激光加工技術(shù)在柔性線路板中的應(yīng)用

高密度柔性線路板是整個柔性線路板的一個部分，一般定義為線間距小于200μm或微過孔小于250μm的柔性線路板。高密度柔性線路板的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如電信、計算機、集成電路以及醫(yī)療設(shè)備等。本文針對柔性線路板材料的特殊性質(zhì)，介紹利用激光加工高密度柔性線路板以及進行微過孔鉆孔時需要重點考慮的一些問題。
　　柔性線路板獨有的特性使其在多種場合成為剛性線路板及傳統(tǒng)布線方案的替代方式，同時它也推動了很多新領(lǐng)域的發(fā)展。柔性線路板增長最快的部分是計算機硬盤驅(qū)動器(HDD)內(nèi)部連接線。硬盤磁頭要在旋轉(zhuǎn)的盤片上前后移動掃描，可用柔性線路代替導(dǎo)線實現(xiàn)移動磁頭和控制線路板之間的連接。硬盤制造商通過一種叫做“懸浮柔性板”(FOS)的技術(shù)增加產(chǎn)量并降低裝配成本，此外無導(dǎo)線懸浮技術(shù)具有更好抗震性，能提高產(chǎn)品可靠性。在硬盤中用到的另一種高密度柔性線路板是內(nèi)部連接式柔性板(interposer flex)，用在懸浮體和控制器之間。
　　柔性線路板增長速度位居第二的領(lǐng)域是新型集成電路封裝。芯片級封裝(CSP)、多芯片模塊(MCM)以及柔性線路板上芯片封裝(COF)等都要用到柔性線路，其中CSP內(nèi)連式線路的市場尤其巨大，因為它可用在半導(dǎo)體器件和閃速存儲器上而廣泛用于PCMCIA卡、磁盤驅(qū)動器、個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話、傳呼機、數(shù)字?jǐn)z像機及數(shù)字照相機中。此外，液晶顯示器(LCD)、聚脂薄膜開關(guān)和噴墨打印機墨盒是高密度柔性線路板的另外三個高增長應(yīng)用領(lǐng)域。
　　柔性線路技術(shù)在便攜式裝置(如移動電話)中的市場潛力非常大，這是很自然的，因為這些設(shè)備要求體積小重量輕以迎合消費者的需求；除此之外，柔性技術(shù)的最新應(yīng)用還包括平板顯示器和醫(yī)療設(shè)備，設(shè)計人員可以利用它減少產(chǎn)品(如助聽器和人體植入裝置)的體積和重量。
　　上述各領(lǐng)域的巨大增長使得全球柔性線路板的產(chǎn)量也跟著增加。如硬盤年銷售量預(yù)計在2004年將達到3.45億臺，差不多是1999年的兩倍，移動電話在2005年的銷量保守的估計也是6億部，這些增長導(dǎo)致高密度柔性線路板的產(chǎn)量預(yù)計每年將增加35%，到2002年達到350萬平方米。如此高的產(chǎn)量需求需要有高效低成本的加工工藝，激光加工技術(shù)就是其中之一。
　　激光在柔性線路板制造過程中有三個主要功能：加工成型(切割與切除)、切片和鉆孔。激光作為一種非接觸式加工工具，能在一個很小的焦點(100～500μm)上施加高強度光能(650mW/mm2),如此高的能量可以用來對材料進行切割、鉆孔、作標(biāo)記、焊接、劃線及其它各種加工,加工速度和質(zhì)量與被加工材料性質(zhì)和所用的激光特性如波長、能量密度、峰值功率、脈沖寬度及頻率等有關(guān)。柔性線路板加工使用紫外(UV)和遠(yuǎn)紅外(FIR)激光，前者通常采用準(zhǔn)分子或UV二極管泵浦固態(tài)(UV-DPSS)激光器，而后者一般用密封式CO2激光器。

