Лазерная маркировка печатных плат: CO₂, волоконный или УФ — какой лазер выбрать?!

Компания «Глобал Инжиниринг» — официальный эксклюзивный партнёр производителя систем лазерной маркировки «Vanstron Automation». В каталоге — сейчас представлены три модели S-330, S-460 и S-610. Мы располагаем собственной системой лазерной маркировки в лаборатории в Москве и готовы провести все необходимые тесты ваших образцов.

Маркировка печатных плат сегодня актуальна по двум причинам. Во-первых, она необходима для организации прослеживаемости изделий внутри производства: идентификация каждой платы позволяет связать её с данными о материалах, оборудовании, параметрах техпроцесса и результатах контроля.

Во-вторых, в России введена обязательная маркировка печатных плат в системе «Честный знак», где каждое изделие должно получить уникальный код и быть учтено при вводе в оборот, передаче другому владельцу или использовании в составе готовой продукции. Одним из наиболее универсальных и технологичных способов нанесения таких кодов является лазерная маркировка.

Рассмотрим, чем отличаются распространённые типы лазеров: CO₂, волоконные (Fiber) и ультрафиолетовые (UV), как эти отличия влияют на процесс маркировки печатных плат и на её результат.

Рисунок 1. Лазерная маркировка печатной платы

Зачем маркировать печатные платы

Основные задачи, которые решает маркировка печатной платы, — идентификация и выстраивание прослеживаемости изделий, то есть создание системы, при которой производство контролирует выпускаемый продукт в части того:

• из каких материалов и компонентов он изготовлен (в том числе когда они закуплены, где и как хранились);
• на каком оборудовании и по каким параметрам выполнялись операции;
• какие проверки изделие прошло и с каким результатом;
• на каком этапе маршрута оно находится в настоящий момент.

Система лазерной маркировки с правильным программным обеспечением позволяет наносить на печатные платы серийные номера, номера партий, логотипы и двумерные коды, в том числе Data Matrix и QR. Кроме того, она автоматически генерирует каждую следующую маркировку по заданным правилам и формирует базу данных с чёткой иерархией изменений маркировки. Это позволяет автоматизировать обмен данными с MES-системой и/или «1С:Предприятие», а также загружать в процесс маркировки коды, полученные из внешних систем, в том числе для задач «Честного знака». В отличие от наклеек и чернил, лазерная маркировка не требует отдельных расходных материалов и легко встраивается в автоматизированный процесс идентификации. Лазерная маркировка также позволяет получить более миниатюрные символы на печатной плате (для сравнения: при шелкографии требуются ячейки размером 0,25–0,3 мм и более).

Кроме того, система лазерной маркировки может быть интегрирована в современные протоколы обмена данными между единицами оборудования в рамках одной линии, что существенно упрощает контроль и переналадку производства. Подробнее об этом читайте в нашей заметке об интерфейсе IPC-HERMES-9852.

Рисунок 2. Интеграция лазерной маркировки в производственную линию

Стойкость маркировки

В производстве электроники маркировка как минимум подвергается термическому воздействию на операции пайки, а во многих случаях — также внешнему воздействию на операциях отмывки и нанесения влагозащитного покрытия. Поэтому оценивать результат только сразу после лазера недостаточно: полученное изображение должно быть проконтролировано после тех операций, через которые реально проходит плата.

• После маркировки: проверка сканером и/или встроенной системой верификации;
• После пайки: проверка сканером;
• После мойки: проверка, не оказывает ли чистящее вещество влияния на маркировку;
• После нанесения покрытия: финальная проверка.

Для двумерных кодов важны контраст, геометрия ячеек, отсутствие загрязнений и стабильное считывание. Data Matrix часто выбирают из-за высокой плотности данных, но он не гарантированно лучше QR во всех сценариях. Реальная читаемость зависит от размера кода, количества данных, качества нанесения, поверхности и возможностей считывателя.

Стандарт оценки качества маркировки: ISO/IEC 29158 (DPM). Требования к прослеживаемости производства и цепочки поставок электронных изделий можно найти в IPC-1782. Эти документы решают разные задачи: первый относится к оценке качества кода, второй — к прослеживаемости.

