NL1030195C2

NL1030195C2 - Method and device for laser cutting carriers for electronic components at an acute angle.

Info

Publication number: NL1030195C2
Application number: NL1030195A
Authority: NL
Inventors: Joannes Leonardus Jurrian Zijl; Henri Joseph Van Egmond
Original assignee: Fico Bv
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-17
Also published as: WO2007043884A2; EP1938675A2; WO2007043884A3; KR20080070650A; CN101300910A; TW200731895A; TWI397357B

Description

Werkwijze en inrichting voor het met een scherpe hoek lasersnijden van dragers voor elektronische componentenMethod and device for laser cutting carriers for electronic components at an acute angle

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het met een laserstraal snijden 5 van een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, door het onderling verplaatsen van de laserstraal en de drager. De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het met een laserstraal snijden van een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, omvattende: een houder voor het houden van de met de laserstraal te snijden vlakke drager voor elektronische 10 componenten, een de laserstraal genererende laserbron, een de houder en de laserbron verbindend gestel, en regelmiddelen voor het onderling verplaatsen van de door de laserbron opgewekte laserstraal en de houder.The invention relates to a method for cutting a substantially flat carrier for electronic components with a laser beam, by mutually displacing the laser beam and the carrier. The invention also relates to a device for cutting a substantially flat carrier for electronic components with a laser beam, comprising: a holder for holding the flat carrier for electronic components to be cut with the laser beam, a laser source generating the laser beam , a frame connecting the holder and the laser source, and control means for mutually displacing the laser beam generated by the laser source and the holder.

Het met een laserstraal snijden van elektronische dragers van elektronische 15 componenten is een bekende techniek die ondermeer wordt toegepast om segmenten vrij te maken uit een grotere drager (ook wel aangeduid als een “board” of “lead frame”). Laserstraal snijden wordt als alternatief aangewend voor de meer traditionele verspanende bewerkingstechnieken zoals zagen en frezen. Het met een laser separeren van segmenten van de drager biedt een aantal belangrijke voordelen zoals een grote 20 vormvrijheid ten aanzien van vorm van de vrij te maken segmenten en het droog kunnen uitvoeren van de separatiebewerking hetgeen in het bijzonder van belang is tot de veelal vloeistof gevoelige elektronische componenten die zich op de vrij te maken drager segmenten kunnen bevinden. Nog een voordeel van lasersnijden is dat dit ten opzichte van meer traditioneel separeren weinig afval oplevert, ondermeer vanwege de 25 relatief geringe breedte van de te vervaardigen snede. Nadeel van de bestaande wijze van het lasersnijden van in hoofdzaak vlakke dragers voor elektronische componenten is dat de vorm van de (laser)snede niet volledig beheersbaar respectievelijk ongewenst is.Cutting electronic carriers of electronic components with a laser beam is a known technique that is used, inter alia, to free segments from a larger carrier (also referred to as a "board" or "lead frame"). Laser beam cutting is used as an alternative to the more traditional machining processing techniques such as sawing and milling. Laser segmentation of segments of the carrier offers a number of important advantages such as a great freedom of shape with regard to the shape of the segments to be released and being able to carry out the separation operation dry, which is of particular importance to the often liquid-sensitive electronic components that may be located on the carrier segments to be released. Another advantage of laser cutting is that it produces little waste compared to more traditional separation, inter alia because of the relatively small width of the cut to be produced. A drawback of the existing method of laser cutting of substantially flat carriers for electronic components is that the shape of the (laser) cut is not completely controllable or undesirable.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde werkwijze en 30 inrichting waarmee de nadelen van het lasersnijden volgens de stand der techniek, en in het bijzonder de gevolgen van de niet beheersbare respectievelijk ongewenste vorm van een lasersnede kunnen worden bestreden. Dit doel wordt nagestreefd onder handhaving van de voordelen van het lasersnijden volgens de stand der techniek.The object of the present invention is to provide an improved method and device with which the disadvantages of the laser cutting according to the state of the art, and in particular the consequences of the uncontrollable or undesired shape of a laser cut, can be combated. This object is pursued while maintaining the advantages of the laser cutting according to the prior art.

