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Corte láser de precisión: Mejore su industria de sustratos de aluminio

Corte por láser de sustrato de aluminio

El sustrato de aluminio es un tipo de placa metálica revestida de cobre con una buena función de disipación del calor.

Por lo general, una placa de una sola cara se compone de tres capas: capa de circuito (lámina de cobre), capa de aislamiento y capa de base metálica. Para usos de gama alta, también existen diseños de placas de doble cara, cuya estructura consta de capa de circuito, capa de aislamiento, base de aluminio, capa de aislamiento y capa de circuito. Unas pocas aplicaciones utilizan placas multicapa, que pueden fabricarse laminando placas multicapa ordinarias con capas aislantes y bases de aluminio.

El sustrato de aluminio LED es simplemente un PCB, que significa placa de circuito impreso. La diferencia es que el material de la placa de circuito es de aleación de aluminio. En el pasado, el material de las placas de circuitos generales era la fibra de vidrio, pero como los LED generan mucho calor, las placas de circuitos utilizadas en las lámparas LED suelen ser de sustrato de aluminio, que conduce el calor rápidamente.

En comparación con las tradicionales placas FR-4 y de fibra de vidrio utilizadas en otros dispositivos o aparatos, el sustrato de aluminio puede reducir al mínimo la resistencia térmica, lo que le confiere una excelente conductividad térmica. En comparación con los circuitos cerámicos de película gruesa, su rendimiento mecánico también es excelente.

El sustrato de aluminio también tiene las siguientes ventajas únicas:

  • Cumple los requisitos RoHS
  • Más adecuado para el proceso SMT (tecnología de montaje en superficie)
  • Trata eficazmente la difusión térmica en el diseño de circuitos, reduciendo la temperatura de funcionamiento de los módulos, prolongando la vida útil y mejorando la fiabilidad de la potencia.
  • Reduce el ensamblaje de disipadores de calor y otros componentes (incluidos los materiales de interfaz térmica), lo que reduce el tamaño del producto y los costes de hardware y ensamblaje.
  • Optimiza la combinación de circuitos de potencia y circuitos de control
  • Sustituye a los frágiles sustratos cerámicos, obteniendo una mayor durabilidad mecánica.

Aplicación del sustrato de aluminio

El sustrato de aluminio se aplica cada vez más en diversos campos, como los circuitos integrados híbridos, los automóviles, las motocicletas, la ofimática, los equipos eléctricos de alta potencia, los equipos de suministro eléctrico, la iluminación LED, etc., debido a sus excelentes prestaciones de disipación térmica, procesamiento mecánico, blindaje electromagnético y estabilidad de tamaño. Su demanda aumenta cada año y sus perspectivas de desarrollo son muy amplias.

Introducción al corte tradicional de sustratos de aluminio

Los métodos tradicionales de procesado de sustratos de aluminio se dividen en tres categorías:

  • Normalmente, se utilizan máquinas de taladrado y torneado CNC, que requieren consumibles como brocas, tornos, cojines y alcohol. El coste de corte es elevado, la precisión del chapa metálica es baja, y la separación de la ranura de mecanizado es grande (1,6 mm convencional; 2 mm de anchura de la ranura del torno), lo que provoca fácilmente la deformación del sustrato.
  • Métodos tradicionales como troquelado de formación.
  • Se utiliza el método de corte CNC V-CUT, que requiere que las líneas de las ranuras sean lisas y sin rebabas después del procesamiento, y los productos acabados deben ser uniformes sin ningún tipo de bordes afilados. La superficie de la placa no debe rayarse, al tiempo que se garantiza el procesamiento de corte de las placas deformadas y se evita la deformación secundaria. Este complejo proceso conlleva una baja eficiencia de procesamiento y un bajo rendimiento. Actualmente, la mayoría de las empresas de PCB cortan sustratos de aluminio utilizando tornos para procesar un sustrato de aluminio entero. Todavía quedan algunas rebabas en el borde del producto acabado en la parte posterior del placa de aluminioque deben rasparse manualmente, lo que aumenta considerablemente la carga de trabajo. El aumento de la tasa de desechos debido al rayado de la superficie del tablero, y la gran pérdida del herramientas de corte también dan lugar a una eficiencia de procesamiento relativamente baja.
Sustrato de aluminio lapeadora diagrama de procesamiento

Para el conformado CNC de sustratos de aluminio ensamblados, se utiliza una fresa especializada en sustratos de aluminio de 2,0 con una velocidad de avance controlada a 0,15m/min y una velocidad de rotación controlada a 30000rpm. Es importante asegurarse de que no haya rebabas ni alabeos en la estructura de aluminio durante el proceso.

