红外皮秒加工FPC覆盖膜的工艺研究

(深圳技师学院 广东 深圳 518000)

柔性线路板(FPC，Flexible Printed Circuit)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。

图1 FPC覆盖膜的结构

在FPC中，覆盖膜的作用如下：

(1)保护铜箔不暴露在空气中，避免铜箔的氧化；

(2)为后续的表面处理进行覆盖，如不需要镀金的区域用PI覆盖起来；

(3)在后续的表面贴装工序中，阻焊作用。

因此，在工业生产中要求对覆盖膜相应的位置进行窗口切割，同时不同电子线路所要求的覆盖膜切割窗口的尺寸和类型都不一样。目前FPC覆盖膜大批量生产所采用的工艺为传统冲压方法，该工艺存在精度低、耗费人力物力，且加工环境粉尘和噪音污染较大等问题。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。

激光切割材料有两种实现方式，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，通过打断材料某些化学键来实现切割，紫外激光切割PI覆盖膜则用的是这种原理。

另一种是光物理原理，即当一定能量的激光照射在材料上时，一部分激光光子会被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能级将发生跃迁，称之为分子运动。

而材料的分子运动将产生热，即将吸收的光能转化为热能，当材料分子的热能聚集达到其气化阈值时，材料分子将脱离原来的位置，使分子链断裂，最终将材料在激光吸收位置分割为两个部分，从而实现激光对材料的切割。

1064nm红外波长激光的单光子能量约1.2EV，小于大多数材料的化学键键能，因此红外波长激光加工材料的机理一般为光物理原理。

本文利用1064nm红外皮秒脉冲激光对FPC覆盖膜进行烧蚀实验，研究了工艺参数对覆盖膜去除过程中的热影响区的影响，得到最优的工艺参数。通过优化切割参数来提高切割质量，从而为皮秒激光切割覆盖膜学术研究与工业应用提供参考。

实验中采用的切割系统如图2所示，系统采用美国光波公司的红外皮秒激光器，通过三维扫描振镜实现Z方向自动聚焦，使用负压吸附覆盖膜，实验采用金相显微镜观察热影响区。

图2 红外皮秒激光切割机结构

切割系统使用的激光波长为1064nm，脉宽为7ps，最大平均功率为45W，重复频率为60KHZ-1MHz，通过三维扫描振镜聚焦后光斑直径为50um，振镜最高扫描速度为20m/s。

实验方法如图3所示，将FPC覆盖膜置于激光焦平面上，分别研究平均功率、扫描速度、重复频率对热影响区的影响。

图3 覆盖膜切割示意图

一、平均功率对切缝宽度的影响

图4是当重复频率为80KHz、扫描速度为200mm/s时，平均功率与切缝宽度的关系。由表1可以看出，当平均功率增加时，切缝宽度逐渐变大。由于在重复频率、扫描速度不变时，随着平均功率的增加，单脉冲能量也增大，达到材料烧蚀阈值的能量也更多，去除材料后剩余的能量也越多，导致能量的积累越多，使得热损伤相应的增加，从而热影响区增大。观察切割后的覆盖膜，发现本台激光器的最低功率已经能将覆盖膜切透，所以，选择10%的功率进行切割即可。

表1 切缝宽度跟平均功率的对应关系

图4功率10% 重频：80KHZ，速度：200mm/s

二、重复频率对热影响区的影响

图5是平均功率为40w、扫描速度为250mm/s时，重复频率与切割宽度的关系，在表2中，重复频率为60KHz-360KHZ时切割宽度随着重复频率的变大先变大后变小。主要是因为在平均功率、扫描速度不变时，随着频率的增加，相邻脉冲的时间越短，积累的热量也越多，使得热损伤相应的增加，从而热影响区增大。当频率增加到一定值时，随着频率增加，单脉冲能量减少，使得热损伤减小。

表2 切缝宽度跟重复频率的对应关系

图5功率40% 重频：360KHZ，速度：250mm/s

三、扫描速度对热影响区的影响

图6是在平均功率为40%、重复频率为120KHz时，扫描速度与切割宽度的关系。由表3可知，随着扫描速度的增大，切割宽度变小，热影响区减小。这主要是因为在扫描速度较低时，单位时间内获得的能量大，在扫描过程中累积热量多，导致严重的热损伤，表现出热影响区由表3可知，当扫描速度为350mm/s时，此时热影响区最小。

表3 切缝宽度跟扫描速度的对应关系

图6功率40% 重频：120KHZ，速度：350mm/s

结论

(1)皮秒激光切割覆盖膜时，随着平均功率的增加，热影响区逐渐增大；

(2)重复频率为360KHz时，热影响区最小，热影响区随着重复频率的增加先增大后减小；

(3)热影响区随着扫描速度的增大逐渐减小，当扫描速度为350mm/s时，热影响区达到最小值；

(4)优化后的工艺参数为平均功率4.5w、重复频率360KHz、扫描速度350mm/s。