序言

在电子产品向高密度、小型化、高可靠方向发展的背景下，柔性线路板（FPC）因为其可以自由弯曲、配线密度高、厚度薄等特点，成为满足电子产品小型化和移动要求的惟一解决方法。在FPC表面有一层树酯薄膜，起到线路保护和阻焊等的作用，其主要成分为聚酰亚氨（Polyimide，PI），工业界又称之为PI覆盖膜，它是主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。PI覆盖膜在高温下具有突出的介电性能、机械性能、耐辐射性能和耐磨性能，广泛用于航空、兵器、电子、电器等精密机械方面。

随着激光技术的发展，使用激光切割FPC与PI覆盖膜逐渐取代传统的模切。激光切割属于无接触加工，无需价格昂贵的模具，生产成本大大降低，聚焦后的光斑可仅有十几微米，能够满足高精度切割和钻孔的加工需求，这一优势正迎合电路设计精密化的发展趋势，是FPC、PI膜切割的理想工具。

基本加工原理：为什么选紫外、为什么选短脉宽

当前用在FPC、PI膜切割的激光器主要为纳秒级固体紫外激光器，波长一般为355nm，相对于1064nm红外和532nm绿光，355nm紫外有更高的单光子能量，材料吸收率更高，产生的热影响更小，实现更高的加工精度。脉冲激光切割材料分为两种原理，一种是光化学原理，利用激光单光子能量达到或超过材料化学键键能，打断材料某些化学键来实现切割；另一种是光物理原理，当激光单光子能量低于材料化学键键能时，依靠聚焦光斑处非常高的能量密度，超过材料的气化阈值，从而瞬间气化材料，实现材料的切割。在PI膜的化学键结构中，常态下C－C键和C－N键的键能分别为3.45eV 和3.17eV，而355nm紫外激光的单光子能量为3.49eV，高于常态下C－C键和C－N键的键能，可直接破坏材料的化学键[1]。但实际在用紫外激光切割FPC或PI膜的应用中，上述两种切割原理同时存在，在光物理效应中，会有热量的产生和积累，材料温度不断上升。研究表明[2]，当 PI 材料温度高于600℃时，相对于 C元素，N和O两种元素的比例会不断减小，最终材料中主要以C元素为主，即材料发生碳化。材料吸收激光能量转化为热能的扩散距离公式 L = [4Dt]^1/2，其中 D为材料热扩散率，t为激光脉宽。由此可知当材料一定时，激光脉宽越大，激光产生的热能在材料上的扩散距离越大，也就是说对材料的热损伤越大。



实验验证脉宽对切割效果的影响

本实验所采用的PI覆盖膜厚度为30±2µm，拉伸强度≥160 MPa，热分解温度≥500℃。对比单脉冲能量为20uJ，脉宽分别为42ns、21ns以及11ns的切割效果。实验中保持OVERLAP一致，切割次数2次，实验检测设备为奥利巴斯BX51光学显微镜。



图1为表面热影响及粉尘对比，可以明显发现脉宽越长，切割道附着的粉尘以及颗粒会越多，而这些粉尘很容易附着在电路上从而引起短路。图2为切割后底部胶层热影响对比，脉宽为42ns时的热影响约为22.7µm；而脉宽为21ns以及11ns时切割后底部基本看不到胶层的熔融。通过以上实验发现脉宽越短越有利于覆盖面的加工。



全新高频短脉宽纳秒紫外激光器

为满足FPC、PI膜切割行业对更少碳化和更快效率的要求，英诺激光在旧款AWAVE系列15W@50KHz纳秒紫外激光器的基础上，推出了新一代高频短脉宽纳秒紫外激光器FORMULA系列15W@50KHz。该款激光器有如下特点：

1.频率更高。最高频率可达300K，在200K时最大功率有5.8W，300K时最大功率有2.6W。与AWAVE 15W@50KHz激光器功率的对比可见图3。

2.脉宽更窄。最小脉宽仅11ns，150K下脉宽也只有24ns，相比旧款窄了20ns。与AWAVE 15W@50KHz激光器脉宽的对比可见图4。

3.光束质量优秀，M2<1.2，光斑圆度>90%，性能稳定可靠，同时具有突出的性价比。

4.一体化紧凑型设计，将控制箱和激光头合二为一，更加便于设备集成。

FPC、PI膜的切割需要的是高频高速与短脉宽，AWAVE 15W@50KHz受限于频率较低，速度无法加快，并且脉宽较大，所以无法满足更高的质量要求。而FORMULA 15W@50KHz则弥补了这一不足，有效提升了切割质量。



FORMULA 15W@50KHz与AWAVE 15W@50KHz激光器切割效果对比

我们分别针对PI 和FPC做了对比，图5为两款激光器切割PI膜外观效果对比图，从切割外观结果可以看出FORMULA 15W@50KHz切割效果要明显好于AWAVE 15W@50KHz。



图5 两款激光器切割PI膜外观效果对比

图6为两款激光器切割0.16mm厚FPC外观效果对比图。凭借FORMULA 15W@50KHz激光器短脉宽与高频率下的高速度，FPC的切割质量更好，热影响相比旧款减小了约26%，同时有效切割速度从50mm/s提高到70mm/s，提高了约40%。



总结

本文主要阐述了纳秒紫外激光切割FPC与PI覆盖膜的原理及特性，针对该应用更小热影响及更快效率的需求，我们推出FORMULA 15W@50KHz高频短脉宽纳秒紫外激光器。分别做了新旧两款激光器切割PI覆盖膜与FPC的实验对比，结果表明，依靠更短脉宽和更快的切割速度，FORMULA 15W@50KHz激光器的切割效果有明显改善，热影响更小，同时切割效率也有较大提高。


参考文献

[1] 张菲, 段军, 曾晓雁,等. 355nm紫外激光加工柔性线路板盲孔的研究[J]. 中国激光, 2009, 36(12):3143-3148.

[2] 张鹏, 迟伟东, 沈曾民. 高温炭化对聚酰亚胺(PI)薄膜结构与性能的影响[J]. 炭素技术, 2008, 27(6):10-12.



该论文由深圳市海外高层次人才资金资助（项目编号：KQTD20130417155348471）