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UV激光钻孔紫外激光切割技术在FPC行业的应用分析

UV激光钻孔紫外激光切割技术在FPC行业的应用分析

UV激光紫外切割打孔技术目前在PCBFPC行业应用已非常广泛,无论是国外还是国内都已形成完整产业标准制程,美国ESI公司目前处于PCB/FPC激光切割打孔这一行业全球的龙头标杆企业,在全球市场占有率上一直处于榜首地位,中国市场曾经也是美国ESI的激光设备一家独大局面,近年来不少中国本土激光企业受到国家的扶持在这一块也取得技术上突飞猛进,打破了我国PCB/FPC行业紫外激光切割打孔设备国外垄断的局面,以下就中国国产UV激光紫外切割打孔设备性能行情做进一步分析。

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,紫外激光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,采用紫外UV激光打孔切割。


 图3:紫外激光钻通孔、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、日本三菱和深圳艾提欧以及武汉拓普银都有推出。其中,ESI公司执行业之牛耳;三菱紧跟其后; 355nm的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。武汉拓普银以及深圳艾提欧、广东正业、深圳大族激光采用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等国外设备仍有一定的差距。(ESI于2014年正式收购武汉拓普银光电技术公司股权)

三、国产UV激光紫外设备主要技术难点
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激光微群孔加工中,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
国产UV激光产品的目标是基于紫外激光的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UV激光加工过程中,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UV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激光紫外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、国产UV激光紫外设备系统介绍
国产紫外打孔设备目前可实现自动连续打孔生产。下图是紫外设备系统图。


1、对应的设备实效图:

      

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UV紫外激光钻一阶盲孔、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激光钻盲通孔:
通孔:几乎满足各种软板材料的激光加工;
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UV激光切割,碳化现象低微;
(3)HDI硬板打孔。
(4)对软硬电路板进行UV激光开盖,盲切,盲切深度波动约<±100um;
目前,国产UV紫外激光设备的应用功能已得到客户的广泛认可,具备一定的性价比,2014年ESI通过对武汉拓普银收购来进一步加强对中国FPC切割盲孔打孔市场鲸吞,国产设备原有的性价优势减弱,2015年势必会带来国产设备紫外UV激光设备新一轮降价。

4、产品性能参数表

五、国产UV紫外激光设备钻孔效果
1、就行业品质要求、国产UV激光设备能达到水平对照,并示例图片效果展示(如图4);

 图4 FPC行业品质要求、国产UV紫外激光设备达到水平、示例图片

2、通孔紫外激光加工(25μm、30μm、40μm、50μm、100μm)(如图5)

  图5:UV激光通孔效果图                                       

3、FPC 100μm激光盲孔(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:FPC 100μm盲孔激光效果图 

小结:目前国产UV紫外激光切割设备已解决紫外激光FPC切割、FPC激光钻盲孔、FPC激光打微孔以及多层线路软板UV激光切割打孔技术难题,可实现FPC切割钻盲孔打样加工,覆盖膜开窗口打孔等

六、总结

目前国产FPC激光切割打孔机与美国ESI以及德国LPKF、日本三菱等国外大牌激光企业仍有一定的差距,主要体现在效率、精准度、稳定性以及切割质量上,国产FPC紫外激光机凭借性价比优势止目前在中国市场占有相当大一部分市场分额,通过对FPC激光技术不断研发更新来进一步与国外紫外FPC激光公司竟争。而对于国外FPC激光切割机要想牢牢把握中国市场,需要解决FPC激光切割机价格及售后服务问题,国产FPC激光机价格不到国外进口FPC激光机的1/2,降底售价是国外公司夺取中国市场的核武器。美国ESI公司通过对中国本土企业武汉拓普光电技术有限公司收购来解决FPC激光切割打孔设备的售后及价格问题,拓普银FPC激光切割机将采用全球最先进的UV激光技术来完善原有的技术瓶颈,不排除后续美国ESI将把UV激光设备生产直接转入中国制造,这将对中国整个激光行业都是一个技术上革新,2015FPC激光切割市场必然会有一场各大激光公司技术与价格厮杀。


点击次数:10515  发布日期:2014-06-23  【打印此页】  【关闭

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