Типы лазеров

Рисунок 3. Спектры излучения распространённых лазеров

Указанные длины волн типичны для распространённых промышленных источников:

• CO₂ — 10,6 мкм;
• волоконный инфракрасный — 1064 нм;
• твердотельный лазер (ТТЛ) зелёного спектра — около 532 нм;
• УФ — часто 355 нм.

Это не рейтинг качества. Поглощение зависит от конкретного материала и его состава, а размер пятна — не только от длины волны, но и от оптики и конфигурации системы.

CO₂-лазер

Рисунок 4. Спектр излучения CO₂-лазера

Как работает. В CO₂-лазере используется смесь газов, включающая углекислый газ (CO₂), азот (N₂) и гелий (He). Электрический ток, проходящий через газовую смесь, возбуждает молекулы CO₂, генерируя излучение в ИК-диапазоне, которое усиливается между отражающим и выходным зеркалами и выводится в виде лазерного луча. Луч направляется и фокусируется с помощью зеркал. Выходной луч имеет длину волны 10 600 нм; из-за большой длины волны в ИК-диапазоне он оказывает существенное термическое воздействие.

Производятся также CO₂-лазеры с длинами волн 10 200 нм, 9600 нм и 9300 нм, однако они применяются не так широко. Все они находятся в диапазоне 9000–11 000 нм; мы рассматриваем наиболее распространённые источники с длиной волны 10 600 нм.

Рисунок 5. Использование CO₂-лазеров с различной длиной волны (0 — не используется, 4 — часто используется)

CO₂-лазеры до настоящего момента остаются одним из самых популярных решений для маркировки печатных плат, особенно когда нужны достаточно крупные знаки и приемлемая производительность. Это объясняется большой мощностью излучения, относительной простотой и дешевизной технологии. Как правило, такие системы оснащаются воздушным охлаждением пассивного типа. Суть маркировки CO₂ заключается в термической реакции материала, поглощающего длину волны 10,6 мкм. Пригодность определяется тем, как конкретная паяльная маска реагирует на излучение. Основное ограничение — термическое воздействие: при неподходящем режиме возможны обугливание, широкая зона термического влияния или недостаточно чёткие мелкие элементы.

УФ-лазер (355 нм)

Рисунок 6. Спектр излучения УФ-лазера

Как работает. Для создания УФ-лазера луч проходит через два дополнительных нелинейных кристалла. Сначала длина волны 1064 нм уменьшается до 532 нм, затем — до 355 нм. Поэтому УФ-лазеры называют лазерами с генерацией третьей гармоники (THG). Маркировка с использованием этих лазеров часто называется «холодной», поскольку позволяет выполнять обработку с минимальным тепловым воздействием.

УФ-лазеры часто рассматривают для мелких кодов и чувствительных материалов: они позволяют получать небольшие элементы и во многих случаях обеспечивают эффективное поглощение энергии поверхностным слоем. Это уменьшает зону термического воздействия по сравнению с некоторыми инфракрасными режимами. Вместо плавления или сжигания материала УФ-системы разрывают молекулярные связи напрямую.

Схема 1. Последовательность получения лазерного луча УФ-спектра

Это принципиальное отличие позволяет наносить маркировку на подложки, которые в противном случае потрескались бы, деформировались или изменили цвет под воздействием тепла. Однако «холодная маркировка» — упрощённое выражение, а не отсутствие нагрева. УФ-лазер тоже способен повредить маску, основу или медь при неправильных параметрах. Результат зависит от состава покрытия, оптики, длительности и энергии импульса, частоты, скорости сканирования и числа проходов.

Рисунок 8. Разница взаимодействия ИК- и УФ-излучения с молекулами вещества:
А — разрушение связей под воздействием тепла; Б — разрушение связей с минимальным тепловым воздействием

Рисунок 9. Сравнение качества маркировки:
А — CO₂-лазер (видны неровности и следы термического воздействия); Б — УФ-лазер (чёткие края, следов оплавления нет)

Волоконный лазер

Рисунок 10. Спектр излучения волоконного лазера

Как работает. Технология волоконных лазеров генерирует концентрированный пучок инфракрасного света посредством оптического усиления. Лазерные диоды подают энергию в оптоволоконный кабель, легированный редкоземельными элементами. По мере прохождения света через волокно он усиливается, создавая мощный сфокусированный луч. По сравнению с газовыми или традиционными твердотельными системами требуется меньше оптических компонентов для юстировки и обслуживания. Волоконные лазеры известны высокой выходной мощностью, скоростью и способностью к глубокой гравировке. Благодаря этому они специализируются на гравировке, маркировке и травлении металлов на высоких скоростях.