Tradicional lapeado proceso de la máquina:

  • Produce rebabas y asperezas importantes que requieren un desbarbado manual.
  • El utillaje y los consumibles son caros, y la precisión no es alta, por lo que requiere mucho tiempo instalar y retirar la placa mediante pasadores de fijación.
  • Se necesitan calzos y alcohol, entre otros consumibles.
  • La eficiencia de producción del sustrato es baja.

Ventajas y selección de sustratos de aluminio para corte por láser

Ventajas de procesamiento láser: El procesado por láser es un método sin contacto, sin costes de herramientas, que ahorra costes y reduce los arañazos y el desgaste de la superficie del material. La velocidad de procesamiento es rápida y la precisión es alta, con pequeñas costuras de corte y un rango de tolerancia de hasta ±0,02 mm. La superficie de corte es lisa y puede formarse en un solo paso, sin necesidad de repetir el proceso. El funcionamiento es sencillo y no requiere un técnico cualificado. Los gráficos de procesamiento se pueden editar arbitrariamente y se pueden importar planos CAD.

El procesamiento láser utiliza principalmente láseres CW y láseres QCW. Los láseres CW se refieren a láseres con salida continua sin interrupción, y la potencia de salida está en un estado constante. Los láseres QCW funcionan a intervalos, comprimiendo la energía láser en un estrecho margen de tiempo, lo que se traduce en una mayor potencia de pico.

Comparación de CW y QCW en el corte por láser de sustratos de aluminio: El procesado por láser continuo tiene una velocidad de corte rápida y un pequeño corteque se utiliza ampliamente en el corte de sustratos de aluminio.

Sin embargo, el modo de salida del láser continuo es de onda continua, y cuando se procesan piezas con alta densidad durante mucho tiempo, la disipación del calor es relativamente lenta, lo que provoca un aumento de la influencia térmica en la superficie de corte, afectando a la conductividad del material. En algunos sustratos de aluminio con requisitos de calidad especialmente elevados, el láser continuo no puede cumplir los requisitos de producción.

El modo de salida de los láseres de impulsos es intermitente, y la influencia del calor generado en el material durante el procesamiento es relativamente pequeña en comparación con los láseres continuos.

Sin embargo, los láseres continuos son mucho más baratos que los láseres de impulsos. Si el producto requiere alta calidad y un gran volumen de procesamiento, pueden utilizarse láseres de impulsos, mientras que los láseres continuos pueden utilizarse si los requisitos de procesamiento no son especialmente elevados.

Deficiencias del corte por láser de sustratos de aluminio

El procesado por láser pertenece al procesado térmico, que inevitablemente producirá efectos térmicos en la chapa. Los principios de corte de los láseres CW y QCW se basan ambos en el rayo láser emitido por el láser y luego irradiado sobre el espejo de enfoque a través del tubo de fibra óptica para formar la refracción.

Por último, el rayo láser refractado se transmite al cabezal de corte a través del boquilla de corteEl material irradiado se funde rápidamente, se vaporiza, se ablanda o alcanza el punto de ignición.

Mientras tanto, el material fundido es soplado por el flujo de aire de alta velocidad coaxial con la viga, y finalmente, la pieza se corta por el movimiento del cabezal de corte. Durante este proceso, el calor se forma inevitablemente en la costura de corte, formando así diferentes grados de ancho de impacto térmico.

Al procesar sustrato de aluminio con láser, quedarán residuos negros en la sección de corte. La capa superficial del sustrato de aluminio suele recubrirse con una capa de pintura (normalmente aceite blanco o aceite negro), y corte por láser requiere que el calor y la presión del aire sean elevados al mismo tiempo.

