绿光切割技术报告

激光分板过程中切割电路板基板时激光能量对材料的影响
表面组装技术
激光切割
最新的分板方法是激光挖刻，它可以在电路板组装工艺最后一个步骤完成之后进行。

这意味着拼板在进行激光分板之前的所有组装步骤中始终保持它的刚性。

和挖刻器一样，激光切割整块电路板，因此不会产生使电路板边缘弯曲或下压的力，这表示没有在电路板材料上施加压力。

由于使用激光，可以切割任何形状的电路板，而且工艺如果完全是由计算机来控制的，可以很快切换到切割不同形状的电路板。

激光系统
激光切割系统的三个主要部分包括激光，用于移动拼板的X–Y坐标板和用来移动与定位激光束位置的扫描器。

有几种类型的激光可以用来切割不同的材料。

包括从20多年前波长约10微米的二氧化碳激光到大约在10年前出现的波长约350纳米的紫外激光。

大约在20年前引进在不锈钢模板切割系统中使用的1054纳米波长的Nd:YAG激光器。

随着波长变得更短，生产出经济便宜的激光器变得越来越困难。

更短波长的激光和那些非常窄的脉冲宽度通常都相当昂贵，这就是为什么在组装行业中要花时间来部署它们的原因。

图2：激光分板系统的例子，在线自动加载与卸载装置
红外激光被称为“热”激光，这是因为它们在材料中沿着预定的路径加热和燃烧来切割材料。

短波激光能够烧蚀材料。

高能量短脉冲进入材料的顶层，使材料蒸发，以爆破的方式移掉一层材料。

通过对同一路径的多次烧蚀，最终完成材料的切割。

由于紫外，绿光激光束产生的热量很小，在切割路径的边缘极少甚至不燃烧材料，这取决于如何使用短波激光（图3）。

图3：红外线切割与绿光紫外线切割
跟据光的波长，有些材料会反射光，有些材料是完全透明的。

为了使烧蚀方法起作用，激光束必须穿透到材料中进行切割。

从图4中可以看到各种电路板成分对不同的光波长
的反应。

为了能够烧蚀所有电路板，短波激光是个不错的选择。

在过去的10年里，短波激光（波长约为350-596纳米）在经济上的吸引力已经显现出来。

图4：电路板的各种成本对不同波长的反应
350-596纳米激光的波长比较短，光学性能非常出色，因此它的光束尺寸能够达到非常小，通常只有约15到25纳米。

这使它能够在拼板中切割出一道非常窄的切缝，电路板之间的空间浪费非常少，尤其是在系统结构允许非常精确的激光束位置的情况中。

图5是有很小的电路板的拼板的部分的例子。

在使用挖刻工艺时，每块拼板的电路板的数量大约是125个，而拼板在经过重新布局后，使用激光切割的电路板数量增加近三倍。

这在经济方面的优势非常明显。

图7：激光切割后的表面
但为了确定重新沉积的材料是否会引起问题，设计出一种用FR4材料制作的厚度为800微米的测试电路板（图7）。

测试电路板有四种图案，分为两组，分别内置了数字化梳状器。

把每一对这样的梳状器和电路板的边缘连接起来，便于测量表面绝缘电阻（SIR）。

作为这个测试的一部分，在离梳状器非常近的位置切割一个槽。

在这个槽切割完成之后，这些测试电路板（在40°C，RH=93%，无凝结的环境下）经过长达170个小时的气候测试并测量表面绝缘电阻。

在所有的测量值中，超过10E11欧姆就表示表面绝缘电阻没有受到不良影响（图8）。

如果需要，增加一道简单的清洗工艺就可以把残留的颗粒清洗掉。

可以使用压缩空气或刷子，通过用光滑的干织物或湿织物擦拭。

图8：表明电阻测量
绿光（波长533纳米）热效应
虽然绿光激光被称为“冷”激光，但它还是会产生一定的热量。

它的影响主要取决于激光系统的设置。

激光束把一些热量注入要切割的材料，热量通过传导进入材料，再通过辐射进入环境中，然后用加压空气流过材料上方通过对流进入空气中。

这个热方程式是抛物线型偏微分方程式，它描述了在给定区域中温度分布随时间推移的变化。

方程式1
由此得到的结果（图9）说明使用激光束对多个切割路径沿切割线切割时，温度逐渐升高。

最终在激光产生的热量与离开切割区域时通过传导、辐射和对流的热量之间达到平衡。

图9：模拟热积聚
为了确定绿光激光切缝附近的电路板材料中实际发生的情况，把线性温度传感器放在测试板上（图10）。

图10：放在测量板上的线性温度传感器（用圆圈标注）。

图11：在同一个材料上切割，测量距切缝不同距离位置的温度。

