Laserové značenie plošných spojov sa používa na trvalú identifikáciu dosiek. Výhodou laserového značenia je, že prežije reflow spájkovanie až 260 °C, umývanie dosiek po spájkovaní aj conformal coating.
Z hľadiska laserového značenia je u PCB rozhodujúce, že nesmie dôjsť k poškodeniu medených vodivých dráh, k delaminácii substrátu ani k tepelnému ovplyvneniu osadených komponentov. Väčšinu značenia preto tvorí jemná povrchová operácia na soldermasku alebo silkscreen legende, nie ablácia materiálu do hĺbky. Z toho vychádza aj voľba laseru: pri bežnej výrobe UV alebo zelený DPSS, vláknový a CO₂ len v okrajových úlohách.
Ktoré typy PCB možno značiť laserom
Laserom možno značiť prakticky všetky bežne používané typy dosiek, je však potrebné zohľadniť substrát, povrchovú úpravu a fázu procesu, v ktorej sa značenie vykonáva. Medzi najčastejšie značené PCB patria:
- Štandardná FR-4 PCB a High-Tg FR-4: Sklotextilný substrát so zeleným, modrým, čiernym, červeným, bielym alebo žltým soldermaskom. Cieľ značenia: ablácia soldermasku do podkladu FR-4, prípadne karbonizácia bez obnaženia medi. Tmavé masky dávajú najvyšší kontrast, biele sú náročnejšie.
- Flexibilné PCB (FPC, polyimidové): Tenká polyimidová fólia s nalaminovanou medenou vrstvou (mobilné telefóny, kamerové moduly, lekárske sondy). Polyimid je veľmi citlivý na tepelný šok. Ablačný prah pri 355 nm leží okolo 1 J/cm² pre nanosekundové pulzy, pri jeho prekročení vznikajú praskliny alebo zuhoľnatenie substrátu.
- Rigid-flex PCB: Kombinácia tuhých FR-4 sekcií a flexibilných polyimidových mostov. Značenie obvykle smerovať do tuhej FR-4 oblasti.
- Keramické PCB (Al₂O₃, AlN): Pre výkonovú elektroniku, RF aplikácie a LED svietidlá. Tvrdší substrát vyžaduje vyššiu špičkovú energiu pulzu, výsledkom je tmavé značenie s ostrými hranami.
- Kovové jadro (MCPCB, IMS): Hliníkové alebo medené jadro s izolačnou vrstvou a medenými dráhami. Značenie sa realizuje do izolačnej vrstvy podobne ako pri FR-4.
- Vysokofrekvenčné substráty (Rogers, PTFE): Tepelne veľmi citlivé, vyžadujú krátke pulzy a nízku hustotu energie, použiteľný je prakticky výhradne UV laser.
- Osadené PCB (PCBA): Po SMT osadení komponentmi. Značenie musí byť bezpečné voči blízkym súčiastkam ako kryštály, MEMS senzory, optoelektronika, BGA puzdrá. UV laser je tu jediná spoľahlivá voľba.
Voľba parametrov sa výrazne líši podľa toho, kedy v procese sa značí. Najčastejšie sa značí na holej doske pred osadením (voľný prístup, žiadne riziko pre komponenty); pri sofistikovanejších prevádzkach až po osadení a otestovaní (post-SMT, post-ICT), kde laser musí pracovať ako studené značenie. Ak doska prechádza conformal coatingom, značí sa buď pred coatingom, alebo sa parametre vyladia tak, aby coating nezaplnil bunky 2D kódu.
Metódy laserového značenia PCB
Na PCB možno podľa hustoty energie a dĺžky pulzu aplikovať niekoľko procesov. V priemyselnej praxi sa uplatňujú predovšetkým tri:
- Selektívna ablácia soldermasku: Hlavná metóda značenia PCB. Laser odparí vrchnú vrstvu soldermasku v ploche značky a obnaží substrát FR-4 alebo polyimid pod ňou. Vzniká vysoko kontrastná značka, svetlý podklad na farebnom pozadí soldermasku. Pri UV laseri prebieha ablácia fotochemicky, takže presne dávkovaná energia odstráni iba pigment a spojivo masky a zastaví sa nad medenými dráhami.
