Entkupfern + Bohren von EPOXY-Platinen

[maboben]

Hallo zusammen,

in einigen Posts wurde schon mal erwähnt das man mit einem entsprechenden DPSSL Epoxy-Platinen entkupfern bzw. sogar "bohren" kann. Mich, ein echter Newbie was Leistungslaser angeht, würde nun stark interessieren welchen Laser (CW oder Q-Switch) mit welcher Min.-Leistung man benötigt um Standart Epoxy (35µm Kupfer) Platinen in o.g. Weise zu bearbeiten? Vielleicht können die Laserfreaks die schon mal in diese Richtung experimentiert haben mir ein paar Erfahrungen mitteilen.

Damit wir uns nicht falsch verstehen: Ich erwarte keine Werte die Anspruch auf absolute Gewissheit legen. Sondern einfach mal die Meinungen damit ich "Einnorden" kann ob allein von Aufwand und Kostenseite so ein Projekt realisierbar ist, oder ob mich der "Spaß" ein kleines Vermögen kostet.

Die Wellenlänge müsste man, so denke ich, ermitteln über den Refelexionsgrad von Kupfer bzw. gefärbten (meist Grün- oder Blautöne) Epoxy. Die zur Verfügung stehende Laserwellenlänge mit dem geringsten Reflexionsgrad auf den genannten Materialien sollte es dann sein. Oder?

Gruß

[pulslaser]

Hi, also um Kupfer zu verdampfen braucht man schon sehr hohe Pulsleistungen, geht also nur mit Q-Switch, CW kann man da ganz vergessen. Bei 1064nm schätze ich mal so über 20kW. Mit meinem Eigenbau Q-Switch Yag geht das ganz gut und ich hab auch schon Platinen gelasert. Dabei war die mittl. Leistung bei ca. 3 Watt, Pulsfrequenz 1kHz, Pulsldauer 150ns. Ich habe in mein System incl. Scanner, Interface und Software etwa € 12.000,- investiert.

Gruß Didi

[maboben]

Hallo Didi,

ja ich habe Deine Posts schon mit großem Interesse verfolgt und hoffte auf eine Antwort von Dir.

Somit habe ich jetzt endlich mal eine Hausnummer für die Kosten. Allerdings sind 12.000 Euro ganz schön happig nur um Platinen herzustellen. Denkst Du nicht das es da noch eine preiswertere Alternative geben könnte. Natürlich auch auf Laserbasis. Kann man nicht eine Laserwellenlänge nehmen deren Licht Kuper mehr absorbiert? Dann müsste man doch mit erheblich weniger Leistung auskommen (Denn 35µm sind ja nicht gerade die Welt an Materialstärke und das Epoxy müsste mann doch wie Butter schneiden können, oder?). Leider habe ich noch nirgendwo im Web ein Absorbationsspektrum von Kupfer oder gar Epoxy finden können (Hat jemand einen Tip wo ich danach suchen muß?).

Ein nächster Sparpunkt wäre doch sicher der Scanner. Also statt einem teueren Hochleistungsscanner zu verwenden den Laser starr einbauen und dafür einen XY-Tisch einsetzen. Denn die Objekte sind ja nicht sehr groß (max. schweben mir 320x200mm vor.) Ein guter (<=0,1 mm Wiederholgenauigkeit) XY-Tisch ist ja schon recht preiswert zu bekommen oder sogar selbst baubar. Die Geschwindigkeit ist nicht maßgebend.

Nebenher, nur so als Hintergrundinfo. Warum möchte ich einen Laser statt der klassischen Methode (Film machen, Belichten, Entwickeln, Ätzen, Bohren, Durchkontaktieren, Shapen) zur Platinenherstellung benuzten. Die klassische Art ist eben eine Riesensauerei und dauert relativ lange. Für jeden Prototypen muß ich einen halben Tag (vom "Kaltstart" meiner Ätzmaschine an) kalkulieren. Mal eben geht da nichts. Und das nervt mich seit Jahren.
Mit einem Laser wäre das was anders: Roh-Platine drunterlegen, Programm abfahren und fertig. Man könnte sogar unbeschichtete Platinen verwenden. Ach wär das G...

