紅外皮秒加工FPC覆蓋膜的工藝研究

(深圳技師學(xué)院 廣東 深圳 518000)

柔性線路板(FPC，F(xiàn)lexible Printed Circuit)以其重量輕、配線密度高、厚度薄等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。FPC表面有一層樹酯薄膜，起到線路保護(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。

圖1 FPC覆蓋膜的結(jié)構(gòu)

在FPC中，覆蓋膜的作用如下：

(1)保護(hù)銅箔不暴露在空氣中，避免銅箔的氧化；

(2)為后續(xù)的表面處理進(jìn)行覆蓋，如不需要鍍金的區(qū)域用PI覆蓋起來(lái)；

(3)在后續(xù)的表面貼裝工序中，阻焊作用。

因此，在工業(yè)生產(chǎn)中要求對(duì)覆蓋膜相應(yīng)的位置進(jìn)行窗口切割，同時(shí)不同電子線路所要求的覆蓋膜切割窗口的尺寸和類型都不一樣。目前FPC覆蓋膜大批量生產(chǎn)所采用的工藝為傳統(tǒng)沖壓方法，該工藝存在精度低、耗費(fèi)人力物力，且加工環(huán)境粉塵和噪音污染較大等問(wèn)題。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覆蓋膜開窗最理想的加工工具。

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，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。

本文利用1064nm紅外皮秒脈沖激光對(duì)FPC覆蓋膜進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對(duì)覆蓋膜去除過(guò)程中的熱影響區(qū)的影響，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。通過(guò)優(yōu)化切割參數(shù)來(lái)提高切割質(zhì)量，從而為皮秒激光切割覆蓋膜學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用提供參考。

實(shí)驗(yàn)中采用的切割系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)采用美國(guó)光波公司的紅外皮秒激光器，通過(guò)三維掃描振鏡實(shí)現(xiàn)Z方向自動(dòng)聚焦，使用負(fù)壓吸附覆蓋膜，實(shí)驗(yàn)采用金相顯微鏡觀察熱影響區(qū)。

圖2 紅外皮秒激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)

切割系統(tǒng)使用的激光波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為7ps，最大平均功率為45W，重復(fù)頻率為60KHZ-1MHz，通過(guò)三維掃描振鏡聚焦后光斑直徑為50um，振鏡最高掃描速度為20m/s。

實(shí)驗(yàn)方法如圖3所示，將FPC覆蓋膜置于激光焦平面上，分別研究平均功率、掃描速度、重復(fù)頻率對(duì)熱影響區(qū)的影響。

圖3 覆蓋膜切割示意圖

一、平均功率對(duì)切縫寬度的影響

圖4是當(dāng)重復(fù)頻率為80KHz、掃描速度為200mm/s時(shí)，平均功率與切縫寬度的關(guān)系。由表1可以看出，當(dāng)平均功率增加時(shí)，切縫寬度逐漸變大。由于在重復(fù)頻率、掃描速度不變時(shí)，隨著平均功率的增加，單脈沖能量也增大，達(dá)到材料燒蝕閾值的能量也更多，去除材料后剩余的能量也越多，導(dǎo)致能量的積累越多，使得熱損傷相應(yīng)的增加，從而熱影響區(qū)增大。觀察切割后的覆蓋膜，發(fā)現(xiàn)本臺(tái)激光器的最低功率已經(jīng)能將覆蓋膜切透，所以，選擇10%的功率進(jìn)行切割即可。

表1 切縫寬度跟平均功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4功率10% 重頻：80KHZ，速度：200mm/s

二、重復(fù)頻率對(duì)熱影響區(qū)的影響

圖5是平均功率為40w、掃描速度為250mm/s時(shí)，重復(fù)頻率與切割寬度的關(guān)系，在表2中，重復(fù)頻率為60KHz-360KHZ時(shí)切割寬度隨著重復(fù)頻率的變大先變大后變小。主要是因?yàn)樵谄骄β省呙杷俣炔蛔儠r(shí)，隨著頻率的增加，相鄰脈沖的時(shí)間越短，積累的熱量也越多，使得熱損傷相應(yīng)的增加，從而熱影響區(qū)增大。當(dāng)頻率增加到一定值時(shí)，隨著頻率增加，單脈沖能量減少，使得熱損傷減小。

表2 切縫寬度跟重復(fù)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5功率40% 重頻：360KHZ，速度：250mm/s

三、掃描速度對(duì)熱影響區(qū)的影響

圖6是在平均功率為40%、重復(fù)頻率為120KHz時(shí)，掃描速度與切割寬度的關(guān)系。由表3可知，隨著掃描速度的增大，切割寬度變小，熱影響區(qū)減小。這主要是因?yàn)樵趻呙杷俣容^低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量大，在掃描過(guò)程中累積熱量多，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱損傷，表現(xiàn)出熱影響區(qū)由表3可知，當(dāng)掃描速度為350mm/s時(shí)，此時(shí)熱影響區(qū)最小。

表3 切縫寬度跟掃描速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6功率40% 重頻：120KHZ，速度：350mm/s

結(jié)論

(1)皮秒激光切割覆蓋膜時(shí)，隨著平均功率的增加，熱影響區(qū)逐漸增大；

(2)重復(fù)頻率為360KHz時(shí)，熱影響區(qū)最小，熱影響區(qū)隨著重復(fù)頻率的增加先增大后減?。?/p>

(3)熱影響區(qū)隨著掃描速度的增大逐漸減小，當(dāng)掃描速度為350mm/s時(shí)，熱影響區(qū)達(dá)到最小值；

(4)優(yōu)化后的工藝參數(shù)為平均功率4.5w、重復(fù)頻率360KHz、掃描速度350mm/s。