Laserové značení tištěných spojů se používá pro trvalou identifikaci desek. Výhodou laserového značení je, že přežije reflow pájení až 260 °C, mytí desek po pájení i conformal coating.
PCB je z pohledu značení vícevrstvý heterogenní materiál: substrát (FR-4, polyimid nebo keramika), měděné vodivé dráhy, soldermask a často potištěná silkscreen legenda. Cílem je vytvořit kontrastní značku v soldermasku nebo silkscreenu, aniž by došlo k poškození vodivých drah, k delaminaci, k propálení substrátu nebo k tepelnému ovlivnění osazených komponent. V praxi se prosazují především lasery v UV a zelené části spektra, které pracují primárně fotochemicky, nikoli tepelně.
Které typy PCB lze značit laserem
Laserem lze značit prakticky všechny běžně používané typy desek, je však třeba zohlednit substrát, povrchovou úpravu a fázi procesu, ve které se značení provádí. Mezi nejčastěji značené PCB patří:
- Standardní FR-4 PCB a High-Tg FR-4: Sklotextilní substrát se zeleným, modrým, černým, červeným, bílým nebo žlutým soldermaskem. Cíl značení: ablace soldermasku do podkladu FR-4, případně karbonizace bez obnažení mědi. Tmavé masky dávají nejvyšší kontrast, bílé jsou obtížnější.
- Flexibilní PCB (FPC, polyimidové): Tenká polyimidová fólie s nalaminovanou měděnou vrstvou (mobilní telefony, kamerové moduly, lékařské sondy). Polyimid je velmi citlivý na tepelný šok. Ablační práh při 355 nm leží kolem 1 J/cm² pro nanosekundové pulzy, při překročení vznikají pukliny nebo zuhelnatění substrátu.
- Rigid-flex PCB: Kombinace tuhých FR-4 sekcí a flexibilních polyimidových mostů. Značení obvykle směrovat do tuhé FR-4 oblasti.
- Keramické PCB (Al₂O₃, AlN): Pro výkonovou elektroniku, RF aplikace a LED svítidla. Tvrdší substrát vyžaduje vyšší špičkovou energii pulzu, výsledkem je tmavé značení s ostrými hranami.
- Kovové jádro (MCPCB, IMS): Hliníkové nebo měděné jádro s izolační vrstvou a měděnými drahami. Značení se realizuje do izolační vrstvy podobně jako u FR-4.
- Vysokofrekvenční substráty (Rogers, PTFE): Tepelně velmi citlivé, vyžadují krátké pulzy a nízkou hustotu energie, použitelný je prakticky výhradně UV laser.
- Osazené PCB (PCBA): Po SMT osazení komponentami. Značení musí být bezpečné vůči blízkým součástkám jako krystaly, MEMS senzory, optoelektronika, BGA pouzdra. UV laser je zde jediná spolehlivá volba.
Metody laserového značení PCB
Na PCB lze podle hustoty energie a délky pulzu aplikovat několik procesů. V průmyslové praxi se uplatňují především tři:
- Selektivní ablace soldermasku: Hlavní metoda značení PCB. Laser odpaří svrchní vrstvu soldermasku v ploše značky a obnaží substrát FR-4 nebo polyimid pod ní. Vzniká vysoce kontrastní značka, světlý podklad na barevném pozadí soldermasku. U UV laseru probíhá ablace fotochemicky, takže přesně dávkovaná energie odstraní pouze pigment a pojivo masky a zastaví se nad měděnými drahami.
- Karbonizace soldermasku: Při velmi nízké energii pulzu se soldermask neodpařuje, ale mění barvu. Zelená nebo modrá maska tmavne až do hněda nebo téměř černa, bílá maska zhnědne. Vzniká kontrastní značka bez obnažení podkladu. To je vhodné u aplikací, kde nesmí dojít k odhalení mědi z důvodu impedanční kontroly, korozní odolnosti nebo požadavků na sterilizovatelný povrch.
- Ablace silkscreen legendy: Laser odpaří bílou nebo žlutou potištěnou vrstvu silkscreenu a obnaží barevný soldermask pod ní. Používá se při doplňování legendy, revizních úpravách a značení sériových čísel přímo do potisku.
U citlivých substrátů, jako jsou flex PCB, vysokofrekvenční desky nebo PCBA, je bezpečnější použít několik rychlých průchodů s nízkou energií než jeden agresivní průchod. Kontrast se buduje postupně, aniž by se kumulovalo teplo.
Vhodný typ laseru
Volba laseru se odvíjí od substrátu a fáze výroby. Pro PCB se používají krátké vlnové délky, které polymerní matrice soldermasku dobře ansorbuje, a které jen minimálně zatíží okolí značení.
UV lasery (355 nm)
UV laser je u značení PCB nejpoužívanějším zdrojem. Krátká vlnová délka 355 nm rozbíjí chemické vazby v polymerní matrici soldermasku, FR-4 i polyimidu, aniž by docházelo k významnému ohřevu okolí. Proces se označuje jako studené značení (cold marking) a v elektronice je klíčový s ohledem na ochranu okolních vrstev a komponent.
Záření 355 nm absorbují téměř všechny PCB materiály. Paprsek se zastaví na rozhraní vrstev a nepronikne dál. Velmi malý průměr ohniska (řádově 10–20 µm) umožňuje značit jemné Data Matrix kódy už od velikosti 1,5 × 1,5 mm.
Zelené lasery (DPSS, 532 nm)
Frekvenčně zdvojený DPSS Nd:YVO₄ laser na 532 nm je cenově dostupnější alternativou k UV pro značení standardní FR-4. Na soldermasku pracuje se srovnatelnou kvalitou, ale s mírně vyšším tepelným zatížením. Pro běžné bare board s tmavým soldermaskem dobrá volba s lepším poměrem cena/kvalita.
