Wie helfen Lasersysteme bei der Strukturierung von Substraten und bei der Leiterplattenbearbeitung? LPKF hat in den letzten Monaten zwei Lasersysteme vorgestellt, die neue Dimensionen im PCB-Prototyping erschließen.
 
Laserverfahren sind non-tooling Verfahren. Sie benötigen keine Werkzeuge – dies macht das Verfahren kostengünstig, schnell und stabil. Laserlicht unterscheidet sich grundsätzlich von herkömmlichen Beleuchtungskörpern, und zwar unter mehreren Aspekten. Laserlicht ist monochrom, es weist nur eine geringe Frequenzspreizung auf. Gleichzeitig lassen sich Laserstrahlen gut bündeln – die Energie konzentriert sich in einem eng auf den Strahldurchmesser begrenzten Wirkungsbereich.

Der Laser bringt berührungslos Energie auf das Material auf – ohne mechanischen Stress für die bearbeiteten Werkstoffe. Die absorbierte Energie regt Elektronen im Zielmaterial an. Daraus resultieren drei Wirkungsformen:

• Durch die zugeführte Energie brechen chemische Bindungen auf.
• Das Material schmilzt durch den Energieeintrag auf.
• Hohe Pulsenergien verdampfen das Material.

Je nach Wellenlänge des Lasers reagieren die bestrahlten Materialien unterschiedlich. Je höher die Absorption eines Materials ist, desto mehr Energie überträgt der Laser. Die Kunst der Mikromaterialbearbeitung mit dem Laserstrahl besteht also darin, das Material mit der passenden Energiemenge und der richtigen Wellenlänge exakt zu beschreiben.

Für die Laserbearbeitung im Prototyping hat LPKF zwei Lasersysteme im Programm: Der ProtoLaser S strukturiert Leiterplatten, der ProtoLaser U ist ein Allzweckwerkzeug für das Trennen von Leiterplatten und allgemeine Materialbearbeitung.

ProtoLaser S: Laserstrukturieren von Leiterplatten

Der LPKF ProtoLaser S arbeitet im nahen Infrarotbereich. Er strukturiert komplette Layouts auf Leiterplatten ohne Chemie. Auf keramischem Material lassen sich Leiterbahnstärken von 25 µm und Abstände von 50 µm bei exakten Geometrien erzeugen. Durch die ausgefeilte Prozesssteuerung eignet sich das Lasersystem auch für die Herstellung von Leiterplatten auf Basis von aluminiumbeschichteten PET-Folien, kupferbeschichtetem FR4 oder auch Keramik und HF-Substraten.

Mit einem neu entwickelten und patentiertem Verfahren glänzt das Lasersystem besonders bei laminierten Leiterplatten: Der Laser legt zunächst Konturen an und schmilzt dann die Laminatschicht zwischen Leiterplattensubstrat und Kupferbeschichtung. Das Kupfer löst sich flächig ab und wird mit Druckluft entfernt – so strukturiert der ProtoLaser S ein komplexes Musterlayout in DIN-A4-Größe in knapp 20 Minuten.

Das Laserverfahren ermöglicht auch die Strukturierung von rein keramischen Schaltungsträgern ohne Klebeschicht zwischen Leitermaterial und Substrat. Das Abtragsverfahren ist ein anderes: Ein hochenergetischer Laserstrahl verdampft das getroffene Material innerhalb von Sekundenbruchteilen.  Das keramische Trägermaterial bleibt durch seine Temperaturunempfindlichkeit unversehrt. Auf diesem Material lassen sich Isolationsabstände im Bereich des Strahldurchmessers (25 µm) und Leiterbahnbreiten von 50 µm realisieren. Durch Verdampfen lassen sich auch Dickschichtplatinen strukturieren: Der Laserstrahl wird mehrfach über eine Position bewegt, bis die leitende Schicht entfernt ist.

Untersuchungen und Praxiseinsätze belegen die hohe Qualität der laserstrukturierten Leiterplattenprototypen. Sie meistern anspruchsvolle Abzugstest, punkten mit einem hohen Isolationswiderstand und zeichnen sich durch eine bislang unerreichte geometrische Genauigkeit aus – ein entscheidendes Kriterium bei HF-Schaltungen im GHz-Bereich.

Das Universalwerkzeug zur Mikromaterialbearbeitung: LPKF ProtoLaser U

Er gleicht seinem älteren Bruder, hat aber ganz andere Stärken: Der ProtoLaser U3 teilt mit dem ProtoLaser S das kompakte, laborgeeignete Gehäuse, aber nicht die Laserquelle. Hier ist ein UV-Laser integriert, der sich durch seine hohe Strahlqualität für viele Aufgaben eignet.

Der UV-Laser kann fast alle Materialien schneiden und bohren. Der LPKF ProtoLaser U trennt zum Beispiel einzelne Platinen stressfrei und präzise aus großen Leiterplatten, schneidet LTCC und Prepregs, bohrt Löcher und Microvias, strukturiert TCO-/ITO-Beschichtungen oder öffnet Lötstopplack. Die hohe Pulsenergie des UV-Lasers führt zu einem Ablationsprozess ohne Rückstände: Geometrisch exakte Konturen sind das Ergebnis. Der integrierte Vakuumtisch fixiert  flexible und dünne Substrate sicher. Durch den günstigen Systempreis wird die UV-Lasertechnologie für einen größeren Anwenderkreis als bisher verfügbar.

Interessenten für beide Systeme melden sich zum Beispiel aus dem Umfeld von Universitäten, von staatlichen Instituten oder auch Entwicklungsabteilungen und kleineren Job-Shops.