精密激光微加工創造了高性能PC板和先進電子封裝所需的優(you) 良特性。

激光技術極大地改善了微機械應用，並繼續對先進的電子封裝和印刷電路板（PCB）製造產(chan) 生強大影響，有助於(yu) 推動性能提高、功耗降低的設備的發展。脈衝(chong) 紫外激光技術尤其為(wei) 大批量生產(chan) 應用鋪平了道路，采用了更一致、更環保的工藝。同時，測量行業(ye) 也迫切需要跟上最新激光發展的步伐。因此，這兩(liang) 個(ge) 領域的同步研究和創新對於(yu) 進一步改進工藝鏈和評估如何使用敏感材料至關(guan) 重要。

支持5G移動通信的新材料

移動設備市場是先進電子封裝和印刷電路板（PCB）製造業(ye) 發展的驅動力之一，激光技術發揮著關(guan) 鍵作用。從(cong) FR4等厚纖維複合材料到薄柔性層壓板（柔性PCB或FPCB），一組高度多樣化的材料現在可以使用多種激光源以多種方式進行加工。其中一個(ge) 發展是5G移動通信，它可以顯著提高無線數據速率。毫不奇怪，新材料被要求以更高的速度接收、操作和傳(chuan) 輸數據，傳(chuan) 統的聚酰亞(ya) 胺介電層必須被改性聚酰亞(ya) 胺（MPI）和液晶聚合物（LCP）等先進材料所取代，這兩(liang) 種材料在5G頻率下都具有優(you) 異的介電性能。出於(yu) 各種原因，包括其對更高頻率以及天線相關(guan) 組件的適用性，LCP被視為(wei) 5G的首選材料。在激光加工方麵，在FPCB製造中進行全深度輪廓切割/布線，其中設備或組件的最終設計形狀從(cong) 材料板或腹板上切割。

在厚度為(wei) 100um的銅箔上鑽孔，20WFORMULA係列激光器的效率比15W提升了60％，達到250 mm／s。

用於(yu) 全深度切割的高功率紫外激光器

高功率紫外（UV）混合光纖激光器非常適合FPCB製造中的全深度切割。MKS工業(ye) 激光應用研究人員更仔細地觀察了切割的質量：他們(men) 使用光譜物理類星體(ti) 激光器進行了一係列切割實驗，該類星體(ti) 激光器的平均紫外功率為(wei) 80 W，每脈衝(chong) 高達400μJ。測試了基於(yu) LCP的FPCB材料，包括裸LCP板和覆銅LCP層壓板。類星體(ti) 激光器提供了時移可編程脈衝(chong) 技術的靈活性，允許在從(cong) 單次激發到3.5 MHz的寬脈衝(chong) 重複頻率（PRF）範圍內(nei) 探索一係列時間定製的脈衝(chong) 輸出（脈衝(chong) 寬度、脈衝(chong) 模式、脈衝(chong) 整形）。所有測試均使用用於(yu) 高速多程處理的2軸掃描檢流計進行，f-θ物鏡（f=330 mm）與(yu) 可變光束擴展望遠鏡相結合，以探索焦距範圍（20–35μm，1/e2直徑）。

測量光束的挑戰

激光的切割深度在很大程度上取決(jue) 於(yu) 施加在材料上的能量。保持激光束的脈衝(chong) 能量在規定範圍內(nei) 是非常重要的，但是測量激光束並不容易，因為(wei) 高脈衝(chong) 能量和短脈衝(chong) 導致激光束的峰值功率很高。隻有使用能夠承受更高功率密度的專(zhuan) 用傳(chuan) 感器，才能測量光束的平均功率或間歇功率。通過使用新開發的塗層，Ophir F80（120）a-CM-17等熱傳(chuan) 感器能夠在上述應用中測量納秒脈衝(chong) 紫外激光。由於(yu) 其獨特的吸收體(ti) ，傳(chuan) 感器不會(hui) 受到通常由非常短的脈衝(chong) 引起的燒蝕的影響，並且可以在80 W時承受高達7 kW/cm2的高功率密度。

使用LCP板材實現最佳切割效果除了應用於(yu) 材料的能量外，還有許多其他參數會(hui) 影響切割質量。該係列的第一次試驗是在厚度為(wei) 50μm的裸LCP板材上進行的。初步試驗表明，與(yu) 聚酰亞(ya) 胺類似，該材料在紫外光下的燒蝕閾值相對較低。然而，與(yu) 聚酰亞(ya) 胺不同，LCP對過度加熱敏感，需要仔細優(you) 化工藝以避免熔化和炭化。最佳切割結果是使用短激光脈衝(chong) 寬度（~2–3 ns）和在高PRF（>750 kHz）下提供的適度脈衝(chong) 能量。圖1中的光學顯微鏡圖像顯示了最終切割的入口、出口和橫截麵視圖。

圖1用類星體(ti) UV80激光切割50μm厚的裸LCP。入口（左上角）、出口（右上角）和橫截麵（底部）視圖顯示了卓越的質量和最小的過度加熱。

這些圖像顯示了納秒紫外線脈衝(chong) 的卓越品質，幾乎沒有或幾乎沒有熔化和炭化的跡象。橫截麵圖顯示了無熱熔回流（即表麵“平滑”）的精細紋理加工表麵。橫截麵圖顯示了一些朝向切口出口側(ce) 的“溝道”。這是由於(yu) 該過程的高速/低脈衝(chong) 重疊性質，以及隨著深度增加而出現的燒蝕直徑減小，這導致燒蝕“點”向切口出口側(ce) 幾乎分離。在實踐中，隨著切割深度的加深，可以通過降低光束掃描速度來減少或消除這種影響。通過以8 m/s的掃描速度進行13次重疊掃描，實現了約615 mm/s的淨切割速度。

