masken allein aus Prozessdaten bearbeiten, ohne die Materialien mechanisch zu beeinträchtigen. Beim thermischen Eintrag sieht das etwas anders aus: Je nach Laserwellenlänge treten mehr oder weniger deutliche Karbonisierungen an den Schneidrändern auf. Dabei ist der UV-Laser gegenüber den leistungsstärkeren CO2-Lasern im Vorteil: Aufgrund der Wellenlänge treten kaum Schneidspuren am organischen Material auf, und auch die thermische Einflusszone ist auf wenige Mikrometer um die Schneidkontur begrenzt.
Diese Fähigkeiten machen den UV-Laser an mehreren Stationen der PCB-Fertigung interessant. Zunächst empfiehlt sich der Laser bei Prepregs und Coverlayern. Beides sind flexible Materialien, die empfindlich auf mechanische Einflüsse während des Bearbeitens reagieren. Beim Laserprozess werden solche Folien mit Vakuumtischen in Position gehalten und vom Laser verzerrungsfrei getrennt.
Bei bereits aus Vorprozessen beeinträchtigten Substraten kann der Laser in vielen Fällen noch Gutteile erzeugen: Ein Vision-System erkennt der Laser Lageveränderungen in x- und y-Richtung, aber auch Rotationen und Verzerrungen. Da keine Werkzeuge erforderlich sind, kann das Lasersystem die geplante Schneidkontur so anpassen, dass normgerechte Bauteile entstehen.
Eine Sonderform des Konturschneidens ist das Bohren – hier schneidet der Laser einfach eine runde Kontur. Ein modernes Laserbohrsystem erzeugt Löcher mit einem minimalen Durchmesser von 20 Mikrometern in flexiblem Material und punktet dazu noch mit hoher Leistung und sehr guten Schneidergebnissen.
Beim Trennen von bestückten PCBs aus fertig bestückten Nutzen kommt dem Laser zugute, dass er berührungslos und aus der Distanz arbeitet. So lassen sich extrem feine Schneidkanäle mit Bauteilen und Leiterbahnen bis dicht an den Rand herstellen. Auch beim Schneiden von Haltestegen lässt sich die Schneidkontur an die realen, durch ein Vision-System ermittelten Koordinaten anpassen.
Vorteile bei Starr-flex und Keramik-PCBs
Immer mehr Anwendungen in der Elektronik setzen auf komplexen Lagen-
aufbau. Beispiele sind Starr-flex-PCBs, bei denen flexible und starre Komponenten zunächst als Multilayer miteinander verbunden werden. In den flexiblen Bereichen findet keine Lamination statt. Dann trennt der Laser die starren Decklagen und erzeugt damit die endgültige Form. Durch tiefengesteuerte Schnitte lassen sich etwa auch Pockets in ansonsten planaren Leiterplatten einbringen.
Zukünftig werden weitere Bereiche in den Fokus treten: Keramiken, dünne Schichten oder unsichtbare Leiterbahnen auf Glas – für alle diese Anwendungen in der Elektronikindustrie bieten LPKF-Lasersysteme technologisch und wirtschaftlich interessante Lösungen.
