CN103264227B - 一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法，包括：设定激光直接刻蚀的初始工艺参数，所述初始工艺参数使得单次激光扫描所能去除的金属膜的厚度小于聚合物基体的最大允许损伤深度；按照初始工艺参数，进行激光扫描，并采集工件表面的红外温度场累加图像；将当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像进行对比；若没有突变，继续扫描；若有突变，设定改进工艺参数，所述改进工艺参数使得单次激光扫描所能去除的聚合物基体的厚度小于最大允许损伤深度的一半；按照改进工艺参数，进行最后一次激光精细扫描。本发明所述的方法工艺简单、刻蚀精度高、适用性好，实现了对激光刻蚀加工工艺的闭环自适应控制，工艺重复性好。

Description

一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种采用激光直接刻蚀方式去除聚合物基体表面所覆盖的金属膜的方法。

背景技术

激光加工是指激光束作用于物体表面，引起物体形状或性能改变的过程，它具有无接触、无切削力、热影响区域小、清洁环保等优点。经过聚焦的激光束具有很高的功率密度，可以瞬间使任何固体材料熔化或蒸发。激光束的空间和时间可控性好，对加工对象的形状、尺寸及加工环境的要求具有很大的自由度，能够实现多种激光加工工艺。目前，激光加工已被用于切割、雕刻、打标、钻孔、焊接、表面改性、微调、划片、微结构加工、快速成形等，加工对象也从金属、塑料橡胶、木竹、布革扩大到陶瓷、玻璃、大理石、单晶硅、硬质合金等硬脆性难加工材料。随着新型激光器件的诞生以及新材料、新工艺的涌现，激光加工技术将在不同行业得到进一步应用。

聚合物基体电路板是一类以聚酰亚胺或环氧树脂等有机聚合物为基材、以覆盖于基材之上的导电性金属膜层为导体线路制成的电子线路板，具有高度可靠性、配线密度高、重量轻、厚度薄、可实现柔性挠曲等突出特点，符合电子产品向着短小轻薄的发展趋势，因而具有广阔的市场前景。如典型的柔性覆铜线路板，就是以聚酰亚胺为绝缘基材、薄铜膜为导体层的一种柔性线路板，目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、PDA、数码相机等电子产品，其需求正逐年增加。柔性覆铜线路板产业主要有两个问题要解决，一个问题是制造高质量的柔性覆铜板，另一个问题是对柔性覆铜板进行加工生成所需金属导电电路图案，即对聚合物基体表面覆盖金属膜对象按电路图案进行选择性去除加工。

目前，针对聚合物基体表面覆盖金属膜这一类对象(比如覆铜膜PCB板、飞机隐身雷达罩等)的导电线路加工方法主要有以下几种：

1、光刻掩模辅助化学腐蚀方法；这种方法主要是通过先利用光刻技术制作掩模版(光刻胶曝光、显影等工序)，然后湿法化学腐蚀掉未被掩蔽的部分金属膜层，从而得到需要的金属电路图形。

2、激光辅助选区微去除铜膜方法；专利号为ZL201110090343的中国发明专利《一种基于覆铜板的激光辅助选区微去除铜膜方法》中公开了一种基于覆铜板的激光辅助选区微去除铜膜方法，其包括：在覆铜板的铜箔表面上涂一层涂料；用作图软件制作需要的去除图案；将激光器分别与激光运动控制***和计算机连接，激光参数与激光运动路径通过激光控制软件控制；将有涂层的覆铜板置于加工平台上夹紧，保持覆铜板有涂层的面与激光束焦点同一平面；在激光控制软件中导入要去除的图案，用指示光需去除的位置，调整激光参数，激光束作用在覆铜板上有选择的去除涂层；将扫描后的覆铜板放入刻蚀剂中进行刻蚀；将刻蚀好的样品放入清水中漂洗，将涂料去除。本发明精度高，效率高、可控性好，选区形状可控制，可实现FPC布线、掩膜以及精美工艺品的制造。

上述两个现有方法的共同点是都需要先制作掩模版再化学腐蚀，金属膜层的去除不是依靠激光直接刻蚀，其加工工序较多，工艺较为复杂。

3、激光直接刻蚀方法；如浙江大学硕士学位论文《激光微细加工在电子行业中若干应用的研究》，以及华中科技大学博士学位论文《电子材料紫外激光微加工技术与机理研究》，都是将激光束按照事先编好的程序扫描于柔性覆铜板上，使某部分的铜膜汽化，从而制备出印刷电路板。该方法完全依靠适当控制激光能量，对铜膜进行选择性加工而不损伤铜膜下面的聚合物介质。这种方式在工程实践中存在两个困难：一是由于其完全依靠预先编程，对覆铜膜施加若干次激光扫描来实现铜层的去除，但由于实际工业激光器的脉冲能量稳定性并不完美、覆铜膜层制作工艺重复性误差导致的工件个体表面状态的细微差别等因素，恰好去除铜层而不超出聚合物基材损伤极限的激光脉冲能量实际上是非常不好控制的，因此刻蚀精度和工艺重复性很差，废品率较高；二是对于每一种不同的表面金属材料，不同的覆盖金属膜层厚度，都要预先做大量工艺试验，以确定刚好刻蚀掉金属层所需要的激光扫描精确次数，因此费时费力，工艺适用性不好。

