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利用激光機(jī)對(duì)高密度柔性線路板進(jìn)行加工處理
2021-01-15
柔性線路板具有節(jié)省空間、減輕重量及靈活性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，全球?qū)θ嵝跃€路板的需求正逐年增加。高密度柔性線路板是整個(gè)柔性線路板的一個(gè)部分，一般定義為線間距小于200μm或微過(guò)孔小于250μm的柔性線路板。高密度柔性線路板的應(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。
柔性線路板獨(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。柔性線路板增長(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(guò)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柔性線路板是內(nèi)部連接式柔性板(interposer flex)，用在懸浮體和控制器之間。
柔性線路板增長(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)以及柔性線路板上芯片封裝(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(kāi)關(guān)和噴墨打印機(jī)墨盒是高密度柔性線路板的另外三個(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(tīng)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)使得全球柔性線路板的產(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)致高密度柔性線路板的產(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。
激光在柔性線路板制造過(guò)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)。柔性線路板加工使用紫外(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)行柔性線路板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(guò)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，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(guò)程中，反射鏡掃描整個(gè)加工表面時(shí)激光束是一直打開(kāi)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(kāi)。
◆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(guò)程。這種工藝對(duì)激光再適合不過(guò)，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柔性線路板微過(guò)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，能在柔性線路板上作出直徑接近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。由于高密度柔性線路板所需孔徑比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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
在柔性線路板上產(chǎn)生微過(guò)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)在柔性線路板上直接鉆孔，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(guò)孔掃至另外一個(gè)微過(guò)孔過(guò)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(kāi)。為了使作出的孔垂直于柔性線路板基材表面，激光束必須垂直照在線路板基材上，這可以通過(guò)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(guò)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(guò)投影掩膜的方法也可以制作微過(guò)孔，這項(xiàng)技術(shù)需要將一個(gè)微過(guò)孔或整個(gè)微過(guò)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
雖然加工柔性線路板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，因此柔性線路板微過(guò)孔制作和加工成型主要還是使用這兩種激光。
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