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工业应用
针对特定材料的激光轮廓烧蚀,简化了柔性 PCB 快速钻孔过程
材料来源:MKS 光电解决方案           录入时间:2024/6/25 23:07:57

随着智能手机和手表等小型移动电子设备、可穿戴设备以及新近先进汽车电子设备的普及,柔性印刷电路板(FPCB) 制造中,铜/聚酰亚胺/铜 (Cu/PI/Cu) 层压板激光微钻孔成为一项常见而又关键的工艺。所谓盲孔,就是将顶部铜箔和下面的聚酰亚胺层干净地去除,留下损伤超小的底部铜层,这个基准流程确定激光钻孔技术适用性。加工盲孔中的主要挑战包括尽可能减少顶部铜开口处的毛刺以及对裸露底部铜层的损坏。此外,由于竞争激烈的微电子制造市场需要进行大量的钻孔加工,高产量是另一硬性要求。随着孔径的缩小和产量的提高,紫外半导体泵浦固态 (UV DPSS) 和/或紫外主控振荡器功率放大器 (MOPA) 激光器的使用越来越广泛。

成功的盲孔通常需要两个步骤:步骤 1(顶部铜层开口)和步骤 2(中间聚酰亚胺薄膜烧蚀), 这两步分别采用不同的优化激光参数。12/25/12 µm Cu/PI/Cu 层压板中直径为 50 µm 的孔,如下面图 1 所示。

图 1. 常见 FPCB Cu/PI/CU 层压板中的两步盲孔加工工艺示意图。

由于铜和聚酰亚胺具有重要的工业意义,因此位居激光材料加工中研究较深入的材料之列。铜的去除需要相对较高的能量密度(光通量,单位为 J/cm2),并且在熔融铜重新凝固时容易形成毛刺。由于需要较高的光通量,因此很难用通常可用的激光脉冲能量去除大面积铜(数 10 微米以 上),而且容易形成毛刺,这也给铜电镀和层压板堆叠等下游工艺带来了挑战。

另一方面,聚酰亚胺能强烈吸收紫外波长,因此经过光化学烧蚀(“光烧蚀”)后,紫外激光能够产生热影响最小的高质量形貌。同时聚酰亚胺是一种热弹性聚合物,因此可使用一系列的光通量值,在避免熔化、碳化或其他热效应的同时,实现从温和到非常强烈的烧蚀。另外,良好的烧蚀效果通常出现在低到中等的光通量水平,但是烧蚀率(每脉冲深度) 也往往偏低。因此,如果激光源能在较宽的脉冲重复频率 (PRF) 范围内以较高的平均功率工作,既能获得较高的脉冲能量,也能获得较低的脉冲能量,并能对这两种能量进行快速编程,有助于获得出色的Cu/PI/Cu 层压板钻孔效果,同时实现高质量和高产量。

MKS Spectra-Physics® Talon® Ace UV100 激光器可实现上述目标:这款激光器能够在宽泛的脉冲能量和 PRF 范围内,提供 100 W 的紫外功率,包括 200 kHz 时的 500 µJ、 1 MHz 时的 100 µJ、以及介于两者之间的一系列值。脉冲宽度可选,范围从 <2 ns 到 >50 ns,内置功能强大的TimeShift 可编程脉冲技术,可实现脉冲时间整形和定制脉冲串输出。

我们使用 2 轴振镜扫描仪/f-theta 物镜系统测试了 Talon Ace 在 12/25/12 µm Cu/PI/Cu FPCB 层压板上的两步钻孔工艺。聚焦条件为基本高斯光束,没有使用平顶式或其他整形光学元件。另外我们使用了标准 f=330 mm 物镜,来测试近似 50 µm 的孔直径,并针对形成微孔所需的两个步骤中的每个步骤, 优化激光的脉冲时间输出。图 2(a、b、c)显示了步骤 1 (铜开口)中孔特征的显微镜图像和 3D 光学表面轮廓分析图。

图 2. 步骤 1 铜开口,(a) TimeShift 优化后的激光输出,(b) 单个 10 ns脉冲输出, (c) 单个 2 ns 输出,每个输出的曝光时间为 40 µs。

