FPC具有節(jié)省空間、減輕重量及靈活性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，全球?qū)PC的需求正逐年增加。本文針對(duì)FPC材料的特殊性質(zhì)，介紹利用激光加工
高密度FPC以及進(jìn)行微過孔鉆孔時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一些問題。
高密度FPC是整個(gè)FPC的一個(gè)部分，一般定義為線間距小于200μm或微過孔小于250μm的FPC。高密度FPC的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如電信、計(jì)算機(jī)、集成電路以及醫(yī)療設(shè)備等。
FPC獨(dú)有的特性使其在多種場(chǎng)合成為剛性線路板及傳統(tǒng)布線方案的替代方式，同時(shí)它也推動(dòng)了很多新領(lǐng)域的發(fā)展。FPC增長(zhǎng)最快的部分是計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)內(nèi)部連接線。硬盤磁頭要在旋轉(zhuǎn)的盤片上前后移動(dòng)掃描，可用柔性線路代替導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)移動(dòng)磁頭和控制線路板之間的連接。硬盤制造商通過一種叫做“懸浮柔性板”(FOS)的技術(shù)增加產(chǎn)量并降低裝配成本，此外無(wú)導(dǎo)線懸浮技術(shù)具有更好抗震性，能提高產(chǎn)品可靠性。在硬盤中用到的另一種高密度FPC是內(nèi)部連接式柔性板(interposer flex)，用在懸浮體和控制器之間。
FPC增長(zhǎng)速度位居第二的領(lǐng)域是新型集成電路封裝。芯片級(jí)封裝(CSP)、多芯片模塊(MCM)以及FPC上芯片封裝(COF)等都要用到柔性線路，其中CSP內(nèi)連式線路的市場(chǎng)尤其巨大，因?yàn)樗捎迷诎雽?dǎo)體器件和閃速存儲(chǔ)器上而廣泛用于PCMCIA卡、磁盤驅(qū)動(dòng)器、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)電話、傳呼機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及數(shù)字照相機(jī)中。此外，液晶顯示器(LCD)、聚脂薄膜開關(guān)和噴墨打印機(jī)墨盒是高密度FPC的另外三個(gè)高增長(zhǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。
柔性線路技術(shù)在便攜式裝置(如移動(dòng)電話)中的市場(chǎng)潛力非常大，這是很自然的，因?yàn)檫@些設(shè)備要求體積小重量輕以迎合消費(fèi)者的需求；除此之外，柔性技術(shù)的最新應(yīng)用還包括平板顯示器和醫(yī)療設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以利用它減少產(chǎn)品(如助聽器和人體植入裝置)的體積和重量。
上述各領(lǐng)域的巨大增長(zhǎng)使得全球FPC的產(chǎn)量也跟著增加。如硬盤年銷售量預(yù)計(jì)在2004年將達(dá)到3.45億臺(tái)，差不多是1999年的兩倍，移動(dòng)電話在2005年的銷量保守的估計(jì)也是6億部，這些增長(zhǎng)導(dǎo)致高密度FPC的產(chǎn)量預(yù)計(jì)每年將增加35%，到2002年達(dá)到350萬(wàn)平方米。如此高的產(chǎn)量需求需要有高效低成本的加工工藝，激光加工技術(shù)就是其中之一。
激光在FPC制造過程中有三個(gè)主要功能：加工成型(切割與切除)、切片和鉆孔。激光作為一種非接觸式加工工具，能在一個(gè)很小的焦點(diǎn)(100～500μm)上施加高強(qiáng)度光能(650mW/mm2),如此高的能量可以用來(lái)對(duì)材料進(jìn)行切割、鉆孔、作標(biāo)記、焊接、劃線及其他各種加工,加工速度和質(zhì)量與被加工材料性質(zhì)和所用的激光特性如波長(zhǎng)、能量密度、峰值功率、脈沖寬度及頻率等有關(guān)。FPC加工使用紫外(UV)和遠(yuǎn)紅外(FIR)激光，前者通常采用準(zhǔn)分子或UV二極管泵浦固態(tài)(UV-DPSS)激光器，而后者一般用密封式CO2激光器。
加工成型
