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皮秒光纤激光器 FPC覆盖膜切割工艺研究

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皮秒光纤激光器 FPC覆盖膜切割工艺研究

发布日期:2019-01-08 作者:九诺 点击:

柔性线路板(FPC)以其重量轻、配线密度高、厚度薄等特点,被广泛应用于电子产品中。FPC表面有一层树酯薄膜,起到线路保护和阻焊等的作用,是 FPC 产品重要的组成部分,因其主要成分为聚酰亚氨(Polyimide,PI),故在该领域又被称之为 PI 覆盖膜,它是一种分子主链上含有酰亚胺环状结构的耐高温聚合物,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等,被广泛应用于航空、兵器、电子、电器等精密电子领域。

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在 FPC 的实际生产过程中,因工艺过程需要,需在 PI 覆盖膜表面涂布一层半固化态的环氧树酯粘合剂,在粘合剂表面贴一层离型纸以保护粘合剂不被污染,因此用于 FPC 的 PI 覆盖膜已不只是一种单组分的材料,它至少是含有两种化学材料的复合薄膜(如图 1)。



PI 覆盖膜在与 FPC线路层贴合前,需根据线路设计要求,在相应位置切割大小、形状不同的窗口(行业内亦称为PI膜开窗)。在过去很长一段时间,PI膜的切割主要用传统的模切方式实现,该工艺存在加工精度低、制造成本高等问题,且随着电子电路设计向小型化和高密度化发展,传统的模切方式已日渐不能满足设计的要求。


利用激光进行PI 覆盖膜切割,不仅切割精度高,还可省去高额的模具费用,产品合格率亦高,能够大大降低生产成本,提高产品质量;激光采用的是无接触式加工,如激光光源的选型以及工艺方法得当,则不会对加工材料造成如模切方式产生的拉伸变形、压伤等损伤;因激光的聚焦光斑仅有几十微米,能够实现高密度线路和微孔的加工,这一优势正迎合了电路设计的发展步伐,是PI 覆盖膜开窗最理想的加工工具。


目前,用于 PI覆盖膜切割的激光器主要为纳秒级的全固态紫外激光器,其波长一般为355nm,单光子能量约为 3.5EV,在PI的化学键结构中,C-C 键和C-N键的化学键的键能约为3.4EV,略低于355nm波长紫外激光的单光子能量,当该波长的紫外激光作用在材料上时,可直接将这两种化学键打断,这亦是紫外激光能够切割PI材料的原因。虽然紫外激光相较于传统的模切方式更前进了一步,但在实际应用过程中仍存在一些问题:1.紫外激光的光子能量在达到或高于材料化学键的键能的同时,其能量密度亦达到材料的热损伤阈值,当激光与材料相互作用时,已不仅只是光化学作用,还存在光热转换及传递过程,随着热量的产生和积累,材料温度不断上升,研究表明,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,碳化的材料极易造成线路间的短路,尤其是微短路,不仅给产品维修检测带来很大困难,而且影响产品合格率,虽然在实际应用过程中可通过优化工艺参数减小碳化的程度,但仍难做到绝对的保障,图2 为使用紫外激光器通过优化工艺参数做的厚度分别为 0.5mil和1mil的 PI膜开窗的图例,在 50 倍放大状态下,仍可见有轻微碳化现象;2.目前市面上的紫外激光器的脉冲宽度均为纳秒级别,其单个脉冲持续时间为10^-9S,根据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为激光脉冲宽度,由此可知当材料一定时,激光脉冲宽度越大,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,当在加工高密度孔时,极易导至孔与孔之间 PI材料的热变形,甚至是熔断;3.现在市面上主流的紫外激光器为全固体结构,该类激光器普遍存在长期工作不稳定、需做周期性调校的缺陷,在实际应用中不仅影响生产效能,而且维护成本较高。



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