皮秒光纤激光器-FPC覆盖膜切割工艺研究

1、皮秒光纤激光器 FPC覆盖膜切割工艺研究内容来源网络，由“深圳机械展11万，1100多家展商，超10万观众收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.柔性线路板FPC以其重量轻、配线密度高、厚度薄等特点，被广泛应用于电子产品中。FPC外表有一层树酯薄膜，起到线路保护和阻焊等的作用，是 FPC 产品重要的组成局部，因其主要成分为聚酰亚氨Polyimide，PI，故在该领域又被称之为 PI 覆盖膜，它是一种分子主链上含有酰亚胺环状结构的耐高温聚合物，在高温下具

2、有突出的介电性能、机械性能、耐辐射性能和耐磨性能等，被广泛应用于航空、兵器、电子、电器等精密电子领域。在 FPC 的实际生产过程中，因工艺过程需要，需在 PI 覆盖膜外表涂布一层半固化态的环氧树酯粘合剂，在粘合剂外表贴一层离型纸以保护粘合剂不被污染，因此用于 FPC 的 PI 覆盖膜已不只是一种单组分的材料，它至少是含有两种化学材料的复合薄膜如图 1。PI 覆盖膜在与 FPC线路层贴合前，需根据线路设计要求，在相应位置切割大小、形状不同的窗口行业内亦称为PI膜开窗。在过去很长一段时间，PI膜的切割主要用传统的模切方式实现，该工艺存在加工精度低、制造本钱高等问题，且随着电子电路设计向小型化和高密

3、度化开展，传统的模切方式已日渐不能满足设计的要求。利用激光进行PI 覆盖膜切割，不仅切割精度高，还可省去高额的模具费用，产品合格率亦高，能够大大降低生产本钱，提高产品质量；激光采用的是无接触式加工，如激光光源的选型以及工艺方法得当，那么不会对加工材料造成如模切方式产生的拉伸变形、压伤等损伤；因激光的聚焦光斑仅有几十微米，能够实现高密度线路和微孔的加工，这一优势正迎合了电路设计的开展步伐，是PI 覆盖膜开窗最理想的加工工具。目前，用于 PI覆盖膜切割的激光器主要为纳秒级的全固态紫外激光器，其波长一般为355nm，单光子能量约为 3.5EV，在PI的化学键结构中，CC 键和CN键的化学键的键能约为

4、3.4EV，略低于355nm波长紫外激光的单光子能量，当该波长的紫外激光作用在材料上时，可直接将这两种化学键打断，这亦是紫外激光能够切割PI材料的原因。虽然紫外激光相较于传统的模切方式更前进了一步，但在实际应用过程中仍存在一些问题：1.紫外激光的光子能量在到达或高于材料化学键的键能的同时，其能量密度亦到达材料的热损伤阈值，当激光与材料相互作用时，已不仅只是光化学作用，还存在光热转换及传递过程，随着热量的产生和积累，材料温度不断上升。研究说明，当 PI 材料温度高于600时，相对于 C元素，N和O两种元素的比例会不断减小，最终材料中主要以C元素为主，即材料发生碳化，碳化的材料极易造成线路间的短路

5、。尤其是微短路，不仅给产品维修检测带来很大困难，而且影响产品合格率，虽然在实际应用过程中可通过优化工艺参数减小碳化的程度，但仍难做到绝对的保障。图2 为使用紫外激光器通过优化工艺参数做的厚度分别为 0.5mil和1mil的 PI膜开窗的图例，在 50 倍放大状态下，仍可见有轻微碳化现象；2.目前市面上的紫外激光器的脉冲宽度均为纳秒级别，其单个脉冲持续时间为10-9S，根据材料吸收激光能量转化为热能的扩散距离公式 L = 4Dt1/2，其中 D为材料热扩散率，t为激光脉冲宽度。由此可知当材料一定时，激光脉冲宽度越大，激光产生的热能在材料上的扩散距离越大，也就是说对材料的热损伤越大，当在加工高密度

6、孔时，极易导至孔与孔之间 PI材料的热变形，甚至是熔断；3.现在市面上主流的紫外激光器为全固体结构，该类激光器普遍存在长期工作不稳定、需做周期性调校的缺陷，在实际应用中不仅影响生产效能，而且维护本钱较高。激光切割材料有两种实现方式， 一种是光化学原理， 利用激光单光子能量到达或超过材料化学键键能，通过打断材料某些化学键来实现切割，上述紫外激光切割 PI覆盖膜那么用的是这种原理；另一种是光物理原理，即当一定能量的激光照射在材料上时，一局部激光光子会被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能级将发生跃迁，称之为分子运动。而材料的分子运动将产生热，即将吸收的光能转化为热能，当材料分子的热能聚集到达

7、其气化阈值时，材料分子将脱离原来的位置，使分子链断裂，最终将材料在激光吸收位置分割为两个局部，从而实现激光对材料的切割。1064nm红外波长激光的单光子能量约1.2EV，小于大多数材料的化学键键能， 因此红外波长激光加工材料的机理一般为光物理原理。从上述激光作用于材料时热能的扩散距离公式可知，相对于同种材料，激光脉冲宽度越窄，激光热能的扩散距离就越小，材料中能量吸收与能量扩散之间的比例就越大，材料温度上升速度就越快，在获取相同热能下所需的时间越短，激光在材料上的热作用时间也越短，对材料的热损伤就越小；同时峰值功率的大幅提升，加快了材料温度上升的速度，使到达气化阈值的时间越短，加工时对材料的热损

8、伤越小。于此，为验证这一理论，我们使用表1中的量泽皮秒光纤激光器对切割 PI覆盖膜的工艺进行了研究。首先，我们在 0.5mil厚度的 PI覆盖膜上做切割3mm*3mm方孔试验，本试验的目的主要是：1.验证试验激光器切割 PI覆盖膜的能力；2.验证量泽皮秒光纤激光器切割 PI 覆盖膜的热损伤情况。如图 3所示，将切样在 50倍放大状态下观察，PI 覆盖膜切割后边缘很平整，下层环氧树酯以及PI 材料本身未见有碳化现象。这一试验证明试验样机具备切割PI 覆盖膜的能力，而且由于脉宽窄，峰值高，切割时对材料的热损伤极小，不会引起PI材料以及树酯粘合剂的碳化不良。为进一步验证量泽皮秒光纤激光器切割 PI覆

9、盖膜时的热损伤情况，我们在 0.5mil厚的PI 覆盖膜上做了切割 128PIN QFP IC的试验。将QFP-128 IC的 PIN宽设为0.3mm，PIN间距设为 0.2mm，试验图样如图4 所示。在切割完所有PIN孔后，PI材料仍保持很好的平整度，经在显微镜下测量，切割后的PIN 间距离为 0.203mm，未有材料收缩现象；切口边缘平整，无碳化不良。试验证明量泽皮秒光纤激光器具备在 PI覆盖膜上加工高密度孔的能力，而且因脉冲宽度较窄，其产生的热影响不会导致材料的收变形和碳化，能够保证材料加工后的尺寸精度。本文主要阐述了纳秒紫外激光和红外量泽皮秒光纤激光器切割 FPC PI覆盖膜的原理及特性，通过使用自主研制的光纤红外量泽皮秒光纤激光器对切割PI 覆盖膜的工艺进行了试验。经过上述试验，我们证实了红外波长量泽皮秒光纤激光器具备 PI 覆盖膜