飛秒激光加工高頻撓性板基材微孔研究

陸慧娟,歐卓東,黃兵,黃欣,王成勇,鄭李娟

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006)

撓性覆銅板(簡稱撓性板)是自動駕駛、穿戴設(shè)備、5G手機(jī)、通訊基站等電子系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)件[1]。撓性板由絕緣基材與銅箔壓合而成。絕緣基材包括聚酰亞胺(PI)、改性聚酰亞胺(MPI)、液晶聚合物(LCP)等材料,其中PI的介電損耗較大,LCP的制作工藝復(fù)雜且成本高昂[2]。在5G時(shí)代超高頻(10～15 GHz)信號傳輸?shù)男枨笙?MPI以高頻性能與高性價(jià)比的優(yōu)勢成為向6G、7G時(shí)代發(fā)展的高頻電子基材過渡材料。

目前撓性板微孔加工主要采用長脈沖激光加工方式[3-5],存在加工的微孔孔型差、精度低,伴有熱影響區(qū)大、重鑄層、微裂紋等熱損傷問題[6]。微孔加工質(zhì)量嚴(yán)重影響后續(xù)孔金屬化的工藝效果,進(jìn)而影響電子設(shè)備運(yùn)行的可靠性。又由于撓性板內(nèi)絕緣基材對激光的吸收率比銅高[7],使得微孔加工時(shí)撓性板內(nèi)絕緣基材層的熱損傷問題更為顯著。

關(guān)于超快激光加工撓性板微孔的研究較少。Zhao等[8]采用波長為355、532和1 064 nm的超短脈沖激光在撓性板上加工出直徑小于10 μm,孔間距0～2 μm的通孔,并認(rèn)為超短脈沖激光可用于制作高密度撓性電路板微孔。郭釗[9]分析了4種偏振態(tài)飛秒激光加工撓性板微孔的工藝特性(孔徑、燒蝕程度、圓度),認(rèn)為徑向偏振光作用下微孔加工質(zhì)量更優(yōu)。劉凱[10]闡述了飛秒激光與PI和Cu相互作用時(shí)的能量吸收與物質(zhì)遷移機(jī)制,發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)激光能流密度,可控制撓性板的刻蝕深度。張?jiān)讫埖萚11]認(rèn)為超快激光具有極短脈沖寬度(單脈沖激光與材料作用時(shí)間短至10-14s),可最大限度地減小微孔加工熱損傷。現(xiàn)有的電路板微孔激光加工研究主要是針對撓性板及其PI基材的微孔加工工藝,尚無針對MPI基材微孔激光加工特性的研究成果。

本文采用飛秒激光對高頻撓性板MPI基材進(jìn)行微孔加工研究,研究了MPI微孔材料去除過程,分析了飛秒激光加工過程的微孔質(zhì)量變化,為飛秒激光加工高頻撓性板微孔系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

本文使用東莞市盛雄激光先進(jìn)裝備股份有限公司生產(chǎn)制造的PM1609150064飛秒紫外激光加工系統(tǒng)進(jìn)行微孔加工實(shí)驗(yàn)。具體設(shè)備規(guī)格參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)材料為珠海景旺柔性電路有限公司提供的MPI薄膜,尺寸為80 mm×60 mm,厚度為25 μm。

表1 飛秒激光加工系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

為分析飛秒激光作用下微孔的成形及演變過程,進(jìn)行了孔徑為65 μm的改性聚酰亞胺微孔成形過程實(shí)驗(yàn)。飛秒紫外激光加工系統(tǒng)的微孔加工方式如圖1所示,加工系統(tǒng)采用環(huán)形切割方式切割微孔邊緣材料,其中圖1b)灰色小圓形為激光光斑與材料作用區(qū)域。