Gruß MaBoben

Noch ein Nachtrag: Hast du schon mal versucht das Kupfer vor dem Bearbeiten künstlich leicht anzuoxidieren. Damit müßte doch der Absobationsgrad erheblich steigen und die eingebrachte Wärmeleistung im Anlauf schon so groß sein das eine 35µm dünne Schicht verdampft ist bevor das Material überhaupt merkt das eigentlich gut refelktiert.

[pulslaser]

Tja Maboben, Kupfer würde eine höhere Frequenz (kleinere Wellenlänge) besser absorbieren als 1064nm aber verdopple mal 1064nm dann hast du zwar 532nm (grün), leider aber nur noch 1/10tel der ursprünglichen Leistung.

Ich weiss nicht wie du dir das vorstellst aber erkundige dich erst mal nach den Randbedingungen. Die wichtigsten Komponenten für mein System habe ich für einen Spottpreis bekommen. Die Leistung die ich genannt habe braucht man nun mal um das zu machen was du willst. Für ein fertiges System dieser Leistung zur Materialbearbeitung kannst du locker mit € 30.000,- aufwärts rechnen. Wenn es so einfach wäre hätten das die am Markt namhaften Hersteller schon längst angeboten. Günstiger gehts nur noch wenn du so ein System oder die Komponenten dafür geschenkt bekommst aber wer macht das schon.

Trumpf trägt z.b. pro Durchgang 5µm ab. Für diese Maschine legst du aber € 45.000,- auf den Tisch. Ich brauche mit meiner Maschine für 35µm Kupfer 6 Durchgänge bis es komplett weg ist. Nun bin ich gespannt wie günstig du das hinbekommst.

Ich hatte das Glück zur rechten Zeit das richtige Telefonat mit Herrn Bohlinger von HB-Laser geführt zu haben. Er räumte damals sein Lager, stieß alles ab was 1064nm war. Da hab ich nicht lange überlegt und ein großes Paket mit nach hause genommen. Inhalt: 1 kompletter Laserkopf mit Scanner von Scanlab plus Stromversorgung und Kühlung, 2 komplette Pumpkammern als Ersatz, Ersatzlampen, ein funktionsfähiger Laser mit nochmal denselben Komponenten, verschiedene Laserkristalle, 3 Lampennetzteile und zuletzt noch recht viele verschiedene Resonatorspiegel und Optiken. Trotzdem war es noch viel Arbeit bis es so funktionierte wie ich es wollte. Aluprofil musste besorgt werden, Scanner Interface plus Software hat noch gefehlt, ein Interface + Software um die Anlage einzuschalten, überwachen und betreiben, hab ich selbst gemacht und eine Arbeitsfläche die man in der Höhe elektrisch verstellen kann. Hat alles in allem etwa fast ein Jahr gebraucht aber nun kann ich damit arbeiten. Mitte September kommt noch ein weiteres System von Trumpf dazu welches in das jetzige mit integriert wird. Dann bin ich in der Lage mit einer Maschine alles machen zu können. Beschriften, Gravieren, Material abtragen, Feinschneiden, Bohren, Schweissen und schneiden bis 5mm Stahl. Aber da ich damit Geld verdiene rechnet sich das alles auch.

Gruß Didi

[maboben]

Hallo,

und Danke für Deine umfangreichen Ausführungen Didi. Habe mir zwischenzeitlich mal die Absorbationslinien für Kupfer besorgt. Siehe hier:


Dem Kupferspektrum nach müßte ja jeder sichtbare Laser besser geeignet sein um Kupfer zu bearbeiten. Werde mal forschen bei welchem, im sichtbaren Bereich arbeitenden, Laser das Preis/ Leistungsverhältnis am besten ist.

Gruß Martin

[vakuum]

Ich glaube nicht das es gewünscht ist dass bei der Materialabtragung möglichst viel Absorbiert wird.... oder doch didi?

Sonst würde man ja Stahl nicht mit CO2 schneiden....

@MaBoben... bist Du wieder mal ein unbelehrbarer? kannst dem Didi schon glauben... er weiss was er sagt...
Bei Deiner Forschung helfe ich Dir ein wenig nach... die Grünen Laser sind die billigsten sichtbaren mit viel Leistung.... darum haben die meisten auch einen....

