Schneiden und Strukturieren Mikromaterialbearbeitung mit dem Laser

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1 Schneiden und Strukturieren Mikromaterialbearbeitung mit dem Laser

2 Mit den Aufgaben wachsen Schneidanwendungen mit dem Laser mehr Präzision geht nicht. Dank der berührungslosen Laserschneidprozesse können auch empfindliche Baugruppen bis dicht an den Rand getrennt werden: sauber, stressfrei und mit höchster Präzision. LaserMicronics bearbeitet Leiterplatten materialien, Keramik und Metallfolien mit Hochleistungs-Lasersystemen der LPKF Laser & Electronics AG. Produktionsdienstleistungen und Beratung LaserMicronics verfügt über langjährige Erfahrung in der Lasermikrobearbeitung. Das Leistungsspektrum umfasst die Auswahl des passenden Materials und Layout, Prozessplanung und Fertigung. Physiker und Applikationsingenieure begleiten Produkte von der Idee bis in den optimierten Produktionsprozess. In der Folge übernimmt LaserMicronics auch die Vorserien- und Serienfertigung zu attraktiven Konditionen. Auf dem Gebiet der Auftragsfertigung bietet LaserMicronics qualifizierte Dienstleistungen: Laser-Kunststoffschweißen 3D-MID, Planung und Herstellung Laserschneiden von starren, starr-flexiblen und flexiblen Leiterplattenmaterialien, Mikroteilen und Keramik Laser-Direktstrukturierung von Ätz- oder Galvanoresisten, auch dreidimensional Bohren von Microvias Mikrobearbeitung von Keramik Öffnen von Lötstopplacken und Abdeckfolien Reparatur und Nacharbeit von bestückten und unbestückten Leiterplatten Strukturierung von TCO/ITO-Beschichtungen 2

3 Minimale Schneidkanäle Flexible Konturen und Prozesse Keine mechanischen Belastungen Kein Staub und keine Späne Materialbearbeitung mit dem Laser Bei der Laserbearbeitung wirkt ein fein fokussierter Lichtstrahl mit besonderen Eigenschaften auf das Material ein. Der Laserstrahl trennt Leiterplattenmaterialien, Keramiken oder Metallfolien so schnell und präzise, dass weder thermische noch mechanische Belastungen auftreten. Damit sinken auch die Anforderungen an Bauteilhalterungen und deren Kosten deutlich. Die Laserbearbeitung erfolgt meist ohne zusätzliche Werkzeuge: Das Bauteil wird entweder relativ zum Laserstrahl bewegt oder eine Scanneroptik führt den Laserstrahl entlang der gewünschten Konturen. So lassen sich auch komplexe Schneidkonturen durch Eingabe von Konturdaten herstellen und mit geringem Aufwand ändern. High Technology Die Spezialisten von LaserMicronics arbeiten mit den neuesten Lasersystemen von LPKF Die LaserMicronics-Schneidlaser produzieren mit passenden, materialspezifischen Laserparametern anspruchsvolle Schneidaufgaben ohne hohe Vorlaufkosten und -zeiten in bester Qualität. LaserMicronics verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit diesem Aufgabenspektrum und über eine Ausstattung mit mehreren Lasersystemen. 3

4 Leiterplattenbearbeitung mit UV-Lasersystemen Die Elektronikfertigung fordert präzise Schneid auf gaben an verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses. Für hochwertige, saubere Schnitte in den üblichen Leiterplattenmaterialien bieten sich UV-Lasersysteme an. Sie überzeugen mit einer minimalen thermischen Einflusszone und einem Schnittkanal von wenigen Mikrometern. Dabei stellen Vision-Systeme eine wertvolle Unterstützung dar: Sie ermitteln anhand von Marken reale Positionen der Leiterzüge auf der Laser-Arbeitsfläche und können Verzüge aus Vorprozessen automatisch aus gleichen. So werden auch unter schwierigen Bedingungen aus fehlerhaften definitionsgerechte Gut-Teile gewonnen. Links ein typischer Schnittkanal eines CO 2 -Lasers, rechts ein UV-Laser: Der UV-Laser arbeitet deutlich präziser und sauberer. Löcher schneiden Beim Bohren von Löchern ist der Entwickler meist auf runde Formen festlegt. Beim Schneiden mit dem Laser lassen sich beliebige Formen heraustrennen, etwa für Passungen oder konstruktive Durchbrüche. Beim Bohren von Leiterplatten begrenzt der Durchmesser des Lasers die minimale Öffnung auf etwa 30 µm, auch in schwierigem Material. Prepregs und Coverlayer Prepregs und Coverlayer sind dünne, empfindliche Folien, die Öffnungen an Kontaktflächen oder in Passagen von Starrflex-Bauteilen aufweisen. Der Laser kann diese Öffnungen her stellen, ohne dass mechanische Verzerrungen auftreten. 4

