Das Schweizer Taschenmesser im Labor Mikromaterialbearbeitung mit dem LPKF ProtoLaser U4

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1 Das Schweizer Taschenmesser im Labor Mikromaterialbearbeitung mit dem LPKF ProtoLaser U4

2 Mikromaterialbearbeitung im Labor LPKF ProtoLaser sind seit vielen Jahren in führenden Elektroniklaboren rund um den Globus im Einsatz. Der LPKF ProtoLaser U4 baut auf den Erfahrungen mit einer Vielzahl an Anwendungen auf und öffnet im Vergleich zu seinen Vorgängern ein noch größeres Prozessfenster. Die auf den folgenden Seiten dargestellten Anwendungsbeispiele zeigen typische Einsatzgebiete des weltweit einzigartigen UV-Laborlasers. Das System arbeitet berührungslos, benötigt weder Werkzeuge noch Masken und reduziert den mechanischen und thermischen Stress im Werkstück. UV-Laserquelle als vielseitiges Werkzeug Der LPKF ProtoLaser U4 verwendet einen speziell für den Einsatz im Elektroniklabor entwickelten scannergeführten Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm im UV-Spektrum. Bei dieser Wellenlänge lassen sich viele Materialgruppen ausgezeichnet mit dem Laser bearbeiten ohne zusätzliche Werkzeuge, Masken oder Filme. Durch Aneinanderlegen von Scanfeldern beträgt der Arbeitsbereich bis zu 229 mm x 305 mm x 10 mm. Der Laserfokus mit einem Durchmesser von ca. 20 µm erlaubt Strukturen mit einem Pitch von 65 µm (50 µm Linienbreite, 15 Abstand) bezogen auf FR4 mit 18 µm Cu. Der ProtoLaser U4 weist gegenüber dem Vorgänger drei wichtige Verbesserungen auf: Stabilisierung im Low-Energy-Bereich Feine, empfindliche Prozesse erfordern besonders wenig Laserenergie. Die neue UV-Laserquelle ist entsprechend ausgelegt und über einen großen Leistungsbereich stabilisiert. Davon profitieren Applikationen mit besonders dünnen Schichten oder delikaten Materialien. Prozess-Tracking Ein Leistungsmessfeld ermittelt die tatsächliche Laserleistung in der Fokuslage. Das ergibt exakte Ist-Daten zur Dokumentation des Produktionsprozesses. Visionsystem Der LPKF ProtoLaser U4 nutzt ein neu konzipiertes, schnelles Visionsystem, das für die Laser-Mikromaterialbearbeitung optimiert ist. Kamera und Bilderkennungsverfahren tasten Fiducials oder geometrische Strukturen auf dem zu bearbeitenden Substrat an.

