白書
Coherent PCB基板切断技術により、プロセス稼働率が向上した
PCBの材料、厚さ、組成は技術的変革の真っ只中にあり、従来の機械的切断や基板切断方法から、レーザーを用いたプロセスへの移行が進んでいます。しかし、PCB基板の切断に使用されるレーザーはすべて同じというわけではありません。レーザーの種類によって、切断特性や品質、特に熱影響部 （HAZ）において顕著な違いが見られます。これは、PCB上の回路ピッチを決定するだけでなく、回路の機能や、防水やEMIシールドなどの下流工程にも影響を与えるため、結果としてプロセス利用率にも影響を及ぼします。本資料では、Coherent 紹介しますCoherent レーザーは、Coherent 、PCBレーザー切断プロセスで生じる熱影響部（HAZ）を大幅に低減することができます。
絶えず変化するレーザー板切断のニーズ
スマートフォン、各種ウェアラブルデバイス、VRデバイス、自動車用センサー、ホームオートメーション機器などの小型電子機器市場は絶えず拡大しており、これに伴い、より高密度で高性能なPCBへの需要が直接的に高まっています。これらの機器は、従来のマイクロエレクトロニクス機器に比べ、サイズがさらに小型化され、構造がより複雑になっているだけでなく、消費者のニーズに応えるため、より高いエネルギー効率（バッテリー寿命の延長）と低価格化が求められています。
これはPCB技術の分野において、従来の基板の薄型化、フレキシブル回路の大規模な採用、導電層の厚み増大、そして低誘電率材料の活用拡大（特に5G技術に適している）など、さまざまな潮流を生み出しました。また、製造プロセスの稼働率向上やコスト抑制も考慮されています。具体的には、パネル上の基板間隔を狭めることで、生産能力を向上させるというものです。
基板の切断においては、これらすべてにおいて、切れ口の幅を継続的に狭め、寸法精度を高めることが求められます。切断位置とPCBの機能領域との距離を縮めるためには、切断工程が周囲の材料や回路に、機械的応力や発熱といった影響を与えないことも必要となります。さらに、破片の発生を最小限に抑えることも求められ、そのためには後工程での清掃が必要になる場合があります。
こうした要件の制約により、溝切り機、のこぎり、型抜き、パンチング、エッチング、ピザカットなどの従来のPCB基板切断方法の実用性と費用対効果は大幅に低下しました。これがレーザー切断の発展を後押しし、前述のほぼすべての分野において、切断速度は通常低下するものの、レーザー切断の導入によって多大なメリットがもたらされています。
レーザー切断について
レーザー板切断技術はすでに長い間実用化されていますが、さまざまなレーザー技術を理解し、区別することは非常に重要です。最初に実用化されたのは二酸化炭素レーザー（）で、これは遠赤外線レーザーを放射します。この技術は、多孔質の材料を加熱することで切断を行い、その過程で顕著な熱影響部が生じます。また、波長の短い紫外線と比較して、このレーザーの波長は長く、集光されたスポットサイズは紫外線ほど小さくできないため、切断幅が広くなることを意味します。
10年以上前、ダイオード励起固体（DPSS）ナノ秒パルス幅3倍周波数レーザーが登場し、PCB基板の切断に実用的なレーザー光源を提供しました。このレーザーは、十分なパルスエネルギーを持つ紫外線（355 nm）出力を提供できるため、比較的「低温」なアブレーションプロセスによって材料を除去することができます。つまり、二酸化炭素レーザーと比較して、このレーザーの熱影響域ははるかに小さい（とはいえ依然として顕著ではある）上、破片や再溶融材料の発生量も大幅に減少します。市販の光源のパルスエネルギーと繰り返し周波数により、二酸化炭素レーザーよりは遅いものの、経済的かつ実用的な送り速度での切断が可能となります。以下の表に、この技術の主な利点をまとめました。
メリット |
解説 |
機械的精度 |
切断の寸法精度は非常に高く、切断幅も狭い。これにより、PCB上の微細な構造の切断精度が向上する。 |
応力なし |
切断工程そのものは振動や摩擦を発生させず、PCBの機械的変形や層間剥離を引き起こすこともなく、残留応力も生じません。したがって、切断工程によってその後の不具合が生じることはありません。 |
HAZ 低 |
紫外線レーザーアブレーションプロセスに固有の「低温」特性により、基板の大幅な変形を防ぎ、短路の原因となり得る配線の溶融を回避できます。このプロセスでは発生する破片が極めて少ないため、後工程での洗浄が不要であり、同時にその後の回路故障の可能性も大幅に低減されます。このプロセスは、組み立て済みの基板の切断にも適用可能です。 |
操作の柔軟性 |