1030195 21030195 2

De onderhavige uitvinding verschaft daartoe een werkwijze voor het met een laserstraal snijden van een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, door het onderling verplaatsen van de laserstraal en de drager, waarbij de laserstraal tijdens het snijden en loodrecht op de snijrichting een scherpe hoek α insluit met de naar de 5 laserstraal gekeerde zijde van de drager. Daarbij is de hoek α bijvoorkeur tussen de 80 en 90° gelegen, meer bij voorkeur tussen de 81 en 85°, meest bij voorkeur tussen de 81 en 83°. Het voordëel van een dergelijke hoek α is gelegen in de vorm die een conventionele snijlijn gebruikelijk heeft. De breedte van de snijlijn is aan de naar de laserbron gelegen zijde van de drager groter dan op afstand van deze zijde. In een ruwe 10 benadering is de vorm van een dwarsdoorsnede door de snijlijn kratervormig. De zijwanden van deze kratervorm staan doorgaans onder een hoek van 78 tot 81° het naar de laserbron gekeerde oppervlak van de drager. Door nu echter tijdens het snijden de hoek (scherpe hoek a) die de laserstraal met de drager insluit te wijzigen kan worden gerealiseerd dat één van de snijranden een grotere snijrand-hoek insluit met het naar de 15 laserbron gekeerde oppervlak van de drager. Een dergelijke keuze voor de hoek ot ligt niet voor de hand omdat hierdoor de totale snedediepte toeneemt met als gevolg dat een snede meer energie behoeft en tot meer vervuiling leidt dan een conventioneel bepaalde lasersnede. De deskundige in het vakgebied zal daarom een weestand hebben tegen het wijzigen van de conventioneel rechte hoek α. Desalniettemin leidt een hoek α 20 overeenkomstig de onderhavige uitvinding tot voordelen die, afhankelijk van de omstandigheden, tegen deze evidente nadelen kunnen opwegen.To this end, the present invention provides a method for cutting a substantially flat carrier for electronic components with a laser beam, by mutually displacing the laser beam and the carrier, wherein the laser beam encloses an acute angle α during cutting and perpendicular to the cutting direction with the side of the carrier facing the laser beam. The angle α is herein preferably situated between 80 and 90 °, more preferably between 81 and 85 °, most preferably between 81 and 83 °. The advantage of such an angle α is in the shape that a conventional cutting line usually has. The width of the cutting line is larger on the side of the carrier facing the laser source than at a distance from this side. In a rough approximation, the shape of a cross-section through the cut line is crater-shaped. The side walls of this crater shape are generally at an angle of 78 to 81 ° to the surface of the support facing the laser source. However, by changing the angle (acute angle α) that the laser beam encloses with the carrier during cutting, it can be realized that one of the cutting edges encloses a larger cutting edge angle with the surface of the carrier facing the laser source. Such a choice for the angle ot is not obvious because this increases the total cutting depth, with the result that a cut requires more energy and leads to more contamination than a conventionally determined laser cut. The person skilled in the art will therefore have a resistance to changing the conventional right angle α. Nevertheless, an angle α 20 according to the present invention leads to advantages which, depending on the circumstances, can outweigh these obvious disadvantages.

