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摘要：本文對(duì)紫外激光切割PI覆蓋膜的基本原理進(jìn)行介紹，并對(duì)材料碳化的原因進(jìn)行分析，分別對(duì)單個(gè)脈沖以及多個(gè)脈沖疊加作用于PI薄膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化，在保證切割效率的同時(shí)，獲得無(wú)碳化的切割質(zhì)量。結(jié)果顯示：PI發(fā)生碳化的前提條件是單個(gè)激光脈沖產(chǎn)生足夠的熱效應(yīng)，而多個(gè)脈沖疊加所產(chǎn)生的熱積累是PI碳化的最終原因，因此，在保持較高切割效率的同時(shí)，為獲得較高的邊緣切割質(zhì)量，需采用振鏡高速多次掃描來(lái)完成材料的切割。 

1引言

柔性線路板（Flexible Printed Circuit，FPC）覆蓋膜，主要成分為聚酰亞胺（Polyimide，PI），通常工業(yè)所使用的PI薄膜借助于粘合劑附著于紙質(zhì)基底（圖1），呈卷狀儲(chǔ)藏，工業(yè)界也稱之為PI覆蓋膜，聚酰亞胺是分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)的耐高溫聚合物，具有優(yōu)異的綜合性能，而耐熱和耐輻射性能在目前工業(yè)化生產(chǎn)的高分子材料中極為突出[1]。高溫下具有突出的介電性能、機(jī)械性能、耐輻射性能和耐磨性能，廣泛用于航空、兵器、電子、電器等精密機(jī)械方面。自五十年代末發(fā)現(xiàn)了聚酰亞胺優(yōu)良熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能以來(lái)，人們對(duì)這類聚合物的研究一直很活躍。然而，難以加工和較高的制造成本卻嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。

圖1 PI覆蓋膜結(jié)構(gòu)示意圖

在FPC中，覆蓋膜的作用如下：

（1）保護(hù)銅箔不暴露在空氣中，避免銅箔的氧化；

（2）為后續(xù)的表面處理進(jìn)行覆蓋，如不需要鍍金的區(qū)域用PI覆蓋起來(lái)；

（3）在后續(xù)的表面貼裝工序中，阻焊作用。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中要求對(duì)覆蓋膜相應(yīng)的位置進(jìn)行窗口切割，同時(shí)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(chǎn)所采用的工藝為傳統(tǒng)沖壓方法，該工藝存在精度低、耗費(fèi)人力物力，且加工環(huán)境粉塵和噪音污染較大等問(wèn)題。

近些年來(lái)，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，采用全固態(tài)紫外激光器切割FPC覆蓋膜逐漸成為主流，生產(chǎn)規(guī)模也逐年擴(kuò)大。盡管如此，業(yè)內(nèi)在采用激光加工FPC覆蓋膜時(shí)，若激光器性能存在缺陷或工藝參數(shù)選擇不恰當(dāng)，極易導(dǎo)致切割邊緣發(fā)生碳化，由于碳具有導(dǎo)電性，會(huì)使后續(xù)所制作的電子元器件發(fā)生微短路，產(chǎn)品良率不高。

本項(xiàng)目主要內(nèi)容針對(duì)以上問(wèn)題，采用紫外激光器開(kāi)發(fā)出更具性價(jià)比的激光加工方案來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋膜激光加工的規(guī)模化生產(chǎn)，通過(guò)本項(xiàng)目，客戶可以節(jié)省大量人力成本，實(shí)現(xiàn)更高精度的加工，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期并節(jié)省大量成本。本項(xiàng)目也致力于推動(dòng)激光在電子行業(yè)中的應(yīng)用，本工藝將來(lái)可取代或改善無(wú)法滿足生產(chǎn)需求的工藝。

2基本加工原理

采用納秒激光作用高分子材料時(shí)，若光子能量高于材料的某些化學(xué)鍵，激光光子可以使材料的化學(xué)鍵直接斷裂，產(chǎn)生以光化學(xué)作用為主的“冷”加工過(guò)程。如圖2所示，在PI的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中，常態(tài)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，高于常態(tài)下C－C鍵和C－N鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學(xué)鍵[2]，波長(zhǎng)越短，光子能量越高，因此，相對(duì)于1064nm紅外激光和532nm綠激光，355nm紫外激光更加適合于PI薄膜的切割。

圖2 聯(lián)苯型PI的平面對(duì)稱環(huán)狀結(jié)構(gòu)

即便如此，在光子能量高于材料的化學(xué)鍵能的同事，若激光能量密度達(dá)到材料的熱損傷閾值，其相互作用不僅為光化學(xué)過(guò)程，還存在光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程，隨著熱量的產(chǎn)生和積累，材料溫度不斷上升。相關(guān)研究表明[3]，當(dāng)聚酰亞胺溫度高于600℃時(shí)，相對(duì)于C元素，N和O的比例會(huì)不斷減小，這也是紫外激光工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，PI發(fā)生碳化的原因。因此，本文的目的為在不減小加工效率的前提下盡量降低紫外激光加工過(guò)程中產(chǎn)生和積累的熱量，獲得無(wú)碳化的加工結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

