Einleitung

Die Herstellung individueller Leiterplatten (PCBs) am eigenen Arbeitsplatz ist häufig ein Kompromiss zwischen dem Aufwand und den Chemikalien beim Ätzen und den langen Produktions- und Lieferzeiten externer Leiterplattenhersteller. Kann ein MOPA-Faserlaser hier als schnelle Lösung für die Prototypenfertigung eingesetzt werden?

In diesem umfassenden Leitfaden zeigen wir, wie ein MOPA-Faserlaser für die Laserablation von Kupfer auf Leiterplatten eingerichtet wird. Sie erfahren, wie sich die Parameter eines 30-W- und 60-W-MOPA-Lasers unterscheiden, wie Sie die geeignete Linsenfeldgröße auswählen, wie eine präzise Ausrichtung bei doppelseitigen Leiterplatten erreicht wird und wie sich Schäden am Substrat reduzieren lassen – einschließlich realer Testergebnisse und konkreter Prozessparameter.

Abbildung 1. Leiterplatte auf Instagram

1. Kann ein Lasersystem tatsächlich eine Leiterplatte herstellen?

Ja – allerdings funktioniert der Prozess etwas anders, als viele zunächst vermuten.

Der Laser „zeichnet“ die Leiterbahnen nicht direkt auf die Leiterplatte. Stattdessen wird zunächst das Layout der Leiterplatte erstellt. Anschließend entfernt der Laser gezielt das nicht benötigte Kupfer. Das verbleibende Kupfer bildet die leitfähigen Leiterbahnen.

Vereinfacht lässt sich der Prozess wie folgt darstellen:

Abbildung 2. Workflow zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem Laser

Das eigentliche Schaltungslayout wird also durch die PCB-Designsoftware und die Layoutdatei bestimmt, nicht durch den Lasermarkierer selbst. Die entscheidende Aufgabe des Lasers besteht darin, das nicht benötigte Kupfer zu entfernen.

Für typische Anwendungen im kleinen Maßstab kann beispielsweise Altium Designer für das PCB-Layout und das Routing verwendet werden. Die in AD erzeugte Quelldatei kann jedoch nicht direkt verwendet werden. Sie muss zunächst in ein von der Lasersoftware unterstütztes Format wie SVG, DXF oder PLT konvertiert werden.

Wenn Sie mehr über diesen Konvertierungsschritt erfahren möchten, hinterlassen Sie gerne einen Kommentar. Je nach Interesse können wir hierzu einen separaten technischen Leitfaden veröffentlichen.

2. Warum benötigt die Entfernung von PCB-Kupfer relativ viel Laserleistung?

Theoretisch kann auch ein Faserlaser mit geringerer Leistung mit Kupfer wechselwirken. Die entscheidende Frage bei der Kupferentfernung ist jedoch nicht einfach: „Kann der Laser das Kupfer markieren?“

Die wichtigere Frage lautet: „Kann der Laser das Kupfer zuverlässig und kontinuierlich innerhalb einer angemessenen Zeit entfernen?“

2.1 Eigenschaften von Kupfer, die die Bearbeitung erschweren

Hohe Reflexion: Kupfer reflektiert bei bestimmten Laserwellenlängen einen erheblichen Teil der eingestrahlten Energie und absorbiert die Laserenergie daher weniger effizient.

Hohe Wärmeleitfähigkeit: Selbst wenn Laserenergie in das Material eingekoppelt wird, leitet Kupfer die entstehende Wärme sehr schnell ab.

Abbildung 3. Prinzip der Laser-Kupferentfernung

Daher erfordert die Kupferentfernung auf Leiterplatten eine ausreichende Energiedichte sowie eine geeignete Scanstrategie, um das Kupfer gleichmäßig und zuverlässig abzutragen.

Im Vergleich zu einem 60-W-System benötigt ein 30-W-Laser typischerweise:

● mehr Scan-Durchläufe

● eine längere Bearbeitungszeit

● ein höheres Risiko für Wärmeansammlungen

● eine geringere Gesamtproduktivität

Unter bestimmten Bedingungen reicht die Leistung möglicherweise nicht aus, um das Kupfer effektiv zu entfernen. Für die praktische Leiterplattenfertigung empfehlen wir daher einen 60 W MOPA Faserlaser.