圖1 飛秒激光加工微孔方式示意圖

選取單脈沖能量(Pulse energy)、脈沖重疊率(Pulse overlap)和加工圈數(shù)(Passes)這3個加工參數(shù)作為變量,其中脈沖重疊被定義為激光束兩個連續(xù)脈沖在材料表面的重疊,脈沖重疊率(PO)計(jì)算公式為[12]

(1)

式中:Vx為加工速度;f為頻率;D為光斑直徑。

在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上選定同時(shí)滿足微孔加工質(zhì)量與加工效率要求的激光加工參數(shù),設(shè)定微孔成形過程實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67 %,加工圈數(shù)1～5,孔徑65 μm。

實(shí)驗(yàn)前首先利用無水乙醇清洗待加工表面以減少實(shí)驗(yàn)材料表面雜質(zhì)對加工質(zhì)量的影響。將處理完成的樣品置于上述加工系統(tǒng)的加工平臺并進(jìn)行微孔成形過程實(shí)驗(yàn),其中每組實(shí)驗(yàn)參數(shù)加工1組5行5列的陣列微孔。為研究MPI熱分解過程,使用NETZSCH熱重-紅外聯(lián)用系統(tǒng)(型號TG 209 F1)進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件為:空氣氣氛,溫度區(qū)間0～1 000 ℃,升溫速率10 ℃/min。

使用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡(型號LEXT OLS4100)通過非接觸方式構(gòu)建微孔三維形貌以進(jìn)行微孔的深度、圓度、熱影響區(qū)寬度測量。每組參數(shù)重復(fù)測量五次并取平均值。使用高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(型號HITACHI UHR FE-SEM SU8200 Series)觀察微孔微觀形貌,選擇微孔邊緣同一水平線上孔外到孔內(nèi)3個點(diǎn)(遠(yuǎn)孔點(diǎn)、孔邊緣點(diǎn)、微孔中點(diǎn))進(jìn)行能譜分析。具體微孔質(zhì)量測量方法如圖2所示。

圖2 飛秒激光加工MPI微孔質(zhì)量測量示意圖

微孔入口直徑de指連接圓周上兩點(diǎn)并通過微孔圓心的線段長度,微孔直徑De表示為微孔兩側(cè)熱影響區(qū)寬度及微孔入口直徑之和,深度h表示為微孔表面至微孔最低處距離,熱影響區(qū)寬度I表示為微孔邊緣凸起部分寬度,表達(dá)式為

(2)

選用最小外接圓法計(jì)算微孔圓度,如圖3所示,圓度誤差值Δr為微孔輪廓最小外接圓半徑Rw與同心內(nèi)切圓半徑Rn之差[13],即

圖3 微孔最小外接圓半徑與同心內(nèi)切圓半徑[13]

Δr=Rw-Rn

(3)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔的材料去除過程分析

飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔孔型變化特征如圖4所示,圖4(a1)～圖4(e1)為微孔孔型,圖4(a2)～圖4(e2)為微孔橫截面輪廓。加工第一圈時(shí),寬且淺的圓弧內(nèi)凹微溝壑形成,此時(shí)被去除的材料在橫截面上表現(xiàn)為兩處波浪下凹區(qū)域(波浪為激光加工后微溝壑的截面,波長為溝壑寬度),如圖4(a1)和圖4(a2)所示。隨著加工圈數(shù)增加,MPI材料逐層去除,微孔錐度逐漸減小,截面圖兩波浪的波深加大,微孔中部存在大量未燒蝕材料。波浪線從光滑逐漸變粗糙,說明孔璧粗糙度隨加工圈數(shù)增加而增大。加工第五圈時(shí)圓弧形孔型被梯形孔型取代,材料去除區(qū)域在橫截面上表現(xiàn)為梯形截面曲線,此時(shí)邊緣材料燒蝕完成并帶走微孔中部未燒蝕材料,通孔形成(圖4(e1),圖4(e2))。

圖4 飛秒激光加工MPI微孔孔型變化(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%)

