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Leiterplatten – besser gefräst oder gelasert?

Stefanie Marszalkowski • 6. November 2020

Steigende Anforderungen an die Produktqualität bei häufigen Layoutänderungen und flexiblen Produktionsprozessen: Die SMT-Welt und ihre Anforderungen ändern sich ständig. Wer da Schritt halten will, sollte einen Blick auf seinen Nutzentrennprozess werfen.

Bild 1: Kleine Baugruppen und komplexe Konturen: kein Problem für die Lasernutzentrenner von LPKF

Stanzen, Sägen, Fräsen, Lasern. Auf den ersten Blick gibt es zahlreiche Möglichkeiten, Leiterplatten zu trennen. Doch bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass nur wenige Methoden für das Trennen von Leiterplatten mit komplexen Konturenführungen und/oder sensiblen Komponenten geeignet sind: Sägen und Stanzen scheidet hier aufgrund von unflexiblen Layouts beim Nutzentrennen schon aus.


Wer kleine Baugruppen in flexiblem Design fertigt (Bild 1), dem bleiben also nur zwei Möglichkeiten: Lasern oder Fräsen. Beide Systeme gehen das Nutzentrennen auf die gleiche Weise an. Das Material wird schichtweise nach und nach abgetragen, wodurch auch Gravuren realisiert werden können. Auch flexible Konturenführungen sind kein Problem. Der größte augenscheinliche Unterschied ist, dass bei dem mechanischen Verfahren ein Fräskopf zum Einsatz kommt und beim Laserverfahren – offensichtlich – ein Laserstrahl verwendet wird. Greift man also besser zum Laser oder zur Fräse?


Sieht man genauer hin, unterscheidet sich der Laser erheblich von der Fräse: Die Trennung erfolgt beim Laser vollkommen berührungslos, es wird kein mechanischer Stress in das Material übertragen. Eine Beschädigung sensibler Komponenten ist somit ausgeschlossen. Auch das Wechseln von Werkzeugen gehört mit dem Laser der Vergangenheit an, da das Trennwerkzeug nur sehr langsam verschleißt. Folgekosten in Sachen Material und Umrüstungen werden so gemindert. Ein weiterer Unterschied: Anders als beim Fräsen entsteht beim Lasern kein Staub, der sich auf der Leiterplatte absetzen kann. Das Material wird verdampft und abgesaugt.


Bei der Trennung mittels Laser wird der Nutzen jedoch stark erhitzt und sensible Bauteile geschädigt. Dieser Satz klingt zwar logisch, hat aber nichts mehr mit der Nutzentrenn-Realität zu tun. Die Lasertechnologie wurde in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. So sind die Temperaturen beim Schnitt nur etwa halb so hoch wie beim vorherigen Reflow-Prozess. Statt zu verbrennen und Ruß zu bilden, schmilzt das Material. Mit der von LPKF entwickelten CleanCut-Technologie (Bild 2) werden so zu 100 % technisch saubere und karbonisierungsfreie Schnittkanten erzielt. Durch die geringe Temperaturentwicklung und den minimalen Laserdurchmesser müssen zudem weder Stege noch Wärmeeinflusszonen im Leiterplattendesign berücksichtigt werden. Es können deutlich mehr Leiterplatten auf einem Nutzen platziert werden (Bild 3).


Leiterplatten – besser gefräst oder gelasert? Auch wenn jedes Trennverfahren seinen Anwendungsbereich hat, in Branchen mit hohen Qualitätsanforderungen gilt: „besser gelasert“. Nicht nur wird der Trennvorgang im Hinblick auf mechanischen Stress und die Entstehung von Stäuben verbessert, auch die Lebensdauer des Produktes sowie das Leiterplattendesign und die Belegung des Gesamtnutzens können mit SmartRep und der Lasernutzentrenntechnologie von LPKF optimiert werden.


Das Nutzentrennen sollte also nicht unterschätzt werden – der richtige Nutzentrenner ermöglicht zahlreiche Optimierungen rund um Produktqualität und Nutzengestaltung, die langfristige Vorteile verschaffen können.

  • Bild 3: Leiterplatten, die dank des geringen Laserdurchmessers im Vollschnitt getrennt werden können: Mit dem LPKF Lasernutzentrennen können bis zu 30% Material gespart werden