レーザービームは、コンピュータ制御によって移動する慣性のないツールであり、その出力を迅速に変化させることができます。これにはいくつかの利点があります。まず、レーザービームはほぼあらゆる形状の切断が可能であるため、PCB設計者は従来の切断方法では考慮しなければならなかった形状上の制約から解放されます。次に、ソフトウェアによって切断パターンを制御できるため、柔軟かつ機敏な製造プロセスを実現し、短期間の製造でもコスト効率を高めることができます。最後に、レーザー出力は可変であるため、単一のツールで切断以外にも、マーキング／彫刻や金属のアブレーションなど、さまざまな加工を行うことができます。 |
特定の材料に依存しない |
ほぼすべてのPCB材料は紫外線を大幅に吸収します。そのため、このプロセスは、従来の銅張フレキシブル積層板、フレキシブル材料（厚い導電層を含む材料も含む）、および各種低誘電率材料など、ほぼすべてのPCB構造に対応可能です。 |
表 1. 紫外線レーザーを用いたPCB切断の主な特徴と利点
AVIA LX Coherent
レーザー板切断技術には多くの明らかな利点があるものの、PCBメーカーは、冒頭で述べた市場からの寸法、材料、コストに関するますます厳しくなる課題に対応するため、この技術の潜在能力をすでに最大限に活用している。特に、熱影響域のさらなる縮小と破片の発生抑制、ならびにナノ秒パルス幅のUV DPSSレーザーによる切断品質の向上は、現在注目されている開発分野である。
この目標の達成を支援するため、Coherent 、ナノ秒パルス幅と高パルスエネルギーを備えたUV DPSSレーザー（AVIA LX）を用いて、さまざまなPCB材料および材料の組み合わせを切断した場合の結果とプロセス空間について調査を行いました。この研究に基づき、Coherent 。この手法により、熱影響域の縮小、切断エッジの品質向上、切断幅の縮小、および生産性の向上が実現できることが実証されています。
この技術の重要な要素の一つは、作業面に照射されるレーザーパルスの時間的・空間的な位置決めを制御しつつ、熱の蓄積を防ぐ独自の方法である。この方法では熱による損傷が生じないため、厚さ1mm以上の厚い材料を切断する際にも、より高いパルスエネルギーを持つレーザーを使用することができる。
より高いパルスエネルギーを使用する利点は、厚い材料の切断に用いられる従来の方法を採用する必要がない点にあります。具体的には、繰り返し横方向のスクラッチ加工を行い、「V字溝」を形成する方法です。アスペクト比の高い切断を行う際、「V字溝」形状により、ビームが材料を貫通することが保証され、途中で遮断されるのを防ぎます。これにより、パワーが低下し、アブレーション効率が制限されます。しかし、AVIA LX 組み合わせることで、最大約400 μJのパルスエネルギーを用いて、同一のラインに沿って繰り返しスクラッチ加工（横方向の変位や「V字溝」なし）を行うことが可能になります。これにより、切断速度が向上し、切断幅も大幅に縮小されます。
高いパルスエネルギーは、加工面のレーザー集光公差も増大させます。具体的には、低パルスエネルギーのレーザーを使用する場合、材料を貫通する際にビームの焦点を移動させる必要があります。これにより、切断が進むにつれて、常に切断深さにおいて小さな集光スポットサイズを正確に維持できるようになります。これは、材料のアブレーション閾値を超えるのに十分なレーザーフラックスを得るために不可欠な措置です。しかし、これを実践するにはPCBを移動させる必要があり、これにより工程が遅くなるか、あるいは（集光機能を備えた）3軸スキャナーを使用することになり、装置のコストと複雑さが増すことになる。
AVIA LX 、レーザーをPCBの中央の一点に簡単に集光して切断することができます。これは、レーザーが十分に集光されていなくても、そのエネルギー密度が材料をアブレーションするのに十分であるためです。この方法の利点は、切断速度が速くなること、そしてシステムの複雑さが軽減されることです。
以下の写真では、銅配線のある厚さ1.6mmのPCBを2つの方法で切断しています。1つは、この用途に使用可能な市販のUV DPSSレーザーを用いた方法であり、AVIA LX 方法です。両者の結果を比較することで、改善効果が示されています。その結果、この技術を用いて処理した基板はよりきれいな切断面を有しており、特に銅配線の切断面が著しく改善されていることが確認されました。
図 1. 厚さ 1.6 mm の PCBを切断した断面 。左側は競合他社の UV DPSS レーザーを使用した結果、右側はCoherent UV DPSS レーザー（AVIA LX）を使用した結果である。後者の方がエッジの品質が優れており、銅配線の切断面がよりきれいに仕上がっている。
次の画像群は、Coherent を用いてCoherent さらに小さくした例を示しています。
図 2. 厚さ0.95 mmのPCBを切断した上面図。左側は競合他社のUV DPSSレーザーを使用した結果、右側は高パルスエネルギーUV DPSSレーザー（AVIA LX）を使用した結果であり、後者の方が切断幅が狭く、より均一な仕上がりとなっている。