由微孔孔型變化分析可知,飛秒激光加工微孔過程為:激光逐層去除MPI微孔邊緣材料,直至邊緣材料與母材連接處被打斷,微孔中部材料脫落形成通孔。飛秒激光能量密度高、脈沖時(shí)間短,激光照射區(qū)域材料對激光的非線性吸收增大,因此形成寬而圓滑的弧形溝壑。微孔錐度逐漸減小,其成因是激光束同時(shí)作用于微溝壑底部及微溝壑孔壁,孔壁材料被燒蝕去除。

改性聚酰亞胺聚合物在紫外激光作用下通過光化學(xué)與光熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料去除。光化學(xué)反應(yīng)時(shí),激光光子能量直接打斷MPI內(nèi)部的化學(xué)鍵,化合物裂解進(jìn)而降解為分子碎片,以基團(tuán)小顆粒或氣態(tài)方式脫離材料表面。光熱反應(yīng)時(shí),MPI通過加熱、熔融汽化等方式去除。結(jié)合飛秒激光加工MPI微孔過程的表面形貌變化圖(圖5)來分析微孔材料去除過程。觀察加工圈數(shù)1～5時(shí)微孔局部放大形貌(圖5(a2)～圖5(e2)),加工圈數(shù)為1時(shí)微孔邊緣及孔壁較光滑,孔壁存在向下延伸的細(xì)小波紋階梯。此時(shí)微孔孔壁出現(xiàn)規(guī)律的階梯燒蝕形貌,且無氣孔、裂紋、熔融顆粒等熱燒蝕標(biāo)志。這種現(xiàn)象表明第一圈加工時(shí),MPI在激光作用下主要發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),材料裂解并以氣態(tài)或顆粒狀基團(tuán)形式去除。

圖5 飛秒激光加工MPI微孔表面形貌變化(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%)

加工圈數(shù)為2時(shí)微孔孔壁波紋階梯的波紋間隔變寬。第二圈激光照射MPI材料時(shí)受到上一圈加工的氣態(tài)產(chǎn)物阻擋,氣態(tài)產(chǎn)物吸收并反射部分激光,導(dǎo)致照射到MPI材料表面的激光能量減少,孔壁波紋階梯的波紋間隔變寬。

加工圈數(shù)為3時(shí)微孔未打穿,材料無法從盲孔底部排出,有少部分塊狀顆粒物堆積在孔口或孔壁。此時(shí)照射到MPI材料表面的激光能量繼續(xù)減小。當(dāng)光子能量小于MPI聚合物的鍵能時(shí)光子無法直接打斷MPI的化學(xué)鍵,材料吸收激光能量后以熔融、汽化方式去除,熔融物在紊流作用下粘附在孔壁上。這種現(xiàn)象表明,MPI材料去除機(jī)制從以光化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瘜W(xué)反應(yīng)與光熱反應(yīng)協(xié)同作用。

加工圈數(shù)為4時(shí)環(huán)形溝壑的圓度明顯降低,微孔中有大塊剝落材料。分析其原因在于,此時(shí)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力減少,無法及時(shí)攜帶光熱反應(yīng)產(chǎn)生的熔融MPI排出孔外。同時(shí)由于復(fù)雜的激光非線性吸收、激光衍射作用,微孔圓度降低。

加工圈數(shù)為5時(shí)有少部分汽化顆粒物附著在微孔邊緣,形成微孔邊緣的重鑄特征。微孔邊緣的重鑄特征是由于熔融物質(zhì)沿孔壁排出不及時(shí),并在微孔邊緣處冷凝、重鑄形成的。該現(xiàn)象說明材料的光熱反應(yīng)加強(qiáng)。

