序言

在電子產品向高密度、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），工業界又稱之為PI覆蓋膜，它是主鏈上含有酰亞胺環（-CO-NH-CO-）的一類聚合物，其中以含有酞酰亞胺結構的聚合物最為重要。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。

隨著激光技術的發展，使用激光切割FPC與PI覆蓋膜逐漸取代傳統的模切。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：為什么選紫外、為什么選短脈寬

當前用在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，產生的熱影響更小，實現更高的加工精度。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于材料化學鍵鍵能時，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3.45eV 和3.17eV，而355nm紫外激光的單光子能量為3.49eV，高于常態下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，上述兩種切割原理同時存在，在光物理效應中，會有熱量的產生和積累，材料溫度不斷上升。研究表明[2]，當 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，即材料發生碳化。材料吸收激光能量轉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。由此可知當材料一定時，激光脈寬越大，激光產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2次，實驗檢測設備為奧利巴斯BX51光學顯微鏡。



圖1為表面熱影響及粉塵對比，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。通過以上實驗發現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膜切割行業對更少碳化和更快效率的要求，英諾激光在舊款AWAVE系列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.光束質量優秀，M2<1.2，光斑圓度>90%，性能穩定可靠，同時具有突出的性價比。

4.一體化緊湊型設計，將控制箱和激光頭合二為一，更加便于設備集成。

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，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, 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)薄膜結構與性能的影響[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）