Tabelle 1. Vergleich der Bearbeitung mit einem 30-W- und 60-W-MOPA-Laser

Vergleich	30-W-MOPA	60-W-MOPA – empfohlen
Fähigkeit zur Kupferentfernung	Unter eingeschränkten Bedingungen möglich, die Prozessstabilität kann jedoch variieren.	Besser für eine kontinuierliche Kupferablation geeignet.
Gemessene Bearbeitungszeit	Ca. 2,8 Stunden	Ca. 38 Minuten
Bearbeitungsgeschwindigkeit	Referenzwert	Ca. 4,4-mal höher
Erforderliche Scan-Durchläufe	Mehrere Durchläufe erforderlich	Weniger Durchläufe erforderlich
Wärmeansammlung	Höheres Risiko durch wiederholtes und länger andauerndes Scannen	Kürzere Einwirkzeit, dennoch ist eine gute Wärmekontrolle erforderlich.
Parameterfenster	Enger und empfindlicher gegenüber Parameteränderungen	Breiter und flexibler
Empfohlene Anwendung	Tests und kleine experimentelle Projekte	Praktische PCB-Prototypen und wiederholte Kleinserienfertigung

3. Warum eignet sich MOPA besser für die PCB-Bearbeitung als ein Standard-Faserlaser?

Bei der PCB-Bearbeitung besteht die eigentliche Herausforderung nicht darin, ob Kupfer entfernt werden kann. Entscheidend ist vielmehr, nur das unerwünschte Kupfer zu entfernen und gleichzeitig die geplante Leiterbahnbreite, den Leiterbahnabstand und die Kantenqualität zu erhalten sowie die thermische Belastung des Substrats zu minimieren.

Bei der Kupferbearbeitung müssen daher mehrere Faktoren gleichzeitig berücksichtigt werden:

● Leiterbahnbreite

● Leiterbahnabstand

● Kantenqualität der Leiterbahnen

● vollständige Entfernung des Kupfers in nicht benötigten Bereichen

● Erosion der verbleibenden Leiterbahnen

● Beschädigung des FR-4-Substrats

● ontrolle der Wärmeeinflusszone

● Reproduzierbarkeit über mehrere Durchläufe

Zunächst ist wichtig klarzustellen: Herkömmliche gütegeschaltete Faserlaser (Q-switched Fiber Laser) sind grundsätzlich nicht ungeeignet für die Bearbeitung von Kupfer.

Leistung, Frequenz, Scangeschwindigkeit, Linienabstand und Anzahl der Durchläufe sind keine Parameter, die ausschließlich bei MOPA-Lasern zur Verfügung stehen. Auch herkömmliche gütegeschaltete Faserlaser können diese grundlegenden Einstellungen in der Regel anpassen.

Der wesentliche Unterschied liegt vor allem in der Möglichkeit zur Pulssteuerung. Klassische gütegeschaltete Faserlaser verfügen normalerweise über einen relativ begrenzten Bereich der Pulsbreiteneinstellung. MOPA-Faserlaser bieten dagegen einen deutlich größeren Einstellbereich für die Pulsbreite und ermöglichen – abhängig von der jeweiligen Laserquelle – eine flexiblere Kombination aus Pulsbreite und Frequenz.

Veröffentlichte Daten von JPT und Raycus zeigen ebenfalls, dass MOPA-Laserquellen typischerweise einen größeren Bereich für die Pulsbreiteneinstellung bieten, während Standard-Q-switched-Laser meist einen konzentrierteren Einstellbereich besitzen. Der genaue Bereich hängt jedoch immer vom jeweiligen Laserquellenmodell ab.

