皮秒光纖激光器 FPC覆蓋膜切割工藝研究

柔性線路板（FPC）以其重量輕、配線密度高、厚度薄等特點，被廣泛應用於電子產品中。

FPC表麵有一層樹酯薄膜，起到線路保護和阻焊等的作用，是 FPC 產(chan) 品重要的組成部分，因其主要成分為(wei) 聚酰亞(ya) 氨（Polyimide，PI），故在該領域又被稱之為(wei) PI 覆蓋膜，它是一種分子主鏈上含有酰亞(ya) 胺環狀結構的耐高溫聚合物，在高溫下具有突出的介電性能、機械性能、耐輻射性能和耐磨性能等，被廣泛應用於(yu) 航空、兵器、電子、電器等精密電子領域。

在 FPC 的實際生產(chan) 過程中，因工藝過程需要，需在 PI 覆蓋膜表麵塗布一層半固化態的環氧樹酯粘合劑，在粘合劑表麵貼一層離型紙以保護粘合劑不被汙染，因此用於(yu) FPC 的 PI 覆蓋膜已不隻是一種單組分的材料，它至少是含有兩(liang) 種化學材料的複合薄膜（如圖 1）。

圖1 PI覆蓋膜結構

PI 覆蓋膜在與(yu) FPC線路層貼合前，需根據線路設計要求，在相應位置切割大小、形狀不同的窗口（行業(ye) 內(nei) 亦稱為(wei) PI膜開窗）。

在過去很長一段時間，PI膜的切割主要用傳(chuan) 統的模切方式實現，該工藝存在加工精度低、製造成本高等問題，且隨著電子電路設計向小型化和高密度化發展，傳(chuan) 統的模切方式已日漸不能滿足設計的要求。

利用激光進行PI 覆蓋膜切割，不僅(jin) 切割精度高，還可省去高額的模具費用，產(chan) 品合格率亦高，能夠大大降低生產(chan) 成本，提高產(chan) 品質量；激光采用的是無接觸式加工，如激光光源的選型以及工藝方法得當，則不會(hui) 對加工材料造成如模切方式產(chan) 生的拉伸變形、壓傷(shang) 等損傷(shang) ；因激光的聚焦光斑僅(jin) 有幾十微米，能夠實現高密度線路和微孔的加工，這一優(you) 勢正迎合了電路設計的發展步伐，是PI 覆蓋膜開窗最理想的加工工具。

目前，用於(yu) PI覆蓋膜切割的激光器主要為(wei) 納秒級的全固態紫外激光器，其波長一般為(wei) 355nm，單光子能量約為(wei) 3.5EV，在PI的化學鍵結構中，C－C 鍵和C－N鍵的化學鍵的鍵能約為(wei) 3.4EV，略低於(yu) 355nm波長紫外激光的單光子能量，當該波長的紫外激光作用在材料上時，可直接將這兩(liang) 種化學鍵打斷，這亦是紫外激光能夠切割PI材料的原因。

雖然紫外激光相較於(yu) 傳(chuan) 統的模切方式更前進了一步，但在實際應用過程中仍存在一些問題：

1.紫外激光的光子能量在達到或高於(yu) 材料化學鍵的鍵能的同時，其能量密度亦達到材料的熱損傷(shang) 閾值，當激光與(yu) 材料相互作用時，已不僅(jin) 隻是光化學作用，還存在光熱轉換及傳(chuan) 遞過程，隨著熱量的產(chan) 生和積累，材料溫度不斷上升。

研究表明，當 PI 材料溫度高於(yu) 600℃時，相對於(yu) C元素，N和O兩(liang) 種元素的比例會(hui) 不斷減小，最終材料中主要以C元素為(wei) 主，即材料發生碳化，碳化的材料極易造成線路間的短路。

尤其是微短路，不僅(jin) 給產(chan) 品維修檢測帶來很大困難，而且影響產(chan) 品合格率，雖然在實際應用過程中可通過優(you) 化工藝參數減小碳化的程度，但仍難做到絕對的保障。

圖2 為(wei) 使用紫外激光器通過優(you) 化工藝參數做的厚度分別為(wei) 0.5mil和1mil的 PI膜開窗的圖例，在 50 倍放大狀態下，仍可見有輕微碳化現象；

2.目前市麵上的紫外激光器的脈衝(chong) 寬度均為(wei) 納秒級別，其單個(ge) 脈衝(chong) 持續時間為(wei) 10^-9S，根據材料吸收激光能量轉化為(wei) 熱能的擴散距離公式 L = [4Dt]^1/2，其中 D為(wei) 材料熱擴散率，t為(wei) 激光脈衝(chong) 寬度。

由此可知當材料一定時，激光脈衝(chong) 寬度越大，激光產(chan) 生的熱能在材料上的擴散距離越大，也就是說對材料的熱損傷(shang) 越大，當在加工高密度孔時，極易導至孔與(yu) 孔之間 PI材料的熱變形，甚至是熔斷；

3.現在市麵上主流的紫外激光器為(wei) 全固體(ti) 結構，該類激光器普遍存在長期工作不穩定、需做周期性調校的缺陷，在實際應用中不僅(jin) 影響生產(chan) 效能，而且維護成本較高。