Por lo tanto, si el corte se realiza directamente desde la parte frontal, la superficie pintada entrará en contacto directo con el aire a alta presión y la alta temperatura, provocando el colapso y la dispersión de la pintura.

Por lo tanto, sólo podemos cortar por la parte trasera de la chapa durante el procesado. Aunque el corte por la parte posterior no dañará la capa de pintura y puede lograr el objetivo de corte, el alto calor generado durante el corte hará que la superficie de la pintura se queme instantáneamente al entrar en contacto con la pintura. El residuo de la pintura quemada permanecerá en la sección de corte y formará una capa de sustancia negra. El grosor de la sustancia negra que se forma en la sección de corte después de quemarse varía con los diferentes modelos y grosores de pintura.

Procesado por láser: sustancia negra generada en la zona de procesado térmico en la parte posterior de la zona afectada por el calor formada por el láser en la lámina.

Diagrama de corte y diagrama de efectos del láser CW, el láser QCW y el amplificador 2D tras la amplificación 2D.

Al comparar los diagramas de efecto de corte después de la amplificación bidimensional del corte por láser CW y QCW, descubrimos que el ancho de impacto térmico generado por el corte por láser QCW es menor que el del corte por láser CW, y la superficie de corte es más lisa. Por lo tanto, los sustratos de aluminio de alta calidad se pueden cortar utilizando cortadoras láser QCW.

Soluciones a las deficiencias del procesado láser de sustratos de aluminio

Solución al Efecto Térmico Generado por el Procesado Láser en el Substrato de Aluminio:

La amplitud del efecto térmico generado por el procesado láser está relacionada principalmente con el diámetro del punto de luz (normalmente entre 0,1 mm y 0,15 mm de diámetro), la velocidad de corte, el tipo de pintura del sustrato y el grosor del sustrato.

Mediante pruebas continuas de muestreo y mantenimiento posventa a largo plazo, se ha descubierto que la amplitud del efecto térmico puede controlarse dentro de un determinado rango utilizando el método de línea cerrada de tinta abierta.

Es decir, la forma de la pieza a cortar se graba primero con una anchura de 0,1mm-0,15mm en la parte frontal del sustrato utilizando una máquina de marcado o una máquina de micro-tallado, formando una línea de tinta de la forma a cortar en la parte frontal del sustrato.

A continuación, el corte puede realizarse desde el reverso localizándolo con visión CCD para controlar el calor generado por el punto de luz durante el corte dentro de la anchura de la línea de tinta, controlando así la anchura del efecto térmico dentro de 0,15 mm.

En el proceso de elaboración del dibujo de ingeniería de la placa de circuito, debe reservarse el ancho de ventana de tinta adecuado para el proceso de serigrafía, a fin de garantizar la estabilidad de la calidad del proceso de corte.

Solución al residuo negro que queda en la sección de corte del sustrato de aluminio procesado por láser:

Mediante pruebas de proceso continuas, hemos descubierto que la sustancia que cubre la sección de corte es la pintura que se ha quemado durante el procesamiento láser a alta temperatura, y se adhiere a la sección de corte bajo la acción del gas a alta presión. Se puede eliminar fácilmente limpiando con alcohol, pero la eficacia de la limpieza individual es baja, y se necesita una gran cantidad de mano de obra, por lo que no es factible.

Mediante pruebas y experimentos continuos, hemos descubierto que la limpieza por ultrasonidos de alta potencia con múltiples cabezales, detergente y agua puede utilizarse para limpiar el sustrato bien cortado. El sustrato limpiado por ondas ultrasónicas no sólo está limpio y liso, sino que además no afecta a la conductividad eléctrica ni a otras cualidades del sustrato.

Además, puede limpiarse en grandes cantidades al mismo tiempo, con gran eficacia de limpieza, sin afectar a la producción normal.

Tras múltiples comunicaciones y conversaciones con los clientes, se ha acordado por unanimidad que esta solución es viable.

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