Parameter bei der PCB-Bearbeitung

Die wichtigsten Prozessparameter lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

● Pulsbreite

● Frequenz

● Durchschnittsleistung

● Scangeschwindigkeit

● Linienabstand / Hatch-Abstand

● Anzahl der Durchläufe

● Fokus / Defokus

Der entscheidende Vorteil eines MOPA-Lasers besteht darin, dass die Pulsbreite als zusätzliche wichtige Einstellgröße zur Verfügung steht. Dadurch können Ingenieure deutlich mehr Parameterkombinationen testen und den Prozess feiner abstimmen.

Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über:

● die Einwirkdauer eines einzelnen Laserpulses auf die Kupferschicht

● den zeitlichen Abstand und die Überlappung der Pulse

● die kumulativ auf eine bestimmte Fläche eingebrachte Energie

● die Geschwindigkeit der Kupferentfernung

● die thermische Belastung der Leiterbahnkanten

● die Reproduzierbarkeit über mehrere Durchläufe

Dabei gilt: Eine kürzere Pulsbreite ist nicht automatisch besser, und eine längere Pulsbreite bedeutet nicht zwangsläufig eine effizientere Kupferentfernung.

Pulsbreite, Frequenz, Leistung, Scangeschwindigkeit, Linienabstand und Anzahl der Durchläufe wirken zusammen und bestimmen das endgültige Bearbeitungsergebnis. Untersuchungen zur Kupferbearbeitung mit Nanosekundenlasern zeigen ebenfalls, dass Pulsbreite, Pulswiederholrate, Energiedichte und Scanstrategie die Qualität der Materialabtragung, den Oxidationsgrad und die Mikrostruktur der Kupferoberfläche beeinflussen.

Abbildung 4. Prozesssteuerung von Q-switched und MOPA bei der PCB-Ablation

Der Vorteil eines MOPA-Lasers bei der PCB-Bearbeitung besteht also nicht darin, dass Standard-Faserlaser bestimmte Funktionen grundsätzlich nicht besitzen. Vielmehr bietet MOPA einen deutlich größeren und flexibleren Prozessbereich.

Ein Prozessfenster bezeichnet den Parameterbereich, in dem mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden können:

● Kupfer in nicht benötigten Bereichen wird zuverlässig entfernt.

● Die zu erhaltenden Leiterbahnen werden nicht merklich abgetragen.

● Die Leiterbahnkanten bleiben intakt.

● Zwischen benachbarten Leiterbahnen entsteht eine ausreichende elektrische Isolation.

● Das FR-4-Substrat wird nicht merklich beschädigt.

● Das Ergebnis bleibt auch bei kontinuierlicher Bearbeitung reproduzierbar.

Bei zu geringer Energie können folgende Probleme auftreten:

● verbleibende Kupferreste

● unvollständige elektrische Isolation zwischen Leiterbahnen

● Notwendigkeit zusätzlicher Durchläufe

● lokal ungleichmäßige Kupferentfernung

Bei zu hoher Energie können dagegen folgende Probleme auftreten:

● Abtragung der Leiterbahnkanten

● schmaler werdende Leiterbahnen

● größere Wärmeeinflusszone

● Beschädigung benachbarter Kupferbereiche

● Beschädigung der FR-4-Oberfläche

● zunehmende Wärmeansammlung bei mehreren Durchläufen

Untersuchungen zur Laserbearbeitung von Leiterplatten zeigen ebenfalls, dass Laserleistung, Pulswiederholrate, Scangeschwindigkeit und die Strategie mit mehreren Durchläufen die Wärmeeinflusszone, Karbonisierung und Kantenqualität beeinflussen.

Das Ziel der Parametereinstellung besteht daher nicht einfach darin, die Laserleistung zu erhöhen. Entscheidend ist vielmehr das Gleichgewicht zwischen:

● Effizienz der Kupferentfernung

● Präzision der Leiterbahnbearbeitung

● thermischem Schutz des Substrats und benachbarter Leiterbahnen

Abbildung 5. Das richtige Energiegleichgewicht bei der Kupferentfernung

Praktische Parametertests

In der Praxis empfehlen wir, mit einer kleinen Parametermatrix zu arbeiten und die Einstellungen schrittweise anzupassen, anstatt sofort mit hoher Leistung zu beginnen.

