皮秒光纖激光器 FPC覆蓋膜切割工藝研究
柔性線(xiàn)路板（FPC）以其重量輕、配線(xiàn)密度高、厚度薄等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。FPC表面有一層樹(shù)酯薄膜，起到線(xiàn)路保護(hù)和阻焊等的作用，是 FPC 產(chǎn)品重要的組成部分，因其主要成分為聚酰亞氨（Polyimide，PI），故在該領(lǐng)域又被稱(chēng)之為 PI 覆蓋膜，它是一種分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)的耐高溫聚合物，在高溫下具有突出的介電性能、機(jī)械性能、耐輻射性能和耐磨性能等，被廣泛應(yīng)用于航空、兵器、電子、電器等精密電子領(lǐng)域。
在 FPC 的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因工藝過(guò)程需要，需在 PI 覆蓋膜表面涂布一層半固化態(tài)的環(huán)氧樹(shù)酯粘合劑，在粘合劑表面貼一層離型紙以保護(hù)粘合劑不被污染，因此用于 FPC 的 PI 覆蓋膜已不只是一種單組分的材料，它至少是含有兩種化學(xué)材料的復(fù)合薄膜（如圖 1）。
圖1 PI覆蓋膜結(jié)構(gòu)
PI 覆蓋膜在與 FPC線(xiàn)路層貼合前，需根據(jù)線(xiàn)路設(shè)計(jì)要求，在相應(yīng)位置切割大小、形狀不同的窗口（行業(yè)內(nèi)亦稱(chēng)為PI膜開(kāi)窗）。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，PI膜的切割主要用傳統(tǒng)的模切方式實(shí)現(xiàn)，該工藝存在加工精度低、制造成本高等問(wèn)題，且隨著電子電路設(shè)計(jì)向小型化和高密度化發(fā)展，傳統(tǒng)的模切方式已日漸不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。
利用激光進(jìn)行PI 覆蓋膜切割，不僅切割精度高，還可省去高額的模具費(fèi)用，產(chǎn)品合格率亦高，能夠大大降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；激光采用的是無(wú)接觸式加工，如激光光源的選型以及工藝方法得當(dāng)，則不會(huì)對(duì)加工材料造成如模切方式產(chǎn)生的拉伸變形、壓傷等損傷；因激光的聚焦光斑僅有幾十微米，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度線(xiàn)路和微孔的加工，這一優(yōu)勢(shì)正迎合了電路設(shè)計(jì)的發(fā)展步伐，是PI 覆蓋膜開(kāi)窗最理想的加工工具。
目前，用于 PI覆蓋膜切割的激光器主要為納秒級(jí)的全固態(tài)紫外激光器，其波長(zhǎng)一般為355nm，單光子能量約為 3.5EV，在PI的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中，C－C 鍵和C－N鍵的化學(xué)鍵的鍵能約為3.4EV，略低于355nm波長(zhǎng)紫外激光的單光子能量，當(dāng)該波長(zhǎng)的紫外激光作用在材料上時(shí)，可直接將這兩種化學(xué)鍵打斷，這亦是紫外激光能夠切割PI材料的原因。雖然紫外激光相較于傳統(tǒng)的模切方式更前進(jìn)了一步，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題：1.紫外激光的光子能量在達(dá)到或高于材料化學(xué)鍵的鍵能的同時(shí)，其能量密度亦達(dá)到材料的熱損傷閾值，當(dāng)激光與材料相互作用時(shí)，已不僅只是光化學(xué)作用，還存在光熱轉(zhuǎn)換及傳遞過(guò)程，隨著熱量的產(chǎn)生和積累，材料溫度不斷上升，研究表明，當(dāng) PI 材料溫度高于600℃時(shí)，相對(duì)于 C元素，N和O兩種元素的比例會(huì)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，碳化的材料極易造成線(xiàn)路間的短路，尤其是微短路，不僅給產(chǎn)品維修檢測(cè)帶來(lái)很大困難，而且影響產(chǎn)品合格率，雖然在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)減小碳化的程度，但仍難做到絕對(duì)的保障，圖2 為使用紫外激光器通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)做的厚度分別為 0.5mil和1mil的 PI膜開(kāi)窗的圖例，在 50 倍放大狀態(tài)下，仍可見(jiàn)有輕微碳化現(xiàn)象；2.目前市面上的紫外激光器的脈沖寬度均為納秒級(jí)別，其單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為10^-9S，根據(jù)材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式 L = [4Dt]^1/2，其中 D為材料熱擴(kuò)散率，t為激光脈沖寬度，由此可知當(dāng)材料一定時(shí)，激光脈沖寬度越大，激光產(chǎn)生的熱能在材料上的擴(kuò)散距離越大，也就是說(shuō)對(duì)材料的熱損傷越大，當(dāng)在加工高密度孔時(shí)，極易導(dǎo)至孔與孔之間 PI材料的熱變形，甚至是熔斷；3.現(xiàn)在市面上主流的紫外激光器為全固體結(jié)構(gòu)，該類(lèi)激光器普遍存在長(zhǎng)期工作不穩(wěn)定、需做周期性調(diào)校的缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中不僅影響生產(chǎn)效能，而且維護(hù)成本較高。
圖 2 紫外激光 PI 膜開(kāi)窗(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil厚)