Краткое сравнение

Даже два разных источника одного типа могут давать разный результат из-за длительности импульса, качества пучка, оптики, системы сканирования и доступных настроек.

Механизм получения маркировки

На практике встречаются два основных подхода. Первый — изменить цвет или структуру паяльной маски, чтобы код стал светлее или темнее. Второй — контролируемо удалить часть покрытия и получить контраст за счёт открывшегося нижележащего слоя. Осветление маски — наиболее распространённый метод. Оба метода обеспечивают достаточный контраст для считывания сканером QR-кода или кода Data Matrix. Конкретный механизм зависит от состава маски, пигментов, длины волны и параметров импульса.

Главная задача — получить читаемый код, не повредив плату. Чрезмерная энергия может обуглить покрытие, повредить основу, затронуть медь или вызвать локальные дефекты. Нельзя рассчитывать на простое правило «энергия выше порога маски, но ниже порога меди»: реальное технологическое окно определяется экспериментально для конкретного материала и режима.

Базовые зависимости, безусловно, существуют. Ниже приведена таблица, показывающая разницу внешнего вида маркировки в зависимости от места нанесения.

Рисунок 11. Пример маркировки медной рамки: слева — ИК-лазер, справа — УФ-лазер

Как уже было разобрано ранее, ультрафиолетовое (УФ), CO₂- и волоконное излучение — три типа лазерного излучения. Тип излучения оказывает огромное влияние на результат — сильнее, чем даже мощность излучения.

УФ-излучение «холодное»: оно разрушает маску, не выделяя много тепла, и его пятно очень маленькое. CO₂-излучение нагревает поверхность и имеет большее пятно. Волоконное излучение лучше всего подходит для металла.

Рисунок 12. Пример маркировки различными источниками

Рисунок 13. Получение изображения: слева — ИК-лазер (неровные края, ограничения по минимальному размеру); справа — УФ-лазер

Важно также отметить различия в глубине проникновения излучения. У ИК-излучения глубина проникновения значительно больше, что вызывает опасения особенно при работе с компонентами.

Рисунок 14. Схема глубины проникновения излучения: УФ (слева) и ИК (справа)

Влияет ли цвет паяльной маски на результат?

Эта таблица является ориентиром, а не истиной в последней инстанции: разные производители печатных плат могут использовать существенно отличающиеся маски. Практика показывает, что две платы зелёного цвета от разных поставщиков могут давать разные результаты, поэтому важно тестировать конкретные образцы.

Зелёный — маркировка даёт контрастный рисунок на тёмном фоне и быстро считывается сканером. Качество превосходное при равномерном интервале точек. Для большинства задач хватает базовых настроек лазера.

Красный — сканеры подсвечивают код красными светодиодами, а красная маска сильно отражает этот свет. Контраст падает, считывание замедляется, поэтому чёткость краёв ячеек становится решающей.

Рисунок 15. Маркировка на зелёной (слева) и красной (справа) масках с одной и той же настройкой лазера

Если цвет маркировки и платы слишком близок, в IPC предлагается простое решение: напечатать небольшой сплошной белый блок шелкографии, а затем нанести на него метку лазером.

Следует учесть, что маркировка по шелкографии требует особой деликатности из-за различий в толщине слоя. Лазер должен изменить только поверхность краски, не прожигая её до маски, иначе у кода появятся обугленные края и неровный силуэт (см. таблицу 2). Поэтому режим подбирают на образцах с той же краской и той же толщиной нанесения.

Рисунок 16. Маркировка на шелкографии без повреждения слоя

Размер маркировки. Насколько маленьким может быть QR-код или код Data Matrix?

Первое, с чего нужно начать при выборе маркировщика: определитесь с размером QR-кода или кода Data Matrix. Затем выбирайте лазер.

Рекомендуется оставлять пустую рамку вокруг QR-кода или кода Data Matrix — «тихую зону» (quiet zone). Она должна составлять примерно 10–20% от ширины кода. Это позволит сканерам легче определить края и упростит настройку считывания.

