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與傳統(tǒng)的機(jī)械分板方法相比，使用現(xiàn)代激光系統(tǒng)進(jìn)行電路板分板可能會(huì)對(duì)制造工程師提出一些挑戰(zhàn)。為了利用激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，避免產(chǎn)生意想不到的副作用，必須充分了解激光能量對(duì)基板材料的正常影響。本文深入分析使用各種不同的激光系統(tǒng)在進(jìn)行分板時(shí)的操作參數(shù)，以確定由此得到的基板材料溫度變化。我們建立了一套理論模型，用它和實(shí)際的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。這項(xiàng)研究包括在分板過(guò)程中由激光能量造成的溫度上升對(duì)PCB基板性能的影響，它的影響包括從無(wú)法測(cè)量出來(lái)的變化到不同激光切割參數(shù)造成的切割縫側(cè)壁的表面電阻的下降。

分板方法

在SMT行業(yè)中有很多分板方法，例如：

1、沖剪/模切

2、v形劃刻

3、輪切割/比薩切割

4、鋸切

5、噴射水流

6、挖刻（+分段沖裁)

其中的一些方法只適合在成本非常低，質(zhì)量要求也不高的應(yīng)用中使用；其他方法只能用于矩形電路板。由于非常大的壓力和/或彎曲力可能會(huì)導(dǎo)致基板出現(xiàn)某種程度的分層，而這些分層可能會(huì)影響電路板的長(zhǎng)期可靠性，這是由于其中的一些方法可能會(huì)損壞電路板的邊緣。這一切都意味在電路板的布局過(guò)程中必須要注意保護(hù)脆弱的元件，并且有時(shí)還要使電路走線遠(yuǎn)離電路板的邊緣。幾乎沒(méi)有人嘗試開發(fā)用噴射水流來(lái)分板的方法。

圖1：在一塊拼版上使用幾種分離方法

最常用的方法是挖刻，不管電路板是什么形狀，拼板制造商都是按照圍繞各個(gè)電路板的切縫來(lái)切割的。在進(jìn)行組裝工藝的過(guò)程中，為了把電路板保持在拼板中，切縫在少數(shù)幾個(gè)位置是斷開的。在拼板中挖刻的切縫寬度通常約為3毫米，這表示在有很多小電路板的情況下，有相當(dāng)多的拼板空間用來(lái)做切割槽。有時(shí)，拼板會(huì)因?yàn)槠渲杏泻芏嗖鄱�變得沒(méi)有像原來(lái)那么堅(jiān)硬，在組裝過(guò)程中需要支撐拼板或托盤。為了讓電路板能夠更容易地從拼板中斷開，通常是在連接區(qū)域（切縫中斷的位置）鉆孔，這意味著在電路板布線過(guò)程中就必須確定這些鉆孔的位置，并且必須讓脆弱的元件遠(yuǎn)離這些位置。

激光切割

最新的分板方法是激光挖刻，它可以在電路板組裝工藝最后一個(gè)步驟完成之后進(jìn)行。這意味著拼板在進(jìn)行激光分板之前的所有組裝步驟中始終保持它的剛性。和挖刻器一樣，激光切割整塊電路板，因此不會(huì)產(chǎn)生使電路板邊緣彎曲或下壓的力，這表示沒(méi)有在電路板材料上施加壓力。由于使用激光，可以切割任何形狀的電路板，而且工藝如果完全是由計(jì)算機(jī)來(lái)控制的，可以很快切換到切割不同形狀的電路板。

激光系統(tǒng)

激光切割系統(tǒng)的三個(gè)主要部分包括激光，用于移動(dòng)拼板的X–Y坐標(biāo)板和用來(lái)移動(dòng)與定位激光束位置的掃描器。

有幾種類型的激光可以用來(lái)切割不同的材料。包括從20多年前波長(zhǎng)約10微米的二氧化碳激光到大約在10年前出現(xiàn)的波長(zhǎng)約350納米的紫外激光。大約在20年前引進(jìn)在不銹鋼模板切割系統(tǒng)中使用的1054納米波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器。

隨著波長(zhǎng)變得更短，生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)便宜的激光器變得越來(lái)越困難。更短波長(zhǎng)的激光和那些非常窄的脈沖寬度通常都相當(dāng)昂貴，這就是為什么在組裝行業(yè)中要花時(shí)間來(lái)部署它們的原因。

圖2：激光分板系統(tǒng)的例子，在線自動(dòng)加載與卸載裝置

紅外激光被稱為“熱”激光，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诓牧现醒刂�預(yù)定的路徑加熱和燃燒來(lái)切割材料。紫外激光能夠燒蝕材料。高能量短脈沖進(jìn)入材料的頂層，使材料蒸發(fā)，以爆破的方式移掉一層材料。通過(guò)對(duì)同一路徑的多次燒蝕，最終完成材料的切割。由于紫外激光束產(chǎn)生的熱量很小，在切割路徑的邊緣極少甚至不燃燒材料，這取決于如何使用紫外激光（圖3）。