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Die wichtigsten Verfahren sind DPM und Klebeetiketten Eine der bekanntesten Möglichkeiten der Kennzeichnung von Leiterplatten ist die Verwendung von Klebeetiketten (Aufkleber oder auch Labels genannt). Verwendet wird dabei meist ein weißes Trägermaterial, welches vorab mit einer Information in Form eines 1D oder 2D Codes bedruckt wurde. Der nachweisliche Trend der Kennzeichnung geht hin zum DPM-Verfahren. DPM steht hierbei für „Direct Part Marking“. Beim DPM wird die Kennzeichnung dauerhaft auf dem jeweiligen Produkt (Leiterplatte, Baugruppe) aufgebracht. Als DPM-Verfahren hat sich dabei die Laserbeschriftung durchgesetzt. In der Regel kommt dabei ein CO2-Lasersystem zum Einsatz, welches beim Beschriftungsprozess einen Farbumschlag im Lötstoplack erzeugt. Wie wir alle wissen ist nichts wirklich perfekt, so auch hier. Beide Verfahren bringen in ihrer Anwendung und im Hinblick auf den gesamten Produktlebenszyklus entsprechende Vor- und Nachteile mit sich. Wo Licht da auch Schatten: Die Vor- und Nachteile liegen auf der Hand Schauen wir uns mal das Aufbringen von Etiketten näher an. Im ersten Moment und gerade bei kleiner Stückzahl sehen wir oft den Einsatz von Etiketten als eine kostengünstige Lösung. Werden diese von Hand aufgeklebt, müssen wir uns über die Kosten und die Fehlermöglichkeiten sicher Gedanken machen. Daher bringt man heutzutage die Etiketten überwiegend direkt mit dem Bestücker auf. Dies hat zur Folge, dass eine mögliche Datenerfassung erst ab der Mitte des Fertigungsprozesses erfolgt. Alle unsere vorgeschalteten Prozesse werden somit für die spätere wichtige gesamtheitliche Prozessvalidierung nicht erfasst. Wir setzen typisch sog. Labelfeeder ein, die der Bestückungsanlage die Aufkleber wie ein Bauteil zur Verfügung stellen. Dadurch reduzieren wir natürlich den so dringend benötigten Stellplatz auf der Bestückungsanlage um teilweise bis zu sieben Spuren. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Rüstungen und könnte im Einzelfall sogar dazu führen, dass wir ein Produkt nicht komplett mit einer Rüstung produzieren können. Zudem erhöhen sich durch das Setzen eines oder mehrerer Etiketten mittels Bestückungsmaschine auch die Taktzeiten, da Etiketten langsamer bestückt werden müssen. Final hat dies Auswirkungen auf unseren gesamten Fertigungsprozess. Die meist vorgedruckten Etiketten müssen bei einem Produktwechsel auch oft umgerüstet werden, da es produktabhängig verschiedene Anforderungen und Einschränkungen gibt. Oftmals ist der Platz auf der jeweiligen Leiterplatte nicht ausreichend vorhanden und so wird lediglich nur ein Barcode auf den Nutzenrand aufgebracht und nicht jeweils auf alle Einzelschaltungen, was nach dem Vereinzelungsprozess zu einer unvollständigen und nicht mehr nachvollziehbaren Prozesskette führt. Eine solche vereinfachte Kennzeichnung deckt zwar manchmal den reinen internen Prozess zur Datenerfassung ab, am Ende müssen wir uns aber alle überlegen, ob dies unserem Anspruch an Qualität und Liefertransparenz gerecht wird. Immer die Konsequenz aus dem Gesamten dabei beachten. Gewisse technische Einschränkungen sind zudem zu überprüfen. Wir wissen, dass Etiketten kleiner 5x5mm nicht mehr prozesssicher platziert und gelesen werden können. Auf kleinen Etiketten ist natürlich auch weniger Inhalt möglich. Um einen Code muss mindestens ein umlaufender Rand von gut 1mm freigehalten werden um ihn später sauber lesen zu können. Besteht der Wunsch oder die Idee die Etiketten bereits vor der SMT Linie auf die Leiterplatte aufzubringen, müssen wir ein paar weitere Faktoren beachten. Einer davon ist der Druckprozess. Man stelle sich vor, dass ein ca. 100µm dickes Etikett auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Eine klassische Druckschablone ist i.d.R. ca. 100-130µm dick. Nun trifft die Schablone auf das 100µm dicke Etikett und verursacht so an und um diese Stelle einen erhöhten Absprung. Dieser führt zu einer ungewollt höheren Aufbringung von Lotpaste, was gerade bei FinePitch zu Fehlern führt. Am Ende ist es auch eine Kostenfrage. Die Kosten für Etiketten steigen mit zunehmender Menge und Varianten. Zudem bedarf es hitzebeständiger und teurer Etiketten (sog. Kapton-Material) für einen prozesssicheren Einsatz im Lötprozess. Nur diese halten einen teilweise zweimaligen Durchlauf durch den Lötofen aus. Eine langfristige Berechnung über die Stückzahlen sollte hier immer vorgenommen werden, um so andere Verfahren wie die Laserbeschriftung auch in Betracht zu ziehen. Ein klarer Vorteil von Aufklebern ist dabei das sehr gute Kontrastverhältnis. Auf ein weißes Etikett wird ein schwarzer Inhalt gedruckt. Auch bei einem späteren Beschichtungsverfahren (Bsp. Schutzlackierung) der Baugruppe kann meist der Inhalt noch sehr gut gelesen werden. Der wichtigste Faktor aber ist, Etiketten können abfallen und somit verlieren Sie alle Informationen. Kommen wir zum DPM-Verfahren und schauen uns dabei die Laserbeschriftung genauer an. Die Laserbeschriftung kommt am Anfang einer SMT Fertigung zum Einsatz. Meist als inlinefähige Anlage direkt in der SMT Linie vor dem Drucker oder als autarke automatisierte „Beschriftungsinsel“ vor der Linie oder bereits im Wareneingang. Die Taktzeiten pro Beschriftung sind sehr kurz. Die Qualität der Beschriftung wird im System gleich nach dem Aufbringen überprüft. Neben dem hohen Durchsatz steht auch die Flexibilität der Kennzeichnung im Fokus einer modernen Laserbeschriftungsanlage. Der Inhalt kann frei definiert und zur Kennzeichnung entsprechend produktspezifisch ausgeführt werden. In der Größe der Kennzeichnung und dem Inhalt sind Sie praktisch frei und so ist eine individuelle Kennzeichnung je nach verfügbarem Platz auf der Leiterplatte umsetzbar. Definitiv verbleibt die Kennzeichnung dauerhaft auf der Leiterplatte und kann nur mechanisch zerstört werden. So sind Sie für alle Fälle auf der sicheren Seite.
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