Een belangrijk voordeel van zo een snijrand-hoek die de 90° beter benadert dan de bestaande snijrand-hoeken is dat hiermee het oppervlak van een gesepareerd segment 25 van de drager kan worden geoptimaliseerd ten opzichte van de grootste buitenmaat van het gesepareerde segment. Daarvoor is het dan wel wenselijk dat de hoek α is gelegen aan de overliggende zijde van een met de laserstraal te vervaardigen snede dan een van de drager te separeren segment van de drager. De grootste buitenmaat van een gesepareerd segment bepaald immers de inbouw/plaatsingsmogelijkheden van het 30 segment. Nu het verschil tussen de grootse buitenmaat van een segment en het bruikbare oppervlak van het segment vanwege de onderhavige uitvinding kan worden teruggebracht ontstaat er onder normale omstandigheden een ruimtewinst van één tot enkele procenten. Bij een drager dikte van 0,5 mm en een buitenmaat van 12x15 mm kan dit voordeel al oplopen tot meer dan 2%. De relatieve ruimtewinst in nuttig 10.30195 i I - ί 3 oppervlak van een dragersegment zal bij dikkere dragers alleen maar groter zijn. Denk ! ter illustratie aan een SIM-kaart in een mobiele telefoon,. Met een identieke buitenmaat kan nu het nuttige oppervlak van de kaart met ongeveer 2% worden vergroot hetgeen i 1 het mogelijk maakt meer functionaliteit te verschaffen aan de kaart of als alternatief te j 5 gaan naar een verdere miniaturisatie van componenten. Opgemerkt wordt tevens dat het | gesepareerde deel van de drager (het segment) bij voorkeur is voorzien van ten minste j één elektronische component zoals bijvoorbeeld een geïntegreerde schakeling. Door de I keuzevrijheid ten aanzien van de hoek α kan er onder specifieke condities tevens voor i worde gekozen een snijrand te vervaardigen die een voor de specifieke omstandigheden 10 gewenste hoek insluit met het naar de laserbron gekeerde zijde van de drager.An important advantage of such a cutting edge angle that approximates 90 ° better than the existing cutting edge angles is that with this the surface of a separated segment of the carrier can be optimized with respect to the largest outer dimension of the separated segment. For that purpose it is then desirable that the angle α is situated on the opposite side of a cut to be produced with the laser beam than a segment of the carrier to be separated from the carrier. After all, the largest outside dimension of a separated segment determines the installation / placement options of the 30 segment. Now that the difference between the largest outer size of a segment and the usable area of the segment can be reduced due to the present invention, a space saving of one to a few percent results under normal circumstances. With a support thickness of 0.5 mm and an outside dimension of 12x15 mm, this advantage can already amount to more than 2%. The relative space gain in useful 10,30195 surface area of a carrier segment will only be greater with thicker carriers. Think! illustrate a SIM card in a mobile phone ,. With an identical external dimension, the useful surface of the card can now be increased by approximately 2%, which makes it possible to provide more functionality to the card or alternatively to go for a further miniaturization of components. It is also noted that the | The separated part of the carrier (the segment) is preferably provided with at least one electronic component such as, for example, an integrated circuit. Owing to the freedom of choice with regard to the angle α, it is also possible under specific conditions to manufacture a cutting edge which encloses an angle desired for the specific conditions with the side of the carrier facing the laser source.

Ondermeer afhankelijke van de dikte van de drager, het materiaal waaruit de drager is vervaardigd, de kwaliteit van de laserstraal, de gewenste nauwkeurigheid van de snede, en de maximale thermische belastbaarheid van de drager kan een de drager 15 doorvoerende snede in meerdere opvolgende snij gangen wordt vervaardigd. Afhankelijk van de omstandigheden en het gewenste snij resultaat kan er voor worden gekozen dat de hoek α tijdens de opvolgende snij gangen constant is respectievelijk dat de hoek α tijdens de opvolgende snijgangen wijzigt.Depending on, among other things, the thickness of the carrier, the material from which the carrier is made, the quality of the laser beam, the desired accuracy of the cut, and the maximum thermal loadability of the carrier, a cut passing through the carrier can be made in several successive cutting runs. is manufactured. Depending on the circumstances and the desired cutting result, it can be chosen that the angle α is constant during the subsequent cutting runs or that the angle α changes during the subsequent cutting runs.