[floh]

warum man Stahl mit CO2 Laser schneidet? Such mal einen anderen Laser der mit so wenig Aufwand solche CW Leistungen bringt... Bei CO2 hast du einen Wirkungsgrad bei dem kaum ein anderer Laser mithalten kann.

[vakuum]

Bei CO2 hast du einen Wirkungsgrad bei dem kaum ein anderer Laser mithalten kann.

naja laut Trumpf erreichen CO2 Laser knapp 10% und Festkörperlaser gegen 25% Wirkungsgrad....


Ich kenn mich nicht wirklich aus mit der Laserbearbeitung, ich weiss aber dass auf jeden fall nicht immer hohe Absorption gewünscht ist....

[floh]

Der Trend geht in Richtung Festkörperlaser (also fette Diodenstacks). Der CO2 Laser ist aber immer noch führend für Leistungen im hohen ein- und im zweistelligen kW Bereich.

[pulslaser]

Ich glaube nicht das es gewünscht ist dass bei der Materialabtragung möglichst viel Absorbiert wird.... oder doch didi?

Sonst würde man ja Stahl nicht mit CO2 schneiden....

@MaBoben... bist Du wieder mal ein unbelehrbarer? kannst dem Didi schon glauben... er weiss was er sagt...
Bei Deiner Forschung helfe ich Dir ein wenig nach... die Grünen Laser sind die billigsten sichtbaren mit viel Leistung.... darum haben die meisten auch einen....

Man muss generell Unterscheiden zwischen den Anwendungen. Beim Schneiden von Stahl kommt es auf die Dicke an. Stahl bis 10mm Dicke geht besser mit 1064nm, über 10mm Dicke ist 10640nm wieder besser geeignet. Der Grund ist weil Stahl 1064nm stärker absorbiert. Wenn aber der Stahl zu dick ist, ist die gesamte Leistung schon so früh komplett absorbiert, dass es nicht bis ganz durch reicht. Ausserdem braucht man zum schneiden von Stahl mit CO2 ein Prozessgas welches die entstehende Plasmaflamme auf die Seite bläst da diese für CO2 lichtundurchlässig ist. Der Laser würde sich sozusagen selbst behindern. Ist bei ND:YAG nicht so, da ist die Flamme lichtdurchlässig.

Beim Material abtragen schaut die Sache wieder anders aus. Da ist es ein Vorteil wenn möglichst viel Leistung vom Material absorbiert wird. Deshalb verwendet man dafür meist UV-Laser im Bereich von 200-350nm weil das von den meisten Materialien am besten absorbiert wird. Die Impulse haben typischerweise eine Energie von einigen mJ bis runter in den µJ Bereich, sind aber sehr kurz (200ns - wenige fs). Betrachtet man aber die Puls - Peakleistung so liegen die bei 100 kW bis einige 10MW, manchmal sogar im Pentawatt - Bereich. Daraus folgt logischerweise ein unheimlich präziser Materialabtrag wobei der Strahldurchmesser (wegen kleiner Wellenlänge) ebenfalls klein ist (2-10µm).

Letzendlich ist es aber immer eine Kosten - Nutzen Entscheidung. UV heisst natürlich spezielle Optiken die sehr kostenintensiv sind während ND:YAG Optiken relativ günstig zu bekommen sind. Nicht zu vergessen der wesentlich höhere Aufwand der Temperaturstabilisierung bei Frequenzverdopplung/verdreifachung.

Im Prinzip entscheidet die Anwendung welches System zum Einsatz kommt. Ist aber bei Privatpersonen oder Laserfreaks mit "kleiner Geldbörse" erfahrungsgemäß anders.

Gruß Didi

[pulslaser]

Der Trend geht in Richtung Festkörperlaser (also fette Diodenstacks). Der CO2 Laser ist aber immer noch führend für Leistungen im hohen ein- und im zweistelligen kW Bereich.

Stimmt nicht ganz, Trumpf baut inzwischen DPSS mit 16kW CW - Leistung die über Lichtleiter zum Werkstück herangeführt werden. Dennoch hat der CO2 Laser noch immer seine Berechtigung.

