主题：【原创】UV激光打孔技术在FPC行业的应用

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广东正业

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发表于：2014/07/25 13:37:21 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

一、背景

柔性电子材料板是以聚酰亚胺（简称PI）或聚酯薄膜（简称PET）等柔性基材制成的一种具有高度可靠性、可挠性的印刷电路板，简称软板或FPC（Flexible Printed Circuit），具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。FPC，可自由弯曲、折叠、卷绕，可在三维空间随意移动及伸展，散热性能好，可实现轻量化、小型化、薄型化，从而达到电子元器件和导线连接一体化。目前，FPC的应用几乎涉及所有的电子信息产品，包括消费电子产品、通信设备和汽车载品等广泛领域。根据市场研究机构VLSI Research统计，全球FPC总产值逐年增加，2013年达到约160 亿美元，如图１所示，且中国FPC 产量产值将超过美国、欧洲、韩国、台湾地区，接近日本，约占全球20%的比重，成为世界最重要的生产基地。

图１：全球FPC 总产值走势图 (亿美元)

根据中国光学光电子行业网相关资料，中国FPC加工成型市场近几年一直保持20%以上的年增长速度，2013 年的产值约为2.66亿元，如图２所示。FPC钻孔是FPC成型的主要工艺阶段，微孔质量的好坏直接影响到柔性电子材料板的机械装配性能和电器连接性能，且钻孔加工占据了整个生产35％的时间和成本。随着电子产品不断向轻、薄、短、小的方向发展，FPC也随之不断向高密度方向发展，在同一层板上的微孔数高达50000多个，大量的微孔加工需求为FPC钻孔服务提供了巨大市场的同时，也对钻孔技术提出了更高的要求。

图2：中国FPC成型服务市场容量的统计（亿美元）

二、应用
最早的FPC打孔主要通过机械式实现，但随着高密度FPC的不断发展，机械钻孔技术已不能满足打孔小径化、高精度和高效率的市场需求。
20世纪90年代末以来，激光打孔逐渐取代了机械钻孔，成为FPC板微孔的主流加工技术，相应的激光打孔设备也迅速发展起来。与机械打孔相比，激光FPC打孔有更高的分辨率和更小的加工孔径，同时由于激光头不接触工件，不存在工具磨损，有着显著的成本优势。根据性价比等方面考虑，通常孔径范围与采用优选打孔工艺：150μm以上孔，采用机械加工；150～100μm孔，采用CO2激光打孔；100μm以下，采用UV激光打孔。