20 Ten gevolge van de hoek α die kleiner is dan gebruikelijk volgens de stand der techniek is het ook voordelig als de brandpuntafstand van de laserstraal verstelbaar is afhankelijk van deze hoek, even eventueel ook nog afhankelijk van andere procescondities. De brandpuntafstand van de laserstraal kan relatief eenvoudig door middel van een lensverplaatsing regelbaar zijn. Daarenboven is het ook voordelig als er 25 wordt gewerkt met een brandpuntafstand van ten minste 120 mm; zo een grotere brandpuntafstand leidt tot een langer traject waarin de laserstraal nog voldoende compact is.Due to the angle α that is smaller than usual according to the prior art, it is also advantageous if the focal length of the laser beam is adjustable depending on this angle, and possibly also depending on other process conditions. The focal length of the laser beam can be relatively easily adjustable by means of a lens displacement. Moreover, it is also advantageous if a focal length of at least 120 mm is used; such a larger focal length leads to a longer trajectory in which the laser beam is still sufficiently compact.

De uitvinding verschaft tevens een inrichting voor het met een laserstraal snijden van 30 een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, van het in aanhef genoemde type, waarbij de regelmiddelen zijn ingericht voor het instellen van een hoek α waarmee de laserstraal tijdens het snijden in een richting loodrecht op de snijrichting invalt op de naar de laserstraal gekeerde zijde van de drager. De laserbron is in een voorkeursuitvoering voorzien van een verstelbare brandpuntafstand, bijvoorbeeld in de 1030195 4 vorm van een regelbare “galvohead” die is voorzien van meerdere onderling verplaatsbare lenzen. Anderzijds is het ook mogelijk dat de afstand tussen de laserbron en de houder instelbaar is, dat wil zeggen dat er tussen de houder en de laserbron een z-verplaatsing mogelijk is. Voor de voordelen van een dergelijk laserinrichting, die 5 zonder substantiële kosten ten opzichte van de bekende laserapparatuur kan worden vervaardigd, wordt verwezen naar de bovengaand vermelde voordelen naar aanleiding van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding.The invention also provides a device for cutting a substantially flat carrier for electronic components of the type mentioned in the preamble with a laser beam, wherein the control means are adapted to adjust an angle α with which the laser beam during cutting in a in the direction perpendicular to the cutting direction on the side of the carrier that faces the laser beam. In a preferred embodiment the laser source is provided with an adjustable focal length, for example in the form of an adjustable "galvohead" which is provided with a plurality of mutually displaceable lenses. On the other hand, it is also possible that the distance between the laser source and the holder is adjustable, that is to say that a z-displacement is possible between the holder and the laser source. For the advantages of such a laser device, which can be manufactured without substantial costs relative to the known laser equipment, reference is made to the above-mentioned advantages as a result of the method according to the present invention.

Het heeft ook de voorkeur dat de laserinrichting is voorzien van geautomatiseerde 10 regelmiddelen; aldus kan een snij-proces worden geautomatiseerd en kunnen de optimale procescondities nauwkeurig worden benaderd.It is also preferred that the laser device is provided with automated control means; thus a cutting process can be automated and the optimum process conditions can be accurately approximated.

De uitvinding verschaft daarenboven ook een dragersegment voorzien van ten minste een elektronische component met ten minste een door middel van een laserstraal 15 vrijgemaakt randdeel, welk door de laserstraal vrijgemaakt randdeel een hoek met een vlakke zijde van het dragersegment insluit die is gelegen tussen de 80 en 90°, meer bij voorkeur tussen de 86 en 90°. Een dergelijke dragersegment heeft een bruikbaar oppervlak dat zich, althans voor lasersnijden, zeer gunstig verhoudt tot de grootste buitenmaat van de snederand.The invention furthermore also provides a carrier segment provided with at least one electronic component with at least one edge part released by means of a laser beam, which edge part released by the laser beam includes an angle with a flat side of the carrier segment which is located between 80 and 90 °, more preferably between 86 and 90 °. Such a carrier segment has a usable surface which, at least for laser cutting, relates very favorably to the largest outer dimension of the cut edge.

