序言

在電子產(chan) 品向高密度、小型化、高可靠方向發展的背景下，柔性線路板（FPC）因為(wei) 其可以自由彎曲、配線密度高、厚度薄等特點，成為(wei) 滿足電子產(chan) 品小型化和移動要求的惟一解決(jue) 方法。在FPC表麵有一層樹酯薄膜，起到線路保護和阻焊等的作用，其主要成分為(wei) 聚酰亞(ya) 氨（Polyimide，PI），工業(ye) 界又稱之為(wei) PI覆蓋膜，它是主鏈上含有酰亞(ya) 胺環（-CO-NH-CO-）的一類聚合物，其中以含有酞酰亞(ya) 胺結構的聚合物最為(wei) 重要。PI覆蓋膜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，廣泛用於(yu) 航空、兵器、電子、電器等精密機械方麵。

隨著激光技術的發展，使用激光切割FPC與(yu) PI覆蓋膜逐漸取代傳(chuan) 統的模切。激光切割屬於(yu) 無接觸加工，無需價(jia) 格昂貴的模具，生產(chan) 成本大大降低，聚焦後的光斑可僅(jin) 有十幾微米，能夠滿足高精度切割和鑽孔的加工需求，這一優(you) 勢正迎合電路設計精密化的發展趨勢，是FPC、PI膜切割的理想工具。

基本加工原理：為(wei) 什麽(me) 選紫外、為(wei) 什麽(me) 選短脈寬

當前用在FPC、PI膜切割的激光器主要為(wei) 納秒級固體(ti) 紫外激光器，波長一般為(wei) 355nm，相對於(yu) 1064nm紅外和532nm綠光，355nm紫外有更高的單光子能量，材料吸收率更高，產(chan) 生的熱影響更小，實現更高的加工精度。脈衝(chong) 激光切割材料分為(wei) 兩(liang) 種原理，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，打斷材料某些化學鍵來實現切割；另一種是光物理原理，當激光單光子能量低於(yu) 材料化學鍵鍵能時，依靠聚焦光斑處非常高的能量密度，超過材料的氣化閾值，從(cong) 而瞬間氣化材料，實現材料的切割。在PI膜的化學鍵結構中，常態下C－C鍵和C－N鍵的鍵能分別為(wei) 3.45eV 和3.17eV，而355nm紫外激光的單光子能量為(wei) 3.49eV，高於(yu) 常態下C－C鍵和C－N鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學鍵[1]。但實際在用紫外激光切割FPC或PI膜的應用中，上述兩(liang) 種切割原理同時存在，在光物理效應中，會(hui) 有熱量的產(chan) 生和積累，材料溫度不斷上升。研究表明[2]，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。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) 激光脈寬。由此可知當材料一定時，激光脈寬越大，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。



實驗驗證脈寬對切割效果的影響

本實驗所采用的PI覆蓋膜厚度為(wei) 30±2µm，拉伸強度≥160 MPa，熱分解溫度≥500℃。對比單脈衝(chong) 能量為(wei) 20uJ，脈寬分別為(wei) 42ns、21ns以及11ns的切割效果。實驗中保持OVERLAP一致，切割次數2次，實驗檢測設備為(wei) 奧利巴斯BX51光學顯微鏡。



圖1為(wei) 表麵熱影響及粉塵對比，可以明顯發現脈寬越長，切割道附著的粉塵以及顆粒會(hui) 越多，而這些粉塵很容易附著在電路上從(cong) 而引起短路。圖2為(wei) 切割後底部膠層熱影響對比，脈寬為(wei) 42ns時的熱影響約為(wei) 22.7µm；而脈寬為(wei) 21ns以及11ns時切割後底部基本看不到膠層的熔融。通過以上實驗發現脈寬越短越有利於(yu) 覆蓋麵的加工。



全新高頻短脈寬納秒紫外激光器

為(wei) 滿足FPC、PI膜切割行業(ye) 對更少碳化和更快效率的要求，英諾激光在舊款AWAVE係列15W@50KHz納秒紫外激光器的基礎上，推出了新一代高頻短脈寬納秒紫外激光器FORMULA係列15W@50KHz。該款激光器有如下特點：

1.頻率更高。最高頻率可達300K，在200K時最大功率有5.8W，300K時最大功率有2.6W。與(yu) AWAVE 15W@50KHz激光器功率的對比可見圖3。

2.脈寬更窄。最小脈寬僅(jin) 11ns，150K下脈寬也隻有24ns，相比舊款窄了20ns。與(yu) AWAVE 15W@50KHz激光器脈寬的對比可見圖4。

3.光束質量優(you) 秀，M2<1.2，光斑圓度>90%，性能穩定可靠，同時具有突出的性價(jia) 比。

4.一體(ti) 化緊湊型設計，將控製箱和激光頭合二為(wei) 一，更加便於(yu) 設備集成。

FPC、PI膜的切割需要的是高頻高速與(yu) 短脈寬，AWAVE 15W@50KHz受限於(yu) 頻率較低，速度無法加快，並且脈寬較大，所以無法滿足更高的質量要求。而FORMULA 15W@50KHz則彌補了這一不足，有效提升了切割質量。



FORMULA 15W@50KHz與(yu) AWAVE 15W@50KHz激光器切割效果對比

我們(men) 分別針對PI 和FPC做了對比，圖5為(wei) 兩(liang) 款激光器切割PI膜外觀效果對比圖，從(cong) 切割外觀結果可以看出FORMULA 15W@50KHz切割效果要明顯好於(yu) AWAVE 15W@50KHz。



圖5 兩(liang) 款激光器切割PI膜外觀效果對比

圖6為(wei) 兩(liang) 款激光器切割0.16mm厚FPC外觀效果對比圖。憑借FORMULA 15W@50KHz激光器短脈寬與(yu) 高頻率下的高速度，FPC的切割質量更好，熱影響相比舊款減小了約26%，同時有效切割速度從(cong) 50mm/s提高到70mm/s，提高了約40%。



總結

本文主要闡述了納秒紫外激光切割FPC與(yu) PI覆蓋膜的原理及特性，針對該應用更小熱影響及更快效率的需求，我們(men) 推出FORMULA 15W@50KHz高頻短脈寬納秒紫外激光器。分別做了新舊兩(liang) 款激光器切割PI覆蓋膜與(yu) FPC的實驗對比，結果表明，依靠更短脈寬和更快的切割速度，FORMULA 15W@50KHz激光器的切割效果有明顯改善，熱影響更小，同時切割效率也有較大提高。


參考文獻

[1] 張菲, 段軍(jun) , 曾曉雁,等. 355nm紫外激光加工柔性線路板盲孔的研究[J]. fun88官网平台, 2009, 36(12):3143-3148.

[2] 張鵬, 遲偉(wei) 東(dong) , 沈曾民. 高溫炭化對聚酰亞(ya) 胺(PI)薄膜結構與(yu) 性能的影響[J]. 炭素技術, 2008, 27(6):10-12.



該論文由深圳市海外高層次人才資金資助（項目編號：KQTD20130417155348471）