Solid UV laser source and FPC industry

 

Flexible Printed Circuits (FPC) can realize diverse designs that cannot be realized by traditional rigid circuit boards. For example, fabricating circuits on flexible materials enables new and challenging applications, including a variety of multilayer functions and solutions for the space, telecommunications, and medical industries.

 

The current trend in the FPC industry is toward miniaturization, as designers find ways to reduce circuit size while eliminating factors that limit mounting density or the distance between circuits on a circuit board. Meeting these requirements often requires arbitrary shaping, but the basic square circuit is too elastic to meet the requirements of many modern applications.

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These design requirements are challenges, including issues of partitioning or the process of removing circuits from the board. How can smaller arbitrary circuits with high mounting density be precisely cut without damaging the components or the circuit itself? Flexible circuit materials are unique in that even the smallest stress on the circuit during cutting can cause damage.

 

In order to avoid this damage, the variety of designs is limited. The buffer space around each cutout must be considered in the design, which means the cutout width will be wider than needed, the components cannot be placed close to the edge of the board or close to each other, and the forming cannot be as complex as needed. Without viable solutions to these types of problems, these constraints can drown innovation, as unsatisfactory splitting becomes a major design consideration.

 

Automated circuit board cutting (Routing), as well as traditional mechanical depaneling methods such as die punching, result in large cut widths and excessive stress for complex flex circuits. Even the CO2 laser cutting method is unsatisfactory in this respect as it creates a larger heat affected area.

 

However, when it comes to FPC depaneling, a technology has emerged to rise to the challenge: UV laser cutting. This technique eliminates the physical stress of the mechanical process and greatly reduces the thermal stress of the CO2 UV laser, meeting the design trends described above. Exploration of various factors will reveal why UV laser cutting has emerged as an option when it comes to flexible circuit cutting.

 

Circuit Stress and Cut Width

 

All flex cutting methods create some amount of stress on the circuit board, but there are differences in the type of stress introduced and the degree to which the stress affects the circuit. When considering the above-mentioned splitting method, there may be two types of stress on the flexible printed circuit board: mechanical stress or thermal stress.

 

Mechanische Belastungen treten auf, wenn mechanische Trennverfahren wie Stanzen oder Fräsen eingesetzt werden. Zu den Auswirkungen mechanischer Beanspruchung flexibler Schaltungen gehören: Grate, Verformung und Beschädigung von Schaltungskomponenten. Diese Effekte sind für flexible Materialien sehr schwerwiegend. Beispielsweise ist das Stanzen ein Prozess mit hoher Schlagkraft, der Schaltkreise vibrieren lässt und Komponenten beschädigt und einen beträchtlichen Pufferraum beim Schneiden erfordert. Beim Stanzen und Fräsen beträgt die typische FPC-Schnittbreite 1 mm, aber diese Breite ist zu groß für viele komplexe, zufällige Flex-Schaltungen. Solche breiten Ausschnitte können zu einer reduzierten Montagedichte oder einer reduzierten Schaltungsmontage pro Platine führen. In einer Zeit, in der flexible gedruckte Schaltungen immer kleiner und kompakter werden, stellt sich die Frage nach Technologie und Kosten.

 

Die Benutzer wandten sich dem Laserschneiden zu, weil mechanische Schneidmethoden die Kriterien für das Flex-Design nicht erfüllen konnten, aber es erzeugte eine andere Art von Effekt auf die Schaltung: thermische Belastung. Die Wirkung thermischer Belastung unterscheidet sich stark von der Wirkung mechanischer Belastung. Der Laserstrahl hat keinen physischen Kontakt mit der Schaltung. Aus diesem Grund kann das Laserschneiden genauer als Laserabtrag bezeichnet werden. Die häufigsten Auswirkungen von thermischer Belastung sind Scorch und ungleichmäßige Schnittfugenbreite. Diese Effekte treten jedoch häufiger bei gepulsten CO2-Lasersystemen auf. Diese Systeme verfügen über Netzteile mit hoher Energiedichte und Laser mit Wellenlängen im wärmeren, stärker absorbierenden Infrarotspektrum. Im Gegensatz dazu weisen UV-Lasersysteme kalte UV-Laser auf, die auf niedrigeren Energieniveaus arbeiten, um thermische Belastungseffekte zu minimieren.