覆銅LCP層壓板的高脈衝(chong) 能量

我們(men) 還切割了覆銅LCP層板，使用了兩(liang) 種不同厚度的Cu / LCP / Cu層板:18 / 100 / 18 μm和9 / 25 / 9 μm。較厚的材料尤其具有挑戰性，較高的脈衝(chong) 能量有助於(yu) 避免切割切口寬度變寬（例如通過實施平行線/光柵掃描過程）。由於(yu) 類星體(ti) 激光器的高脈衝(chong) 能量高達400μJ，因此不需要采取此類措施。利用激光器的時移脈衝(chong) 剪裁能力，研究了各種條件，包括短脈衝(chong) 寬度與(yu) 長脈衝(chong) 寬度以及突發模式輸出。當脈衝(chong) 較長（10 ns）時，切割速度在100–120 mm/s時處於(yu) 較高的一端，質量趨向於(yu) 較小的邊緣毛刺，但氧化區較大。另一方麵，較短（2.5 ns）的脈衝(chong) 較慢（~90 mm/s），邊緣毛刺較高，但氧化程度顯著降低。使用短脈衝(chong) （2 ns）產(chan) 生最佳的整體(ti) 結果，其最高切割速度為(wei) 130 mm/s，且在毛刺高度和氧化量方麵質量適中。

光學顯微鏡圖像

圖2用類星體(ti) UV80激光切割的厚覆銅LCP。入口（左上角）、出口（右上角）和橫截麵（底部）視圖展示了通過時間定製的ns脈衝(chong) 實現的幹淨、高質量的切割。

圖2顯示了從(cong) 入口和出口側(ce) 的這種切口以及橫截麵透視圖。顯微鏡圖像顯示，通過仔細的工藝優(you) 化和脈衝(chong) 強度輸出的時間裁剪，可以實現整體(ti) 良好的質量。之前展示的優(you) 秀LCP切割即使與(yu) 銅包層一起切割，也是預先準備好的。此外，由於(yu) 與(yu) 聚酰亞(ya) 胺相比，LCP的銅剝離強度通常要低得多，因此需要注意的是，在Cu-LCP界麵上沒有分層的跡象。對於(yu) 較薄的9/25/9μm分層堆疊，觀察到了類似的結果，但淨切割速度顯著高於(yu) 350 mm/s。

光學顯微鏡清晰地高亮度顯示了使用ns脈衝(chong) 激光加工銅時出現的任何氧化物生長和熔融銅區域，如毛刺、粗糙邊緣等。掃描電子顯微鏡（SEM）是精細表麵結構及其調製的特寫(xie) 成像的一種替代方法，並用於(yu) 進一步分析切割樣品。圖3顯示了通過SEM觀察到的18/100/18μm堆棧的宏觀透視圖。

圖3 SEM成像揭示了用類星體(ti) UV80激光切割的覆銅LCP的光滑材料表麵和清晰的幾何結構。

用電子顯微鏡和光學顯微鏡觀察，薄氧化物的光學效應和之前熔融銅的散射/反射性質不太明顯，這使得人們(men) 可以關(guan) 注表麵的真實尺寸方麵，例如調製、邊緣平直度等。在這裏，SEM圖像顯示了一個(ge) 幹淨且經過精密加工的特征，具有高質量的表麵。

特別值得注意的是LCP切割邊緣的光滑度和垂直度，沒有明顯的“桶裝”或從(cong) 銅鋪管機的切割邊緣拉回。高度放大的界麵SEM視圖如圖4所示，並確認LCP和Cu層之間的結合得到了很好的保留。更詳細的細節還顯示了光滑平坦的LCP表麵，沒有任何從(cong) 切割銅邊緣拉回的痕跡。

圖4 SEM特寫(xie) 圖顯示，激光切割後，銅LCP完全完好，沒有LCP從(cong) 銅切割邊緣拉回。

紫外激光被批準用於(yu) 高質量切割工藝

新材料往往伴隨著新技術的出現，製造方法和測量設備必須相應地進行調整。對於(yu) 5G移動設備，高數據速率和高速電子設備需要更換FPCB中的傳(chuan) 統聚酰亞(ya) 胺電介質，在許多情況下需要LCP薄膜和層壓板。為(wei) 了優(you) 化這些材料的製造工藝，必須選擇最合適的激光技術，微調參數設置，並在使用激光時，使用合適的設備定期檢查激光束的能量。在MKS實驗室進行的實驗表明，使用高功率、高脈衝(chong) 能譜的物理類星體(ti) 紫外激光器，切割效果非常好。時移可編程脈衝(chong) 技術固有的靈活性有助於(yu) 解決(jue) 材料所呈現的廣泛變化的熱和光學特性，從(cong) 而開發出高質量、高通量的精密激光切割工藝。

來源：Photonics Views - 2022 - Bovatsek - Sustainable and efficient micro‐machining solutions, DOI: 10.1002/phvs.202200012