UV激光控深銑槽在剛撓結(jié)合印制板中的應(yīng)用研究

王守緒 何雪梅 董穎韜 何 為（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）胡永栓 蘇新虹（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

UV激光控深銑槽在剛撓結(jié)合印制板中的應(yīng)用研究

王守緒 何雪梅 董穎韜 何 為
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）
胡永栓 蘇新虹
（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

使用正交優(yōu)化試驗，研究了UV激光參數(shù)與剛撓結(jié)合印制電路板中銑槽精細控深能力的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，UV激光工藝參數(shù)對切割能力影響的因素優(yōu)先級依次為：激光功率-激光頻率-Z軸高度-光斑直徑，獲得切割深度最大為追求目標的最優(yōu)因素水平組。

UV激光；控深銑槽；剛撓結(jié)合板；正交設(shè)計

1 前言

三維安裝技術(shù)與可折疊式電子產(chǎn)品的需求催生了剛撓結(jié)合板的出現(xiàn)。由于剛撓結(jié)合印制板具有可搭載電子元器件的剛性區(qū)與折疊的撓性區(qū)，這改變了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品平面式布線、電子元器件搭載的設(shè)計概念，但也給印制電路板制造技術(shù)提出了更高的要求。在這類具有不同功能區(qū)的印制板制作過程中，控深銑槽技術(shù)（也稱作揭蓋技術(shù)）是影響產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1][2]。目前，在剛撓結(jié)合板制造技術(shù)中，控深銑槽技術(shù)主要有機械V-Cut、機械控深銑槽等傳統(tǒng)的數(shù)控機床技術(shù)、激光加工技術(shù)、化學(xué)刻蝕開窗口技術(shù)等[3][4]。數(shù)控機床技術(shù)具有工藝成熟、操作簡單的特點，但是其效率低、誤差較大（一般在±50 μm ～ 75 μm），無法達到精細切割的目的。激光控深銑槽技術(shù)具有定位精準、控深精度高和加工效率高等特點，被越來越多的廠家應(yīng)用到剛撓結(jié)合板的可控深銑槽（揭蓋）工藝中。

印制板激光控深銑槽技術(shù)根據(jù)激光種類可以分為：CO2激光和UV激光[5]。CO2激光控深銑槽技術(shù)在加工過程中易燒蝕有機材質(zhì)并殘留大量黑色碳化物，這對產(chǎn)品的外觀和性能造成很大影響。另外，CO2激光光斑尺寸介于100 μm到350 μm，在光滑銅箔金屬表面造成反射，不能打穿銅箔[2]。因此，CO2激光技術(shù)在剛撓結(jié)合板可控深銑槽技術(shù)中應(yīng)用較少。UV激光波長低400 nm（位于紫外線區(qū)，屬于高能激光束），其鉆孔機理是光化學(xué)裂蝕，即被加工物質(zhì)吸收高能量的光子，將有機物的大分子鏈裂化為分子量較小的顆粒，蒸發(fā)噴射形成孔隙，能夠較少的殘留碳化物，且其穿透力較強，能夠直接去除玻璃纖維和銅箔。因此，UV激光技術(shù)在剛撓結(jié)合板可控深銑槽中應(yīng)用較多，可通過調(diào)整UV激光的控制參數(shù)達到優(yōu)良的控深銑槽效果。本文研究了UV激光技術(shù)在剛撓結(jié)合板精細控深銑槽工藝中的應(yīng)用，通過正交優(yōu)化試驗設(shè)計，采用典型的剛撓結(jié)合印制電路板制造工藝流程，設(shè)計制作6層剛撓結(jié)合板作為測試樣品，獲得了深銑尺寸100 μm、可控誤差±10 μm工藝控制參數(shù)。

2 實驗

2.1 實驗儀器及材料

無膠壓延型聚酰亞胺覆銅雙面（12 μm/20 μm/ 12 μm），覆蓋膜（聚酰亞胺/丙烯酸粘結(jié)劑 15 μm/ 12.5 μm），保護膜（聚酰亞胺/改性聚酰亞胺粘結(jié)劑（15 μm/12 μm），F(xiàn)R-4覆銅雙面板（銅箔/FR-4/銅箔12 μm/150 μm/12 μm），半固化片（106 RC67% 55 μm±5 μm），樂普科UV激光切割機等。

2.2 UV激光技術(shù)在剛撓結(jié)合印制電路板控深銑槽工藝中的應(yīng)用研究

設(shè)計制作6層剛撓結(jié)合板作為測試樣品，理論控深深度為104 μm±10 μm，其控深指標要求其深度達到撓性線路上面保護膜處，而不得超越保護膜（一種用作分離撓性線路上的剛性蓋的特殊材料，在高端的剛撓結(jié)合印制電路板中用到）、損傷覆蓋膜及撓性線路，如圖1所示。使用優(yōu)化工藝參數(shù)獲得樣品的金相切片如圖2所示，使用金相顯微鏡測量實際結(jié)果為98.4 μm，實現(xiàn)了預(yù)期目標。