5 Konturschnitte Starrflex-Leiterplatten separieren Vias und unregelmäßige Löcher Tab-Cut Pockets Tab-Cut In der letzen Phase der Baugruppen-Herstellung werden einzelne Platinen aus größeren Nutzen getrennt. Der Laser schneidet die Haltestege ohne mechanische Belastungen. Kontur-Vollschnitt Bei hochwertigen Komponenten oder kompletten Bauteilformen findet ein Kontur-Vollschnitt statt. Dabei gilt: Je dünner das Material, desto wirtschaftlicher ist das Laserschneiden. Bei hochwertigen, teuren Baugruppen oder Schnitten bis dicht an den Rand überzeugt der Laser mit sonst unerreichbarer Präzision. Starrflex-Leiterplatten separieren Bei Starr-Flex-Leiterplatten handelt es sich um Multilayer, bei denen die später flexiblen Segmente von starrem Material überdeckt aber nicht damit verbunden sind. Der Laser trennt die starren Passagen präzise über den flexiblen Segmenten. Auf diese Weise entstehen auch Pockets: Dabei trennt der Laser starre Decklagen aus dem Lagenpaket der Leiterplatte heraus. 5

6 Keramiken mit dem Laser bearbeiten Technische Keramiken sind eine nützliche Ergänzung zum klassischen Leiterplattenmaterial. Bei den elek trischen Eigenschaften zählen die Isolierfähigkeit und die Durchschlagsfestigkeit. Einige Keramikmaterialien weisen zusätzlich definierte piezoelektrische Eigenschaften auf. Bei den mechanischen Eigenschaften stehen Festigkeit und Härte im Vordergrund. Sie münden in eine hohe Verschleißfestigkeit und Formbeständigkeit. Keramische Substrate lassen sich mit herkömmlichen Werkzeugen nur schwer bearbeiten und auch Ätz angriffe führen nicht zum Ziel. In einem Arbeitsgang: Der Laser strukturiert die Oberfläche, graviert die Beschriftung, schneidet die Löcher und trennt das gesamte Bauteil aus einer größeren Greentape-Platte. Das kann nur ein Laser: 50 µm Durchgangslöcher in gesintertem Green Tape der Stärke 254 µm Ungesinterte Keramiken Als Vorstufe der gebrannten Keramik strukturiert oder schneidet der Laser sogenanntes Greentape. Dieses Greentape ist empfindlich gegen mechanische Einflüsse und erlangt erst nach dem Keramikbrand die gewünschte Festigkeit und Geometrie. Der Laser trägt mit jedem Laserpuls eine genau definierte Materialmenge ab und kann durch Steuerung der Laserintensität, der Pulsfrequenz und der Verfahrgeschwindigkeit exakt auf die gewünschte Bearbeitungsform eingestellt werden. LTCC Bei Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) werden Bauteile aus keramischen Lagen und leitfähigen Pasten als Multilayer hergestellt. Neben dem Leiterbahnbild lassen sich in der Drucktechnik Widerstände, Kondensatoren oder Spulen erzeugen. Der Laser schneidet die Nutzen aus größeren Bauteilträgern, kann aber auch Löcher für die Befestigung oder Durchkontaktierung erzeugen. 6

7 Greentape, LTCC und gesinterte Keramik bearbeiten Keine mechanische Belastung Vias Konturschnitt Beliebige Konturen: Durchbruch in 630 µm starkem gesintertem Al 2 O 3 Der UV-Laser erzeugt nur eine feine Nut. An dieser Materialschwächung lassen sich Keramiken mit hervorragendem Ergebnis brechen. Gesinterte Keramiken Der UV-Laser ist das einzige Werkzeug, das nahezu rückstandsfrei komplexe Konturen ohne nennenswerte Schneid- oder Einflussbereiche aus gebrannten Keramiken heraustrennen kann. Für gebrannte Keramiken sind deutlich höhere Einwirkzeiten als bei ungebrannter Keramik erforderlich. Konturschnitt Beim Trennen rechteckiger Flächen bei gebrannten Keramiken lässt sich viel Zeit sparen, wenn statt eines vollständigen Schnitts nur eine Ritzung vorgenommen wird. Das sehr homogene Keramikmaterial lässt sich anschließend exakt an diesen Nuten brechen. Der Laser dient zum Trennen, Formschneiden oder Bohren von Löchern. Weil keine mechanischen Beanspruchungen auftreten, lassen sich Durchbrüche mit minimalen Stegen herstellen. 7