 

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen das Schneiden einer 125 μm dicken Kapton-Polyimidplatte mit einem CO2-Laser bzw. einem UV-Laser. Die Strahlgröße beider Laserquellen betrug 20 µm. Dabei erzeugt der energiereichere CO2-Laser extrem heiße Schnitte und die Materialbeanspruchung führt zu starken Verschmorungen und Verformungen. Als Folge der Beanspruchung verlängert sich die effektive Schnittfugenbreite auf 120 μm. Obwohl diese Zahl viel schmaler ist als die Schnittfugenbreite von 1 mm bei der mechanischen Schneidmethode, ist die Schnittfuge uneben und von schlechter Qualität.

 

Abbildung 2. 125 μm dicke Kapton-Polyimidplatte, geschnitten mit einem CO2-Lasersystem.

 

Abbildung 3. 125 μm dickes Kapton-Polyimidmaterial, geschnitten mit einem UV-Lasersystem.

 

Beim Schneiden des gleichen Materials mit einem UV-Lasersystem wird die thermische Energie reduziert, was zu einem "kalten" Schnitt (auch als Kaltablation bekannt) führt, was zu einem nahezu spannungsfreien Schnitt mit einer Schnittbreite von 30 µm und glatten vertikalen Schnittkanten führt . Die Reduzierung der auf Schaltkreise ausgeübten Spannung ist entscheidend für das Schneiden von Polyimid und anderen flexiblen Materialien. Aufgrund der geringen Leistung kann das UV-Laserschneiden die Integrität des FPC-Schnitts so weit wie möglich sicherstellen und ihn sauber und gerade halten.

 

Technologieanwendung

 

UV-Lasersysteme sind in der Lage, praktisch jedes Schaltungsmaterial zu schneiden, ob flexibel oder nicht. Übliche flexible Anwendungen umfassen Polyimide (z. B. Kapton), PET-Materialien (z. B. Akaflex) und Verbundmaterialien (z. B. Pyralux). Auch in Starrflex-Anwendungen können UV-Lasersysteme nahezu jedes starre Material bearbeiten. Übliche Anwendungen umfassen FR4 und andere Epoxid-Zwischenschichten, Rogers-Materialien, Keramik, PTFE, Aluminium und Kupfer. Durch die spitz zulaufende Form des UV-Laserstrahls wird der Einschnitt umso breiter, je tiefer man in das Material eindringt. Typische Schnittfugenbreiten reichen von 25 bis 50 μm. Das UV-Lasersystem der Spitzenklasse hat eine Wiederholgenauigkeit von ±4 μm und gewährleistet maximale Präzision bei der Gestaltung von Schnitten. Die Schnittgeschwindigkeit des UV-Lasers hängt vom zu bearbeitenden Material ab. Die in Bild 3 gezeigte Kapton-Anwendung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 95 mm/sec, ist etwa 2- bis 3-mal schneller als das Fräsen, während die schädlichen Belastungen, die mit anderen flexiblen Schneidmethoden verbunden sind, eliminiert werden. In Anbetracht der anderen Funktionen von UV-Laserschneidsystemen wie Kappenschneiden, Bohren, Bohren, Oberflächenätzen ist es nicht verwunderlich, dass die Marktnachfrage nach UV-Lasersystemen in den letzten Jahren stark gewachsen ist.

 

Trends treffen

 

Designer flexibler Schaltungen profitieren von der UV-Lasertechnologie, um die raffiniertesten Zufallsdesigns zu entdecken. Da Innovation nicht mehr durch Technologie begrenzt ist, kann sie die Form und Größe traditioneller Schaltungen durchbrechen.

 

Aufgrund der schmalen und sauberen Schnitte, die das UV-Lasersystem verarbeitet, können Schaltungskomponenten näher aneinander und näher am Rand der Schaltung platziert werden. Darüber hinaus kann das UV-Laserschneiden eine maximale Montagedichte und einen reduzierten Brückenabstand zwischen Schaltkreisen gewährleisten, was ein größeres Potenzial für die Entwicklung von Leiterplatten bietet. Mit dem Aufkommen des UV-Laserschneidens ist das Schneiden flexibler Schaltungen einfacher geworden. Neben der Vielzahl von Anwendungen machen eine reduzierte Belastung der Platte, eine schmale Schnittfuge und eine präzise Bearbeitung das UV-Laserschneiden zur richtigen Wahl für eine flexible Schneidlösung.