Pro flexibilní polyimidové desky a osazené PCBA je tento laser méně vhodný. Vyšší tepelné zatížení může polyimid poškodit a u PCBA představuje riziko pro nejcitlivější komponenty.
U UV laseru je potřeba počítat s vyšší pořizovací cenou oproti vláknovým a zeleným laserům.
Nd:YVO₄ lasery (1064 nm)
Pevnolátkový laser s krystalem yttrium-vanadát má vysokou kvalitu paprsku a vyšší špičkovou energii v krátkých pulzech než vláknový laser. Pro PCB se uplatňuje zejména při značení silkscreen legendy bez peelingu, kde řízenější dodávka energie umožňuje delikátní práci na tenké tištěné vrstvě. Některé hybridní stroje kombinují vláknový a YVO₄ zdroj v jednom těle pro flexibilní použití na různých typech materiálu.
Nevhodné lasery
Vláknový laser je pro běžné značení PCB nevhodný. Tepelný proces s rozsáhlou tepelně ovlivněnou zónou způsobuje praskliny a delaminaci soldermasku, deformaci substrátu a riziko propálení k vodivým drahám.
U flexibilního polyimidu dochází k zuhelnatění, u osazené desky představuje riziko pro citlivé komponenty v okolí značení. V PCB výrobě se vláknový laser používá výhradně k depanelingu (řezání panelů na jednotlivé desky), případně pro značení přímo do holé měděné dráhy nebo plošky.
Stejně tak CO₂ laser má v PCB výrobě využití zejména v depanelingu organických materiálů a vrtání dielektrika. Pro značení soldermasku je sice použitelný jako rychlejší a levnější alternativa, ale výsledná kvalita je nižší než u UV laseru. Vzniká hrubá ablace s neostrým okrajem, existuje vyšší riziko spálení substrátu kolem značky.
Doporučené parametry
Při značení PCB se používají nízké průměrné výkony, vysoké frekvence pulzů a více rychlých průchodů, které postupně budují kontrast bez tepelného zatížení. Následující orientační rozsahy se týkají UV laseru 3–12 W na 355 nm s F-theta čočkou ohniskové délky 70–160 mm. Pro zelený DPSS 532 nm jsou hodnoty obdobné, jen s mírně vyšší energií pulzu.
- Selektivní ablace zeleného nebo modrého soldermasku na FR-4: výkon 30–60 %, opakovací frekvence 50–100 kHz, délka pulzu 5–20 ns, rychlost 500–1500 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 2–4 průchody. Více rychlých průchodů s nízkou energií dá vždy lepší výsledek než jeden agresivní průchod.
- Plošná ablace soldermasku (větší plochy, např. odhalení mědi pro rework): výkon ~30 %, frekvence ~200 kHz, délka pulzu ~200 ns, rychlost 2000 mm/s, hatch 0,05 mm, až 20 průchodů. Výsledkem je čistá ablace soldermasku bez poškození měděné dráhy pod ním.
- Karbonizace soldermasku: výkon 15–30 %, frekvence 80–150 kHz, krátké pulzy, rychlost 2000–4000 mm/s, 1–2 průchody. Energie nesmí způsobit ablaci a odhalení mědi, jen lehkou změnu barvy povrchu.
- Bílý soldermask: vyžaduje vyšší energii pro karbonizaci, výkon 40–60 %, frekvence 50–100 kHz, jinak parametry obdobné jako u tmavé masky. Některé bílé pigmenty UV záření odrážejí, takže ladění je náročnější. Je nutné vždy testovat na konkrétní šarži.
- Černý soldermask: vysoký kontrast díky obnažení světlého FR-4, výkon 30–50 %, frekvence 50–100 kHz, rychlost 500–1000 mm/s, 2–3 průchody.
- Polyimidové flex PCB (Kapton): výkon do 30 %, vysoká frekvence (100–200 kHz), velmi krátké pulzy (5–10 ns), rychlost minimálně 3000 mm/s, jeden průchod. Polyimid nesnese tepelnou rezervu, je nutná maximální opatrnost.
- Keramický substrát (Al₂O₃, AlN): vyšší špičkový výkon než u FR-4. Výkon 60–90 %, frekvence 30–80 kHz, délka pulzu 100–200 ns, rychlost 500–1500 mm/s, 3–6 průchodů.
- Silkscreen legenda: velmi nízká energie, vysoká frekvence (100+ kHz), jeden průchod, rychlost 1500–3000 mm/s. Doporučuje se Nd:YVO₄ nebo UV s pečlivým laděním podle tloušťky tisku, aby nedocházelo k peelingu okrajů.
- Osazené PCBA: parametry shodné s ablací soldermasku, navíc bezpečná vzdálenost značky od osazení obvykle 2–3 mm a 3D autofokus pro práci na nerovných panelech s různě vysokými komponentami.
Při ladění parametrů na konkrétní PCB platí několik obecných zásad. Soldermask se mírně liší mezi výrobcemi a šaržemi. Je nutné vždy testovat na vzorcích z aktuální dodávky.
Při integraci do SMT linky je vhodné spojit laser se strojovým viděním Hikrobot pro automatickou kontrolu kvality kódu (ISO/IEC 15415 pro 2D kódy nebo ISO/IEC 29158 pro DPM značky) a archivaci výsledků.
Trvanlivost značení je vhodné validovat až po průchodu reflow, vodním praní a případně conformal coatingem. Některé soldermask formulace mírně mění barvu po reflow, což ovlivní kontrast.