3 Intuitive Bedienung Schnellere Berechnung der Maschinendaten Special Areas für höhere Präzision Einheitliche LPKF-Softwarebasis Die anwenderfreundliche Systemsoftware LPKF CircuitPro PL bietet Zugriff auf alle wichtigen Prozess parameter. Eine umfassende Parameterbibliothek für viele gebräuchliche, aber auch exotische Materialien unterstützt den Bediener bei eigenen Projekten. Schnellere Ergebnisse am Rechner und Lasersystem Die Systemprogrammierer bei LPKF haben ganze Arbeit geleistet. Mit der Entwicklung der LPKF Circuit- Pro-Software kamen alle bisherigen Prozeduren aus den vorherigen Programmen auf den Prüfstand: Das Ergebnis ist eine einheitliche, intuitive Bedienung über alle Softwarevarianten, eine weitgehende Automatisierung der Routineaufgaben und eine Optimierung der Berechnungsprozesse. Das kann sich sehen lassen: einige Berechnungen laufen auf identischen Computern bis zu zehn Mal schneller. Und auch die praktische Bearbeitungsdauer profitiert: Durch verbesserte Wegroutinen fallen einige Positionsänderungen und Schneidvorgänge einfach weg. Special Areas Einen großen Entwicklungsschritt hat CircuitPro PL durch die Einführung von Special Areas gemacht. Die Software identifiziert Bereiche mit feinen Strukturen und entfernt die Kupferschichten zwischen den Leiter bahnen durch einen Prozess, der parallel zu diesen Strukturen verläuft. Gegenüber der vorhergehenden Schaffierung reduziert sich die Gefahr von Substrat verletzungen und die Dauer des Rub-Out-Prozesses. Gleichzeitig werden besonders feine Strukturen geschont. Links die bisherige Schraffierung, rechts die Bearbeitung als Special Area. Die Bearbeitung parallel zu den Leiterbahngeometrien schont feine Strukturen und erhöht die Präzision. Island Hopping Durch Stitching nahtloses Aneinanderlegen von Scanfeldern können die Lasersysteme auch große Leiterplatten strukturieren. Bisher war das Aneinanderlegen auf quadratische Felder begrenzt. Die neue Software CircuitPro PL wählt die Grenzen so, dass sie an bestehenden Strukturelementen verlaufen. Damit reduzieren sich separate Stitching-Schnitte und die Präzision über das gesamte Board nimmt zu. Layoutdaten werden nahtlos und designabhängig optimiert aneinandergelegt

4 Anwendungsbereiche Die Ergebnisse sprechen eine eindeutige Sprache: der LPKF ProtoLaser U4 bearbeitet anspruchsvolle Materialien zuverlässig und mit höchster Präzision. Feinste Strukturen auf anspruchsvollen Substraten Gebrannte Keramiken haben aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften, ihrer Härte und der Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wichtige Funktionen bei anspruchsvollen Anwendungen in der Elektronik. Die Strukturierung von empfindlichen Metallschichten auf Keramikkörpern gelingt mit dem LPKF ProtoLaser U4 mit hoher Präzision wie das nebenstehende Beispiel zeigt (Abbildung rechts in Originalgröße; 25 mm x 25 mm). Ein genauer Blick auf die Strukturen belegt die Möglichkeiten des UV-Laserprozesses eindrucksvoll. 55 µm µm 0,25 mm Bei einigen Bereichen der Schaltung lohnt sich eine genauere Betrachtung 1. Der ProtoLaser U4 erreicht eine hohe Detailgenauigkeit, auch bei der Abbildung komplexer Geometrien 0,4 mm 0,6 mm 2. Eine Bohrung mit 0,4 mm Durchmesser in das Keramiksubstrat in der Mitte des quadratischen Pads 3. Feinste Strukturen und Spaltmaße auf Keramik: Line/Space 50/15 µm bei einem Winkel von 135

5 Laminierte Leiterplattenmaterialien bearbeiten Um Leiterzüge auf vollflächig beschichteten Basismaterialien wie z. B. FR4 herzustellen, legt der ProtoLaser U4 Isolationskanäle auf beide Seiten neben die Leiterbahn. So lassen sich beliebige geometrische Formen erzeugen. Durch die dabei erzielte Präzision ist dieses Laser system auch für HF-Anwendungen und digitale Schaltungen hervorragend geeignet. Herkömmliche Leiterplatten auf laminierten Substraten oder HF-Schaltungen mit hohen Ansprüchen an die geometrische Übereinstimmung zwischen Layout und Praxis beides gute Beispiele für die Präzision des LPKF ProtoLaser U4 Leiterplattenmaterialien trennen und bohren Der Laserstrahl kann nicht nur die metallischen Oberflächenschichten präzise abtragen, sondern auch das Trägermaterial schneiden. Je nach Material sind dafür mehrere Laserpulse erforderlich die CAM-Software CircuitPro PL verfügt über eine umfangreiche Parameterbibliothek für viele übliche Materialien. Der UV-Laserstrahl trennt per Tab-Cut einzelne Leiterplatten aus größeren Nutzen oder stellt dünne Substrate im Vollschnitt frei, ohne randnahe Leiterbahnen oder Bauteile zu verletzen. Der Laser kann auch starre Bestandteile bei Starrflex-Komponenten trennen oder Pockets in Multilayer schneiden. Das Laserbohren ist eigentlich ein Schneiden von Kreisen mit beliebigem Durchmesser und auch das beherrscht der LPKF ProtoLaser U4. Flexible Leiterplatten doppelseitig strukturieren Auch das kann der ProtoLaser U4: das Material Pyralux (Abb. rechts) ist doppelseitig mit Kupfer beschichtet. Die neue Stabilisierung erlaubt die beidseitige Ablation der Kupferlagen, ohne das Trägermaterial zu beeinträchtigen. Bildunterschrift?

