激光加工對(duì)印刷電路板 (PCB) 制造一直有著巨大的影響，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)開(kāi)發(fā)性能更高、功耗更低的設(shè)備。如今，從較厚的纖維復(fù)合材料到較薄的柔性層壓板，多種多樣的材料采用一系列激光源通過(guò)各種方式進(jìn)行加工。特別值得注意的是柔性 PCB (FPCB) 技術(shù)，由于移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)的快速發(fā)展，該技術(shù)也在頻繁更新?lián)Q代。其中一個(gè)發(fā)展方向是 5G 移動(dòng)通信，能夠顯著提高無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)速率。

毋庸置疑，我們需要使用新材料，以更高的速度接收、處理和傳輸數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的聚酰亞胺介電層必須替換為改性聚酰亞胺 (MPI)和液晶聚合物 (LCP) 等先進(jìn)材料，這兩種材料都能在 5G 頻率下實(shí)現(xiàn)一流的介電性能。出于各種原因，包括更高頻率下的穩(wěn)定性，以及天線(xiàn)相關(guān)組件的穩(wěn)定性，LCP 被視為 5G 的首選材料。

在激光加工方面，全深度切割（本文的關(guān)注點(diǎn)）與 FPCB 制造中的成型切割/工藝路線(xiàn)應(yīng)用相關(guān)，該過(guò)程是從板材或卷材上切割出設(shè)備或組件的最終設(shè)計(jì)形狀。

MKS的工業(yè)激光器應(yīng)用研究人員使用高功率紫外 (UV) 混合光纖激光器（Quasar UV80，平均功率 80 W，能量高達(dá) 400 μJ/脈沖），對(duì)基于 LCP 的 FPCB 材料進(jìn)行了一系列切割實(shí)驗(yàn)，包括純 LCP 片和包銅 LCP 層壓板。

Quasar 激光器具 TimeShift 可編程脈沖技術(shù)的靈活性，可用于在單脈沖到 3.5 MHz 的廣泛脈沖重復(fù)頻率 (PRF) 下探索各種時(shí)域定制的脈沖輸出（脈沖寬度、脈沖串模式、脈沖整形）。所有測(cè)試均采用雙軸掃描檢流計(jì)進(jìn)行高速多次加工，并將 f-theta 物鏡 (f = 330 mm) 與可變擴(kuò)束鏡相結(jié)合，以探索各種焦斑直徑（20-35 μm，1/e2直徑）。

MKS的第一批加工結(jié)果來(lái)自 50 μm 厚的純 LCP 片材料。初步測(cè)試表明，該材料與聚酰亞胺類(lèi)似，具有相對(duì)較低的紫外光燒蝕閾值。然而，與聚酰亞胺不同的是，LCP 對(duì)過(guò)度加熱比較敏感，需要精心優(yōu)化工藝，以避免熔化和炭化。MKS在高 PRF (>750 kHz) 下使用短激光脈沖寬度 (~2-3 ns)和適中的脈沖能量，取得了最佳切割結(jié)果。圖 1 中的光學(xué)顯微鏡圖像顯示了產(chǎn)生的切口的入口、出口和橫截面視圖。

圖1 使用 Quasar UV80 激光器切割的 50 μm 厚純 LCP。入口（左上）、出口（右上）和橫截面（下）視圖顯示了出色的質(zhì)量和最低限度的過(guò)度加熱

這些圖像展示了通過(guò)紫外納秒脈沖所實(shí)現(xiàn)的出色質(zhì)量，幾乎沒(méi)有熔化和炭化的跡象。橫截面視圖顯示了紋理精細(xì)的加工表面，沒(méi)有熱熔回流（即表面“平滑”）。橫截面視圖在切口的出口面方向確實(shí)出現(xiàn)了一些“通道”。這是由于工藝的高速/低脈沖重疊性質(zhì)，以及隨著深度增加而減小的燒蝕直徑，從而在切口的出口面方向產(chǎn)生了接近分離的燒蝕“點(diǎn)”。在實(shí)踐中，通過(guò)在切口更深時(shí)降低光束掃描速度，可以減少或消除這種效應(yīng)。該切口使用 13 次重疊掃描在 8 m/s 掃描速度下實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了 ~615 mm/s 的凈切割速度。

MKS還進(jìn)行了包銅 LCP 層壓板切割的試驗(yàn)，在測(cè)試中使用了兩種不同厚度的  Cu/LCP/Cu 疊層：18/100/18 μm 和 9/25/9 μm。較厚的那種材料尤其難以處理，而更高的脈沖能量有助于避免加寬切口寬度（例如通過(guò)實(shí)施平行線(xiàn)/光柵掃描工藝）。然而，Quasar 激光器的脈沖能量高達(dá) 400 μJ，不需要采取這些措施。MKS利用了該激光器的 TimeShift 脈沖定制功能來(lái)研究各種條件，包括短脈沖寬度與長(zhǎng)脈沖寬度，以及脈沖串模式輸出。