本實(shí)驗(yàn)所采用的PI覆蓋膜厚度為20±2μm，拉伸強(qiáng)度≥160 MPa，熱分解溫度≥500℃。實(shí)驗(yàn)所采用的激光加工系統(tǒng)為激光應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的微加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示，該加工系統(tǒng)主要包括355nm全固態(tài)紫外激光器、光束變換系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)和真空吸附平臺(tái)，激光器的最高功率為15W。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為電子掃描顯微鏡（SEM）和奧利巴斯BX51光學(xué)顯微鏡。

圖3 激光加工系統(tǒng)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)采用脈沖激光進(jìn)行切割時(shí)，任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是多個(gè)脈沖的疊加，因此，為優(yōu)化多個(gè)激光脈沖疊加進(jìn)行切割的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須先研究單個(gè)激光脈沖對(duì)材料的作用。如圖4所示，為單個(gè)激光脈沖作用深度隨激光能量密度增加的變化曲線，由于實(shí)驗(yàn)所涉及的能量密度主要集中在1~100 J/cm2，為兼顧對(duì)高能量密度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，橫坐標(biāo)以指數(shù)形式進(jìn)行表示，結(jié)果顯示刻蝕深度HPI（μm）隨激光能量密度E（J/cm2）的上升呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，除此以外，當(dāng)激光能量密度較低時(shí)（1.13J/cm2），激光作用區(qū)域無(wú)任何熔渣和熱變形（圖5），此時(shí)僅發(fā)生了光化學(xué)作用，而激光能量密度增加到單個(gè)脈沖便可穿透材料時(shí)，激光作用區(qū)域邊緣發(fā)生明顯的熱變形，這說(shuō)明了由于激光能量密度較高，光熱作用的比重較大。相關(guān)研究表明，當(dāng)激光能量密度大于38.94J/cm2時(shí)，光熱作用占主導(dǎo)地位，且能量密度越高比重越大[4]。

圖4能量密度對(duì)單脈沖刻蝕深度的影響

圖5 單個(gè)激光脈沖燒蝕PI薄膜SEM圖片：(a)1.13J/cm2，(b)194.8J/cm2

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然顯示激光能量密度的升高直接導(dǎo)致了熱效應(yīng)的產(chǎn)生，但在單個(gè)激光脈沖作用的過(guò)程中，即使能量密度高到足以穿透材料的程度，也觀察不到材料發(fā)生明顯的碳化，因此覆蓋膜實(shí)際生產(chǎn)中的碳化是由多個(gè)激光脈沖疊加所導(dǎo)致的。如圖6所示，當(dāng)激光功率為3W時(shí)，掃描速度為100mm/s時(shí)，由于相鄰光斑間的距離過(guò)低導(dǎo)致所積累的熱量達(dá)到材料的碳化閾值，切割邊緣發(fā)生明顯的碳化，隨著振鏡掃描速度的增加，切縫不斷變窄，切割邊緣的熱影響區(qū)和熱變形的尺寸也逐漸減小，此時(shí)，由于掃描速度較高，單次掃描切割深度較淺，需進(jìn)行多次掃描方可完成材料的切割。因此，在采用紫外激光切割機(jī)切割PI覆蓋膜時(shí)，為獲得較高的邊緣切割質(zhì)量，需采用振鏡高速多次掃描來(lái)完成材料的切割。

圖6 不同掃描速度下激光切割PI顯微圖片

上述結(jié)果顯示，當(dāng)采用紫外激光器對(duì)PI覆蓋膜進(jìn)行切割時(shí)，通過(guò)重復(fù)頻率和掃描速度的優(yōu)化，可以獲得無(wú)碳化的高效率切割，由此本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)不同功率下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得如下結(jié)果，圖7顯示隨著激光功率的增加PI覆蓋膜的切割效率不斷變大，當(dāng)功率為12W時(shí)可以獲得500mm/s的加工效率。

圖7 激光輸出功率對(duì)加工效率的影響

5 小結(jié)

本文介紹了紫外激光切割覆蓋膜的基本原理和優(yōu)勢(shì)，對(duì)材料碳化的原因進(jìn)行分析，通過(guò)自主研發(fā)的高性能紫外激光器分別對(duì)PI加工過(guò)程中單個(gè)激光脈沖及多個(gè)脈沖疊加的結(jié)果進(jìn)行研究和分析，結(jié)果表明：PI發(fā)生碳化的前提條件是單個(gè)激光脈沖產(chǎn)生足夠的熱效應(yīng)，而多個(gè)脈沖疊加所產(chǎn)生的熱積累是PI碳化的最終原因，因此，在保持較高切割效率的同時(shí)，為獲得較高的邊緣切割質(zhì)量，需采用振鏡高速多次掃描來(lái)完成材料的切割。 

推薦設(shè)備：微精密UV紫外激光切割機(jī)