Рисунок 17. Маркировка на шелкографии

Рисунок 18. Маркировка со свободной зоной вокруг кода

Data Matrix вмещает тот же серийный номер на меньшем пространстве, чем QR-код, поэтому он так распространён на платах.

Итого: что влияет на результат

• Тип лазера, длина волны излучения;
• Материал и цвет маски. Состав смолы и пигмента может менять поглощение, контраст и склонность к обугливанию. Проверяйте реальные платы, включая разные партии и оттенки;
• Энергия и длительность импульса. Режим должен создавать достаточный контраст, не повреждая покрытие и нижележащие слои. Высокая мощность сама по себе не означает лучший результат;
• Скорость и число проходов. Несколько проходов с меньшей нагрузкой могут помочь контролировать процесс, но не являются гарантированно лучшим режимом для каждого материала;
• Размер и расположение кода. Нужно учитывать количество данных, размер ячейки, свободную площадку, дорожки и компоненты рядом. Проверяйте не только нанесение, но и считывание реальным сканером;
• Этап производства. Маркировка голой платы обычно упрощает доступ и снижает риск воздействия на компоненты. Маркировка собранной платы возможна, но требует проверки зазоров, фокусировки и допустимого теплового воздействия;
• Вытяжка и лазерная безопасность. Оборудование должно иметь соответствующее защитное ограждение и блокировки; дым и продукты обработки нужно удалять подходящей вытяжкой;
• Интеграция и проверка. Если код нужен для прослеживаемости, заранее определите обмен данными с MES/ERP, проверку нанесённого кода, реакцию на ошибку и сохранение результатов контроля.

Оптимальный путь выбора источника

1. Определите типы образцов, подлежащих маркировке;
2. Определите тип маркировки, содержание, расположение для каждого типа образцов и/или их сочетания;
3. Определите требуемое время цикла на каждый тип образца;
4. Подготовьте комплект образцов, содержащий все типы материалов и покрытий, на которых должна быть нанесена маркировка;
5. На основе базовых данных определите типы лазеров, на которых имеет смысл провести практические тесты образцов;
6. Промаркируйте образцы в нескольких режимах и оцените контраст, геометрию ячеек, наличие обугливания и повреждений. Предусмотрите возможность осмотра поверхности под увеличением;
7. Проверьте считываемость полученной маркировки сканерами, используемыми на предприятии, и/или критерии по ISO/IEC 29158;
8. Отобранные образцы имеет смысл прогнать через реальные последующие операции: пайку, мойку и нанесение влагозащитного покрытия с последующей проверкой считываемости.

Выводы

Выбор лазерного источника — это технологическая задача, решение которой зависит от требований конкретного производства, характеристик печатной платы и условий последующей обработки. На основании рассмотренных материалов можно сформулировать следующие практические рекомендации:

• Определите тип маркировки, которую вы планируете наносить на изделия.
• Определите типы покрытий, на которые вы планируете наносить подобранные типы маркировки.

CO₂-лазер — распространённое и рабочее решение для маркировки плат товаров широкого потребления с маской, когда приоритетны стоимость оборудования и достаточное качество маркировки, а требования к размеру кода не слишком высоки.

УФ-лазер — золотой стандарт для индустрии, позволяющий наносить мелкие коды и/или маркировать чувствительные материалы с минимальным тепловым воздействием; хорошо работает на любых цветах и с большинством типов подложек.

Волоконный лазер — популярен при обработке металлических изделий; может быть использован с осторожностью в случаях, когда уже имеется на предприятии, но не может быть рекомендован как основной тип в рамках рассматриваемых применений.

Эти рекомендации не заменяют испытаний на конкретных изделиях. Даже подходящий по характеристикам источник может давать неудовлетворительный результат при работе с определённой паяльной маской или материалом платы.

Главный критерий выбора — не название технологии и не максимальная мощность лазера, а стабильное нанесение читаемого кода без повреждения платы. Результат необходимо проверять после всех предусмотренных производственным процессом операций, включая пайку, отмывку и нанесение защитного покрытия, если они применяются. При сравнении оборудования испытывайте одинаковые образцы и оценивайте результат по единым критериям: качеству и читаемости кода, отсутствию повреждений, времени цикла и стабильности процесса.