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紫外激光切割FPC、PI膜切割速度與效果研究

發(fā)布時間:2019-03-19 來源:元祿光電

在電子產(chǎn)品向高密度、小型化、高可靠方向發(fā)展的背景下,柔性線路板(FPC)因?yàn)槠淇梢宰杂蓮澢?、配線密度高、厚度薄等特點(diǎn),成為滿足電子產(chǎn)品小型化和移動要求的惟一解決方法。在FPC表面有一層樹酯薄膜,起到線路保護(hù)和阻焊等的作用,其主要成分為聚酰亞氨(PolyimidePI),工業(yè)界又稱之為PI覆蓋膜,它是主鏈上含有酰亞胺環(huán)(-CO-NH-CO-)的一類聚合物,其中以含有酞酰亞胺結(jié)構(gòu)的聚合物最為重要。PI覆蓋膜在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。

 

隨著激光技術(shù)的發(fā)展,使用紫外激光切割FPCPI覆蓋膜逐漸取代傳統(tǒng)的模切。紫外激光切割屬于無接觸加工,無需價格昂貴的模具,生產(chǎn)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,這一優(yōu)勢正迎合電路設(shè)計精密化的發(fā)展趨勢,是FPCPI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(dāng)前用在FPC、PI膜切割的紫外激光切割機(jī)主要為納秒級固體紫外激光器,波長一般為355nm,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(chǎn)生的熱影響更小,實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。脈沖紫外激光切割材料分為兩種原理,一種是光化學(xué)原理,利用激光單光子能量達(dá)到或超過材料化學(xué)鍵鍵能,打斷材料某些化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)切割;另一種是光物理原理,當(dāng)激光單光子能量低于材料化學(xué)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(shí)現(xiàn)材料的切割。在PI膜的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中,常態(tài)下CC鍵和CN鍵的鍵能分別為3.45eV 3.17eV,而355nm紫外激光切割設(shè)備的單光子能量為3.49eV,高于常態(tài)下CC鍵和CN鍵的鍵能,可直接破壞材料的化學(xué)鍵。但實(shí)際在用紫外激光切割FPCPI膜的應(yīng)用中,上述兩種切割原理同時存在,在光物理效應(yīng)中,會有熱量的產(chǎn)生和積累,材料溫度不斷上升。研究表明,當(dāng) PI 材料溫度高于600℃時,相對于 C元素,NO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。材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式 L = [4Dt]^1/2,其中 D為材料熱擴(kuò)散率,t為激光脈寬。由此可知當(dāng)材料一定時,激光脈寬越大,激光產(chǎn)生的熱能在材料上的擴(kuò)散距離越大,也就是說對材料的熱損傷越大。

 

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證脈寬對切割效果的影響

本實(shí)驗(yàn)所采用的PI覆蓋膜厚度為30±2μm,拉伸強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中保持OVERLAP一致,切割次數(shù)2次,實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備為奧利巴斯BX51光學(xué)顯微鏡。

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1為表面熱影響及粉塵對比,可以明顯發(fā)現(xiàn)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;而脈寬為21ns以及11ns時切割后底部基本看不到膠層的熔融。通過以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈寬越短越有利于覆蓋面的加工。

 

高頻短脈寬納秒紫外激光器

為滿足FPC、PI膜切割行業(yè)對更少碳化和更快效率的要求,采用高頻率、窄脈寬紫外激光切割機(jī)。該款設(shè)備有如下特點(diǎn):

1.頻率更高。最高頻率可達(dá)300K,在200K時最大功率有5.8W,300K時最大功率有2.6W。

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。

3.光束質(zhì)量優(yōu)秀,M2<1.2,光斑圓度>90%,性能穩(wěn)定可靠,同時具有突出的性價比。

4.一體化緊湊型設(shè)計,將控制箱和激光頭合二為一,更加便于設(shè)備集成。

 

分別采用普通固體紫外激光切割機(jī)與高頻率、窄脈寬紫外激光切割機(jī)加工效果對比,分別針對PI FPC做了對比,圖5為兩款紫外激光切割PI膜外觀效果對比圖,從切割外觀結(jié)果可以看出高頻率、窄脈寬紫外激光切割效果要明顯好于普通固體紫外激光切割機(jī)。

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4為兩款紫外激光切割機(jī)切割0.16mmFPC外觀效果對比圖。憑借短脈寬與高頻率下的高速度,FPC的切割質(zhì)量更好,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%。

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總結(jié)

本文主要闡述了納秒紫外激光切割FPCPI覆蓋膜的原理及特性,針對該應(yīng)用更小熱影響及更快效率的需求,我們采用高頻、窄脈寬納秒紫外激光切割機(jī)。分別做了普通與高頻、窄脈寬紫外激光切割機(jī)加工PI覆蓋膜與FPC的實(shí)驗(yàn)對比,結(jié)果表明,依靠更短脈寬和更快的切割速度,高頻率、窄面寬紫外激光切割機(jī)的加工效果有明顯改善,熱影響更小,同時切割效率也有較大提高。武漢元祿光電dlhongfeng.cn

 

來源:激光制造網(wǎng)

 

推薦設(shè)備:紫外激光切割機(jī)

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