图3：通孔、盲孔剖面示意图

CO2激光打孔设备，目前日本日立、三菱、松下、住友及国内大族都已推出。其中，日立CO2激光钻孔机打孔效率最高，产品占据了日本70%、全球50%的市场份额；三菱

CO2激光钻孔机设备也处于市场领先地位，其产品系列化，有效针对铜箔、封装线路板、大尺寸印制电路板的加工。

UV激光打孔设备，美国ESI、德国LPKF、日本三菱和广东正业科技都有推出。其中，ESI公司执行业之牛耳;三菱紧跟其后;LPKF全固态紫外激光进行FPC成型，同时满足激光切割和钻孔功能。
与国外相比，国产激光打孔设备的研发和推广起步较晚。广东正业科技的UV激光打孔机JG21，采用功率11W、频率2-250KHz 、355nm的全固态激光源，系统加工精度 ±20μm，最小钻盲孔孔径可到 25μm，与ESI接近。
三、主要技术难点
UV激光打孔设备是一种基于UV激光的FPC微孔群精微加工技术，通过UV激光加工工艺的优化，实现微小尺寸、高表面质量的FPC微孔高效加工的微孔群加工设备。实现各类柔性电子材料板上微孔群的批量化一致性制造。其中涉及到的主要技术难点如下：
（１）微孔精微加工的质量保证
微孔主要分通孔和盲孔两种。通孔的质量主要为孔径比、真圆度和孔内质量。盲孔的质量主要为孔径比、真圆度、孔内质量、孔的深度控制和孔底质量。但是，在FPC微群孔加工中，不仅要实现足够小的微孔孔径，同时要保证足够的孔深、良好的孔形和多孔加工的一致性，因而必须在多聚焦方式、脉冲序列加工、聚焦光斑质量优化、激光能量精确控制以及导光系统稳定性等方面开展大量的相关研究。
（２）高效打孔过程中的精确控制方法
本产品的目标是基于UV激光的FPC微孔群高效加工，可实现媲美ESI的打孔速度；通过钻孔数据优化、振镜和机械平台同步联动等几个方向入手，实现这一目标。在具体实施过程中，需要寻找最短加工路径优化算法，探索振镜与平台同步协调控制方法，在保证多孔加工质量及一致性的同时，最大程度地节约孔群加工时间。
（３）激光功率稳定性监测和控制
在FPC盲孔加工过程中，由于功率的不稳定因素会导致伤铜底，使部分或整个电路板报废，增加PCB企业的生产成本和检测成本，所以需要测试出一段钻孔性能表现稳定的激光能量变化区域，也称能量processwindow，且这个能量变化区域越宽越好，这是衡量一款设备性能好坏的重要指标之一。
通过整个光路的优化设计，如扩束镜、光束整形器，分光方法、场镜的参数设计以及光路调试方法等提高稳定能量区域的宽度，利用马达控制衰减器角度或声光调制器）参数调节来实现功率相对稳定。
（4）钻孔定位精度控制
随着柔性电子材料板向高密度的方向发展，除了孔径要求越来越小，钻孔位置精度要求也相应提高。目前激光钻孔位置精度普遍要求在±25μm的范围，未来的钻孔位置精度必然要达到±10μm或更小。同时，对加工效率提出了更高的要求，如何在保证足够快的加工速度前提下，精确地控制钻孔位置精度，是本产品中FPC激光微群孔加工的难点之一。
在研究过程中，需要对影响钻孔定位精度的因素如工作平台的定位精度和重复定位精度、光路的调节水平、视觉系统定位精度、吸附平台的平整性等，开展具体深入的研究，实现钻孔定位精度的精确控制和优化。
四、系统介绍
正业科技的打孔设备JG21采用Roll-to-roll设计，实现自动连续打孔生产。下图是设备系统图，包括RTR放料机构、打孔功能机构和RTR收料机构。

1、对应的设备实效图:

RTR收料机构打孔功能机构 RTR放料机构

2、设备原理

通过利用高能量的激光源以及精确控制激光光束进行钻孔，可有效提高加工速度，得到精确的加工结果。主要应用于HDI板、挠性板钻一阶盲孔、二阶盲孔、通孔，其钻孔速度快，孔型质量好，可靠性、稳定性高。
3、设备核心应用
（1）最适合钻软性电路板的盲通孔：
通孔：几乎满足各种软板材料的加工；
盲孔：已对Cu12PI25Cu12，Cu12PI50Cu12、Cu12PI50Cu12、 Cu18PI50Cu18验证效果OK,加Epoxy和Acrylic 胶测试，缩胶量可控制在±5um，满足客户需要。
（2）可对覆盖膜切割，碳化现象低微；
（3）HDI硬板打孔。
（4）对软硬电路板进行开盖，盲切，盲切深度波动约<±100um；
目前，设备的应用功能已得到客户的广泛认可，其典型客户有苏州（昆山）嘉联益、珠海超毅、深圳三德冠、东莞五株等。
4、产品性能参数表

五、钻孔效果
1、就行业品质要求、正业科技达到水平对照，并示例图片效果展示（如图4）；

图4行业品质要求、正业科技达到水平、示例图片

2、通孔（25μm、30μm、40μm、50μm、100μm）（如图5）

图5：通孔效果图

3、100μm盲孔（正面效果、孔底效果、孔口效果、电镀后效果、切片效果）（如图六）

图6：100μm盲孔效果图

六、总结
正业科技的ASIDA·UV 激光钻孔机经过多年研发攻关，解决上述诸多技术难点，推出市场。并经台湾嘉联益等大型FPC生产商长期使用，在钻孔质量和钻孔稳定性等方面得到充分的验证，满足25微米到100微米的范围的通孔加工，以及75微米到100微米的范围的盲孔加工要求。下一步将在效率方面逐步提升，最终达到国际先进水平，为行业的发展贡献一份力量。