探討激光工藝在FPC覆蓋膜切割中的應用！
柔性線路板（FPC）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(huán)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。
在 FPC 的實際生產過程中，因工藝過程需要，需在 PI 覆蓋膜表面涂布一層半固化態(tài)的環(huán)氧樹酯粘合劑，在粘合劑表面貼一層離型紙以保護粘合劑不被污染，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材料的復合薄膜
PI 覆蓋膜在與 FPC線路層貼合前，需根據線路設計要求，在相應位置切割大小、形狀不同的窗口（行業(yè)內亦稱為PI膜開窗）。在過去很長一段時間，PI膜的切割主要用傳統(tǒng)的模切方式實現(xiàn)，該工藝存在加工精度低、制造成本高等問題，且隨著電子電路設計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計的要求。
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(xiàn)高密度線路和微孔的加工，這一優(yōu)勢正迎合了電路設計的發(fā)展步伐，是PI 覆蓋膜開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，其紫外激光器波長一般為355nm，單光子能量約為 3.5EV，在PI的化學鍵結構中，C－C 鍵和C－N鍵的化學鍵的鍵能約為3.4EV，略低于355nm波長紫外激光的單光子能量，當該波長的紫外激光作用在材料上時，可直接將這兩種化學鍵打斷，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)的模切方式更前進了一步，但在實際應用過程中仍存在一些問題：
1.激光的光子能量在達到或高于材料化學鍵的鍵能的同時，其能量密度亦達到材料的熱損傷閾值，當激光與材料相互作用時，已不僅只是光化學作用，還存在光熱轉換及傳遞過程，隨著熱量的產生和積累，材料溫度不斷上升，研究表明，當 PI 材料溫度高于600℃時，相對于 C元素，N和O兩種元素的比例會不斷減小，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，不僅給產品維修檢測帶來很大困難，而且影響產品合格率，雖然在實際應用過程中可通過優(yōu)化工藝參數減小碳化的程度，但仍難做到絕對的保障。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膜開窗的圖例，在 50 倍放大狀態(tài)下，可見有輕微碳化現(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別，其單個脈沖持續(xù)時間為10-9S，根據材料吸收激光能量轉化為熱能的擴散距離公式 L = [4Dt]1/2，其中 D為材料熱擴散率，t為激光脈沖寬度，由此可知當材料一定時，激光脈沖寬度越大，激光產生的熱能在材料上的擴散距離越大，也就是說對材料的熱損傷越大，當在加工高密度孔時，極易導至孔與孔之間 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：
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化為熱能的擴散距離公式可知，這將大大減小激光加工材料時的熱擴散距離，降低激光對材料的熱損傷；
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。下圖為韻騰激光實驗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)氧樹酯以及PI 材料本身未見有碳化現(xiàn)象。
皮秒紫外激光 PI膜開窗
(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。經過上述試驗，我們得出皮秒紫外激光相比納秒紫外激光在 PI 覆蓋膜開窗上加工質量更好，適合高品質的加工需求。激光工藝的選擇取決于產品的品質要求，在保證質量的前提下，低價格段對應的激光工藝是最合理的選擇。
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