Особенности применения лазерной гравировки для маркирования электронных компонентов и модулей

Введение

В современном мире некоторые электронные изделия, компоненты и модули, имеющие унифицированные корпуса, схожий функционал и технические параметры, стали внешне не различимыми друг от друга. Из-за схожести внешнего вида легко читаемая и устойчивая к внешним воздействиям маркировка стала единственным способом отличить одно изделие от другого. В настоящее время в серийном производстве электронных компонентов и модулей используются четыре классические технологии маркирования. 

Основные технологии маркировки

Технология каплеструйной маркировки основана на нанесении краски каплями малого размера (точками) непосредственно на маркируемое изделие, которые в итоге формируют нужную надпись или рисунок. Данная технология серьёзно увеличивает производительность, отличаясь малой стоимостью, характеризуется низкой плотностью размещения точек и умеренной стойкостью маркировки к внешним воздействиям (трению, попаданию масла, бензина и т.д.) [1]. Каплеструйная маркировка применяется для маркирования крупных электронных компонентов (сборок) и модулей на производстве, для которого обязательны высокая скорость и низкая стоимость операций.

Технология иглоударной маркировки основана на механическом воздействии острой иглы на поверхность материала, при котором формируется заданное изображение. Технология обеспечивает высокую стойкость маркировки к абразивному и химическому воздействию, а также к экстремальным температурам. Различают два метода иглоударной маркировки: ударно-точечное и прочерчивание [1].

Ударно-точечная маркировка осуществляется при ударном воздействии иглы на поверхность материала. Маркировка создаётся из множества точек, выбитых иглой, при этом их плотность и глубина может варьироваться [1].

Прочерчивающая маркировка применяется там, где нельзя создавать напряжение в материале и где принципиально важно отсутствие микротрещин (например, в герметичных модулях с тонкими, но твёрдыми стенками корпуса). Данный тип маркировки также часто применяют для нанесения информации на шильдики, так как при прочерчивании они не выгибаются от ударов и сохраняют заданную плоскостность.

Маркировка по технологии травления основана на воздействии химических реагентов на отдельные свободные от защиты участки поверхности материала. При своей невысокой производительности эта технология также может обеспечить высокие показатели по стойкости маркировки. Применяется очень редко, в основном для производства печатных плат [1].

Из-за того, что электронные компоненты и модули, а также электрические соединители становятся всё более миниатюрными, использование классических методов маркировки становится крайне затруднительным. Классические методы не всегда в полном объёме обеспечивают выполнение постоянно возрастающих требований к качеству и точности. В связи с этим на производстве всё чаще используется технология лазерной маркировки, которая по своим возможностям значительно превосходит применяемые ранее [2].

Лазерная маркировка обладает высокой производительностью в сочетании с достаточной стойкостью к неблагоприятным воздействиям (абразивным и температурным), долговечностью, удобством работы даже с нестандартными поверхностями. Также лазерная маркировка не имеет специальных требований по подготовке изделий [1]. 

Методы, используемые в технологии лазерной маркировки

Существуют два основных метода нанесения маркировки с помощью лазера: путём перемещения зоны лазерного воздействия по поверхности материала и при помощи масок [2].

При маркировке с помощью маски, формирование маркируемого изображения осуществляется путём проецирования лазерного излучения сквозь трафаретную маску. В этом случае поверхность обрабатывают импульсным излучением с энергией импульса, достаточной для формирования на материале всего знака.

В методе перемещения зоны лазерного воздействия по поверхности маркируемой детали наиболее широко применяют два способа: «летающая» оптика и гальванометрические сканаторы. В том и другом случае излучение перемещается за счёт системы зеркал. Нанесение изображения происходит за счёт перемещения луча системой зеркал. Во время перемещения лазерный луч по одной точке формирует изображение, воздействуя на поверхность детали. Управление взаимодействием лазера и системы зеркал осуществляют ЧПУ-системы или компьютер [2].

Сравнивая по ряду параметров оба описанных ранее метода нанесения изображений, можно выбрать наиболее подходящий способ решения конкретной задачи:

Выбор источника лазерного излучения и этапы нанесения изображения

В технологии лазерной маркировки определяющими факторами при выборе типа лазера являются: тип маркируемых материалов, требования к качеству нанесения, скорость нанесения и общая производительность. Среди множества источников наиболее популярны твердотельные лазеры (Nd:YAG и волоконные) с длиной волны 1,06 мкм и газовые излучающие лазеры с длиной волны 10,6 мкм [2].

