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探討激光工藝在FPC覆蓋膜切割中的應(yīng)用！

文章來(lái)源：作者：梁波靜查看手機(jī)網(wǎng)址

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人氣：10574發(fā)布日期：2019-02-28 06:48【大中小】

柔性線路板（FPC）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(shù)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。

在 FPC 的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因工藝過(guò)程需要，需在 PI 覆蓋膜表面涂布一層半固化態(tài)的環(huán)氧樹(shù)酯粘合劑，在粘合劑表面貼一層離型紙以保護(hù)粘合劑不被污染，因此用于 FPC 的 PI 覆蓋膜已不只是一種單組分的材料，它至少是含有兩種化學(xué)材料的復(fù)合薄膜

PI 覆蓋膜在與 FPC線路層貼合前，需根據(jù)線路設(shè)計(jì)要求，在相應(yīng)位置切割大小、形狀不同的窗口（行業(yè)內(nèi)亦稱為PI膜開(kāi)窗）。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，PI膜的切割主要用傳統(tǒng)的模切方式實(shí)現(xiàn)，該工藝存在加工精度低、制造成本高等問(wèn)題，且隨著電子電路設(shè)計(jì)向小型化和高密度化發(fā)展，傳統(tǒng)的模切方式已日漸不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

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(kāi)窗最理想的加工工具。

目前， PI覆蓋膜切割主要為納秒紫外激光工藝，其紫外激光器波長(zhǎng)一般為355nm，單光子能量約為 3.5EV，在PI的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中，C－C 鍵和C－N鍵的化學(xué)鍵的鍵能約為3.4EV，略低于355nm波長(zhǎng)紫外激光的單光子能量，當(dāng)該波長(zhǎng)的紫外激光作用在材料上時(shí)，可直接將這兩種化學(xué)鍵打斷，這亦是紫外激光能夠切割PI材料的原因。

雖然納秒紫外激光相較于傳統(tǒng)的模切方式更前進(jìn)了一步，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題：

1.激光的光子能量在達(dá)到或高于材料化學(xué)鍵的鍵能的同時(shí)，其能量密度亦達(dá)到材料的熱損傷閾值，當(dāng)激光與材料相互作用時(shí)，已不僅只是光化學(xué)作用，還存在光熱轉(zhuǎn)換及傳遞過(guò)程，隨著熱量的產(chǎn)生和積累，材料溫度不斷上升，研究表明，當(dāng) PI 材料溫度高于600℃時(shí)，相對(duì)于 C元素，N和O兩種元素的比例會(huì)不斷減小，最終材料中主要以C元素為主，即材料發(fā)生碳化，碳化的材料極易造成線路間的短路，尤其是微短路，不僅給產(chǎn)品維修檢測(cè)帶來(lái)很大困難，而且影響產(chǎn)品合格率，雖然在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)減小碳化的程度，但仍難做到絕對(duì)的保障。下圖為使用納秒紫外激光器工藝做的厚度分別為 0.5mil和1mil的 PI膜開(kāi)窗的圖例，在 50 倍放大狀態(tài)下，可見(jiàn)有輕微碳化現(xiàn)象；

2.目前市面上的納秒紫外激光器的脈沖寬度均為納秒級(jí)別，其單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為10-9S，根據(jù)材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式 L = [4Dt]1/2，其中 D為材料熱擴(kuò)散率，t為激光脈沖寬度，由此可知當(dāng)材料一定時(shí)，激光脈沖寬度越大，激光產(chǎn)生的熱能在材料上的擴(kuò)散距離越大，也就是說(shuō)對(duì)材料的熱損傷越大，當(dāng)在加工高密度孔時(shí)，極易導(dǎo)至孔與孔之間 PI材料的熱變形，甚至是熔斷。

納秒紫外激光 PI膜開(kāi)窗

(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil厚)

與納秒紫外激光相比，皮秒紫外激光具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.激光脈沖寬度更窄，僅為 10-12S，從上述材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式可知，這將大大減小激光加工材料時(shí)的熱擴(kuò)散距離，降低激光對(duì)材料的熱損傷；

2.因脈沖寬度變窄，激光單脈沖峰值功率成倍增加，提升了激光加工材料的能力。下圖為韻騰激光實(shí)驗(yàn)室使用皮秒紫外激光器工藝做的厚度分別為 0.5mil和1mil的 PI膜開(kāi)窗的圖例，將切樣在 50倍放大狀態(tài)下觀察，PI 覆蓋膜切割后邊緣很平整，下層環(huán)氧樹(shù)酯以及PI 材料本身未見(jiàn)有碳化現(xiàn)象。

皮秒紫外激光 PI膜開(kāi)窗

(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil厚)

本文主要闡述了納秒紫外激光和皮秒紫外激光工藝切割 FPC PI覆蓋膜的原理及特性。經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)，我們得出皮秒紫外激光相比納秒紫外激光在 PI 覆蓋膜開(kāi)窗上加工質(zhì)量更好，適合高品質(zhì)的加工需求。激光工藝的選擇取決于產(chǎn)品的品質(zhì)要求，在保證質(zhì)量的前提下，低價(jià)格段對(duì)應(yīng)的激光工藝是最合理的選擇。

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