量澤皮秒光纖激光器是在超快激光基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的新一代激光器，尤其是近年來(lái)光纖器的研制成功，標(biāo)志著激光技術(shù)的一次飛躍進(jìn)步，與固體納秒激光相比，量澤皮秒光纖激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.激光脈沖寬度更窄，僅為 10^-12S，從上述材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式可知，這將大大減小激光加工材料時(shí)的熱擴(kuò)散距離，降低激光對(duì)材料的熱損傷；2.因脈沖寬度變窄，激光單脈沖峰值功率成倍增加，提升了激光加工材料的能力；3.光纖激光器以細(xì)小的光纖作為激光的傳輸和放大介質(zhì)，與固體放大結(jié)構(gòu)相比，不僅工作穩(wěn)定，免除了周期性的調(diào)校工作，降低了維護(hù)成本，而且結(jié)構(gòu)小巧，制造成本相對(duì)較低。表1是量澤激光公司研制的光纖器與目前市面上主流的納秒級(jí)固體紫外激光器的參數(shù)對(duì)照：
激光切割材料有兩種實(shí)現(xiàn)方式， 一種是光化學(xué)原理， 利用激光單光子能量達(dá)到或超過(guò)材料化學(xué)鍵鍵能，通過(guò)打斷材料某些化學(xué)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dāng)一定能量的激光照射在材料上時(shí)，一部分激光光子會(huì)被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能級(jí)將發(fā)生躍遷，稱(chēng)之為分子運(yùn)動(dòng)，而材料的分子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生熱，即將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)材料分子的熱能聚集達(dá)到其氣化閾值時(shí)，材料分子將脫離原來(lái)的位置，使分子鏈斷裂，最終將材料在激光吸收位置分割為兩個(gè)部分，從而實(shí)現(xiàn)激光對(duì)材料的切割。1064nm紅外波長(zhǎng)激光的單光子能量約1.2EV，小于大多數(shù)材料的化學(xué)鍵鍵能， 因此紅外波長(zhǎng)激光加工材料的機(jī)理一般為光物理原理。 從對(duì)照表上可以看出，雖然量澤皮秒光纖激光器的功率僅為納秒激光器的1/2，但脈沖寬度卻只有納秒的 1/400，峰值功率達(dá)到納秒激光的10倍。從上述激光作用于材料時(shí)熱能的擴(kuò)散距離公式可知，相對(duì)于同種材料，激光脈沖寬度越窄，激光熱能的擴(kuò)散距離就越小，材料中能量吸收與能量擴(kuò)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(shí)間越短，激光在材料上的熱作用時(shí)間也越短，對(duì)材料的熱損傷就越小；同時(shí)峰值功率的大幅提升，加快了材料溫度上升的速度，使達(dá)到氣化閾值的時(shí)間越短，加工時(shí)對(duì)材料的熱損傷越小。于此，為驗(yàn)證這一理論，我們使用表1中的量澤皮秒光纖激光器對(duì)切割 PI覆蓋膜的工藝進(jìn)行了研究。
首先，我們?cè)?0.5mil厚度的 PI覆蓋膜上做切割3mm*3mm方孔試驗(yàn)，本試驗(yàn)的目的主要是：1.驗(yàn)證試驗(yàn)激光器切割 PI覆蓋膜的能力；2.驗(yàn)證量澤皮秒光纖激光器切割 PI 覆蓋膜的熱損傷情況。如圖 3所示，將切樣在 50倍放大狀態(tài)下觀(guān)察，PI 覆蓋膜切割后邊緣很平整，下層環(huán)氧樹(shù)酯以及PI 材料本身未見(jiàn)有碳化現(xiàn)象。這一試驗(yàn)證明試驗(yàn)樣機(jī)具備切割PI 覆蓋膜的能力，而且由于脈寬窄，峰值高，切割時(shí)對(duì)材料的熱損傷極小，不會(huì)引起PI材料以及樹(shù)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(kāi)窗(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil 厚)
為進(jìn)一步驗(yàn)證量澤皮秒光纖激光器切割 PI覆蓋膜時(shí)的熱損傷情況，我們?cè)?0.5mil厚的PI 覆蓋膜上做了切割 128PIN QFP IC的試驗(yàn)。將QFP-128 IC的 PIN寬設(shè)為0.3mm，PIN間距設(shè)為 0.2mm，試驗(yàn)圖樣如圖4 所示。在切割完所有PIN孔后，PI材料仍保持很好的平整度，經(jīng)在顯微鏡下測(cè)量，切割后的PIN 間距離為 0.203mm，未有材料收縮現(xiàn)象；切口邊緣平整，無(wú)碳化不良。試驗(yàn)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，而且因脈沖寬度較窄，其產(chǎn)生的熱影響不會(huì)導(dǎo)致材料的收變形和碳化，能夠保證材料加工后的尺寸精度。
圖 4 量澤皮秒光纖激光器切割128PIN QFP IC
本文主要闡述了納秒紫外激光和紅外量澤皮秒光纖激光器切割 FPC PI覆蓋膜的原理及特性，通過(guò)使用自主研制的光纖紅外量澤皮秒光纖激光器對(duì)切割PI 覆蓋膜的工藝進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)，我們證實(shí)了紅外波長(zhǎng)量澤皮秒光纖激光器具備 PI 覆蓋膜開(kāi)窗的能力，且加工質(zhì)量較好，同時(shí)經(jīng)我們使用幾種不同參數(shù)的試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)，證明當(dāng)激光頻率一定時(shí)，脈沖能量的大小將影響切割的能力以及速度，脈沖寬度越窄，切口碳化的程度越小。
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