根據(jù)UV激光在印制板控深切割技術(shù)中應(yīng)用的工作原理，選擇了光斑直徑、激光功率、激光頻率以及Z軸高度等四個因素，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采用正交表L9（34）安排試驗[3]，試驗水平因素表如表1所示。以激光切割深度作為試驗評價指標對結(jié)果進行分析，試驗結(jié)果如表2所示。

圖1 6層剛撓結(jié)合板控深深度示意

圖2 6層剛撓結(jié)合板實際控深深度

表1 水平因素表

表2 正交設(shè)計試驗方案及結(jié)果表

3 實驗結(jié)果及分析

表3為使用UV激光進行6層剛撓結(jié)合印制電路板控深銑槽能力研究的L9（34）正交試驗結(jié)果分析的極差計算結(jié)果，如表4為利用Origin 8.0數(shù)據(jù)處理軟件對試驗結(jié)果的方差分析結(jié)果。圖3為激光切割參數(shù)與激光切割深度的指標-因素圖。

表3 極差分析結(jié)果表

圖3 指標-因素圖

由表3的極差分析結(jié)果可見，使用UV激光實現(xiàn)6層剛撓結(jié)合印制電路板控深銑槽加工時，激光功率的R值最大，這表明激光功率對UV激光切割能力起決定性因素，其次是激光頻率其次要影響，而Z軸高度和光斑直徑的R值很小，表明此兩因素對UV激光切割能力的影響力有限，不足以引起過多關(guān)注。因此，影響激光切割能力的因素優(yōu)先級依次為：激光功率—激光頻率—Z軸高度—光斑直徑。從圖3可以得出切割能力最強的各因素水平組為：A3B3C3D2。激光功率和激光頻率作為影響激光能量的最主要參數(shù)，其變化對切割能力影響巨大，而且切割深度和激光功率、激光頻率呈線性增大關(guān)系。而Z軸高度和光斑直徑的微弱作用體現(xiàn)在，此兩因素在實際生產(chǎn)中更多的是用來控制燒焦、碳化和切割縫隙大小等，而對深度影響甚微。

從表4方差分析結(jié)果可以看出，激光功率對切割深度的影響最為顯著，而激光頻率和Z軸高度的變化對切割深度的無顯著影響，顯著性最小的因素是光斑直徑，其影響作用可作為試驗的誤差因子來對待。因此，針對以切割深度最大為追求目標，最優(yōu)因素水平組為：即激光功率9 W，光斑直徑0.1 mm，激光頻率80kHz，Z軸高度0.1 mm。

表4 方差分析結(jié)果表

4 結(jié)論

使用UV激光作為剛撓結(jié)合印制電路板精密控深銑槽的加工手段是可行的。對于撓性區(qū)為聚酰亞胺材質(zhì)、剛性區(qū)為FR-4材料的剛撓結(jié)合印制電路板，UV激光切割能力影響的因素優(yōu)先級依次為：激光功率—激光頻率—Z軸高度—光斑直徑。對于理論控深深度為104 μm±10 μm的加工要求，使用激光功率9 W、光斑直徑0.1 mm、激光頻率80kHz、Z軸高度0.1 mm組合工藝參數(shù)可滿足實際需要。

[1]何雪梅,何為,寧敏潔,胡永栓,蘇新虹,黃勇,陳顯任. Semi-flex印制板制作工藝研究[J]. 印制電路信息,2012(4):323-327.

[2]王遠. 外層撓性結(jié)構(gòu)的剛撓結(jié)合板線路制作探討[J]. 印制電路信息,2010(9):41-45.

[3]何為,王守緒,胡可,何波,汪洋. 撓性PI基材上鏤空板用開窗口工藝研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報, 2009, 38(5):725-729.

[4]吳鐵英,朱占植. 一種覆蓋膜開窗的剛撓結(jié)合板制作方法[J]. 印制電路信息, 2011(4):125-127.

[5]雷群. 激光技術(shù)在印制電路板行業(yè)的應(yīng)用[J]. 印制電路信息,2009(9):22-26.

王守緒，電子科技大學(xué)副教授。從事先進印制電路板制造材料及技術(shù)研究工作。論文工作獲得了廣東省2013年重大專項的資助（項目編號：013A090100005）。2

Application research on slot-cutting by UV laser in rigid-flex PCB

WANG Shou-xu HE Xue-mei DONG Yin-tao HE Wei HU Yong-shuan SU Xin-hong

Using orthogonal testing optimum design, the relations between the cutting slot depths and UV laser parameters in Rigid-Flex PCB was studied. The experimental results showed that the priority order of the factors affecting the slot depths were laser power, laser frequency, height of Z axis, spot diameter in sequence. The max-depth was obtained by the UV laser cutting with the optimized parameters.

UV Laser; Slot-Cutting; Rigid-Flex PCB; Orthogonal Design

TN41

A

1009-0096（2015）05-0022-03