不斷地追求小型化和高能性是電子工業(yè)的一大特征，這一特征幾乎影響了電子制造業(yè)近乎所有板塊，包括剛性 PCB 板（含封裝基板）和薄型柔性電路板 FPC 生產(chǎn)過(guò)程中的一些重要微加工步驟。尤其在鉆盲孔
和通孔（鉆孔后需要進(jìn)行電鍍，以連接電路板的不同層上的電路）以及電路板 / 基板的切割和剪裁等應(yīng)用上。
在這些激光加工工藝中，有一些已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)有激光技術(shù)（如納秒激光器）的極限。因此，短波長(zhǎng)（可見(jiàn)光和紫外光）的超短脈沖 (USP) 激光器正逐漸嶄露頭角，得到越來(lái)越多客戶的關(guān)注。超短脈沖激光器廠商們也在提供更高功率和更低成本的激光器來(lái)順應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也是為了滿足客戶對(duì)于改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)量的需求。
更短的脈沖、更短的波長(zhǎng)
對(duì) PCB 和 FPC 進(jìn)行切割和鉆孔時(shí)，最大限度地去減小熱影響區(qū)域是非常重要的，切面或孔附近的材料的熱影響區(qū)域在某種程度上來(lái)說(shuō)屬于熱降解的一種。而使用超短脈寬激光器可以最大限度減小熱影響區(qū)域。超短脈沖可以讓激光處理過(guò)程“更冷”，即實(shí)現(xiàn)“冷加工”。這是因?yàn)槠涿}沖持續(xù)時(shí)間短于有機(jī)材料中的熱擴(kuò)散時(shí)間，也就是說(shuō)，大部分激光脈沖能量還沒(méi)來(lái)得及擴(kuò)散時(shí)就已被噴射出的材料帶走了。
圖 1. 使用短脈沖激光器時(shí)，大部分脈沖能量會(huì)作用在噴射出的材料中被帶走，從而大大縮小幾乎所有材料中的熱影響區(qū)域。
如圖 1 所示。超短脈寬激光器的脈沖能量雖然比納秒激光器小得多，但這類激光器較低的燒蝕閾值（較高的加工效率）抵消了降低的脈沖能量，因此產(chǎn)量更高。此外，超短脈寬激光器的脈沖重復(fù)頻率更高，可支持快速多次加工，非常適合在基板（通常為陶瓷）頂部選擇性地加工較薄的層。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，被加工材料的總厚度為 1 mm 或更薄，但在有些特殊應(yīng)用場(chǎng)合中，例如在汽車(chē)行業(yè)，總厚度最厚可達(dá) 2 mm。有兩項(xiàng)使用激光器的關(guān)鍵工藝就是在 PCB 上鉆盲孔，使上層電路和孔底部裸露的下層電路通過(guò)后續(xù)電鍍金屬工藝實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通；隨后使用激光分板，從 PCB 大板上切割單個(gè) PCB 產(chǎn)品?？椎闹睆侥壳霸?50-100 μm的范圍內(nèi)，而且最終切割出來(lái)的 PCB 通常是簡(jiǎn)單的正方形或矩形，除了在特定情況下，如：激光只是切割 PCB 產(chǎn)品與大板之間的連接部分以外，沒(méi)有復(fù)雜的形狀。這種方式的工藝可以加工多種外形的 PCB。
傳統(tǒng)的切割和鉆孔都是使用鑼刀和鉆頭進(jìn)行機(jī)械加工。用于 100 μm 通孔的典型鉆孔機(jī)器有六個(gè)鉆孔頭，每個(gè)鉆孔頭每秒可鉆 20 個(gè)孔。然而，鉆頭鉆取 2000 個(gè)孔后就已經(jīng)到其使用壽命。在過(guò)去的十年中，PCB 機(jī)械鉆孔工藝已被二氧化碳 (CO2) 激光器的激光鉆孔工藝廣泛取代，例如 Coherent 相干公司 DIAMOND系列中的二氧化碳紅外激光器，可提供出色的功率成本比。但是，如果通孔直徑為 50 μm 或更小，則 CO2 激光器無(wú)法提供所需的分辨率，并且會(huì)產(chǎn)生太多的熱影響區(qū)域。在這類應(yīng)用場(chǎng)合下，通常首選納秒綠光激光器。但現(xiàn)在，越來(lái)越多的客戶尋求同時(shí)兼顧小孔徑、低熱影響區(qū)域和高產(chǎn)能的方案，皮秒綠光超短脈寬激光器可以很好的滿足這個(gè)需求，見(jiàn)圖 2。以 Coherent 相干公司開(kāi)發(fā)的 HyperRapid NX 為例，在與快速掃描振鏡配合使用時(shí)實(shí)現(xiàn)每秒 3000 孔的速率，激光器需要高達(dá) 2000 kHz 的脈沖重復(fù)頻率和高功率，而這些必要參數(shù)，相干公司最新款綠光皮秒級(jí)激光器就可以提供。
圖 2. 使用不同的放大數(shù)倍和角度下觀看在貼有 ABF 的銅材料上鉆取的盲通孔。這些孔是使用 HyperRapid NX 皮秒級(jí)綠光激光器在 25 瓦功率下加工出來(lái)的?？椎闹睆胶蜕疃染鶠?40 μm。最大鉆孔速率為每秒 1000 孔。
