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      工業應用
      綠光納秒脈沖激光器快速切割柔性PCB
      材料來源:LFWC           錄入時間:2023/9/6 23:50:47

      對于要求不太嚴苛的工藝,綠光納秒激光器能以高重復頻率、高產量對各種厚度的FPCB實現高質量切割,且成本較低。 

      柔性印刷電路板(FPCB)的廣泛應用,促進了多功能移動設備的開發。FPCB 已經用在有機發光二極管(OLED)顯示屏、智能手機、可穿戴設備、筆記本電腦、平板電腦以及醫療器械和汽車部件中。它們為微型化組件和復雜互連,提供了一種有吸引力的解決方案,同時又能保持良好的可靠性和使用壽命。因此,FPCB的應用非常廣泛,而這些應用的加工要求又各不相同。這些要求讓類型各異的加工設備有了用武之地。

      對于高質量、高精度、高速度的切割和鉆孔,紫外(UV)激光器已成為加工FPCB 和復雜PCB的首選工具。同時實踐也證明,綠光納秒激光器非常適合某些領域,例如切割復雜程度較低的FPCB和厚度較大的FR4(耐燃材料)。綠光納秒激光器的總體成本(初始成本和擁有成本)較低,并且激光器本身和系統光學元件的壽命較長,因此對于一些要求不太嚴苛的工藝,綠光納秒激光器是值得考慮的選擇。此外,綠光納秒激光器能夠以高重復頻率產生相對較高的功率,利用這一特性可以提高產量。

      盡管綠光納秒激光器的價值非常明顯,但人們對用其切割FPCB材料的技術可行性,仍然存在疑問。FPCB材料主要由銅(Cu)和聚酰亞胺(PI)薄膜層壓板組成。綠光波長在銅中的吸收率與紫外光類似,因此預期性能相近。然而,綠光在PI中的吸收率要低得多,因此在材料基體中的傳播距離更遠。這導致其切割過程與紫外激光迥然相異。相比于紫外光消融,綠光更多的是熱切割,但由于其照射體積較大,因此往往能提高加工產量。

      綠光納秒激光器切割FPCB

      為了研究綠光納秒激光器切割FPCB的能力,使用Spectra-Physics Talon® GR70高功率綠光納秒激光器進行實驗,優化工藝并確定可能實現的質量和產量。

      Talon GR70激光器在275kHz的脈沖重復頻率(PRF)下,可提供70W的平 均功率;并且能夠在最高700kHz的頻率下,以高輸出功率(>62W)運行。此外,納秒脈沖寬度也相對較短,從而使得激光器可以靈活操作,對于多種材料類型和厚度均可實現最佳效果。

      為證明這一點,使用這款激光器切割三種不同的Cu/PI/Cu FPCB薄膜層壓板。每種層壓板的正面和背面銅箔厚度均為約12.5µm,但內層PI膜的厚度各不相同,分別為12µm、25µm和50µm。因此,三種層壓板的總厚度分別為約 37µm、50µm和75µm。圖1所示為層壓板的單次切割速度,以及實現這些 速度所用的激光器操作參數。 

      圖1中的結果,是使用雙軸掃描檢流計和約16µm(1/e2直徑)的聚焦光束得到的。這些數據表明,使用高功率綠光激光器可以實現很高的切割速度,切割最薄板的速度可達2m/s,切割最厚板的速度接近1m/s。

      對于厚度約為37µm的Cu/PI/Cu層壓板,最佳切割參數為700kHz、63W;而對于厚度約為50µm和75µm的Cu/PI/Cu層壓板,最佳切割參數分別為625kHz、64.5W和600kHz、65W。很顯然,較厚的層壓板適合選用較高的脈沖能量和較低的脈沖重復頻率;而較薄的層壓板則適合選用較低的脈沖能量和較高的速率。

      一般而言,理想的工藝優化需要改變聚焦情況,以適應不同材料的厚度。然而,如果所用的激光器能夠在寬PRF范圍內提供高功率輸出,這一需求便容易滿足。因此,在受到固定光斑尺寸限制的情況下,可以在較大的厚度范圍內實現較高的切割速度。 

      由于具備寬PRF范圍,Talon GR70激光器對于所有三種層壓板的切割質量均十分出色。在圖2中可以明顯看到,切口的入射面和出射面質量都非常好。

      圖2:三種不同厚度的FPCB層壓材料的切口入射面(上圖)和出射面(下圖) 的顯微鏡圖像。

      如圖2顯示,入射面和出射面的切口均干凈利落,熱影響區(HAZ)很小。特別值得一提的是,沒有碎片和熔融材料產生,并且在較寬的(2×)材料厚度范圍內,外觀較為均勻?傮w而言,質量接近使用紫外波長切割時的一般情況。

      對切口側壁進行橫截面顯微鏡檢查,可以進一步評估切割質量。從圖3(50µm 層壓板的切口)中可以看到,銅的燒蝕相對平滑,與入射面和出射面處觀察到的一致。雖然PI層表面仍然顯示出了一定程度的不均勻,但程度較為輕微,這可能是由于燒蝕機制的某種熱性質所導致的。最關鍵的是,在Cu/PI界面沒有分層或其他過多的熱影響區。 

      圖3:使用Talon GR70激光器切割厚度50µm的FPCB層壓板的切口橫截面視圖。

      對于不是一定要求最高質量的FPCB分板、或是沿最終器件外周進行的切單,綠光納秒激光器提供了一種成本效益高、產量高的選擇。在這些情況下,由于切割質量并非首要考慮因素,加工工具本身的靈活性通常都很有吸引力。事實證明,Talon GR70激光器是一種非常靈活的工具,能夠以高PRF和高產量對各種厚度的層壓板進行高質量切割。 

      Talon紫外和綠光激光器

      Talon系列紫外和綠光半導體泵浦固態(DPSS)調Q激光器,在性能、可靠性和成本方面實現了完美結合。Talon基于Spectra-Physics的It’s in the Box 設計,將激光器和控制器集成到一個極小的封裝中。Talon可在運行數萬小時后,保持較高的脈沖對脈沖穩定性和出色的TEM00模式質量。

      Talon 激光器經過專門設計,非常適合全天候制造環境中的微加工應用,系統正常運行時間對此類環境至關重要。獲得廣泛的功率和波長范圍,可以帶來極大優勢,而全面的Talon產品組合,恰恰能夠提供這一優勢。Talon具有優異的性價比,在不影響功能、性能或可靠性的前提下,提供低擁有成本。

      文/MKS Instruments


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