6 LTCC schneiden, bohren und strukturieren Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) sind dünne Keramiken im ungebrannten Zustand. Sie werden zum Beispiel für Mehrlagenschaltungen genutzt oder dienen nach dem Sintern als widerstandsfähige Träger für Bauteile. Die Verarbeitung ist schwierig, weil LTCC empfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen ist eine Steilvorlage für den Laser. Empfindliche Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) werden vom UV-Laserstrahl zuverlässig strukturiert, gebohrt, graviert und geschnitten Keramik bearbeiten Nach dem Brennen der Keramik ändern sich die Anforderungen an die Bearbeitung grundlegend. Die im Einsatz gewünschten Materialeigenschaften machen die Bearbeitung solcher Bauteile schwierig. Der UV-Laserstrahl des ProtoLaser U4 kann solche Materialien und Bauelemente ritzen, bohren oder schneiden in beliebigen Konturen. Die Laserstrukturierung erfolgt ohne physikalischen Kontakt und mit beliebigen Mustern. Mit dem ProtoLaser U4 lassen sich Prototypen, Einzelexemplare und Kleinserien sicher, wirtschaftlich und präzise herstellen. Gekrümmte Konturen in Al 2 O 3 mit hervorragender Qualität der Schneidkante Ritzen statt Vollschnitt: gerade Schnitte lassen sich damit deutlich beschleunigen

7 Lötstopplack öffnen Eine weitere verbreitete Anwendung ist das Öffnen von Lötstopplacken. Dabei werden Bereiche mit eng beieinander liegenden Anschlüssen komplett mit Lötstopplack überdeckt. Der Laser entfernt den Lötstopplack präzise über den feinen Lötpads und säubert die Kupferoberfläche von Rückständen. Der Laser öffnet den vollflächig aufgebrachten Lötstopplack präzise über den eng beieinanderliegenden Kontaktflächen Feinstleiter belichten Schließlich kann der UV-Laser auch die Belichtung von Feinstleitern übernehmen. Bei diesem Ver fahren wird ein Bauteil mit einem fotosensitiven Resist überzogen. An den vom Laser belichtet Passagen bleibt das Resist nach der Entwicklung erhalten und schützt die geplanten Leiterzüge gegen die Strukturierung im Ätzbad. Bei einer präzisen Prozessführung entstehen so Leiterzüge in der Breite des Laserfokus bis hinunter zu ca. 20 µm. Der Laser belichtet ein Ätzresist. Im weiteren Prozess entstehen Leiterstrukturen mit minimalen Abständen bis zu 15 µm. TCO/ITO strukturieren Der ProtoLaser U4 kann viele Materialkombinationen bearbeiten, sofern die Absorptionseigenschaften zwischen dem zu strukturierenden Material und dem Trägersubstrat unterschiedlich sind. Ein Beispiel dafür ist das Strukturieren von unsichtbaren, leitfähigen Schichten (TCO/ITO) auf Glas. So entstehen unsichtbare Sensoren, Antennen oder Heizungen. Erst nach dem Anhauchen werden die unsichtbaren TCO-Schichten sichtbar

