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激光打码品质评鉴及应用
  2020-12-01      98

  苏州恩欧西光电 总经理:高磊         技术审稿:薛广辉

关键词激光种类  激光光斑   码壁粗糙度  变色打码   激光输出功率稳定性  汽化能力   激光打码品质等级   

前言电子产品一方面要求轻薄短小以利于便携,一方面产品性能大幅提升,以获得单位体积内强大的功能及优秀的应用效果,同时又要减耗节能,绿色环保……   这些需求强力推动元件细微化 高密度化 高集成化。客户对产品功能性能要求大幅提升的同时,对产品可靠性的要求也齐头并进,如Class3产品有效服役期内任何一个故障与失效都会要求检讨并追究真因,给出有效对策。这就要求产品必须具备可追溯性,产品制造过程中必须有可以有效识别身份的标志—条码,而高度集成 高度微细化的发展又让传统的标签难以找到合适的空间张贴,这就催生并加速了激光打码工艺的广范应用。激光打码技术在业界内应用已经十分成熟,然而业界同仁对于激光打码工艺仍有些许困扰,笔者整理成文,以共业界同仁参考。

激光打码工艺业界同仁关注的问题:

@在不同材质上打码,使用的激光相同吗?如油墨  文字漆  铝合金屏蔽罩  不锈钢屏蔽罩  器件塑料本体  元器件陶瓷本体  FPC材料  树脂类  玻璃等不同材质,使用不同的激光打码效果会有什么差异?为什么?

@相同材质,不同颜色,激光打码要求及识别会有差异,该如何选用?如PCB绿色油墨  蓝色油墨  黑色油墨  红色油墨  黄色油墨  白色文字漆,打码后会存在辨识问题:黑色油墨反光度有限,扫码识别难度高,如何提高条码的可变式性?不同的激光类型有区别吗?

@激光打码品质鉴定包含哪些内容,除了扫描可识别性,还有哪些项目需要关注,如激光深度一致性,码壁粗糙度,打码材质汽化均匀性,刻痕尺寸与码壁尺寸

@激光打码设备应该具有的性能:

--自动打码并自行同步识别

  --可以上下同时打码或上下分别打码自行扫描自动关联

  --打码 翻板二次打码同机完成

  --友善的MES对接能力,兼容各种MES通讯模式

  --精确控制打码能量(打码深度稳定性 打码粗糙度精准性)

  --打码作业有效高度(板面零件高度兼容性,如板面有30mm高器件是否可以精准

打码)

  --Bad mark识别/共享能力(避免后工序重复辨识Bad mark,提升生产效率)

  --打码速度与可工作范围

  --打码热影响度与汽化物质颗粒度

  --PCB变形侦测与智能应对(避免板弯 板翘导致打码深度不一致 异常)

  --打码产品厚度与打码产品尺寸兼容性

激光打码工艺介绍及应用

电子产品制造业界常用的激光有以下几种:CO2(二氧化碳 红光),YAG(钇铝石榴石 红外线光),UV(紫外光),Fiber(光纤 绿光)。其它的如红宝石激光  一氧化碳激光在PCBA行业应用相对较少。每种激光波长不同,材料对其吸收率不同,如金属材料与树脂材料对不同波长的吸收率不同,譬如使用激光对PCBA加工,如果想要仅仅清除部分树脂材料而不损伤金属材料,使用CO2激光就难以获得理想效果,而光纤激光波长易于被树脂吸收却被焊锡反射,可以获得较为理想的选择性精确加工效果。第二个影响激光加工性能的主要因素是激光光斑大小,激光波长越长,衍射效应越大,最终聚焦的光斑越大。如使用CO2激光,波长10.6um, 最小的光斑尺寸在70~80um,而实际使用光斑在110um以上;Fiber激光波长532nm, 实际使用光斑点径可以在60um以下, UV光波长355nm,实际使用光斑可以在50um以下。光斑点径缩小,加工出来的码壁粗糙度降低,打码线宽线距可以大幅度缩小,单位面积内字符数量增加,字符品质提升。当今业界激光1mm x 1mm的二维码早已成熟应用,与传统的张贴标签相比,二者单位面积内字符数量及条码清晰度可谓天渊之别。第三个影响打码品质的主要因素是激光能量的控制,激光打码过程中,能量的变化体现在打码深度的变化:打码深度过浅,条码清晰度受限,异物堆积或刮擦会导致条码不可读取;打码深度过大,可能会损伤底部基材如铜箔线路等。激光打码设备的能量稳定性控制是设备关键性能指标之一。下面以实际案例来说明激光打码技术的应用及评鉴。

如下图所示,分别在1白色文字漆2不锈钢片3纸基板白色油墨4绿色油墨+白色文字漆5绿色油墨6红色油墨7蓝色油墨8黑色油墨上分别打码,其效果如图L1~L8

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图L1:PCB为FR4材质,基板上直接使用白色文字漆,使用UV光打码,白光下形貌如图L1-1,条码清晰可见,隐约可见条码边缘起伏状。使用SEM对条码做进一步观察测量如图L1-2,可见条码上存在少量打码汽化基材颗粒,单位面积内颗粒存留数量及颗粒尺寸是评估设备打码能力的指标之一。图L1-2中显示,打码深度存在一定差异,较浅区域呈淡色(图L1-4),较深区域呈深色(图L1-3)。对条码做局部放大观察如图L1-3,条码最窄处越50um, 算上热量影响范围,最窄处200um。图L1-4显示的是打码颜色较浅处局部放大形貌,热量影响范围相同,条码深浅存在差异。

