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皮秒光纤激光器FPC覆盖膜切割工艺研究
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柔性线路板（FPC）以其重量轻、配线密度高、厚度薄等特点，被广泛应用于电子产品中。
FPC表面有一层树酯薄膜，起到线路保护和阻焊等的作用，是FPC产品重要的组成部分，因其主要成分为聚酰亚氨（Polyimide，PI），故在该领域又被称之为PI覆盖膜，它是一种分子主链上含有酰亚胺环状结构的耐高温聚合物，在高温下具有突出的介电性能、机械性能、耐辐射性能和耐磨性能等，被广泛应用于航空、兵器、电子、电器等精密电子领域。
在FPC的实际生产过程中，因工艺过程需要，需在PI覆盖膜表面涂布一层半固化态的环氧树酯粘合剂，在粘合剂表面贴一层离型纸以保护粘合剂不被污染，因此用于FPC的PI覆盖膜已不只是一种单组分的材料，它至少是含有两种化学材料的复合薄膜（如图1）。

PI覆盖膜在与FPC线路层贴合前，需根据线路设计要求，在相应位置切割大小、形状不同的窗口（行业内亦称为PI膜开窗）。

在过去很长一段时间，PI膜的切割主要用传统的模切方式实现，该工艺存在加工精度低、制造成本高等问题，且随着电子电路设计向小型化和高密度化发展，传统的模切方式已日渐不能满足设计的要求。
利用激光进行PI覆盖膜切割，不仅切割精度高，还可省去高额的模具费用，产品合格率亦高，能够大大降低生产成本，提高产品质量；激光采用的是无接触式加工，如激光光源的选型以及工艺方法得当，则不会对加工材料造成如模切方式产生的拉伸变形、压伤等损伤；因激光的聚焦光斑仅有几十微米，能够实现高密度线路和微孔的加工，这一优势正迎合了电路设计的发展步伐，是PI覆盖膜开窗最理想的加工工具。
目前，用于PI覆盖膜切割的激光器主要为纳秒级的全固态紫外激光器，其波长一般为355nm，单光子能量约为3.5EV，在PI的化学键结构中，C－C键和C－N键的化学键的键能约为3.4EV，略低于355nm波长紫外激光的单光子能量，当该波长的紫外激光作用在材料上时，可直接将这两种化学键打断，这亦是紫外激光能够切割PI材料的原因。
虽然紫外激光相较于传统的模切方式更前进了一步，但在实际应用过程中仍存在一些问题：
1.紫外激光的光子能量在达到或高于材料化学键的键能的同时，其能量密度亦达到材料的热损伤阈值，当激光与材料相互作用时，已不仅只是光化学作用，还存在光热转换及传递过程，随着热量的产生和积累，材料温度不断上升。
研究表明，当PI材料温度高于600℃时，相对于C元素，N和O两种元素的比例会不断减小，最终材料中主要以C元素为主，即材料发生碳化，碳化的材料极易造成线路间的短路。
尤其是微短路，不仅给产品维修检测带来很大困难，而且影响产品合格率，虽然在实际应用过程中可通过优化工艺参数减小碳化的程度，但仍难做到绝对的保障。
图2为使用紫外激光器通过优化工艺参数做的厚度分别为0.5mil和1mil的PI膜开窗的图例，在50倍放大状态下，仍可见有轻微碳化现象；

2.目前市面上的紫外激光器的脉冲宽度均为纳秒级别，其单个脉冲持续时间为10^-9S，根据材料吸收激光能量转化为热能的扩散距离公式L=[4Dt]^1/2，其中D为材料热扩散率，t为激光脉冲宽度。
由此可知当材料一定时，激光脉冲宽度越大，激光产生的热能在材料上的扩散距离越大，也就是说对材料的热损伤越大，当在加工高密度孔时，极易导至孔与孔之间PI材料的热变形，甚至是熔断；
3.现在市面上主流的紫外激光器为全固体结构，该类激光器普遍存在长期工作不稳定、需做周期性调校的缺陷，在实际应用中不仅影响生产效能，而且维护成本较高。

激光切割材料有两种实现方式，一种是光化学原理，利用激光单光子能量达到或超过材料化学键键能，通过打断材料某些化学键来实现切割，上述紫外激光切割PI覆盖膜则用的是这种原理；
另一种是光物理原理，即当一定能量的激光照射在材料上时，一部分激光光子会被材料分子吸收，材料分子吸收了激光光子，其能级将发生跃迁，称之为分子运动。
而材料的分子运动将产生热，即将吸收的光能转化为热能，当材料分子的热能聚集达到其气化阈值时，材料分子将脱离原来的位置，使分子链断裂，最终将材料在激光吸收位置分割为两个部分，从而实现激光对材料的切割。

1064nm红外波长激光的单光子能量约1.2EV，小于大多数材料的化学键键能，因此红外波长激光加工材料的机理一般为光物理原理。

从上述激光作用于材料时热能的扩散距离公式可知，相对于同种材料，激光脉冲宽度越窄，激光热能的扩散距离就越小