8 Stencils und Mikroschneidteile Die Bearbeitung von Metallfolien mit einer Stärke von bis zu einem Millimeter gleicht der Bearbeitung anderer Materialien mit einem wichtigen Unterschied: Metalle schmelzen bei Erwärmung, und damit lässt sich der Schneidprozess erheblich beschleunigen. Eine erste Anwendung war das Schneiden von Lotpastenschablonen (Stencils) für den Lotpastendruck in der Elektrotechnik. Eine Rakel presst Lotpaste durch Löcher im Stencil exakt auf die für die Bestückung vorgesehenen Pads auf der Leiterplatte. Das Schneiden der Löcher in die Metallfolien mit einer Größe bis zu 1600 mm x 600 mm übernehmen LPKF StencilLaser. Der Laser sticht in der Mitte der geplanten Öffnung ein und erzeugt ein Loch. Dabei gehen geringe Mengen des Metalls in Schmelze über und werden durch ein Schneidgas aus dem Schneidkanal gedrückt. So entstehen saubere, glatte Schneidkanten. Da die Schmelze nicht verdampft werden muss, steigt die Schneid geschwindigkeit beträchtlich. Mit den vorhandenen StencilLasern lassen sich Stencils mit einem minimalen Lochdurchmesser von 25 µm schneiden. Das Laserverfahren ist nicht auf runde Aperturen begrenzt, sondern kann zum Beispiel auch rechteckige oder ovale Formen erzeugen je nach Bedarf des nachfolgenden Druckverfahrens. 8

9 Edelstahlfolien bis zu mm x 600 mm Softwaregesteuert freie Konturen schneiden Step-Up und Step-Down-Geometrien Geringe thermische Einflusszone Mikroschneidteile Die hohe Präzision und Schneidqualität macht das Laserschneiden für Mikroschneidteile interessant. Der Laser trennt die gewünschten Bauteile aus Metallfolien bis zu einer Stärke von einem Millimeter heraus. Je nach Anforderung kann der StencilLaser das Schmelzschneiden einsetzen oder die Konturen durch mehrfaches Verdampfen von Metall entlang der Schneidkontur freistellen. Dabei lassen sich auch komplexe Konturen zum Beispiel Stege mit einer Stärke von wenigen Mikrometern ohne Verzerrungen herstellen. Step-Stencils Werden unterschiedliche Lotpastenstärken auf der Leiterplatte gefordert wenig Lotpaste in besonders eng bestückten Bereichen, viel Lotpaste an Stellen mit mechanischer Belastung hilft die Modifikation der Stencildicke. Für geringe Lostpastenmengen wird die Stärke des Stencils lokal durch Gravierungen verringert (Step-Down). Solche Gravuren lassen sich auch auf Mikroschneidteilen vornehmen. Für große Lotpastendepots werden zusätzliche Folien partiell per Punktschweißen aufgebracht und so die Stencildicke vergrößert (Step-Up). Punchen und Perkussionsbohren Zwei weitere Verfahren erzeugen runde Löcher mit dem Durchmesser des Laserfokus. Beim Punchen durchdringt ein einzelner, starker Laserimpuls die Metallfolie und hinterlässt ein sehr feines Loch. Beim Perkussionsbohren treffen mehrere Laserpulse die gleiche Stelle, bis ein Durchbruch entsteht. 9

10 Komponenten mit dem Laser strukturieren und nachbearbeiten Durch eine geschickte Wahl von Laser wellenlänge und -parametern lassen sich ganz unterschiedliche Materialien sehr präzise bearbeiten: Während der Laser die obere Materialschicht sauber entfernt, bleiben die darunter liegenden Substrate unbeeinträchtigt. TCO/ITO strukturieren Das macht sich das Verfahren der ITO-Strukturierung zunutze. ITO/TCO-Schichten (leitfähige, transparente Schichten) auf einem Glasträger lassen sich zum Beispiel so präzise mit dem Laser strukturieren, dass nur die Beschichtung abgetragen wird. Das resultierende Bauteil ist mit einer unsichtbaren leitfähigen Struktur überzogen, zum Beispiel für Heizungen, Sensoren oder Schalter. Lötstopplack öffnen Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich, wenn es besonders fein werden muss. Mit einem geeigneten Laser lassen sich zum Beispiel Lötstopplacke in Leiterplattenbereichen mit hoher Anschlussdichte öffnen. Die entsprechenden Bereiche werden dazu vollflächig lackiert. Dann entfernt der Laser die Lackschicht über den filigranen Kontakten. Erst nach dem Anhauchen werden die unsichtbaren TCO-Schichten sichtbar Der Laser öffnet den vollflächig aufgebrachten Lötstopplack präzise über den eng beieinanderliegenden Kontaktflächen 10