Первым и наиболее важным из критериев при выборе лазерного источника является эффективность взаимодействия лазерного излучения с материалом детали. В таблице приведены значения коэффициентов отражения лазерного излучения для различных металлов [2]. Как видно из таблицы, газовые лазеры по сравнению с твердотельными имеют больший коэффициент отражения всеми рассматриваемыми материалами, что является существенным недостатком. Но не всё так однозначно. Если говорить о маркировке деталей из органических соединений, таких как дерево, пластмассы, бумага, то наиболее оптимальным выбором будет источник с длиной волны 10,6 мкм, однако при обработке металлов и их сплавов твердотельные лазеры лидируют с явным преимуществом. При том они также могут обрабатывать пластики, кожу и т.п., хотя и менее эффективно [2].

Газовые лазеры имеют невысокую стоимость по сравнению с твердотельными лазерами начального уровня, однако несмотря на это лидирующие позиции на рынке принадлежат волоконным лазерам (относятся к группе твердотельных), на долю которых приходится почти три четверти рынка. Это обусловлено надёжностью волоконных лазеров, стабильностью, практически полным отсутствием необходимости технического обслуживания, ресурсом работы, превосходящим 50 000 ч, и удобством интеграции в автоматизированные комплексы [2].

Процесс лазерной маркировки включает в себя один или несколько этапов:

В общем случае эффект нанесения возникает за счёт процессов испарения, плавления или поглощения в материале. Каждый из этих процессов даёт особый результат для различных областей применения. Испарение позволяет наносить маркировку с углублением в материал изделия, точно так же как при механической гравировке. Плавление вызывает термохимическую реакцию и чаще всего используется при маркировке пластиков. При поглощении на поверхности материала возможно появление эффектов, таких как формирование на поверхности титана и нержавеющей стали цветов побежалости, позволяющих наносить контрастную маркировку без видимого повреждения поверхности [2].

Для маркировки в ООО «НПП «Арбелос» используется лазерный технологический комплекс (ЛТК) «МЛП2-002-Компакт» на основе волоконного лазера, который позволяет наносить текстовые и графические изображения на изделия, изготовленные из различных материалов методом прецизионного перемещения зоны лазерного воздействия. Метод позволяет получить поверхностную маркировку и глубокую гравировку [3].

С помощью ЛТК можно наносить не только глубокие гравировки в соответствии с ГОСТ 26.008-85 даже на цилиндрические изделия, но и генерировать и наносить штрихкоды и QR-коды для аппаратного считывания. У специалистов НПП «Арбелос» есть большой опыт маркирования изделий сложной формы, выполненных из различных органических и неорганических материалов. С помощью ЛТК были проведены работы по деликатному удалению покрытий без повреждения тонкой базовой поверхности. Такие работы особенно востребованы при производстве деталей с маркировкой «день/ночь» в аэрокосмическом и автомобильном производстве, а также в реставрационных работах при удалении слоёв старой краски. Помимо этого, у предприятия есть опыт структурирования сложных поверхностей, прошивки микроотверстий, микрофрезеровки фольговых материалов сложной формы (золота, серебра, меди). 

Заключение

Лазерная маркировка находит множество применений.

Высокоскоростная масочная лазерная маркировка используется и массово внедряется на конвейерах для нанесения кодировок, сроков годности и другой информации. Эта технология практически идеально подходит для производственных линий в массовом производстве. Для мелкосерийного производства и специальных задач популярность набирает лазерная маркировка с перемещаемой зоной лазерного воздействия. Востребованность этого типа маркировки обусловлена гибкостью, простотой эксплуатации и наличием большого ресурса работы, что в конечном итоге обеспечивает значительный экономический эффект по сравнению с традиционными методами.

Лазерная маркировка типа «день/ночь», имеющая особое значение для автомобильной и аэрокосмической отраслей, позволяет видеть символы в светлое время суток, а с использованием подсветки – в тёмное. Кроме того, становится возможным использование «скрытых» символов, которые становятся видимыми только на свету с определённой длиной волны.

Таким образом, лазерная маркировка является крайне востребованной технологией в современном мире и позволяет делать жизнь людей более комфортной. 

Литература