對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖 (10 ns)，切割速度處于較高的 100-120 mm/s，而切割質(zhì)量趨向于毛邊較小但氧化區(qū)較大。另一方面，較短的脈沖 (2.5 ns) 切割速度較慢 (~90 mm/s)，毛邊更高，但氧化區(qū)顯著減少。使用短脈沖 (2 ns) 的脈沖串可以產(chǎn)生最好的總體結(jié)果，具有 130 mm/s 的最高切割速度，以及毛邊高度和氧化量都適中的切割質(zhì)量。圖 2 中的光學(xué)顯微鏡圖像從入口和出口面以及橫截面角度顯示了這樣的切口。

圖2 使用 Quasar UV80 激光器切割的厚包銅 LCP。入口（左上）、出口（右上）和橫截面（下）視圖顯示了使用時(shí)域定制的納秒脈沖實(shí)現(xiàn)的清潔優(yōu)質(zhì)切口。

這些顯微鏡圖像顯示了可以通過(guò)精心優(yōu)化工藝和時(shí)域定制脈沖強(qiáng)度輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的總體質(zhì)量。即使在切割包銅材料時(shí)，也可以保持之前顯示的出色的 LCP 切割質(zhì)量。此外，由于銅在 LCP 上的剝離強(qiáng)度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚酰亞胺的剝離強(qiáng)度，值得注意的是 Cu-LCP 交界面沒(méi)有任何分層的跡象。對(duì)于較薄的 9/25/9 μm 疊層，可以觀察到類(lèi)似的結(jié)果，但是凈切割速度明顯更高，達(dá)到 >350 mm/s。

光學(xué)顯微鏡清晰地突出顯示了使用納秒脈沖激光器加工銅時(shí)發(fā)生的任何氧化物生長(zhǎng)和熔融銅區(qū)域，例如毛邊、粗糙邊緣，等等。對(duì)于精細(xì)表面結(jié)構(gòu)及其調(diào)整的超近距離成像，掃描電子顯微鏡 (SEM) 是更好的替代方法，用來(lái)進(jìn)行了切口樣品的進(jìn)一步分析。圖 3 顯示了通過(guò) SEM 觀察18/100/18 μm 疊層的宏觀視角。

圖3 SEM 成像展示了使用 Quasar UV80 激光器切割的包銅 LCP 光滑的材料表面和清晰的幾何形狀。

與光學(xué)顯微鏡相比，通過(guò)電子顯微鏡觀察時(shí)，薄氧化物的光學(xué)效應(yīng)以及先前熔融銅的散射/反射性質(zhì)沒(méi)有那么明顯，從而可以聚焦于表面真正的維度方面，包括調(diào)整、邊緣平直度等等。在這里，SEM 圖像展示了優(yōu)質(zhì)表面的清潔和經(jīng)過(guò)精密加工的特征。特別值得注意的是 LCP 切口邊緣的光滑度和垂直度，在銅層的切口斷面沒(méi)有任何明顯的“鼓肚”或潰縮。圖 4 中顯示了交界面的高度放大 SEM 視圖，確認(rèn) LCP 與 Cu 層之間的結(jié)合很好。此外，MKS更詳細(xì)地確認(rèn)了光滑平整的 LCP 表面，銅切口邊緣沒(méi)有任何潰縮。

圖4 近距離 SEM 視圖顯示 Cu-LCP 在激光切割之后完好無(wú)損，銅切口邊緣沒(méi)有任何 LCP 潰縮。

新技術(shù)通常會(huì)帶來(lái)新材料，而制造方法和設(shè)備必須相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于 5G 移動(dòng)設(shè)備，高數(shù)據(jù)速率和高速電子器件需要替換掉 FPCB 中傳統(tǒng)的聚酰亞胺電介質(zhì)，許多情況下要替換為 LCP 薄膜和層壓板。在這項(xiàng)工作中，MKS使用了高功率高脈沖能量 Quasar 紫外激光器來(lái)切割這些材料，取得了出色的結(jié)果。

Quasar 系列的突破性性能，使得在較高重復(fù)頻率下，仍具有高紫外平均功率和脈沖能量，可滿(mǎn)足高效微加工。Quasar 具有可編程脈沖形狀的創(chuàng)新 TimeShift 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工速度、靈活性和控制性的完美組合。

突破性技術(shù): Quasar 將先進(jìn)的光纖激光器、功率放大器和專(zhuān)利的倍頻技術(shù)相結(jié)合，獲得突破性結(jié)果。這一獨(dú)特的設(shè)計(jì)利用光纖激光器的靈活性和穩(wěn)健性，滿(mǎn)足了 TimeShift 技術(shù)的要求。通過(guò)添加 Spectra-Physics 專(zhuān)屬功率放大器技術(shù)，Quasar 可將其靈活性增強(qiáng)到很高的輸出功率水平。最后，通過(guò)使用 Spectra-Physics 獲得專(zhuān)利的倍頻模塊（因其優(yōu)異的穩(wěn)定性而聞名），Quasar 可為嚴(yán)苛的全天候 OEM 激光器應(yīng)用持續(xù)提供功率、靈活性和控制性的完美組合。

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