激光加工精度高用途廣，是進(jìn)行FPC成型處理的理想工具。不論是CO2激光還是DPSS激光，聚焦后都可以將材料加工成任意形狀。它通過在檢流計(jì)上安裝反射鏡將聚焦后的激光束射到工件表面任何地方(圖1)，再利用矢量掃描技術(shù)對(duì)檢流表進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)，并借助CAD/CAM軟件作出切割圖形。這種“軟工具”在設(shè)計(jì)更改時(shí)可方便地對(duì)激光作即時(shí)控制。利用對(duì)光縮放量和各種不同的切割工具進(jìn)行調(diào)節(jié)，激光加工能夠精確地再現(xiàn)出設(shè)計(jì)圖形，這是它的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。
矢量掃描可切割聚酰亞胺膜之類的基材，切出整個(gè)電路或者去除線路板上的某個(gè)區(qū)域如一個(gè)槽或一個(gè)方塊。在加工成型過程中，反射鏡掃描整個(gè)加工表面時(shí)激光束是一直打開的，這和鉆孔工藝相反，鉆孔時(shí)只有當(dāng)反射鏡固定在每個(gè)鉆孔位置后激光才打開。
切片
“切片”用行話來(lái)說(shuō)就是用激光從一層材料上除掉另一層材料的加工過程。這種工藝對(duì)激光再適合不過，可用與前面相同的矢量掃描技術(shù)去除電介質(zhì)，露出下面的導(dǎo)電焊盤，此時(shí)激光加工的高精度再一次體現(xiàn)出極大的好處。由于FIR激光射線會(huì)被銅箔反射，所以這里通常使用CO2激光。
鉆孔
雖然現(xiàn)在有的地方還在用機(jī)械鉆孔、沖壓或等離子蝕刻等方法形成微通孔，但激光鉆孔還是使用得最廣泛的一種FPC微過孔成形方法，主要原因是因?yàn)槠渖a(chǎn)率高、靈活性強(qiáng)及正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。
機(jī)械鉆孔和沖壓采用高精度鉆頭和模具，能在FPC上作出直徑接近250μm的孔，但這些高精度設(shè)備非常昂貴，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)壽命較短。由于高密度FPC所需孔徑比250μm小，所以機(jī)械鉆孔并不被看好。
使用等離子蝕刻能在50μm厚的聚酰亞胺膜基材上作出尺寸小于100μm的微過孔，但是設(shè)備投資及工藝成本都相當(dāng)高，等離子蝕刻工藝的維護(hù)費(fèi)用也很高，特別是一些化學(xué)廢物處理以及易耗品等相關(guān)費(fèi)用，此外等離子蝕刻在建立新工藝時(shí)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能作出一致可靠的微過孔。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，據(jù)報(bào)道它作出的微過孔合格率達(dá)到98%，因此在醫(yī)療和航空電子設(shè)備中，等離子蝕刻加工還是有一定的市場(chǎng)。
相比之下，用激光制作微過孔則是一種簡(jiǎn)單的低成本工藝。激光設(shè)備投資非常低，而且激光是一種非接觸式工具，不像機(jī)械鉆孔那樣會(huì)有一筆昂貴的工具更換費(fèi)用。此外，現(xiàn)代密封式CO2和UV-DPSS激光器都是免維護(hù)的，可將停機(jī)時(shí)間減到最小，極大地提高了生產(chǎn)率。
在FPC上產(chǎn)生微過孔的方法與在剛性PCB上一樣，但是由于基材和厚度的差異，激光的一些重要參數(shù)需要改變。密封CO2和UV-DPSS激光都可以使用同成型加工一樣的矢量掃描技術(shù)在FPC上直接鉆孔，唯一的差異是鉆孔應(yīng)用軟件會(huì)在掃描反射鏡從一個(gè)微過孔掃至另外一個(gè)微過孔過程中將激光關(guān)掉，只有到達(dá)另一個(gè)鉆孔位置時(shí)激光束才打開。為了使作出的孔垂直于FPC基材表面，激光束必須垂直照在線路板基材上，這可以通過在掃描反射鏡和基材間使用遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)做到。
CO2激光也可以采用共形掩膜技術(shù)鉆微過孔。使用這種技術(shù)時(shí)，將銅表面作為掩膜，先用普通印刷腐蝕方法在上面蝕刻出孔，然后將CO2激光束照在銅箔的孔上，除掉那些暴露出來(lái)的電介質(zhì)材料。
采用準(zhǔn)分子激光通過投影掩膜的方法也可以制作微過孔，這項(xiàng)技術(shù)需要將一個(gè)微過孔或整個(gè)微過孔陣列的圖像映射到基材上，然后準(zhǔn)分子激光束照射掩膜使掩膜圖映射到基材表面，從而將孔鉆出。準(zhǔn)分子激光鉆孔的質(zhì)量很好，它的缺點(diǎn)是速度低、成本高。
激光選擇
雖然加工FPC的激光類型和加工剛性PCB的一樣，但材質(zhì)和厚度上的差異會(huì)極大影響加工參數(shù)和速度。有的時(shí)候可使用準(zhǔn)分子激光和橫向激勵(lì)氣體(TEA)CO2激光，但是這兩種方法速度慢、維護(hù)費(fèi)用高，限制了生產(chǎn)率的提高。比較起來(lái)，由于CO2和UV-DPSS激光用途廣、速度快而且成本底，因此FPC微過孔制作和加工成型主要還是使用這兩種激光。
