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    UV激光鉆孔紫外激光切割技術在FPC行業的應用分析

    UV激光鉆孔紫外激光切割技術在FPC行業的應用分析

    UV激光紫外切割打孔技術目前在PCB、FPC行業應用已非常廣泛,無論是國外還是國內都已形成完整產業標準制程,美國ESI公司目前處于PCB/FPC激光切割打孔這一行業全球的龍頭標桿企業,在全球市場占有率上一直處于榜首地位,中國市場曾經也是美國ESI的激光設備一家獨大局面,近年來不少中國本土激光企業受到國家的扶持在這一塊也取得技術上突飛猛進,打破了我國PCB/FPC行業紫外激光切割打孔設備國外壟斷的局面,以下就中國國產UV激光紫外切割打孔設備性能行情做進一步分析。

    一、背景

    柔性電子材料板是以聚酰亞胺(簡稱PI)或聚酯薄膜(簡稱PET)等柔性基材制成的一種具有高度可靠性、可撓性的印刷電路板,簡稱軟板或FPC(Flexible Printed Circuit),具有配線密度高、重量輕、厚度薄的特點。FPC,可自由彎曲、折疊、卷繞,可在三維空間隨意移動及伸展,散熱性能好,可實現輕量化、小型化、薄型化,從而達到電子元器件和導線連接一體化。目前,FPC的應用幾乎涉及所有的電子信息產品,包括消費電子產品、通信設備和汽車載品等廣泛領域。根據市場研究機構VLSI Research統計,全球FPC總產值逐年增加,2013年達到約160 億美元,如圖1所示,且中國FPC 產量產值將超過美國、歐洲、韓國、臺灣地區,接近日本,約占全球20%的比重,成為世界最重要的生產基地。


     圖1:全球FPC 總產值走勢圖 (億美元)

    根據中國光學光電子行業網相關資料,中國FPC加工成型市場近幾年一直保持20%以上的年增長速度,2013 年的產值約為2.66億元,如圖2所示。FPC鉆孔是FPC成型的主要工藝階段,微孔質量的好壞直接影響到柔性電子材料板的機械裝配性能和電器連接性能,且鉆孔加工占據了整個生產35%的時間和成本。隨著電子產品不斷向輕、薄、短、小的方向發展,FPC也隨之不斷向高密度方向發展,在同一層板上的微孔數高達50000多個,大量的微孔加工需求為FPC鉆孔服務提供了巨大市場的同時,也對鉆孔技術提出了更高的要求。


    圖2:中國FPC成型服務市場容量的統計(億美元)

    二、應用
    最早的FPC打孔主要通過機械式實現,但隨著高密度FPC的不斷發展,機械鉆孔技術已不能滿足打孔小徑化、高精度和高效率的市場需求。
    20世紀90年代末以來,激光打孔逐漸取代了機械鉆孔,成為FPC板微孔的主流加工技術,相應的激光打孔設備也迅速發展起來。與機械打孔相比,紫外激光FPC打孔有更高的分辨率和更小的加工孔徑,同時由于激光頭不接觸工件,不存在工具磨損,有著顯著的成本優勢。根據性價比等方面考慮,通??讖椒秶c采用優選打孔工藝:150μm以上孔,采用機械加工;150~100μm孔,采用CO2激光打孔;100μm以下,采用紫外UV激光打孔切割。


     圖3:紫外激光鉆通孔、盲孔剖面示意圖

     

    CO2激光打孔設備,目前日本日立、三菱、松下、住友及國內大族都已推出。其中,日立CO2激光鉆孔機打孔效率最高,產品占據了日本70%、全球50%的市場份額;三菱

    CO2激光鉆孔機設備也處于市場領先地位,其產品系列化,有效針對銅箔、封裝線路板、大尺寸印制電路板的加工。

    UV激光打孔設備,美國ESI、德國LPKF、日本三菱和深圳艾提歐以及武漢拓普銀都有推出。其中,ESI公司執行業之牛耳;三菱緊跟其后; 355nm的全固態紫外激光進行FPC成型,同時滿足激光切割和鉆孔功能。
    與國外相比,國產激光打孔設備的研發和推廣起步較晚。武漢拓普銀以及深圳艾提歐、廣東正業、深圳大族激光采用355nm的全固態激光源,系統加工精度 ±20μm,最小鉆盲孔孔徑可到 25μm,與ESI等國外設備仍有一定的差距。(ESI于2014年正式收購武漢拓普銀光電技術公司股權)