- Karbonizácia soldermasku: Pri veľmi nízkej energii pulzu sa soldermask neodparuje, ale mení farbu. Zelená alebo modrá maska tmavne až do hneda alebo takmer do čierna, biela maska zhnedne. Vzniká kontrastná značka bez obnaženia podkladu. Je to vhodné pri aplikáciách, kde nesmie dôjsť k odhaleniu medi z dôvodu impedančnej kontroly, koróznej odolnosti alebo požiadaviek na sterilizovateľný povrch.
- Ablácia silkscreen legendy: Laser odparí bielu alebo žltú potlačenú vrstvu silkscreenu a obnaží farebný soldermask pod ňou. Používa sa pri dopĺňaní legendy, revíznych úpravách a značení sériových čísel priamo do potlače.
Pri citlivých substrátoch, ako sú flex PCB, vysokofrekvenčné dosky alebo PCBA, je bezpečnejšie použiť niekoľko rýchlych prechodov s nízkou energiou než jeden agresívny prechod. Kontrast sa buduje postupne, bez toho, aby sa kumulovalo teplo.
Vhodný typ laseru
Voľba laseru sa odvíja od substrátu a fázy výroby. Pre PCB sa používajú krátke vlnové dĺžky, ktoré polymérna matrica soldermasku dobre absorbuje a ktoré len minimálne zaťažujú okolie značenia.
UV lasery (355 nm)
UV laser je pri značení PCB najpoužívanejším zdrojom. Krátka vlnová dĺžka 355 nm rozbíja chemické väzby v polymérnej matrici soldermasku, FR-4 aj polyimidu, bez toho aby dochádzalo k významnému ohrevu okolia. Proces sa označuje ako studené značenie (cold marking) a v elektronike je kľúčový s ohľadom na ochranu okolitých vrstiev a komponentov.
Žiarenie 355 nm absorbujú takmer všetky PCB materiály. Lúč sa zastaví na rozhraní vrstiev a neprenikne ďalej. Veľmi malý priemer ohniska (rádovo 10–20 µm) umožňuje značiť jemné Data Matrix kódy už od veľkosti 1,5 × 1,5 mm.
Zelené lasery (DPSS, 532 nm)
Frekvenčne zdvojený DPSS Nd:YVO₄ laser na 532 nm je cenovo dostupnejšou alternatívou k UV pre značenie štandardnej FR-4. Na soldermasku pracuje s porovnateľnou kvalitou, ale s mierne vyšším tepelným zaťažením. Pre bežné bare board s tmavým soldermaskom je to dobrá voľba s lepším pomerom cena/kvalita.
Pre flexibilné polyimidové dosky a osadené PCBA je tento laser menej vhodný. Vyššie tepelné zaťaženie môže polyimid poškodiť a pri PCBA predstavuje riziko pre najcitlivejšie komponenty.
Pri UV laseri je potrebné počítať s vyššou obstarávacou cenou oproti vláknovým a zeleným laserom.
Nd:YVO₄ lasery (1064 nm)
Pevnolátkový laser s kryštálom yttrium-vanadát má vysokú kvalitu lúča a vyššiu špičkovú energiu v krátkych pulzoch než vláknový laser. Pri PCB sa uplatňuje najmä pri značení silkscreen legendy bez peelingu, kde riadenejšia dodávka energie umožňuje delikátnu prácu na tenkej potlačenej vrstve. Niektoré hybridné stroje kombinujú vláknový a YVO₄ zdroj v jednom tele pre flexibilné použitie na rôznych typoch materiálu.
Nevhodné lasery
Vláknový laser je pre bežné značenie PCB nevhodný. Tepelný proces s rozsiahlou tepelne ovplyvnenou zónou spôsobuje praskliny a delamináciu soldermasku, deformáciu substrátu a riziko prepálenia k vodivým dráham. Pri flexibilnom polyimide dochádza k zuhoľnateniu, pri osadenej doske predstavuje riziko pre citlivé komponenty v okolí značenia. V PCB výrobe sa vláknový laser používa výhradne na depaneling (rezanie panelov na jednotlivé dosky), prípadne na značenie priamo do holej medenej dráhy alebo plôšky.