與氣流型CO2激光不同，密封式CO2激光采用了塊釋放技術(shù)，使激光氣體混合物限制在兩個(gè)矩形電極板規(guī)定的激光腔內(nèi)，激光腔在整個(gè)使用壽命(通常約2～3年)期間都是密封的。密封激光腔結(jié)構(gòu)緊湊，不需要換氣，激光頭可連續(xù)工作25,000小時(shí)以上而無(wú)需維護(hù)。密封設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生快速脈沖，如塊釋放激光可發(fā)出功率峰值為1.5kW的高頻(100kHz)脈沖。利用高頻率和高峰值功率可進(jìn)行快速加工而不會(huì)引起任何熱退化。
UV-DPSS激光器是一種用激光二極管陣列連續(xù)吸入釩酸釹(Nd：YVO4)晶體棒的固體器件，它由一個(gè)聲光Q型開關(guān)產(chǎn)生脈沖輸出，并用三次諧波晶體發(fā)生器改變Nd：YVO4激光的輸出，將輸出從1,064nmIR基本波長(zhǎng)降為355nm UV波長(zhǎng)。一般情況下355nm UV-DPSS激光在20kHz標(biāo)稱脈沖重復(fù)率下平均輸出功率在3W以上。
CO2激光 (Automation Alternatives)
密封CO2激光可以發(fā)射波長(zhǎng)為10.6μm或9.4μm的FIR激光，盡管兩個(gè)波長(zhǎng)都易于被電介質(zhì)如聚酰亞胺膜基材吸收，但研究表明用9.4μm波長(zhǎng)加工這類材料效果要好得多。電介質(zhì)9.4μm波長(zhǎng)的吸收系數(shù)較高，用這一波長(zhǎng)來(lái)鉆孔或切割材料比用10.6μm波長(zhǎng)快。9.4μm激光不僅在鉆孔及切割時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，切片效果也非常突出，因而使用較短波長(zhǎng)的激光可以提高生產(chǎn)率和質(zhì)量。
一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)IR波長(zhǎng)容易被電介質(zhì)吸收，但是會(huì)被銅反射回來(lái)，所以絕大多數(shù)CO2激光用于電介質(zhì)的加工成型、切片以及電介質(zhì)基材和層壓板分層。由于CO2激光的輸出功率比DPSS激光高，多數(shù)情況下使用CO2激光來(lái)加工電介質(zhì)。CO2激光和UV-DPSS激光經(jīng)常結(jié)合起來(lái)使用，例如在鉆微過孔時(shí)，首先用DPSS激光去掉銅層，然后再用CO2激光快速在電介質(zhì)層中鉆孔，直至下一個(gè)覆銅層出現(xiàn)再重復(fù)該過程。
由于UV激光本身波長(zhǎng)很短，所以它射出的光點(diǎn)比CO2激光的精細(xì)，但某些應(yīng)用中CO2激光產(chǎn)生的大直徑光點(diǎn)比UV-DPSS激光更有用。例如切除槽、方塊等大面積材料或鉆大孔(直徑大于50μm)時(shí)，用CO2激光加工所需時(shí)間更短。一般來(lái)說(shuō)，孔徑比50μm大時(shí)用CO2激光加工比較合適，孔徑小于50μm時(shí)則用UV-DPSS激光效果更好。
UV-DPSS激光
電介質(zhì)和銅都能很容易地吸收輸出波長(zhǎng)為355nm的UV-DPSS激光。UV-DPSS激光比CO2激光的光點(diǎn)小而且輸出功率低，在電介質(zhì)加工過程中UV-DPSS激光通常用于小尺寸(小于50μm)工藝，因此要在高密度FPC基材上加工直徑小于50μm的微過孔，用UV激光是非常理想的。現(xiàn)在已有了大功率UV-DPSS激光，可以增加UV-DPSS激光的加工和鉆孔速度。
UV-DPSS激光的優(yōu)點(diǎn)是其高能量UV光子照在多數(shù)非金屬表面層上時(shí)，能直接打斷分子的鏈接，用“冷”光刻工藝使切割邊緣平滑，同時(shí)熱損壞和燒焦程度最小，所以UV微切割加工適用于無(wú)法或無(wú)需進(jìn)行后處理的高要求場(chǎng)合。
本文結(jié)論
像銅這樣有較高UV蝕刻閾值的材料，要用高能量低重復(fù)率激光進(jìn)行加工；而像聚酰亞胺膜這樣的低閾值材料，只能用低能量高重復(fù)率的激光來(lái)加工，低能量和高重復(fù)率是為了避免對(duì)銅焊盤造成損害，提高產(chǎn)能。為增加產(chǎn)能，多數(shù)大直徑微過孔加工分兩步進(jìn)行：先用UV-DPSS激光鉆銅箔，再用CO2激光除去露出來(lái)的電介質(zhì)。
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