Legen Sie die Leiterbahndatei und den Testbereich fest und verändern Sie anschließend nacheinander:

● Pulsbreite

● Frequenz

● Leistung

● Scangeschwindigkeit

● Linienabstand

● Anzahl der Durchläufe

Nach jedem Test sollten Sie insbesondere Folgendes überprüfen:

● verbleibendes Kupfer in nicht benötigten Bereichen

● Erosion an den Leiterbahnkanten

● Übereinstimmung der tatsächlichen Leiterbahnbreite mit dem Design

● ausreichende Isolation bei kleinen Leiterbahnabständen

● Verfärbungen, Karbonisierung oder Lochfraß auf der FR-4-Oberfläche

● Durchgang der elektrischen Verbindung mit einem Multimeter

Das endgültige Ergebnis wird außerdem beeinflusst durch:

● Kupferdicke

● Oberflächenzustand der Leiterplatte

● Laser-Spotgröße

● Spezifikation des Linsenfeldes

● Fokusgenauigkeit

● Richtung der Hatch-Füllung

● Scanpfad

● Scanintervall

● Absaugung von Rauch und Bearbeitungsrückständen

Der Grund, warum MOPA-Laser für die PCB-Bearbeitung besonders geeignet sind, sollte daher nicht einfach auf die Aussage „MOPA ist leistungsstärker“ oder „Standard-Faserlaser können Kupfer nicht entfernen“ reduziert werden.

Eine präzisere Aussage lautet: MOPA bietet ein breiteres und flexibleres Prozessfenster und erleichtert dadurch die Balance zwischen Kupferentfernung, Leiterbahnpräzision und thermischer Belastung.

Die eigentliche Herausforderung bei der Laserbearbeitung von Leiterplatten besteht nicht darin, sämtliches Kupfer zu entfernen. Entscheidend ist, nur das nicht benötigte Kupfer zu entfernen und gleichzeitig die Leiterbahnen und das Substrat zu schützen, die erhalten bleiben müssen.

4. Ist ein größeres Arbeitsfeld immer besser?

Nicht unbedingt. Dies ist ein häufiger Irrtum bei Anwendern, die erstmals mit einem Galvo-Faserlaser arbeiten.

Für die em-smart Basic MOPA-Serie bieten wir derzeit verschiedene Linsenfelder bzw. Arbeitsbereiche an, darunter:

● 110 × 110 mm

● 150 × 150 mm

● 175 × 175 mm

Viele Anwender wählen intuitiv das größte Feld mit 175 × 175 mm. Bei der PCB-Bearbeitung besteht jedoch ein Zielkonflikt zwischen Arbeitsbereich und Bearbeitungsfeinheit.

Unter ansonsten gleichen Bedingungen führt ein größerer Scanbereich im Allgemeinen zu einer größeren effektiven Spotgröße. Ein größerer Spot kann die Kontrolle über sehr feine Leiterbahnen und kleine Abstände erschweren.

Ein größeres Arbeitsfeld ist daher nicht automatisch besser für die PCB-Bearbeitung geeignet.

Bei der Auswahl sollte zunächst berücksichtigt werden, wie groß die tatsächliche Leiterplatte ist und wie fein die Leiterbahnen und Abstände sein müssen. Ist die Leiterplatte klein und erfordert sehr feine Strukturen, bietet ein kleineres Linsenfeld häufig Vorteile. Bei größeren Leiterplatten muss dagegen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Arbeitsbereich und Präzision gefunden werden.

Tabelle 2. Auswahl des Linsenfeldes für die PCB-Bearbeitung

Linsenfeld	Arbeitsbereich	Geeignet für
110 × 110 mm	Klein	Kleine Leiterplatten mit hohen Präzisionsanforderungen
150 × 150 mm	Mittel	Ausgewogenes Verhältnis zwischen Arbeitsbereich und Präzision
175 × 175 mm	Groß	Größere PCB-Layouts, bei denen der Arbeitsbereich Priorität hat

5. Wie lange dauert die Bearbeitung einer Leiterplatte mit dem em-smart Basic MOPA 60W?

Auf Grundlage unserer Testdaten benötigt der em-smart Basic MOPA 60W für die Bearbeitung der Kupferschicht einer einseitigen Leiterplatte ungefähr 0,5 bis 2 Stunden.