圖 2 紫外激光 PI 膜開窗(左圖為(wei) 0.5mil 厚，右圖為(wei) 1mil厚)

量澤皮秒光纖激光器是在超快激光基礎上開發出的新一代激光器，尤其是近年來光纖器的研製成功，標誌著激光技術的一次飛躍進步，與(yu) 固體(ti) 納秒激光相比，量澤皮秒光纖激光器具有以下優(you) 點：

1.激光脈衝(chong) 寬度更窄，僅(jin) 為(wei) 10^-12S，從(cong) 上述材料吸收激光能量轉化為(wei) 熱能的擴散距離公式可知，這將大大減小激光加工材料時的熱擴散距離，降低激光對材料的熱損傷(shang) ；

2.因脈衝(chong) 寬度變窄，激光單脈衝(chong) 峰值功率成倍增加，提升了激光加工材料的能力；

3.光纖激光器以細小的光纖作為(wei) 激光的傳(chuan) 輸和放大介質，與(yu) 固體(ti) 放大結構相比，不僅(jin) 工作穩定，免除了周期性的調校工作，降低了維護成本，而且結構小巧，製造成本相對較低。表1是量澤激光公司研製的光纖器與(yu) 目前市麵上主流的納秒級固體(ti) 紫外激光器的參數對照：

激光切割材料有兩(liang) 種實現方式，一種是光化學原理，利用激光單光子能量達到或超過材料化學鍵鍵能，通過打斷材料某些化學鍵來實現切割，上述紫外激光切割 PI覆蓋膜則用的是這種原理；

另一種是光物理原理，即當一定能量的激光照射在材料上時，一部分激光光子會(hui) 被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能級將發生躍遷，稱之為(wei) 分子運動。

而材料的分子運動將產(chan) 生熱，即將吸收的光能轉化為(wei) 熱能，當材料分子的熱能聚集達到其氣化閾值時，材料分子將脫離原來的位置，使分子鏈斷裂，最終將材料在激光吸收位置分割為(wei) 兩(liang) 個(ge) 部分，從(cong) 而實現激光對材料的切割。

1064nm紅外波長激光的單光子能量約1.2EV，小於(yu) 大多數材料的化學鍵鍵能，因此紅外波長激光加工材料的機理一般為(wei) 光物理原理。

從(cong) 對照表上可以看出，雖然量澤皮秒光纖激光器的功率僅(jin) 為(wei) 納秒激光器的1/2，但脈衝(chong) 寬度卻隻有納秒的 1/400，峰值功率達到納秒激光的10倍。

從(cong) 上述激光作用於(yu) 材料時熱能的擴散距離公式可知，相對於(yu) 同種材料，激光脈衝(chong) 寬度越窄，激光熱能的擴散距離就越小，材料中能量吸收與(yu) 能量擴散之間的比例就越大，材料溫度上升速度就越快，在獲取相同熱能下所需的時間越短，激光在材料上的熱作用時間也越短，對材料的熱損傷(shang) 就越小；

同時峰值功率的大幅提升，加快了材料溫度上升的速度，使達到氣化閾值的時間越短，加工時對材料的熱損傷(shang) 越小。於(yu) 此，為(wei) 驗證這一理論，我們(men) 使用表1中的量澤皮秒光纖激光器對切割 PI覆蓋膜的工藝進行了研究。

首先，我們(men) 在 0.5mil厚度的 PI覆蓋膜上做切割3mm*3mm方孔試驗，本試驗的目的主要是：1.驗證試驗激光器切割 PI覆蓋膜的能力；2.驗證量澤皮秒光纖激光器切割 PI 覆蓋膜的熱損傷(shang) 情況。

如圖 3所示，將切樣在 50倍放大狀態下觀察，PI 覆蓋膜切割後邊緣很平整，下層環氧樹酯以及PI 材料本身未見有碳化現象。這一試驗證明試驗樣機具備切割PI 覆蓋膜的能力，而且由於(yu) 脈寬窄，峰值高，切割時對材料的熱損傷(shang) 極小，不會(hui) 引起PI材料以及樹酯粘合劑的碳化不良。

圖3量澤量澤皮秒光纖激光器PI 膜開窗(左圖為(wei) 0.5mil 厚，右圖為(wei) 1mil 厚)

為(wei) 進一步驗證量澤皮秒光纖激光器切割 PI覆蓋膜時的熱損傷(shang) 情況，我們(men) 在 0.5mil厚的PI 覆蓋膜上做了切割 128PIN QFP IC的試驗。將QFP-128 IC的 PIN寬設為(wei) 0.3mm，PIN間距設為(wei) 0.2mm，試驗圖樣如圖4 所示。

在切割完所有PIN孔後，PI材料仍保持很好的平整度，經在顯微鏡下測量，切割後的PIN 間距離為(wei) 0.203mm，未有材料收縮現象；切口邊緣平整，無碳化不良。

試驗證明量澤皮秒光纖激光器具備在 PI覆蓋膜上加工高密度孔的能力，而且因脈衝(chong) 寬度較窄，其產(chan) 生的熱影響不會(hui) 導致材料的收變形和碳化，能夠保證材料加工後的尺寸精度。