圖1：矢量掃描技術(shù)采用計算機控制裝有檢流表的反射鏡和CAD/CAM軟件產(chǎn)生剪裁和鉆孔圖形，并使用遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)保證激光垂直照在工件表面上加工成型
　　激光加工精度高用途廣，是進行柔性線路板成型處理的理想工具。不論是CO2激光還是DPSS激光，聚焦后都可以將材料加工成任意形狀。它通過在檢流計上安裝反射鏡將聚焦后的激光束射到工件表面任何地方(圖1)，再利用矢量掃描技術(shù)對檢流表進行計算機數(shù)控(CNC)，并借助CAD/CAM軟件作出切割圖形。這種“軟工具”在設(shè)計更改時可方便地對激光作即時控制。利用對光縮放量和各種不同的切割工具進行調(diào)節(jié)，激光加工能夠精確地再現(xiàn)出設(shè)計圖形，這是它的另一個顯著優(yōu)點。
　　矢量掃描可切割聚酰亞胺膜之類的基材，切出整個電路或者去除線路板上的某個區(qū)域如一個槽或一個方塊。在加工成型過程中，反射鏡掃描整個加工表面時激光束是一直打開的，這和鉆孔工藝相反，鉆孔時只有當(dāng)反射鏡固定在每個鉆孔位置后激光才打開。
　　切片
　　“切片”用行話來說就是用激光從一層材料上除掉另一層材料的加工過程。這種工藝對激光再適合不過，可用與前面相同的矢量掃描技術(shù)去除電介質(zhì)，露出下面的導(dǎo)電焊盤，此時激光加工的高精度再一次體現(xiàn)出極大的好處。由于FIR激光射線會被銅箔反射，所以這里通常使用CO2激光。
　　鉆孔
　　雖然現(xiàn)在有的地方還在用機械鉆孔、沖壓或等離子蝕刻等方法形成微通孔，但激光鉆孔還是使用得最廣泛的一種柔性線路板微過孔成形方法，主要原因是因為其生產(chǎn)率高、靈活性強及正常運行時間長。
　　機械鉆孔和沖壓采用高精度鉆頭和模具，能在柔性線路板上作出直徑接近250μm的孔，但這些高精度設(shè)備非常昂貴，而且相對來說壽命較短。由于高密度柔性線路板所需孔徑比250μm小，所以機械鉆孔并不被看好。
　　使用等離子蝕刻能在50μm厚的聚酰亞胺膜基材上作出尺寸小于100μm的微過孔，但是設(shè)備投資及工藝成本都相當(dāng)高，等離子蝕刻工藝的維護費用也很高，特別是一些化學(xué)廢物處理以及易耗品等相關(guān)費用，此外等離子蝕刻在建立新工藝時需要相當(dāng)長的時間才能作出一致可靠的微過孔。這種工藝的優(yōu)點是可靠性高，據(jù)報道它作出的微過孔合格率達到98%，因此在醫(yī)療和航空電子設(shè)備中，等離子蝕刻加工還是有一定的市場。
　　相比之下，用激光制作微過孔則是一種簡單的低成本工藝。激光設(shè)備投資非常低，而且激光是一種非接觸式工具，不像機械鉆孔那樣會有一筆昂貴的工具更換費用。此外，現(xiàn)代密封式CO2和UV-DPSS激光器都是免維護的，可將停機時間減到最小，極大地提高了生產(chǎn)率。
　　在柔性線路板上產(chǎn)生微過孔的方法與在剛性PCB上一樣，但是由于基材和厚度的差異，激光的一些重要參數(shù)需要改變。密封CO2和UV-DPSS激光都可以使用同成型加工一樣的矢量掃描技術(shù)在柔性線路板上直接鉆孔，唯一的差異是鉆孔應(yīng)用軟件會在掃描反射鏡從一個微過孔掃至另外一個微過孔過程中將激光關(guān)掉，只有到達另一個鉆孔位置時激光束才打開。為了使作出的孔垂直于柔性線路板基材表面，激光束必須垂直照在線路板基材上，這可以通過在掃描反射鏡和基材間使用遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)做到(圖2)。