Gruß Didi

[pulslaser]

Hallo,

Dem Kupferspektrum nach müßte ja jeder sichtbare Laser besser geeignet sein um Kupfer zu bearbeiten. Werde mal forschen bei welchem, im sichtbaren Bereich arbeitenden, Laser das Preis/ Leistungsverhältnis am besten ist.

Gruß Martin

Die Frage ist sehr leicht zu beantworten, nimm einen Frequenzverdoppelten Gütegeschalteten ND:YAG. Der Resonator sollte aber als "V" aufgebaut sein um zu verhindern, dass die 532nm durch den Laserkristall müssen (besserer Wirkungsgrad). Musst eben nur schauen, ob der Absorptionsgradgewinn bei 532nm den Leistungsverlust von 90% wieder auffängt.

Gruß Didi

[maboben]

Hi Didi,

wenn ich mir die Kurve so ansehe sollte das so sein. Grob abgeschätzt würde ich sagen das die Absorbation von CU bei ND:YAG so bei 1.25% liegt, während sie bei 532nm immerhin schon auf 15% ansteigt.

Aber ob das den Leistungsverlust von 90% aufwiegt??? Es käme wohl auf einen praktischen Versuch an. Zumal ich nicht wirklich die Zusammensetzung des Kupfers auf Epoxy-Platinen kenne. Denn ich bezweifele das es wirklich nur reines Kupfer ist. Leider kenne ich niemanden der das Equipment hätte um mal bei beiden Wellenlängen die Absorbationsrate einer Platine praktisch im Versuch zu messen.

Trotzdem bleibt wohl die Tatsache bestehen das Ihr Recht habt und so eine Laser-"fräse" für Platinen einige zig-tausend Euro verschlingt. Werde also meine Platinen weiter nach der klassischen Methode machen, es sei denn jemand möchte sehr sehr preiswert einen gütegeschalteten ND:YAG loswerden.

Dank an alle die mir zu dieser Entscheidung geholfen haben.

Martin

[pulslaser]

Jetzt bin ich aber enttäuscht. Gibst du immer so schnell auf?
Warum nicht die Komponenten für einen DPSS einzeln besorgen und selber so eine Maschine bauen? Wäre ne gute Gelegenheit viel zu lernen.

Gruß Didi

[maboben]

Hi Didi,

wenn ich Dich und auch alle anderen richtig verstanden habe, so muß ich für so eine Maschine, auch im Eigenbau (was anderes käme eh nicht in Frage), wohl mindestens 10.TSD Euro anlegen.

Und das gibt mein Buget momentan einfach nicht her. Wenn es irgendwie, natürlich im Eigenbau, für unter 3.TSD zu bewerkstelligen wäre; Ich wäre sofort dabei. Denn es reizt mich sehr. Aber dem scheint ja wohl nicht so zu sein.

Und den DPSSL komplett selbst zu bauen, dafür fehlt mir einfach das Wissen und wahrscheinlich auch die Werkzeuge (Habe weder Fräse noch Drehbank).

Weiterhin: Wenn ich das richtig einschätze, kann man sich dieses praktische Wissen auch nicht nur durch lesen aneignen. Einfach die Praktische Erfahrung fehlt. Dieses Wissen durch "try and error" zu erwerben, dafür fehlt mir einfach das notwendige "Kleingeld". Wenn also überhaupt, bräuchte ich jemanden der mir praktisch auf die Sprünge hilft um Irrtümer und Fehlkäufe zu vermeiden. Selbst die Einschätzung ob es denn mit meinem Buget, selbst unter optimalen Selbstbaubedingen, gehen würde wage ich nicht. Das war der Grund warum ich das Projekt "beerdigt" habe. Aber gerne würde ich mich eines besseren Belehren lassen.

