金屬基電路板激光成型工藝研究

張本賢 舒志遷 魏和平 李志雄

（誠(chéng)億電子（嘉興）有限公司，浙江 嘉興 314003）

0 前言

金屬基電路板即以金屬基板襯底制作的印制電路板，其具有優(yōu)異的散熱性、機(jī)械加工性、電磁屏蔽性、尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在混合集成電路、汽車(chē)、大功率電氣設(shè)備、電源設(shè)備等領(lǐng)域，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，特別是在LED（發(fā)光芯片）封裝產(chǎn)品中作為底基板其應(yīng)用量已逐漸超過(guò)陶瓷基板。金屬基電路板成型加工有模沖成型、CNC（數(shù)控銑床）銑成型和激光成型工藝，激光成型具有尺寸精度高、操作簡(jiǎn)便、可加工任意形狀、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合樣品、中小批量及特殊設(shè)計(jì)的產(chǎn)品加工。但激光成型在實(shí)際應(yīng)用中由于工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生切口粗糙度過(guò)大、熔渣粘板面、只能切薄板、切割效率低等問(wèn)題。文章以保證成型品質(zhì)、提高生產(chǎn)速度為出發(fā)點(diǎn)，在掌握激光成型原理的基礎(chǔ)上從激光功率、聚焦參數(shù)、輔助氣體類(lèi)型、輔助氣體壓力、切割速度幾個(gè)方面展開(kāi)了工藝研究。

1 激光成型原理

激光成型即利用高能激光束熔化或汽化切口部位的材料，并用高速輔助氣流將其吹除完成切割。金屬基電路板激光成型為熔化切割，當(dāng)入射激光功率密度超過(guò)某一值后，照射出金屬材料內(nèi)部開(kāi)始蒸發(fā)形成孔洞，這種小孔將作為黑體吸收所有的入射光束能量繼而被熔化金屬壁包圍。然后通過(guò)與光束同軸的噴嘴噴吹輔助氣體，依靠氣體的強(qiáng)大壓力使孔洞周?chē)囊簯B(tài)金屬排出。隨著工件與激光切割頭的相對(duì)移動(dòng)，小孔按切割程序預(yù)設(shè)方向移動(dòng)，從而形成一條切口。激光成型原理示意圖見(jiàn)圖1所示。切口品質(zhì)主要包括切口的寬度、切割面的傾斜角、切口粗糙度、金屬熔化后的黏渣，切口品質(zhì)要素示意圖見(jiàn)圖2所示。

圖1 激光成型原理示意圖

圖2 切口品質(zhì)要素示意圖

2 激光成型參數(shù)研究

2.1 激光功率參數(shù)研究

選取不同厚度的A5052鋁金屬基板，固定切割速度設(shè)定2.0 m/min，研究不同激光功率切割后切口粗糙度狀況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3所示。

圖3 激光功率對(duì)切口粗糙度影響圖

激光功率太小時(shí)，越靠近板材下緣熔融物的溫度越低、黏度越大，很難被高壓輔助氣流徹底吹除而黏在切割面的下緣而形成掛渣。激光功率太大時(shí)，熱輸入過(guò)大使板材的熔化范圍大于高壓氣流所能去除的范圍，熔融金屬未能被高壓輔助氣流完全吹除而形成過(guò)燒。不同厚度的鋁板存在不同的激光功率適用范圍，例如厚度為2.0 mm的A5052鋁金屬基板最佳激光功率范圍為1000 W～2000 W，此區(qū)域切口表面粗糙度較小，且不存在掛渣與過(guò)燒的外觀品質(zhì)不良。

2.2 聚焦參數(shù)研究

聚焦系統(tǒng)的影響因子包括焦距與焦深，焦距為激光設(shè)備硬件不可更改，因此僅對(duì)焦深進(jìn)行研究。激光成型時(shí)如果聚焦光束的焦深偏短則聚焦角偏大，光斑尺寸在焦點(diǎn)附近的變化就比較大，將導(dǎo)致激光在材料表面的能量密度變化很大。

激光光束焦點(diǎn)在金屬基板材上的位置，可采用如圖4所示的楔形聚丙烯塊進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 激光焦點(diǎn)位置檢測(cè)示意圖

由于本次研究采取的不同激光成型機(jī)焦距長(zhǎng)度不同，為研究方便我們引入焦深與焦距的比值H系數(shù)。研究不同H系數(shù)條件下切口粗糙度狀況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

