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紫外线激光器与FPC工业

2015-11-26 14:16
科技那回事
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  柔性印刷电路(FlexiblePrintedCircuits,FPC)能够实现采用传统刚性电路板不可实现的多样性设计。例如,在柔性材料上制作电路,能够形成挑战极限的新应用,包括各种多层功能以及太空、电信和医疗工业解决方案。

  目前FPC工业的趋势均是微型化,因为设计人员想方设法缩小电路尺寸,同时消除那些限制安装密度的因素或是电路板上电路之间的距离。满足这些要求通常需要任意成形,但基础的方形电路弹性太差,无法满足许多现代应用的要求。

  这些设计需求就是挑战,包括分割的问题或从板上卸下电路的工艺。如何才能精确切割高安装密度的更小任意电路而不损坏元件或电路本身呢?柔性电路材料十分独特,即使是切割期间在电路上产生的最小应力,也会造成损坏。

  为了避免这种损坏,就会限制设计的多样性。设计中必须考虑每个切口周围的缓冲空间,这意味着切口宽度将比需要的更宽,元件的放置位置不能靠近板的边缘或者相互靠近,成形无法与需要的一样复杂。如果没有关于这类问题的可行解方案,那么这些限制就会将创新淹没,因为无法令人满意的分板方式将成为主要的设计考虑因素。

  自动电路板切割(Routing)以及传统机械分板方法(如模冲),会导致切割宽度较大,而且对于复杂的柔性电路来说应力过大。即使CO2激光切割方式也会在这一方面同样不能令人满意,因为此方式会产生更大的热影响区域。

  但是,在谈到FPC分板切割时,已经出现了一种可迎接挑战的技术:紫外激光切割。这种技术可以免除了机械工艺的物理应力并大幅降低CO2紫外线激光器的热应力,能够满足上面所述的设计趋势。探索各种因素就能揭示:为何在谈到柔性电路切割时,紫外线激光切割已经成为一种选择出现。

  电路应力和切割宽度

  所有柔性切割方法都会在电路板上产生一定的应力,只是在导入的应力类型以及应力影响电路的程度方面存在差异。考虑上述分板方式时,在柔性印刷电路板上可能存在两种类型应力:机械应力或热应力。

  采用模冲或Routing等机械分板方式时,会出现机械应力。机械应力对柔性电路的影响包括:毛刺、变形和损坏电路元件。这些影响对柔性材料来说非常严重。例如,模冲是一种具有高冲击力的工艺,会振动电路、损坏元件,它要求相当大的切割缓冲空间。在模冲和Routing方式下,典型的FPC切割宽度是1毫米,但这对众多复杂的、具随意性的柔性电路来说,这个宽度太大了。此类宽切口会导致:降低安装密度,或者减少每块板上的电路安装。在柔性印刷电路正变得更小和更为紧密的时代,这就上升到技术和成本方面的问题了。

  由于采用机械切割方法不能满足柔性设计标准,因此用户转而使用激光切割,但是它在电路上会生产一种不同类型的影响:热应力。热应力影响与机械应力影响差异巨大,激光光束与电路没有物理接触,为此,激光切割可以更为精确地描述为激光烧蚀。热应力产生的最常见的影响是烧焦和切口宽度不一致。但是,这些影响在采用脉冲CO2激光系统时更常见。这些系统配有高能量密度电源且激光的波长位于更暖、吸收性更好的红外光谱中。而紫外激光系统配有在较低能量水平操作的冷紫外线激光器,可将热应力影响降到最低。

  图2和图3分别显示了采用CO2激光器紫外激光器切割125μm厚的Kapton聚酰亚胺板。两种激光源的光束大小是20μm。在此情况下,能量更高的CO2激光器产生极烫的切口,施加到材料上面的应力造成严重烧焦和变形。应力产生的后果是,有效切口宽度延长到120μm。虽然这一数字比机械切割方法的1mm切口宽度窄得多,但是切口不均匀且质量不良。

  

         图2、采用CO2激光系统切割的125μm厚Kapton聚酰亚胺板。

  图3、采用紫外激光系统切割的125μm厚Kapton聚酰亚胺材料。

  采用紫外激光系统切割相同材料时,热能降低,因而产生“冷”切口(也称为冷消融),形成几乎无应力的切口,也形成了30μm的切口宽度和平滑的垂直切割边缘。降低施加到电路上的应力对于切割聚酰亚胺和其它柔性材料十分关键。由于功率低,紫外线激光切割能够尽量保证FPC切割的完整性,使其保持清洁和平直。

  技术应用

  紫外激光系统能够切割几乎各种电路材料,无论它们是否为柔性的。常见的柔性应用包括聚酰亚胺(例如Kapton)、PET材料(例如Akaflex)以及组合材料(例如Pyralux)。紫外激光系统也可以加工刚性-柔性应用中的几乎所有刚性材料。常见应用包括FR4和其它环氧树脂夹层、Rogers材料、陶瓷、PTFE、铝以及铜。紫外激光光束呈锥形,意味着深入材料越深,形成的切口将越宽。典型的切口宽度范围是25~50μm。顶级紫外线激光系统的重复精确度达到±4μm,能够确保设计切口达到最大精确度。紫外激光切割速度取决于正在加工的材料。图3所示的Kapton应用,其切割速度为95毫米/秒,大约比Routing方式的速度快2至3倍,同时消除了采用其它柔性切割方法产生的有害应力。考虑到紫外激光切割系统的其它功用,如盖层切割、打孔、钻孔、表面蚀刻,那么,绝不会惊讶于近年来市场对紫外线激光系统的需求快速增长。

  满足趋势需要

  柔性电路设计人员受益于紫外激光技术,能够发掘最精密的随意设计。由于创新不再受技术所限,因而可以突破传统电路的形状和尺寸。

  由于紫外激光系统加工的切割狭窄而清洁,电路元件的放置位置可以彼此更加邻近,以及更接近电路边缘。此外,紫外激光切割能够确保最大化的安装密度以及电路之间的桥接空间缩小,有更大的潜力开发电路板。随着紫外线激光切割的出现,柔性电路的切割变得更容易了。除了应用多样化以外,施加在板上的应力降低,切口宽度狭窄,而且加工精密,因此紫外激光切割成为柔性切割解决方案的正确选择。

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