對MPI材料進(jìn)行熱重分析(TG)和熱失重速率(DTG)分析,結(jié)果如圖6所示。溫度區(qū)間為0～400 ℃時(shí)TG曲線較為平緩,此時(shí)MPI樣品質(zhì)量接近100 %。溫度為400～630 ℃時(shí)樣品失重率為98.74%,其中溫度為400～550 ℃時(shí)TG曲線緩慢下降,而550～630 ℃溫度區(qū)間TG曲線劇烈下降,619.1 ℃時(shí)出現(xiàn)最大失重速率(-19.29 %/min)。溫度高于630 ℃時(shí),TG曲線較為平緩,此時(shí)MPI熱解反應(yīng)基本完成,剩余1.53 %樣品殘留物,猜測為殘留碳顆粒。

圖6 MPI熱解的TG曲線和DTG曲線(空氣氣氛,升溫速率10 ℃/min)

對MPI材料熱解產(chǎn)生的氣體進(jìn)行紅外光譜分析,發(fā)現(xiàn)FTIR譜圖有兩處CO2特征吸收峰,如圖7所示。與PI裂解反應(yīng)[14]相似,MPI材料在400～630 ℃時(shí)發(fā)生劇烈的裂解反應(yīng),生成烴類物質(zhì)及CO2氣體。

圖7 MPI熱解后氣體產(chǎn)物的FT-IR譜圖

對飛秒激光加工后的MPI材料微孔表面形貌及EDS能譜進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)從孔周邊至孔內(nèi)C元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)上升,O元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)下降(圖8)。O元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)下降不代表該加工過程未發(fā)生氧化反應(yīng),推測由于MPI材料在激光作用下裂解成殘留碳,產(chǎn)生CO2氣體導(dǎo)致。

圖8 飛秒激光加工MPI微孔表面形貌及能譜圖(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%,加工圈數(shù)4)

綜合以上結(jié)論,推測激光加工時(shí)MPI材料去除過程如圖9所示。分子能量高的紫外飛秒激光沿激光路徑繞圈燒蝕MPI材料時(shí),材料逐層汽化去除,材料在激光作用下可能同時(shí)發(fā)生光化學(xué)與光熱反應(yīng)。加工初始階段,微孔孔壁形成規(guī)律的階梯燒蝕形貌,MPI材料主要通過光化學(xué)反應(yīng)去除。光子直接切斷MPI內(nèi)部的化學(xué)鍵,化合物裂解后降解為分子碎片,并以基團(tuán)小顆?；驓鈶B(tài)方式脫離材料表面。

圖9 飛秒激光加工MPI微孔的材料去除過程示意圖

隨著加工圈數(shù)增加,孔壁及孔邊緣形成冷凝、重鑄顆粒,MPI材料去除機(jī)制從以光化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瘜W(xué)反應(yīng)與光熱反應(yīng)協(xié)同作用。除了光化學(xué)反應(yīng),光熱反應(yīng)也同時(shí)進(jìn)行:材料吸收高能量密度的激光能量后通過加熱、熔融、汽化等方式去除,生成MPI蒸氣及CO2氣體。受到氣體產(chǎn)物的屏蔽作用,激光與MPI材料作用時(shí)能量降低,材料光化學(xué)反應(yīng)減緩。此時(shí)生成的氣體壓力減小,無法及時(shí)沿孔壁排出熔融物質(zhì)導(dǎo)致孔壁重鑄層及孔邊緣影響區(qū)的形成。同時(shí)材料碎屑隨氣流噴射散落在微孔邊緣。隨著加工次數(shù)增加,微孔錐度與深度隨之增大,直至激光打斷微孔中部未燒蝕區(qū)域與母材連接處,中部材料自然脫落形成通孔(圖9d))。

2.2 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔質(zhì)量分析

2.2.1 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔深度分析

隨著加工圈數(shù)增加,MPI材料被逐層去除。微孔深度增加,在第五圈加工時(shí)達(dá)到25 μm深度,通孔形成,如圖10所示。飛秒激光加工微孔的深度變化速率基本保持不變。

圖10 飛秒激光加工MPI過程微孔深度變化(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%)