Gruß Martin

[afrob]

Schon mal einer Isolationsfräse bei der Arbeit zugesehen?
Die Dinger rödeln stundenlang auf der Leiterplatte herum. Wenn man auch noch die Kupferfreien flächen auch Kupferfrei haben möchte sollte man sich besser gleich ein paar Tage Urlaub nehmen, bis das Ergebnis fertig ist. Und die erzielbaren Strukturbreiten sind schon lange nicht mehr Stand der Technik.
Bei der Umsetzung mit Laser entfällt vielleicht der Werkzeugverschleiss, bei sehr starkem Laser geht das vielleicht sogar schneller, aber das Grundproblem bleibt, dass jede Kontur einzeln abgefahren werden muss und Flächen ewig dauern.

Die Zeitersparnis mag mir auch nicht einleuchten: 2 Min. belichten + 5 Min. ätzen gegenüber >2 Studen Fräsen/Lasern. Auch wenn man 30 Min. "vorheizzeit" einrechnet.

Grüsse,
afrob

[ralf-k]

Hallo

Warum muß man recht einfache Prozesse immer noch komplizierter machen?? Platinen Ätzen ist ne bewärte günstige Technik. Die geht sehr schnell und sehr präzise. Das einzigste was man Braucht ist einen ordentlichen Film und Belichter. Hatte mal einen professionellen profi Film in der Hand. Damit konnte ich sogar 20µm breite Leiterbahnen auf eine 35µm Leiterplatte Ätzen. Das A und O ist der Film.
Ich würde eher über eine Film-Belichtungsanlage und ner einfachen CNC nachdenken. Dann kannst du bohren ausfräsen und super belichten. Wenn du dir dann noch ne kleine Durchkontaktierungsanlage baust, hast schon fast ne Perfekte Platinenherstellung.
Alles zusammen würde so ca. 5000EUR verschlingen (3500€ CNC, 1500€ Belichter)

Grüße Ralf

[pulslaser]

Also Serien von mehreren 100 Stück Platinen würde ich auch von einer Firma machen lassen aber für Prototypenfertigung geht so ein Lasersystem problemlos. Kupferfreie grössere Flächen braucht man eigentlich so gut wie nicht. Besser sind großflächige Masseabschirmungen um die EMV Verträglichkeit zu erhöhen. Von daher müssen die Kupferflächen nur durch einen schmalen Spalt (je nach Spannungsdifferenz) getrennt werden.

Beispiel: 1 cm² Kupferfläche mit 70µm dicke zu entfernen dauert mit meinem System ca. <45 Sekunden.

Man muss bedenken,Leiterplattenherstellung ist nur ein kleiner Teil einer Anwendung von vielen die man mit so einem Lasersystem erledigen kann. Mir ist jedenfalls nicht bekannt, dass jemand schon mal mit einer Äzmaschine zum Beispiel Beschriftungen auf Fliesen gemacht hat oder Kunststoff geschweisst hat usw...

Ansonsten wie gesagt, Systemlösungen sind idR Anwendungsspezifisch.

Gruß Didi

[ralf-k]

Da hast du schon recht, man hat viele Anwendungsbereiche. Aber bevor ich so viel Geld für die Anlage ausgeben würde, ätze ich meine Platinen selber. Bis man das Geld wieder drin hat.... Das einzige was man sich gespart hat sind Film erstellen, belichten und ätzen. Bohren müste man ja auch (oder sind 3mm Löcher kein Problem mit Laser?) Und wenns durchkontaktiert sein soll fängt das ganze Problem von vorne an. Da bestell ich mir lieber für 40EUR ne doppelseitige Europakarte mit Lötstoplack...

Ansonsten wenn man die Maschiene hat ist das natürlich ein super Verfahren.

Gruß Ralf

[goamarty]

In der prof. Leiterplattenfertigung werden Microvias mit Laser durch dünne Epoxyschichten gefertigt, da werden 2 verschiedenen Laser verwendet. Also erstmal 50-100µ Loch ins Kupfer (Excimer, DPSS, YAG, ?) und dann das Cu als Maske und durch die zB63µ starke Epoxyschicht bis zur nächsten Cu Lage gebohrt, mit einem Laser (CO2 ?), der vom Cu nicht gut absorbiert wird. Sonst muß man mit dem Bohrer mech. auf kontrollierte Tiefe arbeiten - gibt es aber auch.
Die Absorbtionskurve oben ist aber schon interessant.