紅外皮秒加工FPC覆蓋膜的工藝研究

(深圳技師學院 廣東 深圳 518000)

柔性線路板(FPC，Flexible Printed Circuit)以其重量輕、配線密度高、厚度薄等特點，被廣泛應用于電子產品中。FPC表面有一層樹酯薄膜，起到線路保護和阻焊等的作用，是FPC產品重要的組成部分，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狀結構的耐高溫聚合物，在高溫下具有突出的介電性能、機械性能、耐輻射性能和耐磨性能等，被廣泛應用于航空、兵器、電子、電器等精密電子領域。

圖1 FPC覆蓋膜的結構

在FPC中，覆蓋膜的作用如下：

(1)保護銅箔不暴露在空氣中，避免銅箔的氧化；

(2)為后續的表面處理進行覆蓋，如不需要鍍金的區域用PI覆蓋起來；

(3)在后續的表面貼裝工序中，阻焊作用。

因此，在工業生產中要求對覆蓋膜相應的位置進行窗口切割，同時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覆蓋膜大批量生產所采用的工藝為傳統沖壓方法，該工藝存在精度低、耗費人力物力，且加工環境粉塵和噪音污染較大等問題。利用激光進行PI覆蓋膜切割，不僅切割精度高，還可省去高額的模具費用，產品合格率亦高，能夠大大降低生產成本，提高產品質量；激光采用的是無接觸式加工，如激光光源的選型以及工藝方法得當，則不會對加工材料造成如模切方式產生的拉伸變形、壓傷等損傷；因激光的聚焦光斑僅有幾十微米，能夠實現高密度線路和微孔的加工，這一優勢正迎合了電路設計的發展步伐，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現方式，一種是光化學原理，利用激光單光子能量達到或超過材料化學鍵鍵能，通過打斷材料某些化學鍵來實現切割，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，即當一定能量的激光照射在材料上時，一部分激光光子會被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能級將發生躍遷，稱之為分子運動。

而材料的分子運動將產生熱，即將吸收的光能轉化為熱能，當材料分子的熱能聚集達到其氣化閾值時，材料分子將脫離原來的位置，使分子鏈斷裂，最終將材料在激光吸收位置分割為兩個部分，從而實現激光對材料的切割。

1064nm紅外波長激光的單光子能量約1.2EV，小于大多數材料的化學鍵鍵能，因此紅外波長激光加工材料的機理一般為光物理原理。

本文利用1064nm紅外皮秒脈沖激光對FPC覆蓋膜進行燒蝕實驗，研究了工藝參數對覆蓋膜去除過程中的熱影響區的影響，得到最優的工藝參數。通過優化切割參數來提高切割質量，從而為皮秒激光切割覆蓋膜學術研究與工業應用提供參考。

實驗中采用的切割系統如圖2所示，系統采用美國光波公司的紅外皮秒激光器，通過三維掃描振鏡實現Z方向自動聚焦，使用負壓吸附覆蓋膜，實驗采用金相顯微鏡觀察熱影響區。

圖2 紅外皮秒激光切割機結構

切割系統使用的激光波長為1064nm，脈寬為7ps，最大平均功率為45W，重復頻率為60KHZ-1MHz，通過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。

實驗方法如圖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、重復頻率對熱影響區的影響。

圖3 覆蓋膜切割示意圖

一、平均功率對切縫寬度的影響

圖4是當重復頻率為80KHz、掃描速度為200mm/s時，平均功率與切縫寬度的關系。由表1可以看出，當平均功率增加時，切縫寬度逐漸變大。由于在重復頻率、掃描速度不變時，隨著平均功率的增加，單脈沖能量也增大，達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，導致能量的積累越多，使得熱損傷相應的增加，從而熱影響區增大。觀察切割后的覆蓋膜，發現本臺激光器的最低功率已經能將覆蓋膜切透，所以，選擇10%的功率進行切割即可。

表1 切縫寬度跟平均功率的對應關系

圖4功率10% 重頻：80KHZ，速度：200mm/s

二、重復頻率對熱影響區的影響

圖5是平均功率為40w、掃描速度為250mm/s時，重復頻率與切割寬度的關系，在表2中，重復頻率為60KHz-360KHZ時切割寬度隨著重復頻率的變大先變大后變小。主要是因為在平均功率、掃描速度不變時，隨著頻率的增加，相鄰脈沖的時間越短，積累的熱量也越多，使得熱損傷相應的增加，從而熱影響區增大。當頻率增加到一定值時，隨著頻率增加，單脈沖能量減少，使得熱損傷減小。

表2 切縫寬度跟重復頻率的對應關系

圖5功率40% 重頻：360KHZ，速度：250mm/s

三、掃描速度對熱影響區的影響

圖6是在平均功率為40%、重復頻率為120KHz時，掃描速度與切割寬度的關系。由表3可知，隨著掃描速度的增大，切割寬度變小，熱影響區減小。這主要是因為在掃描速度較低時，單位時間內獲得的能量大，在掃描過程中累積熱量多，導致嚴重的熱損傷，表現出熱影響區由表3可知，當掃描速度為350mm/s時，此時熱影響區最小。

表3 切縫寬度跟掃描速度的對應關系

圖6功率40% 重頻：120KHZ，速度：350mm/s

結論

(1)皮秒激光切割覆蓋膜時，隨著平均功率的增加，熱影響區逐漸增大；

(2)重復頻率為360KHz時，熱影響區最小，熱影響區隨著重復頻率的增加先增大后減小；

(3)熱影響區隨著掃描速度的增大逐漸減小，當掃描速度為350mm/s時，熱影響區達到最小值；

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