2020

De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de in navolgende figuren weergegeven niet limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur IA een schematische weergave van het volgens de stand der techniek met een laserstraal snijden van een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, 25 figuur 1B een schematische weergave van het volgens de onderhavige uitvinding met een laserstraal snijden van een in hoofdzaak vlakke drager voor elektronische componenten, figuur 2A toont een schematische weergave van een eerste snijgang van het volgens de onderhavige uitvinding met een laserstraal snijden van een drager, 30 figuur 2B toont een schematische weergave van een tweede snijgang van het volgens de onderhavige uitvinding met een laserstraal snijden van de in figuur 2A getoonde drager, en figuur 3 een schematische weergave va een laserinrichting volgens de onderhavige uitvinding.The present invention will be further elucidated with reference to the non-limitative exemplary embodiments shown in the following figures. Herein: figure 1A shows a schematic representation of the state of the art with a laser beam cutting of a substantially flat carrier for electronic components, figure 1B shows a schematic representation of the according to the present invention with a laser beam cutting of a substantially flat carrier for electronic components, figure 2A shows a schematic representation of a first cutting course of cutting a carrier according to the present invention with a laser beam, figure 2B shows a schematic representation of a second cutting course of cutting according to the present invention with a laser beam of the carrier shown in figure 2A, and figure 3 a schematic representation of a laser device according to the present invention.

1030195 51030195 5

Figuur IA toont een drager 1 voor elektronische componenten 2 waarin met behulp van een laserstraal 3 een in dwarsdoorsnede bij benadering kratervormige snede 4 is I 5 aangebracht. Een snijrand 5 van een segment 6 van de drager 1 dat ten minste één ! elektronische component 2 draagt sluit daarbij een hoek β in met het naar de laserstraal 3 gekeerde oppervlak 7 van de drager 1 die typisch 78 tot 81° is.Figure 1A shows a carrier 1 for electronic components 2 in which, with the aid of a laser beam 3, an approximately 4 crater-shaped cut 4 is arranged in cross-section. A cutting edge 5 of a segment 6 of the carrier 1 that has at least one! electronic component 2 thereby encloses an angle β with the surface 7 of the carrier 1 facing the laser beam 3, which is typically 78 to 81 °.

In figuur 1B is een drager 10 voor elektronische componenten 11 getoond waarin met 10 behulp van een laserstraal 12 overeenkomstig de uitvinding een snede 13 is aangebracht waarvan een snijrand 14 van een segment 15 van de drager 10 dat ten minste één elektronische component 11 een hoek β insluit met het naar de laserstraal 12 gekeerde oppervlak 16 van de drager 1 die een rechte hoek van 90° benadert.Figure 1B shows a carrier 10 for electronic components 11 in which a cut 13 has been made with the aid of a laser beam 12 according to the invention, a cutting edge 14 of a segment 15 of the carrier 10 that at least one electronic component 11 has an angle β includes the surface 16 of the carrier 1 facing the laser beam 12 which approximates a right angle of 90 °.

15 Figuur 2A toont een laserstraal 20 die overeenkomstig de uitvinding een scherpe snij hoek ai insluit met een oppervlak 21 van een drager 22 voor elektronische componenten 23. Met een eerste snedegang wordt in de weergegeven figuur een snede 24 vervaardigd die niet volledig door de drager 22 gaat. In een tweede snijgang, welke schematisch is weergegeven in figuur 2B wordt een snede 25 verder uitgediept zodanig 20 dat deze nu wel volledig door de drager 22 gaat. Daarbij is het mogelijk at de snijhoek a2 tijdens deze tweede snijgang afwijkt van de eerste snijhoek ai. Naar keuze kan ai groter of kleiner zijn dan a2. Ook is het mogelijk dat a( of a2 gelijk is aan 90°.Figure 2A shows a laser beam 20 which, according to the invention, encloses a sharp cutting angle ai with a surface 21 of a support 22 for electronic components 23. With a first cut run, a cut 24 is produced in the shown figure that is not completely through the support 22 is going. In a second cutting path, which is schematically shown in Figure 2B, a cut 25 is further deepened such that it now passes completely through the carrier 22. It is thereby possible that the cutting angle a2 deviates from the first cutting angle ai during this second cutting step. Optionally, a 1 can be larger or smaller than a 2. It is also possible that a (or a2 is equal to 90 °.