次の写真では、AVIA LX ガラス繊維層を含む多層PCBのAVIA LX 、破片の発生を大幅に低減し、溝幅を狭め、熱影響領域を著しく縮小AVIA LX を紹介しています。
図3. 厚さ1.6 mmの多層PCB（ガラス繊維層付き）を切断した 断面。左側は競合他社のUV DPSSレーザーを使用した結果、Coherent DPSSレーザー（AVIA LX）を使用した結果であり、溝の幅がより狭く、熱影響域もより小さいことが確認できる。
従来、ポリイミドやEMIシールド箔をレーザー切断する際、熱影響域が広いため、切断線に層間剥離が生じることがありました。このような場合、材料の損傷を防ぐために、より低いパルスエネルギーを使用する必要がありました。しかし、前述のパルス方式を採用することで、熱の蓄積を解消しつつ、熱影響域と切断幅を縮小することが可能です。これにより、下流工程の生産能力が向上し、ひいては製造コストの削減につながります。
図 4.厚さ 100 μm のポリイミド箔の俯瞰図。左側は競合他社の UV DPSS レーザーを使用した切断結果を示しており、切断幅が広く、熱影響域も大きい。右側はAvia LX DPSS レーザーを使用した切断結果を示しており、溝の幅が狭く、熱影響域も小さい。
最後の写真群は、Coherent を用いることでCoherent 、生産性をCoherent 示していますが、フレキシブルPCBを処理する際にはパルスエネルギーが低くなっています。
図5. 厚さ0.13mmのFPCBを切断した 俯瞰図。左側は競合他社のUV DPSSレーザーを使用した結果、右側は高パルスエネルギーUV DPSSレーザー（AVIA LX）を使用した結果である。後者の方が熱影響域が小さく、切断速度も高い（13 mm/秒、前者は11 mm/秒）。
実用的な高パルスエネルギーDPSS紫外線レーザー
実際の生産現場において、Coherent 適用するにはCoherent 従来の市販製品よりも高いパルスエネルギーを持つUV DPSSレーザー光源が必要となります。このニーズに応えるため、Coherent AVIA LXCoherent AVIA LX20 W（355 nm）の固体AVIA LX、最大500 μJのパルスエネルギーを発生させることができます。
AVIA LX 、PCB基板の切断AVIA LX 。この製品は、設計および製造技術における数々の進歩を融合させており、高出力に加え、優れた信頼性、卓越した性能、そして低い総所有コストを実現しています。
AVIA LX 、Coherent 、Coherent 持つ豊富な経験をAVIA LX 。AVIA LX （3倍周波数）結晶はCoherent 、この重要なコンポーネントの品質と光学特性を直接管理することができ、より長い耐用年数、より高い性能、そしてより低い総所有コストを実現しています。内蔵の結晶シフターには、レーザー内部の実際の結晶のマップと、20箇所の事前検証済み第三高調波発生点（各点の寿命は1000時間以上）の位置情報が含まれており、この結晶シフターを使用することで、さらに寿命を延ばすことが可能です。
光学素子の汚染は、紫外線レーザーの寿命に影響を与える主要な制限要因の一つです。AVIA LX 、紫外線に直接さらされる内部の光学素子は、実際の使用時に汚染されるのを防ぐため、PureUV シールチャンバー内に封入されています。これにより、寿命とメンテナンス間隔が大幅に延長されます。
さらに、AVIA LX HASS および HALT 試験による検証をAVIA LX 。HALT（高加速寿命試験）では、プロトタイプを破壊、再設計、再試験というプロセスを繰り返し、あらゆる潜在的な欠陥を排除します。続いて、HASS（高加速ストレススクリーニング）では、実際の生産ユニットに対し、指定された動作環境を超える負荷が加えられます。この手順により、製造および梱包工程におけるあらゆる欠陥が選別され、優れた製品の信頼性と長寿命が実現されます。
AVIA LX 使いやすさをAVIA LX 。例えば、内蔵の制御電子機器と統合型ビームエキスパンダーを採用することで、システムへの組み込みが簡素化されています。また、水冷方式を採用したことで、高出力運転時であっても、寿命とパルス間の安定性が大幅に向上しています。
要するに、従来の機械加工や、かつて採用されていたナノ秒パルス幅のUV DPSSレーザー光源と比較しても、Coherent AVIA LX 、PCB基AVIA LX 卓越した性能を発揮します。AVIA LX 、従来のPCBやフレキシブル回路の切断、SiPの切断や溝掘り、EMIシールドの切断など、次世代マイクロエレクトロニクスデバイスの製造プロセスにおいて実用的なレーザー光源となるにふさわしいものです。