2.2.2 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔材料去除量分析

具有極高能量密度的飛秒激光加工MPI微孔時(shí),第1圈已獲得較大的材料去除比例(每圈激光加工的材料去除體積與微孔成孔體積之比),占比約21.00%;加工第2至第4圈時(shí)微孔體積去除比例從21.20%降低到10.74%,單圈加工的材料去除率下降;但加工第5圈時(shí)材料去除比例急劇增加,占比達(dá)36.45%,如圖11所示。

圖11 飛秒激光加工MPI過程微孔材料去除比例變化(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%)

上述分析表明,飛秒激光加工MPI材料微孔材料去除比例隨加工圈數(shù)增加而減小,于通孔完成時(shí)急劇增加。加工圈數(shù)增加時(shí)激光加工受到上一圈加工的氣體產(chǎn)物屏蔽作用,激光能量密度降低導(dǎo)致材料去除比例下降。微孔形成時(shí)激光切斷微孔中部未加工材料與母材連接處,大量微孔中部材料掉落導(dǎo)致材料去除比例急劇增加。

2.2.3 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔質(zhì)量表征

飛秒激光加工MPI微孔加工質(zhì)量如圖12所示,激光加工后形成入口/出口孔徑比為85.63%的通孔(通常要求孔徑比大于80%);入口孔徑與設(shè)定孔徑(65 μm)偏差7 μm(通常要求偏差小于10 μm)。

圖12 飛秒激光加工MPI微孔加工質(zhì)量(單脈沖能量0.004 5 mJ,脈沖重疊率96.67%,加工圈數(shù)5)

圓度表示實(shí)際加工的微孔圓輪廓與理想圓輪廓的貼近程度,圓度數(shù)值越小表示微孔輪廓與理想圓輪廓貼近程度越高。在微孔精密加工中要求圓度盡可能小。實(shí)驗(yàn)中飛秒激光加工的MPI微孔圓度為3.15 μm,屬于較優(yōu)質(zhì)量。飛秒激光加工MPI微孔的熱影響區(qū)寬度為5.22 μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于納秒激光加工微孔的熱影響區(qū)寬度(20 μm以上)。飛秒激光加工微孔時(shí)較小的熱影響區(qū)寬度得益于飛秒激光極短的脈寬作用時(shí)間。脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子弛豫過程中的熱擴(kuò)散時(shí)間[15],該過程幾乎不產(chǎn)生熱擴(kuò)散,顯著降低熱損傷對加工的不利影響。

3 結(jié)論

本文以撓性覆銅板改性聚酰亞胺基材為研究對象,探索了改性聚酰亞胺基材微孔的材料去除過程和微孔質(zhì)量。結(jié)果如下:

1) 飛秒激光加工改性聚酰亞胺微孔過程中,激光沿微孔邊緣路徑逐層加工,材料通過光化學(xué)與光熱反應(yīng)被去除,材料去除區(qū)域表現(xiàn)為寬而圓滑的弧形溝壑。隨著激光能量減小,光化學(xué)反應(yīng)減緩,直至激光打斷微孔中部未燒蝕區(qū)域與母材連接處,中部材料自然脫落形成通孔。

2) 飛秒激光加工改性聚酰亞胺基材時(shí)孔壁出現(xiàn)細(xì)小波紋階梯向下沿錐度延伸,有少部分顆粒物在紊流的作用下以塊狀材料形式堆積在孔口或孔壁形成熔融重鑄特征。飛秒激光加工微孔深度變化速率基本不變,材料去除量隨加工圈數(shù)增加而減小,在通孔形成時(shí)急劇增加。

3) 飛秒激光加工可獲得入口直徑偏差7 μm,孔徑比85.63%,圓度3.15 μm,熱影響區(qū)寬度5.22 μm的通孔,解決了長脈沖激光加工時(shí)微孔圓度大、熱影響區(qū)大、孔徑比小、熱燒蝕形貌明顯等熱損傷問題。因此飛秒激光適合用于加工高質(zhì)量改性聚酰亞胺基材微孔。