它是一種分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)的耐高溫聚合物，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等，被廣泛應(yīng)用于航空、兵器、電子、電器等精密電子領(lǐng)域。

 

在 FPC 的實(shí)際生產(chǎn)過程中，因工藝過程需要，需在 PI 覆蓋膜表面涂布一層半固化態(tài)的環(huán)氧樹酯粘合劑，在粘合劑表面貼一層離型紙以保護(hù)粘合劑不被污染，因此用于 FPC 的 PI 覆蓋膜已不只是一種單組分的材料，它至少是含有兩種化學(xué)材料的復(fù)合薄膜（如圖 1）。

 

圖1.PI覆蓋膜結(jié)構(gòu)

 

PI 覆蓋膜在與 FPC線路層貼合前，需根據(jù)線路設(shè)計(jì)要求，在相應(yīng)位置切割大小、形狀不同的窗口（行業(yè)內(nèi)亦稱為PI膜開窗）。在過去很長一段時(shí)間，PI膜的切割主要用傳統(tǒng)的模切方式實(shí)現(xiàn)，該工藝存在加工精度低、制造成本高等問題，且隨著電子電路設(shè)計(jì)向小型化和高密度化發(fā)展，傳統(tǒng)的模切方式已日漸不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

 

利用激光進(jìn)行PI 覆蓋膜切割，不僅切割精度高，還可省去高額的模具費(fèi)用，產(chǎn)品合格率亦高，能夠大大降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；激光采用的是無接觸式加工，如激光光源的選型以及工藝方法得當(dāng)，則不會對加工材料造成如模切方式產(chǎn)生的拉伸變形、壓傷等損傷；因激光的聚焦光斑僅有幾十微米，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度線路和微孔的加工，這一優(yōu)勢正迎合了電路設(shè)計(jì)的發(fā)展步伐，是PI 覆蓋膜開窗最理想的加工工具。

 

目前，用于 PI覆蓋膜切割的激光器主要為納秒級的全固態(tài)紫外激光器，其波長一般為355nm，單光子能量約為 3.5EV，在PI的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中，C－C 鍵和C－N鍵的化學(xué)鍵的鍵能約為3.4EV，略低于355nm波長紫外激光的單光子能量，當(dāng)該波長的紫外激光作用在材料上時(shí)，可直接將這兩種化學(xué)鍵打斷，這亦是紫外激光能夠切割PI材料的原因。雖然紫外激光相較于傳統(tǒng)的模切方式更前進(jìn)了一步，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在一些問題：1.紫外激光的光子能量在達(dá)到或高于材料化學(xué)鍵的鍵能的同時(shí)，其能量密度亦達(dá)到材料的熱損傷閾值，當(dāng)激光與材料相互作用時(shí)，已不僅只是光化學(xué)作用，還存在光熱轉(zhuǎn)換及傳遞過程，隨著熱量的產(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(shí)，相對于 C元素，N和O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，碳化的材料極易造成線路間的短路，尤其是微短路，不僅給產(chǎn)品維修檢測帶來很大困難，而且影響產(chǎn)品合格率，雖然在實(shí)際應(yīng)用過程中可通過優(yōu)化工藝參數(shù)減小碳化的程度，但仍難做到絕對的保障，圖2 為使用紫外激光器通過優(yōu)化工藝參數(shù)做的厚度分別為 0.5mil和1mil的 PI膜開窗的圖例，在 50 倍放大狀態(tài)下，仍可見有輕微碳化現(xiàn)象；2.目前市面上的紫外激光器的脈沖寬度均為納秒級別，其單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為10^-9S，根據(jù)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為激光脈沖寬度，由此可知當(dāng)材料一定時(shí)，激光脈沖寬度越大，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，當(dāng)在加工高密度孔時(shí)，極易導(dǎo)至孔與孔之間 PI材料的熱變形，甚至是熔斷；3.現(xiàn)在市面上主流的紫外激光器為全固體結(jié)構(gòu)，該類激光器普遍存在長期工作不穩(wěn)定、需做周期性調(diào)校的缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中不僅影響生產(chǎn)效能，而且維護(hù)成本較高。

 

圖2.紫外激光 PI 膜開窗(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil厚)

 

皮秒光纖激光器是在超快激光基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代激光器，尤其是近年來光纖器的研制成功，標(biāo)志著激光技術(shù)的一次飛躍進(jìn)步，與固體納秒激光相比，皮秒光纖激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.激光脈沖寬度更窄，僅為 10^-12S，從上述材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式可知，這將大大減小激光加工材料時(shí)的熱擴(kuò)散距離，降低激光對材料的熱損傷；2.因脈沖寬度變窄，激光單脈沖峰值功率成倍增加，提升了激光加工材料的能力；3.光纖激光器以細(xì)小的光纖作為激光的傳輸和放大介質(zhì)，與固體放大結(jié)構(gòu)相比，不僅工作穩(wěn)定，免除了周期性的調(diào)校工作，降低了維護(hù)成本，而且結(jié)構(gòu)小巧，制造成本相對較低。表1是量澤激光公司研制的光纖器與目前市面上主流的納秒級固體紫外激光器的參數(shù)對照：