Figuur 3 toont een laserinrichting 30 met een laserbron 31 die onder tussenkomst van 25 een gestel 32 is verbonden met een houder 33 voor het ondersteunen van een drager 34 met elektronische componenten 35. Vanwege de laserbron 31 wordt een laserstraal 36 naar de drager 34 gestuurd. De laserstraal 36 sluit daarbij een hoek γ in met de vertikaal die door de laserbron 31. Deze hoek γ is identiek aan de hoek α die de laserstraal 36 insluit met de naar de laserbron 31 gekeerde zijde 37 van de drager 4. Voor het 30 aansturen van de laserbron 31 staat deze in verbinding met een intelligente besturingsunit 38.Figure 3 shows a laser device 30 with a laser source 31 which is connected via a frame 32 to a holder 33 for supporting a carrier 34 with electronic components 35. Because of the laser source 31, a laser beam 36 is sent to the carrier 34. The laser beam 36 herein encloses an angle γ with the vertical passing through the laser source 31. This angle γ is identical to the angle α that the laser beam 36 encloses with the side 37 of the carrier 4 facing the laser source 31. of the laser source 31, it is connected to an intelligent control unit 38.

10301951030195

Claims

Method for cutting a substantially flat carrier for electronic components with a laser beam, by mutually displacing the laser beam and the carrier, wherein the laser beam encloses an acute angle α during cutting and perpendicular to the cutting direction with the the side of the carrier that faces the laser beam.

Method according to claim 1, characterized in that the angle α is between 80 and 90 °.

Method according to claim 2, characterized in that the angle α is between 81 and 85 °.

4. Method as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the angle α is situated on the opposite side of a cut to be produced with the laser beam than a segment of the carrier to be separated from the carrier.

5. Method as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that a cut passing through the carrier is made in several successive cutting runs.

Method according to claim 5, characterized in that the angle α is constant during the subsequent cutting runs.

Method according to claim 5, characterized in that the angle α changes during the subsequent cutting runs.

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the focal length of the laser beam is adjustable depending on the angle α. 30

Method according to claim 8, characterized in that the focal length of the laser beam can be adjusted by means of a lens displacement. 1030195

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the effective focal length of the lens for the laser beam is at least 120 mm.

11. Device for cutting a substantially flat support for electronic components with a laser beam, comprising: - a holder for holding the flat support for electronic components to be cut with the laser beam, - a laser source generating the laser beam, - a frame connecting the holder and the laser source, and control means for mutually displacing the laser beam generated by the laser source and the holder, the control means being adapted to adjust an angle α with which the laser beam during cutting in a direction perpendicular to the cutting direction is incident on the side of the carrier that faces the laser beam. 15

A laser device as claimed in claim 11, characterized in that the laser source is provided with an adjustable focal length.

13. Laser device as claimed in claim 12, characterized in that the laser source is provided with an adjustable "galvohead".

A laser device as claimed in any one of claims 11 to 13, characterized in that the distance between the laser source and the holder is adjustable.

A laser device as claimed in any one of claims 11-14, characterized in that the laser device is provided with automated control means.

16. Carrier segment provided with at least one electronic component with at least one edge part released by means of a laser beam, which edge part released by the laser beam encloses an angle with a flat side of the carrier segment which is between 70 and 90 °. 1030195 δ

Carrier segment according to claim 16, characterized in that the edge part released by the laser beam includes an angle with a flat side of the carrier segment that is between 86 and 90 °. ! 1030195