利用激光对高密度柔性线路板进行加工处理

wanghao

　　柔性线路板具有节省空间、减轻重量及灵活性高等诸多优点，全球对柔性线路板的需求正逐年增加。本文针对柔性线路板材料的特殊性质，介绍利用激光加工高密度柔性线路板以及进行微过孔钻孔时需要重点考虑的一些问题。
8 P5 J  ~  ^* D9 W. I　　高密度柔性线路板是整个柔性线路板的一个部分，一般定义为线间距小于200μm或微过孔小于250μm的柔性线路板。高密度柔性线路板的应用领域很广，如电信、计算机、集成电路以及医疗设备等。
　　柔性线路板独有的特性使其在多种场合成为刚性线路板及传统布线方案的替代方式，同时它也推动了很多新领域的发展。柔性线路板增长最快的部分是计算机硬盘驱动器(HDD)内部连接线。硬盘磁头要在旋转的盘片上前后移动扫描，可用柔性线路代替导线实现移动磁头和控制线路板之间的连接。硬盘制造商通过一种叫做“悬浮柔性板”(FOS)的技术增加产量并降低装配成本，此外无导线悬浮技术具有更好抗震性，能提高产品可靠性。在硬盘中用到的另一种高密度柔性线路板是内部连接式柔性板(interposer flex)，用在悬浮体和控制器之间。
* b; L/ O: Q$ N6 ?8 E　　柔性线路板增长速度位居第二的领域是新型集成电路封装。芯片级封装(CSP)、多芯片模块(MCM)以及柔性线路板上芯片封装(COF)等都要用到柔性线路，其中CSP内连式线路的市场尤其巨大，因为它可用在半导体器件和闪速存储器上而广泛用于PCMCIA卡、磁盘驱动器、个人数字助理(PDA)、移动电话、传呼机、数字摄像机及数字照相机中。此外，液晶显示器(LCD)、聚脂薄膜开关和喷墨打印机墨盒是高密度柔性线路板的另外三个高增长应用领域。
" ~* j3 V1 |) |, \8 r　　柔性线路技术在便携式装置(如移动电话)中的市场潜力非常大，这是很自然的，因为这些设备要求体积小重量轻以迎合消费者的需求；除此之外，柔性技术的最新应用还包括平板显示器和医疗设备，设计人员可以利用它减少产品(如助听器和人体植入装置)的体积和重量。
　　上述各领域的巨大增长使得全球柔性线路板的产量也跟着增加。如硬盘年销售量预计在2004年将达到3.45亿台，差不多是1999年的两倍，移动电话在2005年的销量保守的估计也是6亿部，这些增长导致高密度柔性线路板的产量预计每年将增加35%，到2002年达到350万平方米。如此高的产量需求需要有高效低成本的加工工艺，激光加工技术就是其中之一。
' ^: t4 d- H- n' @3 \4 T　　激光在柔性线路板制造过程中有三个主要功能：加工成型(切割与切除)、切片和钻孔。激光作为一种非接触式加工工具，能在一个很小的焦点(100～500μm)上施加高强度光能(650mW/mm2),如此高的能量可以用来对材料进行切割、钻孔、作标记、焊接、划线及其他各种加工,加工速度和质量与被加工材料性质和所用的激光特性如波长、能量密度、峰值功率、脉冲宽度及频率等有关。柔性线路板加工使用紫外(UV)和远红外(FIR)激光，前者通常采用准分子或UV二极管泵浦固态(UV-DPSS)激光器，而后者一般用密封式CO2激光器。
　　图1：矢量掃描技術採用電腦控制裝有檢流表的
　　反射鏡和CAD/CAM軟體產生剪裁和鑽孔圖形，並
　　使用遠心透鏡系統保証激光垂直照在工件表面上
　　◆加工成型
　　激光加工精度高用途广，是进行柔性线路板成型处理的理想工具。不论是CO2激光还是DPSS激光，聚焦后都可以将材料加工成任意形状。它通过在检流计上安装反射镜将聚焦后的激光束射到工件表面任何地方(图1)，再利用矢量扫描技术对检流表进行计算机数控(CNC)，并借助CAD/CAM软件作出切割图形。这种“软工具”在设计更改时可方便地对激光作即时控制。利用对光缩放量和各种不同的切割工具进行调节，激光加工能够精确地再现出设计图形，这是它的另一个显著优点。
