序言

在電子產(chǎn)品向高密度、小型化、高可靠方向發(fā)展的背景下，柔性線路板（FPC）因為其可以自由彎曲、配線密度高、厚度薄等特點，成為滿足電子產(chǎn)品小型化和移動要求的惟一解決方法。在FPC表面有一層樹酯薄膜，起到線路保護和阻焊等的作用，其主要成分為聚酰亞氨（Polyimide，PI），工業(yè)界又稱之為PI覆蓋膜，它是主鏈上含有酰亞胺環(huán)（-CO-NH-CO-）的一類聚合物，其中以含有酞酰亞胺結(jié)構(gòu)的聚合物最為重要。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，廣泛用于航空、兵器、電子、電器等精密機械方面。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，使用激光切割FPC與PI覆蓋膜逐漸取代傳統(tǒng)的模切。激光切割屬于無接觸加工，無需價格昂貴的模具，生產(chǎn)成本大大降低，聚焦后的光斑可僅有十幾微米，能夠滿足高精度切割和鉆孔的加工需求，這一優(yōu)勢正迎合電路設(shè)計精密化的發(fā)展趨勢，是FPC、PI膜切割的理想工具。

基本加工原理：為什么選紫外、為什么選短脈寬

當(dāng)前用在FPC、PI膜切割的激光器主要為納秒級固體紫外激光器，波長一般為355nm，相對于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(chǎn)生的熱影響更小，實現(xiàn)更高的加工精度。脈沖激光切割材料分為兩種原理，一種是光化學(xué)原理，利用激光單光子能量達(dá)到或超過材料化學(xué)鍵鍵能，打斷材料某些化學(xué)鍵來實現(xiàn)切割；另一種是光物理原理，當(dāng)激光單光子能量低于材料化學(xué)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，從而瞬間氣化材料，實現(xiàn)材料的切割。在PI膜的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中，常態(tài)下C－C鍵和C－N鍵的鍵能分別為3.45eV 和3.17eV，而355nm紫外激光的單光子能量為3.49eV，高于常態(tài)下C－C鍵和C－N鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學(xué)鍵[1]。但實際在用紫外激光切割FPC或PI膜的應(yīng)用中，上述兩種切割原理同時存在，在光物理效應(yīng)中，會有熱量的產(chǎn)生和積累，材料溫度不斷上升。研究表明[2]，當(dāng) PI 材料溫度高于600℃時，相對于 C元素，N和O兩種元素的比例會不斷減小，最終材料中主要以C元素為主，即材料發(fā)生碳化。材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴散距離公式 L = [4Dt]^1/2，其中 D為材料熱擴散率，t為激光脈寬。由此可知當(dāng)材料一定時，激光脈寬越大，激光產(chǎn)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30±2μm，拉伸強度≥160 MPa，熱分解溫度≥500℃。對比單脈沖能量為20uJ，脈寬分別為42ns、21ns以及11ns的切割效果。實驗中保持OVERLAP一致，切割次數(shù)2次，實驗檢測設(shè)備為奧利巴斯BX51光學(xué)顯微鏡。



圖1為表面熱影響及粉塵對比，可以明顯發(fā)現(xiàn)脈寬越長，切割道附著的粉塵以及顆粒會越多，而這些粉塵很容易附著在電路上從而引起短路。圖2為切割后底部膠層熱影響對比，脈寬為42ns時的熱影響約為22.7μm；而脈寬為21ns以及11ns時切割后底部基本看不到膠層的熔融。通過以上實驗發(fā)現(xiàn)脈寬越短越有利于覆蓋面的加工。



全新高頻短脈寬納秒紫外激光器

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

1.頻率更高。最高頻率可達(dá)300K，在200K時最大功率有5.8W，300K時最大功率有2.6W。與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11ns，150K下脈寬也只有24ns，相比舊款窄了20ns。與AWAVE 15W@50KHz激光器脈寬的對比可見圖4。

3.光束質(zhì)量優(yōu)秀，M2<1.2，光斑圓度>90%，性能穩(wěn)定可靠，同時具有突出的性價比。

4.一體化緊湊型設(shè)計，將控制箱和激光頭合二為一，更加便于設(shè)備集成。

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



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

我們分別針對PI 和FPC做了對比，圖5為兩款激光器切割PI膜外觀效果對比圖，從切割外觀結(jié)果可以看出FORMULA 15W@50KHz切割效果要明顯好于AWAVE 15W@50KHz。



圖5 兩款激光器切割PI膜外觀效果對比

圖6為兩款激光器切割0.16mm厚FPC外觀效果對比圖。憑借FORMULA 15W@50KHz激光器短脈寬與高頻率下的高速度，F(xiàn)PC的切割質(zhì)量更好，熱影響相比舊款減小了約26%，同時有效切割速度從50mm/s提高到70mm/s，提高了約40%。



總結(jié)

本文主要闡述了納秒紫外激光切割FPC與PI覆蓋膜的原理及特性，針對該應(yīng)用更小熱影響及更快效率的需求，我們推出FORMULA 15W@50KHz高頻短脈寬納秒紫外激光器。分別做了新舊兩款激光器切割PI覆蓋膜與FPC的實驗對比，結(jié)果表明，依靠更短脈寬和更快的切割速度，F(xiàn)ORMULA 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(xiàn)

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

[2] 張鵬, 遲偉東, 沈曾民. 高溫炭化對聚酰亞胺(PI)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]. 炭素技術(shù), 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）