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2019年，受貿(mào)易摩擦、終端需求下降和匯率貶值等影響，全球PCB產(chǎn)值略有下降，但中國市場受益于5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)快速發(fā)展，成為2019年唯一成長的地區(qū)。Prismark數(shù)據(jù)顯示，2019年中國PCB市場規(guī)模約329億美元，占全球的53.7％。

 

而在消費(fèi)電子的PCB應(yīng)用中，F(xiàn)PC的發(fā)展速度最快，占PCB市場的比重不斷提升。FPC 是柔性印刷線路板（Flexible Printed Circuit）的簡稱，是以聚酰亞胺（Polyimide，PI，工業(yè)界又稱之為PI 覆蓋膜）或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板，具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點(diǎn)。在當(dāng)下移動(dòng)電子產(chǎn)品智能化，輕薄化的趨勢下，F(xiàn)PC憑借密度高、重量輕、厚度薄、耐彎曲、結(jié)構(gòu)靈活、耐高溫等優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用，并成為目前滿足電子產(chǎn)品小型化和移動(dòng)要求的惟一解決方法。

 

快速發(fā)展的PCB市場培育了巨大的衍生市場。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光加工逐漸取代傳統(tǒng)的模切工藝，成了PCB產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)。因此在激光市場整體增速放緩的背景下，與PCB相關(guān)的業(yè)務(wù)依然能夠保持較高增長。

 

激光在PCB、FPC加工的優(yōu)勢

 

激光在PCB上的應(yīng)用主要包括切割、鉆孔、打標(biāo)等，尤以切割為主。與傳統(tǒng)的模切工藝相比，激光切割屬于無接觸加工，無需價(jià)格昂貴的模具，生產(chǎn)成本大大降低；此外，傳統(tǒng)工藝難以解決邊緣有毛刺、粉塵、應(yīng)力、無法加工曲線等一系列的問題，而激光在聚焦后光斑僅有十幾微米，能夠滿足高精度切割和鉆孔的加工需求，解決了傳統(tǒng)工藝中遺留的一系列問題。這一優(yōu)勢正迎合電路設(shè)計(jì)精密化的發(fā)展趨勢，是PCB、FPC、PI 膜切割的理想工具。

 

實(shí)際上，PCB激光切割技術(shù)在PCB行業(yè)中的應(yīng)用起步較早，但早期采用CO2激光切割，熱影響較大，效率較低，一直未能獲得較好的發(fā)展，只在一些特殊領(lǐng)域（如科研、軍工等）有所運(yùn)用。隨著激光技術(shù)發(fā)展，能在PCB行業(yè)應(yīng)用的光源越來越多，也為實(shí)現(xiàn)激光切割PCB的工業(yè)化應(yīng)用找到了突破口。

 

當(dāng)前用在FPC、PI 膜切割的激光器主要為納秒級固體紫外激光器，其波長一般為355nm。相對于1064nm 紅外和532nm 綠光，355nm 紫外有更高的單光子能量，材料吸收率更高，產(chǎn)生的熱影響更小，實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。

 

從原理來看，脈沖激光切割材料可分為兩種情況：一種是光化學(xué)原理，利用激光單光子能量達(dá)到或超過材料化學(xué)鍵鍵能，打斷材料某些化學(xué)鍵來實(shí)現(xiàn)切割；另一種是光物理原理，當(dāng)激光單光子能量低于材料化學(xué)鍵鍵能時(shí)，依靠聚焦光斑處非常高的能量密度，超過材料的氣化閾值，從而瞬間氣化材料，實(shí)現(xiàn)材料的切割。但實(shí)際在用紫外激光切割FPC或PI膜時(shí)，光化學(xué)和光物理切割原理同時(shí)存在。

 