    三、國產UV激光紫外設備主要技術難點
    UV激光打孔設備是一種基于UV激光的FPC微孔群精微加工技術,通過UV激光加工工藝的優化,實現微小尺寸、高表面質量的FPC微孔高效加工的微孔群加工設備。實現各類柔性電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術難點如下:
    (1)微孔精微加工的質量保證
    微孔主要分通孔和盲孔兩種。通孔的質量主要為孔徑比、真圓度和孔內質量。盲孔的質量主要為孔徑比、真圓度、孔內質量、孔的深度控制和孔底質量。但是,在FPC激光微群孔加工中,不僅要實現足夠小的微孔孔徑,同時要保證足夠的孔深、良好的孔形和多孔加工的一致性,因而必須在多聚焦方式、脈沖序列加工、聚焦光斑質量優化、激光能量精確控制以及導光系統穩定性等方面開展大量的相關研究。
    (2)高效打孔過程中的精確控制方法
    國產UV激光產品的目標是基于紫外激光的FPC微孔群高效加工,可實現媲美ESI的打孔速度;通過鉆孔數據優化、振鏡和機械平臺同步聯動等幾個方向入手,實現這一目標。在具體實施過程中,需要尋找最短加工路徑優化算法,探索振鏡與平臺同步協調控制方法,在保證多孔加工質量及一致性的同時,最大程度地節約孔群加工時間。
    (3)激光功率穩定性監測和控制
    在FPC盲孔UV激光加工過程中,由于功率的不穩定因素會導致傷銅底,使部分或整個電路板報廢,增加PCB企業的生產成本和檢測成本,所以需要測試出一段鉆孔性能表現穩定的激光能量變化區域,也稱能量processwindow,且這個能量變化區域越寬越好,這是衡量一款設備性能好壞的重要指標之一。
    通過整個光路的優化設計,如擴束鏡、光束整形器,分光方法、場鏡的參數設計以及光路調試方法等提高穩定能量區域的寬度,利用馬達控制衰減器角度或聲光調制器)參數調節來實現功率相對穩定。
    4 鉆孔定位精度控制
    隨著柔性電子材料板向高密度的方向發展,除了孔徑要求越來越小,鉆孔位置精度要求也相應提高。目前UV激光鉆孔位置精度普遍要求在±25μm的范圍,未來的鉆孔位置精度必然要達到±10μm或更小。同時,對加工效率提出了更高的要求,如何在保證足夠快的加工速度前提下,精確地控制鉆孔位置精度,是本產品中FPC激光紫外微群孔加工的難點之一。
    在研究過程中,需要對影響鉆孔定位精度的因素如工作平臺的定位精度和重復定位精度、光路的調節水平、視覺系統定位精度、吸附平臺的平整性等,開展具體深入的研究,實現鉆孔定位精度的精確控制和優化。
    四、國產UV激光紫外設備系統介紹
    國產紫外打孔設備目前可實現自動連續打孔生產。下圖是紫外設備系統圖。


    1、對應的設備實效圖:

          

    2、設備原理

    通過利用高能量的激光源以及精確控制激光光束進行鉆孔,可有效提高加工速度,得到精確的加工結果。主要應用于HDI板、撓性板UV紫外激光鉆一階盲孔、二階盲孔、通孔,其鉆孔速度快,孔型質量好,可靠性、穩定性高。
    3、設備核心應用
    (1)最適合鉆軟性電路板的激光鉆盲通孔:
    通孔:幾乎滿足各種軟板材料的激光加工;
    盲孔:已對Cu12PI25Cu12,Cu12PI50Cu12、Cu12PI50Cu12、 Cu18PI50Cu18驗證效果OK,加Epoxy和Acrylic 膠測試,縮膠量可控制在±5um,滿足客戶需要。
    (2)可對覆蓋膜UV激光切割,碳化現象低微;
    (3)HDI硬板打孔。
    (4)對軟硬電路板進行UV激光開蓋,盲切,盲切深度波動約<±100um;
    目前,國產UV紫外激光設備的應用功能已得到客戶的廣泛認可,具備一定的性價比,2014年ESI通過對武漢拓普銀收購來進一步加強對中國FPC切割盲孔打孔市場鯨吞,國產設備原有的性價優勢減弱,2015年勢必會帶來國產設備紫外UV激光設備新一輪降價。

    4、產品性能參數表

    五、國產UV紫外激光設備鉆孔效果
    1、就行業品質要求、國產UV激光設備能達到水平對照,并示例圖片效果展示(如圖4);

     圖4 FPC行業品質要求、國產UV紫外激光設備達到水平、示例圖片

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

      圖5:UV激光通孔效果圖                                       

    3、FPC 100μm激光盲孔(正面效果、孔底效果、孔口效果、電鍍后效果、切片效果)(如圖六)

    圖6:FPC 100μm盲孔激光效果圖 

    小結:目前國產UV紫外激光切割設備已解決紫外激光FPC切割、FPC激光鉆盲孔、FPC激光打微孔以及多層線路軟板UV激光切割打孔技術難題,可實現FPC切割鉆盲孔打樣加工,覆蓋膜開窗口打孔等

    六、總結

    目前國產FPC激光切割打孔機與美國ESI以及德國LPKF、日本三菱等國外大牌激光企業仍有一定的差距,主要體現在效率、精準度、穩定性以及切割質量上,國產FPC紫外激光機憑借性價比優勢止目前在中國市場占有相當大一部分市場分額,通過對FPC激光技術不斷研發更新來進一步與國外紫外FPC激光公司竟爭。而對于國外FPC激光切割機要想牢牢把握中國市場,需要解決FPC激光切割機價格及售后服務問題,國產FPC激光機價格不到國外進口FPC激光機的1/2,降底售價是國外公司奪取中國市場的核武器。美國ESI公司通過對中國本土企業武漢拓普光電技術有限公司收購來解決FPC激光切割打孔設備的售后及價格問題,拓普銀FPC激光切割機將采用全球最先進的UV激光技術來完善原有的技術瓶頸,不排除后續美國ESI將把UV激光設備生產直接轉入中國制造,這將對中國整個激光行業都是一個技術上革新,2015FPC激光切割市場必然會有一場各大激光公司技術與價格廝殺。


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