圖3：紅外線切割與紫外線切割

根據(jù)光的波長(zhǎng)，有些材料會(huì)反射光，有些材料是完全透明的。為了使燒蝕方法起作用，激光束必須穿透到材料中進(jìn)行切割。從圖4中可以看到各種電路板成分對(duì)不同的光波長(zhǎng)的反應(yīng)。為了能夠燒蝕所有電路板，紫外激光是個(gè)不錯(cuò)的選擇。在過(guò)去的10年里，紫外激光（波長(zhǎng)約為350納米）在經(jīng)濟(jì)上的吸引力已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)。

圖4：電路板的各種成本對(duì)不同波長(zhǎng)的反應(yīng)

紫外激光的波長(zhǎng)比較短，光學(xué)性能非常出色，因此它的光束尺寸能夠達(dá)到非常小，通常只有約15到25納米。這使它能夠在拼板中切割出一道非常窄的切縫，電路板之間的空間浪費(fèi)非常少，尤其是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許非常精確的激光束位置的情況中。圖5是有很小的電路板的拼板的部分的例子。在使用挖刻工藝時(shí)，每塊拼板的電路板的數(shù)量大約是125個(gè)，而拼板在經(jīng)過(guò)重新布局后，使用激光切割的電路板數(shù)量增加近三倍。這在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

圖5：非常小的電路的拼版的例子

在這個(gè)使用激光系統(tǒng)切割的例子中，一塊拼板放在有氣流向下流的有排孔表面上，或者通過(guò)機(jī)械方法安裝在高精度可移動(dòng)的X-Y坐標(biāo)板上，以防止拼板在切割操作過(guò)程中移動(dòng)。對(duì)于兩側(cè)都有元件的電路板，需要使用專用的支撐托盤。

為了切割在一塊拼板區(qū)域上所有的切割路徑，整個(gè)拼板區(qū)域分成多個(gè)50毫米x 50毫米的方塊，電腦通過(guò)安裝在電流計(jì)上的鏡子精密地控制激光束在各個(gè)方塊區(qū)域中的移動(dòng)。激光束在這些方塊區(qū)域中的移動(dòng)速度得到很好的控制，移動(dòng)速度最高可達(dá)到1000毫米/秒。如圖6所示，空氣流在切割時(shí)通過(guò)整個(gè)拼板，帶走碎片，盡可能減少留在拼板頂部的碎片。當(dāng)一個(gè)50毫米x 50毫米方塊區(qū)域內(nèi)的切割完成后，坐標(biāo)板移動(dòng)到下一個(gè)方塊區(qū)域，直到切割任務(wù)結(jié)束。

圖6：空氣流與排氣

定位精度

激光系統(tǒng)可以根據(jù)原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（例如Gerber文件）使用拼板的基準(zhǔn)點(diǎn)定位要切割的位置。由電腦控制的坐標(biāo)板的移動(dòng)和電流計(jì)的移動(dòng)，可以在假定的25微米范圍內(nèi)定位激光束。不過(guò)，在分離電路板或柔性電路時(shí)，拼板圖像的精度通常比較低，往往因?yàn)槿绱�，�?duì)于拼板中比較小的部分使用額外的基準(zhǔn)點(diǎn)，變得很有必要。甚至可以使用電路板圖案可辨認(rèn)的部分來(lái)滿足更精確的電路板邊緣定位要求。

電路板表面的殘留物

即使氣流穿過(guò)整個(gè)切割區(qū)域（圖6），也不是所有被切下來(lái)的材料都會(huì)被氣流從切縫中帶走。一些留在切縫中的顆粒是粉末狀的環(huán)氧樹脂顆粒和玻璃顆粒。這些顆粒中經(jīng)過(guò)測(cè)量最大尺寸沒(méi)有超過(guò)20微米，平均尺寸在10微米左右。（請(qǐng)參見圖7中所示的圓形區(qū)域）。它們的尺寸和數(shù)量不會(huì)引起關(guān)注。

圖7：激光切割后的表面

但為了確定重新沉積的材料是否會(huì)引起問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種用FR4材料制作的厚度為800微米的測(cè)試電路板（圖7）。測(cè)試電路板有四種圖案，分為兩組，分別內(nèi)置了數(shù)字化梳狀器。把每一對(duì)這樣的梳狀器和電路板的邊緣連接起來(lái)，便于測(cè)量表面絕緣電阻（SIR）。作為這個(gè)測(cè)試的一部分，在離梳狀器非常近的位置切割一個(gè)槽。在這個(gè)槽切割完成之后，這些測(cè)試電路板（在40°C，RH = 93%，無(wú)凝結(jié)的環(huán)境下）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)170個(gè)小時(shí)的氣候測(cè)試并測(cè)量表面絕緣電阻。在所有的測(cè)量值中，超過(guò)10E11歐姆就表示表面絕緣電阻沒(méi)有受到不良影響（圖8）。

圖8：表明電阻測(cè)量