高頻短脈寬納秒紫外激光器提升PI覆蓋膜與FPC切割質量與效率

來源:榮格    關鍵詞:紫外激光器, 納秒激光, FPC切割,    發布時間:2019-03-12

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序言

在電子產品向高密度、小型化永旺彩票下载、高可靠方向發展的背景下,柔性線路板(FPC)因為其可以自由彎曲、配線密度高永旺彩票下载、厚度薄等特點永旺彩票下载,成為滿足電子產品小型化和移動要求的惟一解決方法永旺彩票下载。在FPC表面有一層樹酯薄膜永旺彩票下载,起到線路保護和阻焊等的作用,其主要成分為聚酰亞氨(Polyimide永旺彩票下载,PI),工業界又稱之為PI覆蓋膜,它是主鏈上含有酰亞胺環(-CO-NH-CO-)的一類聚合物,其中以含有酞酰亞胺結構的聚合物最為重要永旺彩票下载。PI覆蓋膜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,廣泛用于航空永旺彩票下载、兵器、電子、電器等精密機械方面永旺彩票下载。

隨著激光技術的發展,使用激光切割FPC與PI覆蓋膜逐漸取代傳統的模切。激光切割屬于無接觸加工,無需價格昂貴的模具永旺彩票下载,生產成本大大降低,聚焦后的光斑可僅有十幾微米,能夠滿足高精度切割和鉆孔的加工需求永旺彩票下载,這一優勢正迎合電路設計精密化的發展趨勢永旺彩票下载永旺彩票下载,是FPC、PI膜切割的理想工具。

基本加工原理:為什么選紫外、為什么選短脈寬

當前用在FPC、PI膜切割的激光器主要為納秒級固體紫外激光器永旺彩票下载,波長一般為355nm永旺彩票下载,相對于1064nm紅外和532nm綠光,355nm紫外有更高的單光子能量,材料吸收率更高,產生的熱影響更小,實現更高的加工精度永旺彩票下载。脈沖激光切割材料分為兩種原理,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,打斷材料某些化學鍵來實現切割永旺彩票下载;另一種是光物理原理,當激光單光子能量低于材料化學鍵鍵能時,依靠聚焦光斑處非常高的能量密度,超過材料的氣化閾值,從而瞬間氣化材料,實現材料的切割永旺彩票下载。在PI膜的化學鍵結構中,常態下C-C鍵和C-N鍵的鍵能分別為3.45eV 和3.17eV,而355nm紫外激光的單光子能量為3.49eV永旺彩票下载,高于常態下C-C鍵和C-N鍵的鍵能永旺彩票下载,可直接破壞材料的化學鍵[1]永旺彩票下载。但實際在用紫外激光切割FPC或PI膜的應用中,上述兩種切割原理同時存在,在光物理效應中永旺彩票下载,會有熱量的產生和積累永旺彩票下载,材料溫度不斷上升。研究表明[2],當 PI 材料溫度高于600℃時,相對于 C元素永旺彩票下载,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,即材料發生碳化。材料吸收激光能量轉化為熱能的擴散距離公式 L = [4Dt]^1/2永旺彩票下载,其中 D為材料熱擴散率,t為激光脈寬。由此可知當材料一定時,激光脈寬越大,激光產生的熱能在材料上的擴散距離越大永旺彩票下载,也就是說對材料的熱損傷越大。



實驗驗證脈寬對切割效果的影響

本實驗所采用的PI覆蓋膜厚度為30±2μm,拉伸強度≥160 MPa,熱分解溫度≥500℃。對比單脈沖能量為20uJ,脈寬分別為42ns、21ns以及11ns的切割效果。實驗中保持OVERLAP一致,切割次數2次永旺彩票下载,實驗檢測設備為奧利巴斯BX51光學顯微鏡永旺彩票下载。



圖1為表面熱影響及粉塵對比,可以明顯發現脈寬越長,切割道附著的粉塵以及顆粒會越多,而這些粉塵很容易附著在電路上從而引起短路。圖2為切割后底部膠層熱影響對比,脈寬為42ns時的熱影響約為22.7μm永旺彩票下载;而脈寬為21ns以及11ns時切割后底部基本看不到膠層的熔融永旺彩票下载。通過以上實驗發現脈寬越短越有利于覆蓋面的加工。



全新高頻短脈寬納秒紫外激光器

為滿足FPC、PI膜切割行業對更少碳化和更快效率的要求永旺彩票下载,英諾激光在舊款AWAVE系列15W@50KHz納秒紫外激光器的基礎上,推出了新一代高頻短脈寬納秒紫外激光器FORMULA系列15W@50KHz永旺彩票下载。該款激光器有如下特點:

1.頻率更高。最高頻率可達300K,在200K時最大功率有5.8W,300K時最大功率有2.6W。與AWAVE 15W@50KHz激光器功率的對比可見圖3永旺彩票下载。

2.脈寬更窄。最小脈寬僅11ns,150K下脈寬也只有24ns,相比舊款窄了20ns永旺彩票下载。與AWAVE 15W@50KHz激光器脈寬的對比可見圖4。

3.光束質量優秀,M2<1.2,光斑圓度>90%,性能穩定可靠,同時具有突出的性價比。

4.一體化緊湊型設計,將控制箱和激光頭合二為一,更加便于設備集成。

FPC、PI膜的切割需要的是高頻高速與短脈寬,AWAVE 15W@50KHz受限于頻率較低,速度無法加快,并且脈寬較大,所以無法滿足更高的質量要求。而FORMULA 15W@50KHz則彌補了這一不足,有效提升了切割質量。



FORMULA 15W@50KHz與AWAVE 15W@50KHz激光器切割效果對比

我們分別針對PI 和FPC做了對比,圖5為兩款激光器切割PI膜外觀效果對比圖,從切割外觀結果可以看出FORMULA 15W@50KHz切割效果要明顯好于AWAVE 15W@50KHz。



圖5 兩款激光器切割PI膜外觀效果對比

圖6為兩款激光器切割0.16mm厚FPC外觀效果對比圖。憑借FORMULA 15W@50KHz激光器短脈寬與高頻率下的高速度,FPC的切割質量更好永旺彩票下载,熱影響相比舊款減小了約26%,同時有效切割速度從50mm/s提高到70mm/s,提高了約40%。



總結

本文主要闡述了納秒紫外激光切割FPC與PI覆蓋膜的原理及特性,針對該應用更小熱影響及更快效率的需求,我們推出FORMULA 15W@50KHz高頻短脈寬納秒紫外激光器。分別做了新舊兩款激光器切割PI覆蓋膜與FPC的實驗對比,結果表明永旺彩票下载,依靠更短脈寬和更快的切割速度,FORMULA 15W@50KHz激光器的切割效果有明顯改善,熱影響更小,同時切割效率也有較大提高永旺彩票下载永旺彩票下载。


參考文獻

[1] 張菲, 段軍, 曾曉雁,等. 355nm紫外激光加工柔性線路板盲孔的研究[J]. 中國激光, 2009, 36(12):3143-3148.

[2] 張鵬, 遲偉東, 沈曾民. 高溫炭化對聚酰亞胺(PI)薄膜結構與性能的影響[J]. 炭素技術, 2008, 27(6):10-12.



該論文由深圳市海外高層次人才資金資助(項目編號:KQTD20130417155348471)

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