Die tatsächliche Bearbeitungszeit hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter:

● Größe der Leiterplatte

● Kupferdicke

● Komplexität des Leiterbahndesigns

● zu entfernende Kupferfläche

● Scangeschwindigkeit

● Linienabstand

● Anzahl der Durchläufe

● einseitige oder doppelseitige Bearbeitung

● zusätzliche Nachbearbeitung lokaler Bereiche

Besonders wichtig: Die Fläche der Leiterplatte entspricht nicht direkt der Bearbeitungszeit.

Nehmen wir beispielsweise zwei identische Leiterplatten mit einer Größe von 100 × 100 mm. Bei der ersten Leiterplatte muss möglicherweise der größte Teil der Kupferfläche entfernt werden. Dadurch entsteht ein sehr großes Scanvolumen. Bei der zweiten Leiterplatte muss dagegen möglicherweise nur ein kleiner Bereich entfernt werden, wodurch sich die Bearbeitungszeit deutlich verkürzt.

Die tatsächlich zu entfernende Kupferfläche ist daher häufig ein aussagekräftigerer Indikator für den Bearbeitungsaufwand als die äußeren Abmessungen der Leiterplatte.

5.1 Kontrollierter Praxistest

Wie bereits in Abschnitt 2 beschrieben, haben wir ein einfaches Experiment mit kontrollierten Variablen durchgeführt. Dabei wurden zwei Leiterplatten – A und B – mit identischem Material und demselben Leiterbahnenlayout mit unterschiedlichen Maschinen bearbeitet.

Konstant gehaltene Parameter:

● identisches Leiterbahnenlayout

● einseitige kupferkaschierte Leiterplatte

● Linsenfeld: 150 × 150 mm

● PCB-Substrat: FR-4

● Leiterplattengröße: 100 × 100 mm

● Lasersoftware: LightBurn

● gleiche Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit

Abbildung 6. Vorschau des Leiterbahnenlayouts

Von einer unbeschichteten Leiterplatte bis zur fertigen PCB sind drei wesentliche Arbeitsschritte erforderlich: Kupferentfernung, Bohren und Zuschneiden der Leiterplatte.

Wir haben zwei em-smart MOPA-Modelle getestet. Der 30-W-MOPA benötigte für dieselbe Aufgabe insgesamt etwa 2,8 Stunden, während der 60-W-MOPA ungefähr 38 Minuten benötigte.

Das entspricht einer etwa 4,4-fach höheren Produktivität beziehungsweise einer Steigerung des Durchsatzes um etwa 342 % und einer Reduzierung der Bearbeitungszeit um rund 77 %.

Die detaillierten Parameter sind unten aufgeführt.

5.1.1 MOPA 30W

Der 30-W-MOPA benötigte für den vollständigen Prozess etwa 2,8 Stunden.

Tabelle 3. Testparameter des 30-W-MOPA

Prozess	Zeit	Geschwindigkeit	Frequenz	Leistung	Pulsbreite	Modus
Kupferentfernung	1,5 h	500 mm/s	20 kHz	100 %	200 ns	Füllen
Bohren	18 min	300 mm/s	48 kHz	100 %	100 ns	Füllen
PCB-Zuschnitt	1 h	500 mm/s	20 kHz	100 %	200 ns	Füllen
Reinigung	In der Gesamtzeit enthalten	2000 mm/s	20 kHz	60 %	200 ns	Füllen

Abbildung 7. Parameter zur Kupferentfernung – 30-W-MOPA

Abbildung 8. Bohrparameter – 30-W-MOPA

Abbildung 9. PCB-Zuschnittparameter – 30-W-MOPA

 Abbildung 10. Reinigungsparameter – 30-W-MOPA

5.1.2 MOPA 60W

Der 60-W-MOPA benötigte für denselben Prozess etwa 38 Minuten. Dies entspricht gegenüber 2,8 Stunden einer ungefähr 4,4-fach höheren Produktivität und einer Reduzierung der Bearbeitungszeit um 77 %.