8 PCB-Prototyping mit weltweitem Support Anwender der LPKF Prototyping-Lasersysteme profitieren weltweit von den Anwendungszentren in Deutschland, USA, Japan und China. Dort haben sie Zugriff auf die langjährige Erfahrung von LPKF in der Lasermaterialbearbeitung und finden qualifizierte Ansprechpartner bei technischen Fragen, bei neuen Prozessen und bei neuen Anwendungen. Neben den Strukturierungslasern verfügt LPKF über eine breite Palette von Systemen und Verfahren, die aus strukturierten Boards funktionsfähige, seriennahe Leiterplatten machen. Vom Prototyping in die Serie Wenn das Prototyping mit LPKF Lasersystemen gute Ergebnisse bringt was spricht gegen einen Einsatz in der Serienproduktion? LPKF verfügt mit der MicroLine-Familie über seriengeeignete UV-Lasersysteme mit unterschiedlichen Handlings für den Produktionseinsatz. Diese Systeme sind weltweit zum Trennen empfindlicher Substrate, zum Strukturieren von LTCC und zur Keramikbearbeitung im Einsatz. Die Ergebnisse der Prototyping-Versuche lassen sich schnell auf die Serienanlagen übertragen. Weitere Laborlaser runden das Spektrum ab: Vom ProtoLaser LDI zur Direktbelichtung von Strukturen bis zu 1 µm, über den ProtoLaser R mit einer Pikosekunden- Quelle zur Bearbeitung feinster Schichten, bis hin zum ProtoLaser 3D, der im LDS-Verfahren Leiterbahnen auf dreidimensionalen Kunststoffkörpern anlegt. Technische Daten: LPKF ProtoLaser U4 Laserklasse 1 Max. Materialgröße und Layoutbereich (X x Y x Z) 229 mm x 305 mm x 10 mm Laser-Wellenlänge 355 nm Laser-Pulsfrequenz 25 khz 300 khz Strukturierungsgeschwindigkeit 200 mm/s (bei 18 µm Cu auf FR4) Schneidgeschwindigkeit 200 mm/s (0,5 mm FR4)* Durchmesser fokussierter Laserstrahl 20 µm Mindestleiterbahnbreite /-abstand 50 μm/20 μm auf laminiertem Substrat (18 µm Cu) Genauigkeit** ± 1,98 µm Abmessungen (B x H x T) 910 mm x 1650 mm x 795 mm (Höhe bei geöffneter Haube mm) Gewicht 340 kg Elektrische Leistungsaufnahme 110 V 230 V; 1,4 kw Benötigte Druckluft Min. 6 bar, min. 230 l/min Benötigtes Zubehör Absaugung, Kompressor, PC * 70 Wiederholungen ** Auflösung im Scanfeld Weltweit (LPKF Hauptsitz) LPKF Laser & Electronics AG Osteriede Garbsen Deutschland Tel. +49 (5131) info@lpkf.com Nordamerika LPKF Laser & Electronics North America Tel. +1 (503) sales@lpkfusa.com China LPKF Tianjin Co., Ltd. Tel. +86 (22) sales.china@lpkf.com Hong Kong LPKF Laser & Electronics (Hong Kong) Ltd. Tel hongkong@lpkf.com Japan LPKF Laser & Electronics K.K. Japan Tel. +81 (0) info.japan@lpkf.com Südkorea LPKF Laser & Electronics Korea Ltd. Tel. +82 (31) info.korea@lpkf.com LPKF AG, DE Bilder können optionales Zubehör zeigen. LPKF Laser & Electronics AG, LPKF behält sich das Recht vor, Spezifikationen und andere Produktinformationen ohne vorherige Ankündigung zu ändern. Systeme und Produkte, die von LPKF und ihren Tochtergesellschaften angeboten werden, unterliegen bereits erteilten sowie angemeldeten US- und anderen ausländischen Patenten. Produktnennungen dienen nur der Identifizierung und können Warenzeichen oder registrierte Markennamen der betreffenden Firmen sein.