　　矢量扫描可切割聚酰亚胺膜之类的基材，切出整个电路或者去除线路板上的某个区域如一个槽或一个方块。在加工成型过程中，反射镜扫描整个加工表面时激光束是一直打开的，这和钻孔工艺相反，钻孔时只有当反射镜固定在每个钻孔位置后激光才打开。
　　◆切片
　　“切片”用行话来说就是用激光从一层材料上除掉另一层材料的加工过程。这种工艺对激光再适合不过，可用与前面相同的矢量扫描技术去除电介质，露出下面的导电焊盘，此时激光加工的高精度再一次体现出极大的好处。由于FIR激光射线会被铜箔反射，所以这里通常使用CO2激光。
　　◆钻孔
! Y# m, d& e( C　　虽然现在有的地方还在用机械钻孔、冲压或等离子蚀刻等方法形成微通孔，但激光钻孔还是使用得最广泛的一种柔性线路板微过孔成形方法，主要原因是因为其生产率高、灵活性强及正常运行时间长。
　　机械钻孔和冲压采用高精度钻头和模具，能在柔性线路板上作出直径接近250μm的孔，但这些高精度设备非常昂贵，而且相对来说寿命较短。由于高密度柔性线路板所需孔径比250μm小，所以机械钻孔并不被看好。
　　使用等离子蚀刻能在50μm厚的聚酰亚胺膜基材上作出尺寸小于100μm的微过孔，但是设备投资及工艺成本都相当高，等离子蚀刻工艺的维护费用也很高，特别是一些化学废物处理以及易耗品等相关费用，此外等离子蚀刻在建立新工艺时需要相当长的时间才能作出一致可靠的微过孔。这种工艺的优点是可靠性高，据报道它作出的微过孔合格率达到98%，因此在医疗和航空电子设备中，等离子蚀刻加工还是有一定的市场。
　　相比之下，用激光制作微过孔则是一种简单的低成本工艺。激光设备投资非常低，而且激光是一种非接触式工具，不像机械钻孔那样会有一笔昂贵的工具更换费用。此外，现代密封式CO2和UV-DPSS激光器都是免维护的，可将停机时间减到最小，极大地提高了生产率。
2 D0 j  H- ~+ ^1 _　　在柔性线路板上产生微过孔的方法与在刚性PCB上一样，但是由于基材和厚度的差异，激光的一些重要参数需要改变。密封CO2和UV-DPSS激光都可以使用同成型加工一样的矢量扫描技术在柔性线路板上直接钻孔，唯一的差异是钻孔应用软件会在扫描反射镜从一个微过孔扫至另外一个微过孔过程中将激光关掉，只有到达另一个钻孔位置时激光束才打开。为了使作出的孔垂直于柔性线路板基材表面，激光束必须垂直照在线路板基材上，这可以通过在扫描反射镜和基材间使用远心透镜系统做到(图2)。
　　图2：利用UV激光在Kapton上鑽出的孔
7 C2 I( X6 h. e/ m　　CO2激光也可以采用共形掩膜技术钻微过孔。使用这种技术时，将铜表面作为掩膜，先用普通印刷腐蚀方法在上面蚀刻出孔，然后将CO2激光束照在铜箔的孔上，除掉那些暴露出来的电介质材料。
　　采用准分子激光通过投影掩膜的方法也可以制作微过孔，这项技术需要将一个微过孔或整个微过孔阵列的图像映射到基材上，然后准分子激光束照射掩膜使掩膜图映射到基材表面，从而将孔钻出。准分子激光钻孔的质量很好，它的缺点是速度低、成本高。
　　激光选择
- x! R- Z' }4 w3 b* S; p! J　　虽然加工柔性线路板的激光类型和加工刚性PCB的一样，但材质和厚度上的差异会极大影响加工参数和速度。有的时候可使用准分子激光和横向激励气体(TEA)CO2激光，但是这两种方法速度慢、维护费用高，限制了生产率的提高。比较起来，由于CO2和UV-DPSS激光用途广、速度快而且成本底，因此柔性线路板微过孔制作和加工成型主要还是使用这两种激光。