图 2a 所示的 Talon Ace 的 TimeShift 优化结果是定制脉冲串输出,完全可编程,可获得出色的边缘质量(<2 µm 毛刺)和干净的铜去除效果,仅需 40 µs 的曝光时间(在 150 kHz PRF 下,只需 7 个脉冲串)即可打穿底层聚酰亚胺。开口边缘的碎屑和氧化物十分少,这表明整体加热程度较低,而高效利用了可用的脉冲能量。当使用完全相同的功率、PRF 和曝光时间(图 2b)与单个 10 ns 脉冲时,结果是铜去除不彻底、毛刺较高、碎屑和氧化明显增多。这些在激光参数完全相同的情况下产生的明显不同的加工效果,证实了 TimeShift 脉冲可编程在钻孔加工中的优异价值。最后,图 2c 显示了使用 2 ns 超短脉冲宽度时的结果。尽管铜被去除,但孔径减小,边缘毛刺之大(>10 µm),令人无法接受。

确定了步骤 1 的优化参数后,剩下的步骤 2(聚酰亚胺去除)就相对简单了,因为我们已经知道:(A)无需对脉冲进行整形,就能得到很好的质量,(B)要达到优异质量,就需要低光通量,因此低脉冲能量是佳选。因此,Talon Ace 以超高 PRF 运行,以维持 100 W 平均功率输出(1 MHz 和 2 ns 脉宽)。图 3 显示了一个完整的微盲孔,在步骤 1 和步骤 2 中使用独特的 TimeShift 脉冲输出曲线进行加工。

图 3. Talon Ace UV100 采用两步法钻出直径约 50 µm 微孔的光学显微镜(a) ,和光学表面轮廓分析图像(b)。

与仅采用步骤 1 的结果相比,顶部铜开口(图 3a,顶部) 的质量与步骤 1 相同或略有提高,裸露的底部铜层(图 3a,底部)的质量同样出色。值得注意的是,步骤 2 中使用的短脉冲、低能量输出也有利于使底部铜层最小。这就允许了更大的公差和一定量的过度加工,以确保完全去除聚酰亚胺。光学分析图像证实,在聚焦高斯光束的中心位置,毛刺十分小(图3b,上图)且底部铜层的去除也非常轻微(图 3b,下图)。

去除聚酰亚胺所需的时间确定为 45 µs,即 1 MHz 下的 45 个脉冲。整个激光加工时间(步骤 1 和步骤 2 的总和) 为 40 + 45 = 85 µs,相当于每秒 > 11700 个孔。这是一个纯理论数字,不包括在孔位置之间移动所需的时间。先使用步骤 1 的参数,然后,再使用步骤 2 的参数钻出整个孔图案,中间仅切换一次激光输出的情况下,激光所能达到的吞吐量。使用 Talon Ace UV100 时的脉冲输出切换速度也非常快(仅需 10 微秒),因此可以在钻完每一个孔后再进行下一个钻孔,钻孔速度非常高,接近 10000 孔/秒。

由于烧蚀铜和聚酰亚胺的首选激光参数存在差异,因此在 Cu/PI/Cu FPCB 层压板上进行盲孔钻孔特具挑战性。尽管 UV DPSS 激光器在这项任务中的应用非常广泛,但它们通常都配有昂贵而复杂的光束整形和扫描设备。Talon Ace UV100 和 TimeShift 脉冲编程技术建立了在时域中形成脉冲能量的新机制,实现了快速、精确的特定材料工艺加工。

优异的产品性能

  • Talon Ace UV100 的高平均功率和高质量高斯光束,可实现高速微孔加工,非常适用于柔性 PCB 制造。
  • TimeShift 可编程脉冲功能可调整 Talon Ace 的输出,以匹配叠层中每种材料的理想脉冲能量和时间强度曲线。
  • 使用 TimeShift 技术解决了的工艺难题包括铜边去毛刺、背面铜损伤以及聚酰亚胺相对较低的烧蚀率。
  • Talon Ace 能够在 10 微秒内快速改变脉冲时间输出曲线,这一特殊功能,减少或消除了对昂贵而复杂的光束整形和扫描设备的需求。

文章来源:MKS 光电解决方案

注:文章版权归原作者所有,本文仅供交流学习之用,如涉及版权等问题,请您告知,我们将及时处理。


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