在这项测试中，切割接头片，其中有一些是裸露的FR4，一些是含铜的FR4，还有一些是没有挖刻槽的FR4，测量到在切割位置附近的温度在上升。

在接头片上放上传感器，然后在距离传感器不同距离沿切割路径进行切割。

即使在离传感器0.1毫米内的位置切割，温度最高只达到100°C，远低于在通常情况下电路板在焊接过程中暴露在工艺中的温度。

这个例子的切割参数是：P=12.4W，v=244mrn/s，重复切割次数（rep）=30，CT=l00毫秒，完全切割FR4（厚度为400–450微米）。

冷却时间（CT）是激光束返回到相同位置的时间。

在这段时间里，完成其他部分的切割，它可能还包括两次切割之间的休息时间。

这个例子的冷却时间是100毫秒。

对比切割不同材料的例子，包括裸FR4，含铜的FR4和完全切割的FR4，其结果如图12所示。

图12：比较不同材料的温度。

因为需要付出不同的努力去克服不同的材料，不同的切割时间的结果，以及在更困难的条件下测量更高的温度等困难。

在距切缝大约0.1毫米位置的温度仍然是可以接受的。

质量与时间
正如前面提到的，激光束向工件提供一些热量。

为了尽量减少热量的影响，激光束要对整个切割路径进行多次扫描，以分散和减少热量的积聚。

正是这个原因，激光束控制系统允许调整激光束移动的速度和光束的功率，但也可以在两个切割路径之间插入休息期。

当切割路径短而且光束比较快地回到相同的位置时，这些休息时间就更重要。

当电路板布局和元件贴装远离个别电路板的侧面时，比较少关注侧壁的清洁度，可以选择激光参数中的最大切割速度，这意味着激光束的功率更大，光束的移动速度更快，以及切割路径之间的休息时间更短。

另一方面，当侧壁的清洁度很重要时，在选择机器的设置时就要更加谨慎。

图13是这两种策略之间的视觉区别。

图13：高质量/低速度与高速度/差质量的切割策略的视觉区别
表面分析
为了确定留在切割表面上的化学成分的光谱，进行能量色散X射线（EDX）分析。

作为参考，挖刻好的侧壁经过抛光和清洗以显示电路板的正常成分。

对于抛光的侧壁（图14）和激光切割的侧壁（图15），来自四种化学成分的光谱线以错误颜色显示。

变化太小而无法预测重大的问题。

图14：经过抛光与清洗的侧壁。

图15：未经过处理的激光切割侧壁。

引脚尖的EDX分析
使用不同厚度和不同的激光系统设置在电路板的切割侧壁上进行额外的EDX探测。

从其中选出用于800微米（33密尔）厚的电路板切割，使用如表1的设置条件，把它们当成用挖刻器分板的类似的电路板。

表1：比较用不同激光设置条件切割的电路板侧壁与用挖刻机分板的电路板侧壁。

使用精确聚焦的光束能够测量环氧树脂上的化学成分，也可以测量玻璃纤维上的化学成分。

在这些测试中，在两个路径之间，探针3和探针4的冷却（或休息）时间不同，这样做可以使表面保持比较低的温度。

图16：检查环氧树脂区域。

从图17上可以看到，在比较短的冷却时间里，碳和氧的数量稍高一些。

图17：环氧树脂区域的EDX分析。

图18：检查玻璃纤维表面。

图19：在玻璃区域的EDX分析。

对于探针5和探针6，切割的速度有非常明显的变化，这意味着在较慢的速度下，用较少的重复切割次数就可以达到完全切割。

在较快的切割速度下，在侧壁上留下的碳比较多，氧比较少。

所有的测试都被当作挖刻的侧壁，在不同情况下，碳出现的比较多，而氧的数量没有显著的变化。

碳成为最受关注的化学元素，然而在所有这些激光切割的例子中，这种元素出现的比较少，即使是最类似的挖刻电路板。

结论
因为可以把更多的电路板放在同一块拼板上，所以使用激光进行分板具有显著的经济优势。

不仅如此，因为在切断电路板与拼板的最后连结点时，电路板的边缘没有受到弯曲的张力，所以预计电路板具有更好的长期可靠性。

此外，在把电路板切割下来时，电路板的边缘未受到高度压缩。

在组装过程中，拼板保留它们的初始硬度，这使它在没有托盘的情况下工作成为可能。

在进行激光切割的过程中，电路板边缘附近的处理温度低于在焊接过程中承受的温度，因而没有发现激光切割的负面影响。

当在系统操作人员良好的控制下进行切割时，没有出现碳化，否则可能会降低切割边缘的表面电阻。

最后，电路板外形的高精度定位保证切割不会蚕食电路板运行的区域，甚至是安装元件的区域，从而也保证精心设计的紧凑外形正确切割。