圖5 激光焦深對(duì)切口粗糙度影響圖

采用激光功率1 500 W的成型機(jī)，板厚2.0 mm的A5052鋁金屬基板，固定切割速度為2 m/min，通過(guò)調(diào)整不同焦深得到在焦深與焦距的比值H系數(shù)0.965～0.995范圍內(nèi)切口表面粗糙度較小，且不存在熔渣毛刺的外觀品質(zhì)不良。

2.3 輔助氣體類(lèi)型與壓力研究

文章對(duì)氧氣、氮?dú)狻⒖諝膺@三種不同輔助氣體在不同壓力設(shè)置下，對(duì)不同金屬類(lèi)型的金屬基電路板成型后切口粗糙度表現(xiàn)展開(kāi)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6所示。由于不同金屬的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、激光吸收率存在較大的差異，為保證切口邊緣有較小的粗糙度、熔渣達(dá)到品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，金屬基板激光成型時(shí)除高壓空氣外一般還會(huì)用到氧氣與氮?dú)狻Ｑ鯕庾鳛檩o助氣體，切割中會(huì)發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，有利于成型速度的提高。氮?dú)鉃橄∮袣怏w幾乎不會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng)，有利于切口底部熔渣的清除，但是會(huì)影響成型生產(chǎn)效率。相比氧氣與氮?dú)?，高壓空氣具有絕對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同輔助氣體類(lèi)型與壓力對(duì)不同金屬切口粗糙度影響圖

不同類(lèi)型的輔助氣體有不同的壓力閾值，噴嘴壓力超過(guò)此值時(shí)氣流為正常斜激波，流速?gòu)膩喡曀傧虺曀龠^(guò)渡。此閾值由氣體注入壓力與氣體膨脹到大氣中的壓力比值及氣體分子的自由度兩個(gè)因素決定。當(dāng)噴嘴壓力過(guò)高時(shí)，氣流正常斜激波變?yōu)檎げ?，氣體到達(dá)板材表面的壓力將下降，氣流速度降低。低速氣流在工件表面形成渦流，削弱了氣流去除熔融金屬的作用，進(jìn)而影響切口的粗糙度。

2.4 切割速度研究

在激光功率、焦深、輔助氣體參數(shù)固定的前提下，只考慮切割速度對(duì)切口粗糙度、熔渣的影響。以板厚為2.0 mm的A5052鋁金屬基板、激光功率為1 500 W的成型機(jī)、焦深設(shè)置0.8 mm、0.9 MPa的氮?dú)廨o助氣體作為研究對(duì)象，對(duì)不同切割速度下成型后切口粗糙度狀況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7所示。

圖7 不同切割速度對(duì)金屬切口粗糙度影響圖

切割速度太快產(chǎn)生掛渣，甚至切不透，主要原因除熱輸入不足溫度低引起熔融物黏度大外，還由于切割速度過(guò)快使切割前沿向后傾斜，不利于氣流對(duì)熔融物地吹除。切割速度太小，造成熱輸入過(guò)大而產(chǎn)生過(guò)燒。

3 總結(jié)

若選擇連續(xù)激光器作為光源，需根據(jù)產(chǎn)品板材厚度選擇合適的激光功率，避免功率過(guò)小導(dǎo)致掛渣、功率過(guò)大導(dǎo)致過(guò)燒。激光焦點(diǎn)設(shè)置在金屬基板表面之下一定深度范圍內(nèi)切口表面粗糙度較小，且不存在熔渣毛刺的外觀品質(zhì)不良。不同類(lèi)型的輔助氣體有不同的壓力閾值，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)不同金屬類(lèi)型選擇合適的輔助氣體類(lèi)型并設(shè)置適合的氣壓范圍。每種金屬基電路板均有一個(gè)最佳的切割速度范圍，實(shí)際應(yīng)用中可參考文章測(cè)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。文章中所屬激光器均為CW連續(xù)光纖激光器，隨著技術(shù)發(fā)展目前已有QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖脈沖激光器的報(bào)道，其可以在脈沖模式下自動(dòng)調(diào)節(jié)激光輸出功率，從而更有利于激光成型時(shí)根據(jù)不同金屬基電路板的需要進(jìn)行調(diào)整。相信隨著激光成型工藝的更深入研究，其在金屬基電路板領(lǐng)域的應(yīng)用將更加成熟。