下面以PI 膜為例講解兩種加工原理。常態(tài)下的C－C 鍵和C－N 鍵的鍵能分別為3.45eV 和3.17eV，而355nm 紫外激光的單光子能量為3.49eV，高于常態(tài)下C－C 鍵和C－N 鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學(xué)鍵。（參考文獻(xiàn)：張菲， 段軍， 曾曉雁， 等． 355nm 紫外激光加工柔性線路板盲孔的研究[J]. 中國激光, 2009, 36(12):3143-3148.）

 

在光物理效應(yīng)中，會(huì)有熱量的產(chǎn)生和積累，材料溫度不斷上升。當(dāng) PI 材料溫度高于600℃時(shí)，相對于C元素，N和O兩種元素的比例會(huì)不斷減小，最終材料中主要以C 元素為主，即材料發(fā)生碳化。材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能的擴(kuò)散距離公式 L＝[4Dt]^1/2，其中D為材料熱擴(kuò)散率，t為激光脈寬。（參考文獻(xiàn)：張鵬， 遲偉東， 沈曾民． 高溫炭化對聚酰亞胺（PI） 薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響[J].炭素技術(shù), 2008, 27(6):10-12.）

 

由此可知，當(dāng)材料一定時(shí)，激光脈寬越大，激光產(chǎn)生的熱能在材料上的擴(kuò)散距離越大，對材料的熱損傷越大。因此脈寬越窄，加工效果越好。

 

20W／25W納秒紫外激光器：更高功率，更優(yōu)效果

 

前文提到，我國PCB產(chǎn)業(yè)受益于5G、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)而快速發(fā)展，新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)的出現(xiàn)也對FPC、PI膜切割行業(yè)提出更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)更少碳化和更快效率，激光器企業(yè)也在不斷進(jìn)行技術(shù)革新，不斷探索更高頻率、更窄脈寬、更高功率。

 

據(jù)了解，英諾激光于2019年在舊款A(yù)WAVE系列15W＠50KHz納秒紫外激光器的基礎(chǔ)上，推出了新一代高頻短脈寬納秒紫外激光器FORMULA系列15W＠50KHz，并于今年初將最高功率提升至25W，最高單脈沖能量超過500uJ。

 

 

圖片來源：英諾激光
 

英諾激光的技術(shù)人員向OFweek激光網(wǎng)介紹說：“在推出FORMULA系列15W＠50KHz之后，加工效果和效率比傳統(tǒng)的AWAVE 15W ＠50KHZ有了很大改善，但對于很多應(yīng)用，效率還是不夠。現(xiàn)在新款激光器將功率提升至20W／25W，最高單脈沖能量也超過500uJ，這大大提高了很多材料的切割效率，使很多種材料的量產(chǎn)變的可能。”

 

新款高頻短脈寬納秒紫外激光器能給PCB加工帶來怎樣的改變呢？以下展示部分加工案例（以下圖片由英諾激光提供）：

 

金手指切割

 

 

AWAVE 15W ＠50KHZ切割效果，有效速度：50mm／s（左）

FORMULA 15W ＠150KHZ切割效果，有效速度100mm／s（右）

 

在厚度為150um金手指切割對比中可見，與傳統(tǒng)AWAVE系列激光器相比，F(xiàn)ORMULA系列激光器的切割效果明顯改善，切割效率也實(shí)現(xiàn)了100％的提升。

 

銅箔鉆孔

 

正面（左） 反面（右）

 

在厚度為100um的銅箔上鉆孔，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，達(dá)到250 mm／s。

 

PCB切割

 

正面未擦拭（左） 反面未擦拭（右）

 

厚度為400um的PCB切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了50％，達(dá)到60mm／s。

 

FPC補(bǔ)強(qiáng)板切割

 

正面（左） 反面（右）

 

PI厚度為100um的FPC補(bǔ)強(qiáng)板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，達(dá)到250 mm／s。

 

正面（左） 反面（右）

 

厚度為130um的FPC補(bǔ)強(qiáng)板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了40％，達(dá)到140 mm／s。