切割 PCB 最常用的激光器工具是紫外納秒激光器。但是，較長(zhǎng)的脈寬會(huì)導(dǎo)致邊緣變色，從而影響終端客戶的外觀評(píng)測(cè)，而且還會(huì)留下碎屑，導(dǎo)致必須在激光加工后安排清洗環(huán)節(jié)來(lái)清除這些碎屑，但是清洗有損壞電路的風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)環(huán)境造成影響的后果。因此，PCB 制造商越來(lái)越多地尋求使用紅外光或綠光超短脈寬激光器來(lái)執(zhí)行單步切割工藝，不需要清洗環(huán)節(jié)。超短脈寬激光器中，紅外光的成本最低但功率最高，而綠光的效果最好，見(jiàn)圖 3 和圖 4。
圖 3. 切割 1.2 mm 厚的 SiP：左圖使用 HyperRapid NX 皮秒級(jí)綠光激光器（切割速度大于 10 mm/s）。右圖使用納秒級(jí)紫外光激光器（切割速度小于 10 mm/s）。
圖 4. 使用 HyperRapid NX 皮秒級(jí)激光器切割的不同 PCB 材料的橫截面。左圖：包含金屬層的 1.3mm SiP（使用 HyperRapidNX 綠光皮秒級(jí)激光器，切割速度大于 10 mm/s）。中圖：陶瓷基板上 250 μm 厚PCB“指紋傳感器”（使用 HyperRapid NX綠光皮秒級(jí)激光器，切割速度大于 40 mm/s）。右圖：1 mm 厚PCB（使用 HyperRapid NX 紅外光皮秒級(jí)激光器，切割速度大于 20 mm/s）。
柔性電路
柔性電路由銅和 PI、稀有銅和液晶高分子材料 (LCP) 等柔性聚合物層壓而成。為了提供必要的柔性，它們比厚度在 100-300 μm 范圍內(nèi)的剛性 PCB 薄得多。最重要的激光加工工藝仍然是鉆孔和切割。多年來(lái)，這些任務(wù)主要通過(guò)波長(zhǎng)355 nm 的納秒紫外光激光器完成。由于對(duì)窄切割道、復(fù)雜曲面和多樣切面輪廓的應(yīng)用需求不斷增加，多家 PCB 制造商現(xiàn)在都希望逐漸過(guò)渡到使用皮秒級(jí)紫外光激光器。（最新智能手機(jī) OLED 顯示屏背面的緊密折疊電路就是一個(gè)典型例子。）此外，納秒級(jí)激光器的重復(fù)頻率被限制在幾百 kHz，而皮秒級(jí)激光器的重復(fù)頻率可以達(dá)到幾千 kHz。如之前所述，較低的燒蝕閾值配合較短的脈沖意味著像 Coherent 相干公司HyperRapid NX 355 這樣的激光器的切割速度可達(dá)到納秒級(jí)激光器的 10 倍。具體來(lái)說(shuō)，在我們演示中，當(dāng)激光器的運(yùn)行功率為 50W、重復(fù)頻率為 5 MHz 時(shí)，對(duì)于厚度高達(dá) 130μm 和切割寬度小于 50 μm 的聚酰亞胺柔性電路基板，有效切割速度高達(dá) 1000 mm/s。
圖 5. 柔性電路基板上的盲孔。使用 HyperRapid NX 355 紫外光皮秒級(jí)激光器在 10 瓦功率下，以 1 MHz 的重復(fù)頻率在 30 μm 厚貼有 ABF 的銅上鉆取的直徑為 50 μm 的孔。鉆孔速率為每秒超過(guò)3000 個(gè)。這些孔幾乎沒(méi)有錐度。在中間圖像中，顯微鏡聚焦在孔的頂部，在右邊的圖像中，顯微鏡聚焦在孔的底部。
另外，相干超短脈沖激光器采用了一項(xiàng)名為“PulseEQ”的重要功能，這也是它們熱影響區(qū)域較小的原因之一。當(dāng)激光通過(guò)振鏡在材料表面掃描復(fù)雜圖形進(jìn)行加工時(shí)，直線和曲線部分的切換必然造成掃描速度的變化，使用固定的脈沖重復(fù)頻率，會(huì)使激光在曲線部分逗留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成切割拐角的熱影響區(qū)域擴(kuò)大。而使用 Pulse EQ 后，激光器的脈沖重復(fù)頻率受控于振鏡，重要的是，無(wú)論掃描速度如何，單脈沖能量都保持在恒定水平。這樣可以保證在切割輪廓的各個(gè)角落都能提供同樣高的切割質(zhì)量。同時(shí)，振鏡的控制卡可以通過(guò)算法改變激光器的重復(fù)頻率，保證激光脈沖的空間分布以達(dá)到直線和曲線部分的切割效果相同。
而且，這些超短脈沖激光器鉆孔的質(zhì)量相較于納秒級(jí)激光器有明顯的改善，見(jiàn)圖 5。現(xiàn)在，柔性電路基板制造商都希望通過(guò)一種激光器工具同時(shí)完成鉆孔和切割任務(wù)，因此，這些超短脈沖激光器都已蓄勢(shì)待發(fā)，必將在這兩種任務(wù)中大獲成功。
總結(jié)
總而言之，剛性電路基板和柔性電路板的一些微加工任務(wù)正在突破較長(zhǎng)脈沖激光方法極限。然而，相干的最新超短脈沖激光器既能保證優(yōu)秀的加工品質(zhì)，也能加快加工速度，滿足這些應(yīng)用領(lǐng)域目前的要求。
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