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金属基材PCB板的激光切割应用介绍

什么是金属基材PCB板:

PCB中文名称是印刷线路板,对电子元件起支撑和电气连接作用。作为PCB中的一种,金属基PCB板的基材通常是由具有良好散热性的金属(如铝、铜)制成。所以不需要散热器,缩小产品体积,散热性极好,并且具有良好的绝缘和机械性能。

铝基PCB板是目前使用量最大的金属基板,在LED照明产品中常用。现在市场上的铝基PCB板一般都是单侧铝基板。单侧铝基PCB板通常由电路(铜箔)、绝缘层和金属基材三层构成。一个电路(即铜箔)通常是通过蚀刻形成印刷电路,使得部件的各个部分互相连接。一般来说,电路层需要大量的载流能力,因此需要使用厚度一般为30μ~280μm的铜箔。导热绝缘是印刷电路板铝基板的核心技术,通常由特殊陶瓷填充的聚合物组成。它具有热阻小、粘弹性好、热稳定性好、耐老化性好、耐机械力和热应力大等特点。单侧铝基PCB板有正反两面,白色一面用来焊接LED引脚,另一面用来焊接铝,一般会涂上导热凝浆后与导热部接触。

 铝基材的构成

传统的铝基PCB板生产工艺流程:

常规PCB工厂在生产金属基板时,一般采用数控锣板机或冲压机进行冲压加工,加工流程如下:

铝基PCB板的传统生产流程 

因为是接触式加工,锣板机在加工过程中刀具磨损造成的损耗较大,并且由于磨损而导致加工质量下降。接触头加工也存在精度低、割口间隙大、引起基板变形等缺点。冲压式加工首先要做模具,但开模费用高、周期长,而且在加工过程中容易出现板边塌陷。另外,这两种加工方式都比较适合大批量生产,对于小批量的加工,都存在成本高、周期长等缺点。

 

基于光纤的激光切割PCB板的应用特点:

基于金属PCB激光切割通常厚度为1-2毫米。按照材料的厚度,选择连续光纤激光器进行切割,也可以根据加工要求选择功率对应的准连续光纤激光器,在脉冲模式下切割。

 

无论使用何种光纤激光器,激光切割铝基PCB板都有以下特点:

一、加工质量好:切缝边缘光滑,无毛刺。

二、加工效率高,切割速度快。

三、加工精度高◆加工成本低:

1.激光切缝小,激光切割板材利用率高,材料成本低。

2.非接触加工,无刀具磨损。

四、工艺灵活度高:不受图形限制,可加工任何形状的PCB板。

 功率

准连续光纤激光器切割铝基PCB板:

准连续光纤激光可以同时在连续高峰功率脉冲模式下工作。在连续模式和调制模式下,连续激光器的峰值功率和平均功率始终相同,而准连续激光器则不同,它在脉冲模式下的峰值功率数倍于平均功率,因此可产生数百赫兹至数千赫兹的重复频率下的微秒和毫秒脉冲能量高能量脉冲,从而实现优良加工。与连续激光切割相比,准连续激光切割铝基PCB板一般采用脉冲输出方式,切割应用有以下特点:

高速切削主要是因为铝基PCB板的厚度一般是1~2mm,在激光切割中通常采用氮气辅助的熔融切割工艺。金属材料在激光熔融切割过程中,吸收了激光能量,将其转化为热能,从而熔解金属材料。根据热平衡理论,熔融切割具有以下几个经验公式:

 

P=K*(t*v*ω)

在该数值中,P表示材料吸收的激光功率,K是由板材确定的固定数值,t表示切割速度,v表示切割速度,ω表示切割宽度。结果表明,当激光吸收功率一定时,切缝宽度ω越小,切割速度越快。使用高光束质量激光切割薄板时,切缝宽度ω可以做到非常窄,吸收相同的激光能量却能获得更有效的切割。莱塞激光的准连续光纤激光器峰值功率大,较易清除铝板表面的氧化层,使铝板对激光的吸收比提高;且输出光束为准基模,光纤芯径小,因此,切缝窄,切割速度更快。

能量公式

绝热层烧蚀区中小绝缘层的主要材料为有机树脂,熔点较低,对热敏感。准连续激光切割采用脉冲输出,切割热影小,绝缘层的烧蚀面积也小。

自动贴装线上的小热变形小,电路板如不平整,会造成定位不正,元器件无法插入或粘贴到板孔及表面贴装焊盘上,甚至会损坏自动插装机。电路板焊接后容易发生弯曲,导致元件脚不易剪平、平整。IPC标准特别规定了表面安装设备的PCB板,其允许的最大变形为0.75%,表面贴装的PCB板不允许有1.5%的变形。在实际应用中,为了满足高精度、高速贴装的需要,部分电子装联厂家对变形量的要求比较严格,有的客户甚至要求0.3%。准连续激光切割对板材热影响小,所以切割后板材热变形小,更符合铝基PCB板生产厂家的严格要求。

与相同平均功率的连续激光相比,切缝边缘质量较好,准连续激光具有更高的峰值功率,切铝片的断面更加平整,微毛刺较小。

 

优化单面铝基板的激光切割:

印刷电路板生产过程中,激光不仅可以切割铝基板,还可以在其上钻孔。利用激光束精准焦的特性,不仅钻出的孔质量更高,而且孔的最小直径也要小于机械钻孔。所以,引入激光切割工艺后,单面铝基PCB板的生产流程可以一次完成钻孔及外形切割,减少工序,生产流程更加优化。

 单面铝基PCB生产流程

金属基PCB板切割技术的发展方向:

由于国内铜铝等原材料价格的逐步上涨,加上厂地租金和人工劳动成本的不断上涨,采用传统加工方式的PCB厂,加工的利润空间不断受到侵蚀,面临的压力也不断增大。为了在竞争中获得更大的利润空间,创新自动化加工技术,替代新工艺等将成为各电路板厂迫切需要解决的问题。相对于传统的金属基板切割方式,激光切割具有高质量、高效率、高精度、低成本、高灵活性等优点,成为未来金属基板切割技术的发展方向。准连续光纤激光与同功率连续光纤激光器相比,对铝基PCB板切割质量好,切割速度快,绝缘层烧蚀范围小,板材热变形小。因此,未来用高功率准连续光纤激光器切割金属基PCB板将会更为普遍。

 


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