Tabelle 4. Testparameter des 60-W-MOPA

Prozess	Zeit	Geschwindigkeit	Frequenz	Leistung	Pulsbreite	Modus
Kupferentfernung	13 min	1500 mm/s	48 kHz	100 %	200 ns	Füllen
Bohren	15 min	500 mm/s	48 kHz	100 %	200 ns	Füllen
PCB-Zuschnitt	10 min	1000 mm/s	48 kHz	100 %	200 ns	Füllen
Reinigung	In der Gesamtzeit enthalten	2000 mm/s	20 kHz	50 %	200 ns	Füllen

Abbildung 11. Parameter zur Kupferentfernung – 60-W-MOPA

Abbildung 12. Bohrparameter – 60-W-MOPA

Abbildung 13. PCB-Zuschnittparameter – 60-W-MOPA

Abbildung 14. Reinigungsparameter – 60-W-MOPA

6. Lassen sich sowohl einseitige als auch doppelseitige Leiterplatten herstellen?

Ja. In unseren Tests haben wir mit dem em-smart Basic MOPA 60W sowohl einseitige als auch doppelseitige Leiterplatten bearbeitet.

Der Laser selbst kann beide Seiten bearbeiten. Bei doppelseitigen Leiterplatten entsteht jedoch eine zusätzliche Herausforderung: die präzise Ausrichtung bzw. Registrierung beider Seiten.

Einseitige Leiterplatte: Fixieren → Fokussieren → Bearbeiten

Doppelseitige Leiterplatte: Vorderseite bearbeiten → Leiterplatte wenden → neu positionieren → Rückseite bearbeiten

Abbildung 15. Laserbearbeitung einseitiger und doppelseitiger Leiterplatten

Bei einer einseitigen Leiterplatte ist nur eine Positionierung erforderlich. Eine doppelseitige Leiterplatte muss dagegen nach dem Wenden erneut exakt positioniert werden.

Passstifte, Werkzeugbohrungen, mechanische Anschläge und Referenzmarken (Fiducials) können dabei helfen, die Wiederholgenauigkeit der Positionierung zu verbessern.

Die eigentliche Herausforderung bei doppelseitigen Leiterplatten besteht daher nicht darin, ob der Laser die zweite Seite bearbeiten kann. Entscheidend ist, ob nach dem Wenden eine ausreichend genaue Positionsübereinstimmung zwischen Vorder- und Rückseite erhalten bleibt.

Ist der Ausrichtungsfehler zu groß, kann dies insbesondere folgende Bereiche beeinflussen:

● Vias

● Durchkontaktierungen

● Kontaktflächen / Pads

● Durchgangsbohrungen

Für doppelseitige Leiterplatten empfehlen wir:

● Positioniervorrichtungen

● Werkzeugbohrungen

● mechanische Anschläge

● Referenzmarken (Fiducials)

● eine einheitliche und reproduzierbare Wendemethode

Abbildung 16. Doppelseitige PCB-Registrierung: korrekt und fehlausgerichtet

Eine korrekte Ausrichtung sorgt dafür, dass Leiterbahnen, Pads, Vias und Durchgangsbohrungen auf beiden Seiten möglichst konzentrisch zueinander liegen.

Ein zu großer X-Y-Versatz nach dem Wenden kann die Ausrichtung zwischen Vorder- und Rückseite beeinträchtigen und dadurch elektrische Verbindungen beeinflussen.

7. Ist diese Methode für die tägliche PCB-Fertigung geeignet?

Aus Sicht der Maschine kann der em-smart Basic MOPA 60W für die regelmäßige PCB-Bearbeitung eingesetzt werden. Allerdings muss zwischen PCB-Prototypen und Kleinserien sowie der industriellen Massenproduktion unterschieden werden. Diese beiden Anwendungsszenarien sind sehr unterschiedlich.

