柔性線路板(FPC)和PI膜紫外雷射切割原理及特性

2020-11-24 電子發燒友

柔性線路板（FPC）和PI膜紫外雷射切割原理及特性

發表於 2019-12-02 10:35:34

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，其主要成分為聚醯亞氨（Polyimide，PI），工業界又稱之為PI覆蓋膜，它是主鏈上含有醯亞胺環（-CO-NH-CO-）的一類聚合物，其中以含有酞醯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，廣泛用於航空、兵器、電子、電器等精密機械方面。

隨著雷射技術的發展，使用紫外雷射切割FPC與PI覆蓋膜逐漸取代傳統的模切。紫外雷射切割屬於無接觸加工，無需價格昂貴的模具，生產成本大大降低，聚焦後的光斑可僅有十幾微米，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：為什麼選紫外、為什麼選短脈寬

當前用在FPC、PI膜切割的紫外雷射切割機主要為納秒級固體紫外雷射器，波長一般為355nm，相對於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。脈衝紫外雷射切割材料分為兩種原理，一種是光化學原理，利用雷射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，當雷射單光子能量低於材料化學鍵鍵能時，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紫外雷射切割設備的單光子能量為3.49eV，高於常態下C－C鍵和C－N鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學鍵。但實際在用紫外雷射切割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，當 PI 材料溫度高於600℃時，相對於 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。材料吸收雷射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為雷射脈寬。由此可知當材料一定時，雷射脈寬越大，雷射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

本實驗所採用的PI覆蓋膜厚度為30±2µm，拉伸強度≥160 MPa，熱分解溫度≥500℃。對比單脈衝能量為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為切割後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覆蓋面的加工。

高頻短脈寬納秒紫外雷射器

為滿足FPC、PI膜切割行業對更少碳化和更快效率的要求，採用高頻率、窄脈寬紫外雷射切割機。該款設備有如下特點：

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。

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。

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，將控制箱和雷射頭合二為一，更加便於設備集成。

分別採用普通固體紫外雷射切割機與高頻率、窄脈寬紫外雷射切割機加工效果對比，分別針對PI 和FPC做了對比，圖5為兩款紫外雷射切割PI膜外觀效果對比圖，從切割外觀結果可以看出高頻率、窄脈寬紫外雷射切割效果要明顯好於普通固體紫外雷射切割機。

圖3

圖4為兩款紫外雷射切割機切割0.16mm厚FPC外觀效果對比圖。憑藉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%。

圖6

總結

本文主要闡述了納秒紫外雷射切割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，我們採用高頻、窄脈寬納秒紫外雷射切割機。分別做了普通與高頻、窄脈寬紫外雷射切割機加工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，高頻率、窄面寬紫外雷射切割機的加工效果有明顯改善，熱影響更小，同時切割效率也有較大提高。

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