　　与气流型CO2激光不同，密封式CO2激光(http://www.auto-alt.cn)采用了块释放技术，使激光气体混合物限制在两个矩形电极板规定的激光腔内，激光腔在整个使用寿命(通常约2～3年)期间都是密封的。密封激光腔结构紧凑，不需要换气，激光头可连续工作25,000小时以上而无需维护。密封设计的最大优点是能够产生快速脉冲，如块释放激光可发出功率峰值为1.5kW的高频(100kHz)脉冲。利用高频率和高峰值功率可进行快速加工而不会引起任何热退化。
2 g9 x' D. n* U, x) G　　UV-DPSS激光器是一种用激光二极管阵列连续吸入钒酸钕(Nd：YVO4)晶体棒的固体器件，它由一个声光Q型开关产生脉冲输出，并用三次谐波晶体发生器改变Nd：YVO4激光的输出，将输出从1,064nm
　　IR基本波长降为355nm UV波长。一般情况下355nm
8 N  h; u6 y' ~( p) ~- u7 x　　UV-DPSS激光在20kHz标称脉冲重复率下平均输出功率在3W以上。
　　CO2激光(Automation Alternatives)
" u+ o- ]. W6 T. i9 _6 \$ |! e6 g6 U　　密封CO2激光可以发射波长为10.6μm或9.4μm的FIR激光，尽管两个波长都易于被电介质如聚酰亚胺膜基材吸收，但研究表明用9.4μm波长加工这类材料效果要好得多。电介质9.4μm波长的吸收系数较高，用这一波长来钻孔或切割材料比用10.6μm波长快。9.4μm激光不仅在钻孔及切割时优势明显，切片效果也非常突出，因而使用较短波长的激光可以提高生产率和质量。
　　一般来说，FIR波长容易被电介质吸收，但是会被铜反射回来，所以绝大多数CO2激光用于电介质的加工成型、切片以及电介质基材和层压板分层。由于CO2激光的输出功率比DPSS激光高，多数情况下使用CO2激光来加工电介质。CO2激光和UV-DPSS激光经常结合起来使用，例如在钻微过孔时，首先用DPSS激光去掉铜层，然后再用CO2激光快速在电介质层中钻孔，直至下一个覆铜层出现再重复该过程。
　　由于UV激光本身波长很短，所以它射出的光点比CO2激光的精细，但某些应用中CO2激光产生的大直径光点比UV-DPSS激光更有用。例如切除槽、方块等大面积材料或钻大孔(直径大于50μm)时，用CO2激光加工所需时间更短。一般来说，孔径比50μm大时用CO2激光加工比较合适，孔径小于50μm时则用UV-DPSS激光效果更好。
, c' S& {- \( U6 U! b) g) Y　　UV-DPSS激光
　　电介质和铜都能很容易地吸收输出波长为355nm的UV-DPSS激光。UV-DPSS激光比CO2激光的光点小而且输出功率低，在电介质加工过程中UV-DPSS激光通常用于小尺寸(小于50μm)工艺，因此要在高密度柔性线路板基材上加工直径小于50μm的微过孔，用UV激光是非常理想的。现在已有了大功率UV-DPSS激光，可以增加UV-DPSS激光的加工和钻孔速度。
+ i$ x$ g' X" J  g2 z$ K　　UV-DPSS激光的优点是其高能量UV光子照在多数非金属表面层上时，能直接打断分子的链接，用“冷”光刻工艺使切割边缘平滑，同时热损坏和烧焦程度最小，所以UV微切割加工适用于无法或无需进行后处理的高要求场合。
　　本文结论
' |3 [. W1 g# c1 {) c$ q; W　　像铜这样有较高UV蚀刻阈值的材料，要用高能量低重复率激光进行加工；而像聚酰亚胺膜这样的低阈值材料，只能用低能量高重复率的激光来加工，低能量和高重复率是为了避免对铜焊盘造成损害，提高产能。为增加产能，多数大直径微过孔加工分两步进行：先用UV-DPSS激光钻铜箔，再用CO2激光除去露出来的电介质。【MechNet】
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