Die Laserbearbeitung von Leiterplatten eignet sich besonders für:

● Elektronik-Prototyping

● Hardware-Entwicklung

● Maker-Werkstätten

● Universitäts- und Forschungslabore

● Engineering-Studios

● Kleinserien in der Elektronik

● kundenspezifische Elektronik

● schnelle PCB-Iterationen am selben Tag

Ein Hardwareentwickler kann beispielsweise morgens ein PCB-Design überarbeiten und noch am selben Nachmittag einen physischen Prototyp testen.

Herkömmlicher Ablauf:

Design → Auftrag an PCB-Hersteller senden → Produktion abwarten → Versand → Leiterplatte erhalten und testen

In-House-Laserbearbeitung:

Design → Laserbearbeitung → Löten → Testen am selben Tag

Abbildung 17. Externe PCB-Fertigung vs. In-House-Laserbearbeitung

Für Forschung und Entwicklung, Kleinserien und schnelle Designiterationen kann dieser Zeitvorteil wichtiger sein als die Minimierung der Stückkosten einer einzelnen Leiterplatte.

Für die industrielle Massenproduktion stehen dagegen weiterhin etablierte Verfahren zur Verfügung, darunter:

● chemisches Ätzen

● CNC-Bearbeitung

● Belichtung / Imaging

● Galvanisierung

● automatisierte Produktionslinien

Wenn das Ziel darin besteht, täglich Hunderte oder Tausende standardisierte Leiterplatten herzustellen, bleibt die professionelle PCB-Fertigung mit chemischem Ätzen, CNC-Bearbeitung, Imaging, Galvanisierung und automatisierten Produktionslinien die ausgereiftere Lösung für die Massenproduktion.

8. Worauf sollte bei der kontinuierlichen PCB-Bearbeitung geachtet werden?

Wenn die Maschine täglich für die PCB-Bearbeitung eingesetzt wird, sollten neben den Laserparametern noch einige weitere Punkte berücksichtigt werden.

8.1 Rauch- und Partikelabsaugung

Bei der Kupferbearbeitung von Leiterplatten können entstehen:

● Metallpartikel

● Rauch

● Partikel und gasförmige Zersetzungsprodukte des Substrats

Wir empfehlen, die Maschine mit einer geeigneten Rauchabsaugung bzw. lokalen Absauganlage zu kombinieren, damit entstehende Emissionen schnell aus dem Arbeitsbereich entfernt werden.

Dies beeinflusst nicht nur die Arbeitsumgebung, sondern auch:

● Laseroptiken

● Linsenfeld / F-Theta-Linse

● das Innere der Maschine

● die langfristige Prozessstabilität

8.2 PCB-Substrat überprüfen

Bearbeiten Sie keine Materialien unbekannter Herkunft. Unterschiedliche PCB-Substrate können unter Laserbestrahlung unterschiedliche Partikel und Zersetzungsprodukte erzeugen.

Überprüfen Sie vor der Bearbeitung das Kupfermaterial, das Substratmaterial und die entsprechenden Sicherheitsinformationen.

Hinweis: Alle in diesem Artikel getesteten und gezeigten Leiterplatten verwenden ein FR-4-Substrat.

8.3 Leiterplatte plan halten

Die PCB-Bearbeitung reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen des Fokus. Wenn sich die Leiterplatte verzieht:

Änderung der Platinenhöhe → Fokusverschiebung → Änderung der Spotgröße → Änderung der Energiedichte → ungleichmäßige Kupferentfernung

Wir empfehlen daher die Verwendung einer ebenen Haltevorrichtung, eines Vakuumtisches, einer Klemme oder einer Positioniervorrichtung, um die Leiterplatte während der Bearbeitung stabil und plan zu halten.