11 Substratschichten gezielt bearbeiten Strukturieren sichtbarer und transparenter Schichten Leiterplatten nachbearbeiten Coverlayer schneiden Ein ähnlicher Prozess kommt auch beim Schneiden empfindlicher Folien zum Einsatz. Coverlayer schützen die Oberfläche von flexiblen Leiterbahnen gegen Umwelteinflüsse. Im unverarbeiteten Zustand sind diese Folien extrem empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung. Mit einem Laser und einem Vakuumtisch lassen sich diese Folien exakt in Form schneiden, ohne dass es zu Verzerrungen kommt. Auch Aussparungen zum Beispiel über Lotpads oder bei Kontakten stellt der Laser frei. Leiterplatten nacharbeiten Mit etwas mehr Laserleistung kann der Laser problemlos Leiterbahnen trennen. Diese Fähigkeit kommt zum Einsatz, wenn Kurzschlüsse auf bestückten oder unbestückten PCBs zu beseitigen sind. Der Laser trennt entsprechende Leiterzüge, ohne dass ein mechanischer Kontakt erforderlich ist. Die Leiterplatten-Reparatur kann also auch an schwer zugänglichen Stellen stattfinden. Coverlayer mit nur 25 µm Stärke werden durch Beschneiden mit dem UV-Laser an den benötigten Stellen geöffnet Der Laserstrahl erfordert keinen physischen Kontakt mit der Leiterplatte und kann deshalb auch an unzugänglichen Stellen Kurz schlüsse beheben 11

12 LaserMicronics Ihr Dienstleistungspartner Die LaserMicronics GmbH bietet an den Standorten Garbsen bei Hannover und Fürth in Bayern Entwicklungsund Produktionsdienstleistungen auf den Gebieten Lasermikromaterialbearbeitung und Laserstrahl-Kunststoffschweißen an. Neben dem umfassenden Produktions-Service übernimmt LaserMicronics Consulting-Aufgaben bei Prozessentwicklung und -optimierung. Weitere Dienstleistungsangebote von LaserMicronics Selektive Laseraktivierung und Metallisierung von Kunststoffen im LPKF-LDS-Verfahren Laser-Subtraktiv-Strukturierung (LSS) und Metallisierung Laser-Kunststoffschweißen TCO/ITO-Laserbearbeitung Mikrobohren LaserMicronics GmbH Standort Garbsen: Osteriede 9a Garbsen Tel. +49 (0) Standort Fürth: Alfred-Nobel-Str Fürth Tel. +49 (0) LDS-Schaltungen in der dritten Dimension Neben Beratung und Machbarkeitsstudien übernimmt LaserMicronics auch die Serienfertigung oder Ramp- Up-Produktion für LDS-Produkte. Dabei kommen die neuesten Laser-Bearbeitungseinheiten zum Einsatz für besonders schnelle oder besonders feine Strukturen. Broschüre anfordern: Laser-Kunststoffschweißen Hygienisch, sicher, wirtschaftlich: Das Laser- Kunststoffschweißen überzeugt durch hochwertige Schweiß ergebnisse, Partikelfreiheit und günstige Werkzeugkosten. LaserMicronics schweißt von winzigen Mikrofluidiken bis zu großen Automobiltanks mit dem Laser. Broschüre anfordern: Möchten Sie Informationen zu weiteren Themen, dann rufen Sie uns an. Strukturieren Ablation von metallischen und organischen Schichten Schneiden Ritzen Markieren Gravieren Mikro-Metallbearbeitung DeuZert Deutsche Zertifizierung DIN EN ISO 9001:2008 LaserMicronics GmbH, DE Bilder zeigen möglicherweise Sonderausstattungen. LaserMicronics GmbH. LaserMicronics GmbH behält sich das Recht vor, Spezifikationen und andere Produktinformationen jederzeit und ohne Benachrichtigung zu ändern. Systeme und Produkte, die von LPKF und deren Tochtergesellschaften geliefert werden, sind durch in den USA oder anderen Ländern erteilte oder angemeldete Patente geschützt. LPKF-LDS ist eine eingetragene Marke der LPKF Laser & Electronics AG.