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绿光纳秒脉冲激光器快速切割柔性PCB
材料来源:LFWC           录入时间:2023/9/6 23:50:47

对于要求不太严苛的工艺,绿光纳秒激光器能以高重复频率、高产量对各种厚度的FPCB实现高质量切割,且成本较低。 

柔性印刷电路板(FPCB)的广泛应用,促进了多功能移动设备的开发。FPCB 已经用在有机发光二极管(OLED)显示屏、智能手机、可穿戴设备、笔记本电脑、平板电脑以及医疗器械和汽车部件中。它们为微型化组件和复杂互连,提供了一种有吸引力的解决方案,同时又能保持良好的可靠性和使用寿命。因此,FPCB的应用非常广泛,而这些应用的加工要求又各不相同。这些要求让类型各异的加工设备有了用武之地。

对于高质量、高精度、高速度的切割和钻孔,紫外(UV)激光器已成为加工FPCB 和复杂PCB的首选工具。同时实践也证明,绿光纳秒激光器非常适合某些领域,例如切割复杂程度较低的FPCB和厚度较大的FR4(耐燃材料)。绿光纳秒激光器的总体成本(初始成本和拥有成本)较低,并且激光器本身和系统光学元件的寿命较长,因此对于一些要求不太严苛的工艺,绿光纳秒激光器是值得考虑的选择。此外,绿光纳秒激光器能够以高重复频率产生相对较高的功率,利用这一特性可以提高产量。

尽管绿光纳秒激光器的价值非常明显,但人们对用其切割FPCB材料的技术可行性,仍然存在疑问。FPCB材料主要由铜(Cu)和聚酰亚胺(PI)薄膜层压板组成。绿光波长在铜中的吸收率与紫外光类似,因此预期性能相近。然而,绿光在PI中的吸收率要低得多,因此在材料基体中的传播距离更远。这导致其切割过程与紫外激光迥然相异。相比于紫外光消融,绿光更多的是热切割,但由于其照射体积较大,因此往往能提高加工产量。

绿光纳秒激光器切割FPCB

为了研究绿光纳秒激光器切割FPCB的能力,使用Spectra-Physics Talon® GR70高功率绿光纳秒激光器进行实验,优化工艺并确定可能实现的质量和产量。

Talon GR70激光器在275kHz的脉冲重复频率(PRF)下,可提供70W的平 均功率;并且能够在最高700kHz的频率下,以高输出功率(>62W)运行。此外,纳秒脉冲宽度也相对较短,从而使得激光器可以灵活操作,对于多种材料类型和厚度均可实现最佳效果。

为证明这一点,使用这款激光器切割三种不同的Cu/PI/Cu FPCB薄膜层压板。每种层压板的正面和背面铜箔厚度均为约12.5µm,但内层PI膜的厚度各不相同,分别为12µm、25µm和50µm。因此,三种层压板的总厚度分别为约 37µm、50µm和75µm。图1所示为层压板的单次切割速度,以及实现这些 速度所用的激光器操作参数。 

图1中的结果,是使用双轴扫描检流计和约16µm(1/e2直径)的聚焦光束得到的。这些数据表明,使用高功率绿光激光器可以实现很高的切割速度,切割最薄板的速度可达2m/s,切割最厚板的速度接近1m/s。

对于厚度约为37µm的Cu/PI/Cu层压板,最佳切割参数为700kHz、63W;而对于厚度约为50µm和75µm的Cu/PI/Cu层压板,最佳切割参数分别为625kHz、64.5W和600kHz、65W。很显然,较厚的层压板适合选用较高的脉冲能量和较低的脉冲重复频率;而较薄的层压板则适合选用较低的脉冲能量和较高的速率。

一般而言,理想的工艺优化需要改变聚焦情况,以适应不同材料的厚度。然而,如果所用的激光器能够在宽PRF范围内提供高功率输出,这一需求便容易满足。因此,在受到固定光斑尺寸限制的情况下,可以在较大的厚度范围内实现较高的切割速度。 

由于具备宽PRF范围,Talon GR70激光器对于所有三种层压板的切割质量均十分出色。在图2中可以明显看到,切口的入射面和出射面质量都非常好。

图2:三种不同厚度的FPCB层压材料的切口入射面(上图)和出射面(下图) 的显微镜图像。

如图2显示,入射面和出射面的切口均干净利落,热影响区(HAZ)很小。特别值得一提的是,没有碎片和熔融材料产生,并且在较宽的(2×)材料厚度范围内,外观较为均匀。总体而言,质量接近使用紫外波长切割时的一般情况。

对切口侧壁进行横截面显微镜检查,可以进一步评估切割质量。从图3(50µm 层压板的切口)中可以看到,铜的烧蚀相对平滑,与入射面和出射面处观察到的一致。虽然PI层表面仍然显示出了一定程度的不均匀,但程度较为轻微,这可能是由于烧蚀机制的某种热性质所导致的。最关键的是,在Cu/PI界面没有分层或其他过多的热影响区。 

图3:使用Talon GR70激光器切割厚度50µm的FPCB层压板的切口横截面视图。

对于不是一定要求最高质量的FPCB分板、或是沿最终器件外周进行的切单,绿光纳秒激光器提供了一种成本效益高、产量高的选择。在这些情况下,由于切割质量并非首要考虑因素,加工工具本身的灵活性通常都很有吸引力。事实证明,Talon GR70激光器是一种非常灵活的工具,能够以高PRF和高产量对各种厚度的层压板进行高质量切割。 

Talon紫外和绿光激光器

Talon系列紫外和绿光半导体泵浦固态(DPSS)调Q激光器,在性能、可靠性和成本方面实现了完美结合。Talon基于Spectra-Physics的It’s in the Box 设计,将激光器和控制器集成到一个极小的封装中。Talon可在运行数万小时后,保持较高的脉冲对脉冲稳定性和出色的TEM00模式质量。

Talon 激光器经过专门设计,非常适合全天候制造环境中的微加工应用,系统正常运行时间对此类环境至关重要。获得广泛的功率和波长范围,可以带来极大优势,而全面的Talon产品组合,恰恰能够提供这一优势。Talon具有优异的性价比,在不影响功能、性能或可靠性的前提下,提供低拥有成本。

文/MKS Instruments


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