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图L1-1 白光下形貌 

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图L1-2  SEM下条码形貌

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图L1-3 能量较大区域条码形貌

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图L1-4 能量较小区域条码形貌

图L2:打码材质为不锈钢(软板上补强,PCBA上金属件 屏蔽罩等),使用UV激光打码。白光下条码形貌如图L2-1, 条码边缘整齐,相较于软质的油墨,金属材质上打码形成的条码边缘整齐度较佳,可辨识性高。图L2-2是SEM下条码的形貌,将条码放大如图L2-3,可以看到条码区块由8个20um尺寸的光斑痕迹组成(图L2-4), 高温汽化形成的痕迹在边缘处形成窝棱,窝棱线条均匀,窝深尺寸一致。由此可见,UV光在不锈钢上打码效果极佳,可以获得理想的品质。

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图L2-1 白光下条码整体形貌    

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图L2-2 SEM下条码形貌

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图L2-3 SEM下条码放大图

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L2-4 SEM单点放大图

图L3是PCB材质上直接涂覆白色油墨,使用UV光打码。白光下条码整体形貌如图L3-1所示,条码形成黑白色对比。打码过程中油墨汽化,形成的大颗粒残留越少说明汽化越均匀,打码均匀度越高如图L3-2。对条码做局部放大观察如图L3-3&L3-4, 可以观察到,油墨边缘凹凸粗糙度在3um左右,整体码壁光滑。打码深度均匀,深度差异量在2um以内。打码区域有局部遗漏现象,与打码行进速度有关,不影响条码可辨识等级。从技术角度出发考虑,可以通过优化打码速度及激光能量,或的更加完美的条码品质。

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L3-1 白光下条码整体形貌

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L3-2 SEM下条码形貌

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L3-3 SEM条码放大形貌

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L3-4 SEM局部放大图

图L4是PCB绿色油墨上涂覆白色文字漆,使用UV光在白色文字漆上打码,其条码品质与直接在白色油墨上打码一致,如图L4-1~L4-4所示。

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图L4-1 白光下条码整体形貌

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图L4-2 SEM下条码形貌

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图L4-3 SEM下条码放大图

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图L4-4 SEM下局部放大图

图L5是PCB 绿色油墨上使用CO2激光打码结果,绿油打码后变色,行程明确的色差,条码清晰可见图L5-2。图L5-3显示,条码深度均匀性良好,码壁粗糙度在5um

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图L5-1 白光下整体效果 

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图L5-2 SEM下条码形貌

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图L5-3 SEM下条码局部放大图

以内。在PCB油墨中,绿色油墨硬度最高,其物理特性最佳,对激光打码码壁的粗糙度有益。使用CO2激光打码,通过调整激光能量及打码速度,可以获得完美的基材汽化效果--无遗漏区域,无大颗粒汽化残留物。

图L6是PCB 红色油墨,CO2激光打码结果。白色灯光下观察,对比度良好,条码清晰(图L6-1)。使用SEM对条码放大观察图L6-2 & L6-3, 条码打码深度均匀,深度偏差3um以内。码壁凹凸呈60um小半圆弧,粗糙度平均20um。打码汽化均匀,基本无大颗粒残留物出现。激光能量覆盖均匀,无遗漏区域存留。

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图L6-1 白光下条码整体图

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L6-2 SEM下条码形貌

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图L6-3 SEM下条码局部放大形貌  

图L7-1是PCB蓝色油墨,CO2激光打码整体形貌,颜色对比度清洗可见,可辨识性良好。图L7-2 SEM下条码可见边缘存在凹凸现象,对条码做局部放大观察如图L7-3 & L7-4,可见条码由约60um光束扫过,光束行程间存有10um交界区域,部分区域有些许漏覆盖现象,此现象为打码编程光束移动行距过大导致。条码区域未见明显那大尺寸汽化残留物,说明激光能量充足。码壁大部分区域整齐,粗糙度3um以内,说明光束沿直线前行速度与光斑重复度协调。

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图L7-1 白光下条码整体形貌

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 L7-2 SEM下条码形貌

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L7-3 SEM条码局部放大图

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L7-4 SEM放大形貌

图L8为PCB板边基材上黑色油墨 CO2打码效果。图L8-1为白光下条码整体形貌,打码后呈现基材色泽,条码清晰可见,对比度良好。图L8-2 SEM下观察条码,可见黑色油墨表面有针孔,呈现疏松形貌。对条码做放大观察如图L8-3 & L8-4,打码深度较深,激光能量变化控制完美,条码深度均匀性极佳。激光打码到PCB本体材质,PCB玻纤丝碎屑清晰可见。本体材质码壁整齐,可视性良好。打码区存留有大尺寸汽化颗粒残留物,与PCB阻焊疏松针孔有一定关系。

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图L8-1 白光下条码形貌

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图L8-2 SEM下条码形貌

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图L8-3 SEM下条码放大图

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图L8-4 SEM条码局部放大图

小结:

激光打码品质主要体现在码壁粗糙度与打码深度一致性,打码深度均匀性由激光输出能量一致性决定,码壁粗糙度由三个因素决定:激光光斑尺寸/光斑移动速度/激光频率。微尺寸条码需使用小尺寸光斑打码如UV光,普通尺寸条码可以使用性价比高的CO2激光打码。不同材质需选用不同激光类型打码,如不锈钢材质使用UV光打码可以获得品质极佳的条码。打码汽化残留物与激光能量&打码速度有关,是激光打码品质鉴定的指标之一。相同材质上如何实现变色打码?如何实现内层隐形打码?不同激光在相同材质上打码的品质差异如何? 敬请关注下期技术文章《激光打码技术应用技巧》

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