Rovnako tak CO₂ laser má v PCB výrobe využitie najmä pri depanelingu organických materiálov a vŕtaní dielektrika. Pre značenie soldermasku je síce použiteľný ako rýchlejšia a lacnejšia alternatíva, ale výsledná kvalita je nižšia než pri UV laseri. Vzniká hrubá ablácia s neostrým okrajom, existuje vyššie riziko spálenia substrátu okolo značky.
Odporúčané parametre
Pri značení PCB sa používajú nízke priemerné výkony, vysoké frekvencie pulzov a viac rýchlych prechodov, ktoré postupne budujú kontrast bez tepelného zaťaženia. Nasledujúce orientačné rozsahy sa týkajú UV laseru 3–12 W na 355 nm s F-theta šošovkou ohniskovej vzdialenosti 70–160 mm. Pre zelený DPSS 532 nm sú hodnoty obdobné, len s mierne vyššou energiou pulzu.
- Selektívna ablácia zeleného alebo modrého soldermasku na FR-4: výkon 30–60 %, opakovacia frekvencia 50–100 kHz, dĺžka pulzu 5–20 ns, rýchlosť 500–1500 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 2–4 prechody. Viac rýchlych prechodov s nízkou energiou dá vždy lepší výsledok než jeden agresívny prechod.
- Plošná ablácia soldermasku (väčšie plochy, napr. odhalenie medi pre rework): výkon ~30 %, frekvencia ~200 kHz, dĺžka pulzu ~200 ns, rýchlosť 2000 mm/s, hatch 0,05 mm, až 20 prechodov. Výsledkom je čistá ablácia soldermasku bez poškodenia medenej dráhy pod ním.
- Karbonizácia soldermasku: výkon 15–30 %, frekvencia 80–150 kHz, krátke pulzy, rýchlosť 2000–4000 mm/s, 1–2 prechody. Energia nesmie spôsobiť abláciu a odhalenie medi, len ľahkú zmenu farby povrchu.
- Biely soldermask: vyžaduje vyššiu energiu pre karbonizáciu, výkon 40–60 %, frekvencia 50–100 kHz, inak parametre obdobné ako pri tmavej maske. Niektoré biele pigmenty UV žiarenie odrážajú, takže ladenie je náročnejšie. Je nutné vždy testovať na konkrétnej šarži.
- Čierny soldermask: vysoký kontrast vďaka obnaženiu svetlého FR-4, výkon 30–50 %, frekvencia 50–100 kHz, rýchlosť 500–1000 mm/s, 2–3 prechody.
- Polyimidové flex PCB (Kapton): výkon do 30 %, vysoká frekvencia (100–200 kHz), veľmi krátke pulzy (5–10 ns), rýchlosť minimálne 3000 mm/s, jeden prechod. Polyimid neznesie tepelnú rezervu, je nutná maximálna opatrnosť.
- Keramický substrát (Al₂O₃, AlN): vyšší špičkový výkon než pri FR-4. Výkon 60–90 %, frekvencia 30–80 kHz, dĺžka pulzu 100–200 ns, rýchlosť 500–1500 mm/s, 3–6 prechodov.
- Silkscreen legenda: veľmi nízka energia, vysoká frekvencia (100+ kHz), jeden prechod, rýchlosť 1500–3000 mm/s. Odporúča sa Nd:YVO₄ alebo UV s dôkladným ladením podľa hrúbky potlače, aby nedochádzalo k peelingu okrajov.
- Osadené PCBA: parametre zhodné s abláciou soldermasku, navyše bezpečná vzdialenosť značky od osadenia obvykle 2–3 mm a 3D autofokus pre prácu na nerovných paneloch s rôzne vysokými komponentmi.
Pri ladení parametrov na konkrétnu PCB platí niekoľko všeobecných zásad. Soldermask sa mierne líši medzi výrobcami a šaržami. Je nutné vždy testovať na vzorkách z aktuálnej dodávky.
Pri integrácii do SMT linky je vhodné spojiť laser so strojovým videním Hikrobot pre automatickú kontrolu kvality kódu (ISO/IEC 15415 pre 2D kódy alebo ISO/IEC 29158 pre DPM značky) a archiváciu výsledkov.
Trvanlivosť značky validovať až po prechode reflow, cez oplach a prípadne conformal coatingom. Niektoré soldermask formulácie mierne menia farbu po reflow, čo ovplyvní kontrast.