 

 

激光切割材料有兩種實(shí)現(xiàn)方式， 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，通過打斷材料某些化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)切割，上述紫外激光切割 PI覆蓋膜則用的是這種原理；另一種是光物理原理，即當(dāng)一定能量的激光照射在材料上時(shí)，一部分激光光子會被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能級將發(fā)生躍遷，稱之為分子運(yùn)動，而材料的分子運(yùn)動將產(chǎn)生熱，即將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)材料分子的熱能聚集達(dá)到其氣化閾值時(shí)，材料分子將脫離原來的位置，使分子鏈斷裂，最終將材料在激光吸收位置分割為兩個(gè)部分，從而實(shí)現(xiàn)激光對材料的切割。1064nm紅外波長激光的單光子能量約1.2EV，小于大多數(shù)材料的化學(xué)鍵鍵能， 因此紅外波長激光加工材料的機(jī)理一般為光物理原理。 從對照表上可以看出，雖然量澤皮秒光纖激光器的功率僅為納秒激光器的1/2，但脈沖寬度卻只有納秒的 1/400，峰值功率達(dá)到納秒激光的10倍。從上述激光作用于材料時(shí)熱能的擴(kuò)散距離公式可知，相對于同種材料，激光脈沖寬度越窄，激光熱能的擴(kuò)散距離就越小，材料中能量吸收與能量擴(kuò)散之間的比例就越大，材料溫度上升速度就越快，在獲取相同熱能下所需的時(shí)間越短，激光在材料上的熱作用時(shí)間也越短，對材料的熱損傷就越小；同時(shí)峰值功率的大幅提升，加快了材料溫度上升的速度，使達(dá)到氣化閾值的時(shí)間越短，加工時(shí)對材料的熱損傷越小。于此，為驗(yàn)證這一理論，我們使用表1中的量澤皮秒光纖激光器對切割 PI覆蓋膜的工藝進(jìn)行了研究。

 

首先，我們在 0.5mil厚度的 PI覆蓋膜上做切割3mm*3mm方孔試驗(yàn)，本試驗(yàn)的目的主要是：1.驗(yàn)證試驗(yàn)激光器切割 PI覆蓋膜的能力；2.驗(yàn)證量澤皮秒光纖激光器切割 PI 覆蓋膜的熱損傷情況。如圖 3所示，將切樣在 50倍放大狀態(tài)下觀察，PI 覆蓋膜切割后邊緣很平整，下層環(huán)氧樹酯以及PI 材料本身未見有碳化現(xiàn)象。這一試驗(yàn)證明試驗(yàn)樣機(jī)具備切割PI 覆蓋膜的能力，而且由于脈寬窄，峰值高，切割時(shí)對材料的熱損傷極小，不會引起PI材料以及樹酯粘合劑的碳化不良。

 

圖3.皮秒光纖激光器PI 膜開窗(左圖為 0.5mil 厚，右圖為 1mil 厚)

 

為進(jìn)一步驗(yàn)證量澤皮秒光纖激光器切割 PI覆蓋膜時(shí)的熱損傷情況，我們在 0.5mil厚的PI 覆蓋膜上做了切割 128PIN QFP IC的試驗(yàn)。將QFP-128 IC的 PIN寬設(shè)為0.3mm，PIN間距設(shè)為 0.2mm，試驗(yàn)圖樣如圖4 所示。在切割完所有PIN孔后，PI材料仍保持很好的平整度，經(jīng)在顯微鏡下測量，切割后的PIN 間距離為 0.203mm，未有材料收縮現(xiàn)象；切口邊緣平整，無碳化不良。試驗(yàn)證明量澤皮秒光纖激光器具備在 PI覆蓋膜上加工高密度孔的能力，而且因脈沖寬度較窄，其產(chǎn)生的熱影響不會導(dǎo)致材料的收變形和碳化，能夠保證材料加工后的尺寸精度。

 

圖4.皮秒光纖激光器切割128PIN QFP IC

 

本文主要闡述了納秒紫外激光和紅外量澤皮秒光纖激光器切割 FPC PI覆蓋膜的原理及特性，通過使用自主研制的光纖紅外量澤皮秒光纖激光器對切割PI 覆蓋膜的工藝進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過上述試驗(yàn)，我們證實(shí)了紅外波長量澤皮秒光纖激光器具備 PI 覆蓋膜開窗的能力，且加工質(zhì)量較好，同時(shí)經(jīng)我們使用幾種不同參數(shù)的試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)，證明當(dāng)激光頻率一定時(shí)，脈沖能量的大小將影響切割的能力以及速度，脈沖寬度越窄，切口碳化的程度越小。