8.4 Fokus kontrollieren

Bei feinen Leiterbahnen ist eine präzise Fokussierung besonders wichtig. Eine Fokusverschiebung beeinflusst direkt:

● Spotgröße

● Feinheit der Leiterbahnen

● Kupferentfernungsleistung

● Kantenqualität

Fokussieren Sie daher vor Beginn der PCB-Bearbeitung präzise und vermeiden Sie größere Veränderungen der Platinenhöhe.

8.5 Linsenfeld und Schutzlinse regelmäßig überprüfen

Bei kontinuierlicher Kupferbearbeitung entstehen erhebliche Mengen an Partikeln. Kontrollieren Sie deshalb regelmäßig die Schutzlinse, die F-Theta-Linse und das Absaugsystem auf Verschmutzungen.

Verschmutzte Optiken können zu folgenden Problemen führen:

● reduzierter Laserleistung am Werkstück

● schlechterer Spotqualität

● ungleichmäßiger lokaler Energieverteilung

Dies kann wiederum die Prozessstabilität und die Qualität der Leiterplattenbearbeitung beeinträchtigen.

Das em-smart Engineering-Team empfiehlt, diese Komponenten bei regelmäßiger Nutzung einmal pro Woche zu überprüfen.

9. Für wen eignet sich die Herstellung von Leiterplatten mit einem Laser?

Diese Methode ist nicht für jede Art der PCB-Produktion geeignet. Besonders interessant ist sie jedoch für:

● Hardwareentwickler, die schnell PCB-Prototypen herstellen und überarbeiten müssen

● Elektronik-Maker mit häufigen Kleinserienprojekten

● F&E-Teams, die den Zeitraum zwischen Prototyp und Test verkürzen möchten

● Universitätslabore für schnelle Validierung, Lehrprojekte und Elektronikexperimente

● Werkstätten für kundenspezifische Elektronik mit geringer Stückzahl und häufig wechselnden Designs

● Hardware-Start-ups in einer Phase schneller Produktiterationen, die nicht für jede Designänderung auf Produktion und Versand eines PCB-Herstellers warten möchten

Abbildung 18. Zielgruppen und Vorteile der Laser-PCB-Prototypenfertigung

Einer der größten Vorteile der Laser-PCB-Fertigung liegt nicht unbedingt in den niedrigsten Kosten pro Leiterplatte, sondern in der schnelleren Iteration und größeren Unabhängigkeit.

10. Reale Testdaten

Die folgenden Parameter wurden für die auf dem Instagram-Kanal von em-smart gezeigte kupferkaschierte Leiterplatte verwendet.

Wichtig: Die angegebenen Werte sollten als Ausgangspunkte betrachtet werden. Die tatsächlichen Ergebnisse können je nach Kupferdicke, Substrat, Linsenfeld, Fokus, Planheit des Materials und Absaugbedingungen variieren.

Tabelle 5. MOPA-60W-Laserparameter für die Leiterplattenfertigung

Prozess	Leistung (%)	Geschwindigkeit (mm/s)	Pulsbreite (ns)	Frequenz (kHz)	Linienabstand (mm)	Scanwinkel (°)	Durchläufe
Kupferentfernung	50	1500	150	48	0,05	45	8
Zuschneiden	100	1000	200	48	0,03	45	30
Bohren	100	1000	200	48	0,03	0	20
Reinigung	30	1500	150	48	0,05	0	2

Weitere Testergebnisse und technische Diskussionen finden Sie in der em-smart Discord-Community.

Hinweis für die Veröffentlichung: Verwandte Blogartikel sowie die URL zum Vergleichsvideo zwischen 30-W- und 60-W-MOPA sollten vor der Veröffentlichung ergänzt werden.

Genannte Referenzen aus dem Ausgangsentwurf

● JPT CL2 Air-Cooled Fiber Laser / MOPA-Laserdokumentation

● Raycus 30-W-Q-switched-Pulsfaserlaser-Dokumentation

● Raycus 100-W-MOPA-Faserlaser-Dokumentation

● Forschung zur Kupferbearbeitung mit Nanosekundenlasern (Coatings)

● „Processing of Printed Circuit Boards Using a 532 nm Green Laser“ (Opto-Electronics Review)