红外热像测温技术是当今迅速发展的技术之一，红外热像测温技术就是通过红外探测器接收被测物体的红外辐射，再由信号处理***转变为目标的视频热图像的一种技术。它将物体的热分布转变为可视图像，并在监视器上以灰度或伪彩显示出来，从而得到被测物体的温度分布场信息。由于红外热像仪属于窄带光谱辐射测温***，使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度，不是直接测量得到的，而是以测到的辐射能计算出来的。因此，实际测量时，测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响。对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm等波长。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法；该激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法工艺简单、刻蚀精度高、适用性好，实现了对激光刻蚀加工工艺的闭环自适应控制，工艺重复性好。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法，包括如下步骤：

(1)设定激光直接刻蚀的初始工艺参数，所述初始工艺参数使得单次激光扫描所能去除的金属膜的厚度小于聚合物基体的最大允许损伤深度；

(2)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行第一次激光扫描；在激光扫描过程中，任意选择N个时刻，并在所述N个时刻均实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到初始红外温度场累加图像；其中N为大于1的正整数：

(3)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行下一次激光扫描；在激光扫描过程中，在步骤(2)中选定的N个时刻均实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到本次激光扫描的红外温度场累加图像；

(4)将当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像进行对比；若当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像相比有突变，则表明激光刻蚀已进行到金属层与聚合物基体的界面，进入步骤(5)；

否则，返回步骤(3)。

(5)设定激光直接刻蚀的改进工艺参数，所述改进工艺参数使得单次激光扫描所能去除的聚合物基体的厚度小于最大允许损伤深度的一半；

(6)按照步骤(5)中设定的改进工艺参数，以及预先设定的待加工图形进行最后一次激光精细扫描。

本发明所述的激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法具有如下有益效果：

1、与光刻掩模辅助化学腐蚀方法和激光辅助选区微去除铜膜方法相比，本发明不需要先制作掩模版，也不需要后续化学腐蚀，而是采用激光直接刻蚀方法，加工工艺简单、方便快捷、加工效率高、生产周期短。

2、与现有激光直接刻蚀覆铜膜方法相比，本发明将工件表面的红外温度场累加图像作为激光刻蚀进行程度的闭环工艺反馈量，可以实时了解到是否已经刻蚀到金属层与聚合物基体的界面，并制定两种不同的加工工艺参数分别进行初始粗加工和后期精加工，从而保证了刻蚀精度，保证了对聚合物基材的损伤比现有无闭环反馈的激光直接刻蚀方法更小，加工质量和工艺重复性更好。

3、与现有激光直接刻蚀覆铜膜方法相比，本发明的适用性更好，通过实时在线的激光刻蚀进行程度的监测和闭环自适应控制，无需预先做工艺试验来确定刚好刻蚀掉金属层所需要的激光扫描精确次数；可以实时在线的确定激光扫描的次数，能够做到对不同的表面金属材料，不同的金属层厚度的自适应加工控制，节约了加工时间，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明所述激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)设定激光直接刻蚀的初始工艺参数，所述初始工艺参数使得单次激光扫描所能去除的金属膜的厚度小于聚合物基体的最大允许损伤深度；

其中，激光直接刻蚀的初始工艺参数可根据聚合物基体表面所覆盖金属膜的材料成分、对所采用激光束的吸收特性、膜层厚度、表面状况，以及聚合物基体的最大允许损伤深度来设定，所述初始工艺参数包括激光波长、光束质量、脉冲重复频率、单脉冲能量、扫描速度、扫描路径、离焦量、开/关光延时量、多道扫描的搭接率等。具体如何设定初始工艺参数可采用现有技术来实现。

(2)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行第一次激光扫描，在扫描过程中，任意选择N(N为大于1的正整数)个时刻，并在这N个时刻均采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到初始红外温度场累加图像；

所述N个时刻是指激光扫描过程中确定的1～N个时间点，由于预先设定的待加工图形始终不变、由激光直接刻蚀的初始工艺参数决定的激光扫描速度、扫描路径规划也始终不变，所以在本次激光扫描及以后的每次激光扫描过程中，在这些选定的1～N个时间点，激光将总是确定地扫描在待加工图形上确定的1～N个位置。

所述红外温度场图像是由红外热像仪等红外温度场图像采集设备获得的图像数据，对于确定的设备和采集对象，红外温度场图像是由若干像素点构成的数字图像，该数字图像中的每个像素给出采集对象表面对应位置的温度值。

所述N幅红外温度场图像作叠加处理是指将1～N幅图像按照图像的对应像素位置进行温度值的累加。

(3)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行下一次激光扫描，并在扫描过程中，根据步骤(2)中选定的N(N为大于1的正整数)个时刻实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到本次激光扫描的红外温度场累加图像；

(4)将当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像进行对比，所述当前红外温度场累加图像为步骤(3)中该次激光扫描过程中所采集的N幅红外温度场图像并做叠加处理后得到的红外温度场累加图像，所述历史红外温度场累加图像可以是初始红外温度场图像，也可以是之前任意一次激光扫描时得到的红外温度场累加图像；

若当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像相比有突变，表明激光刻蚀已进行到金属层与聚合物基体的界面，此时刻蚀表面呈现的是部分支离破碎残留的金属薄层和露出的聚合物基底，则当本次扫描结束后进入步骤(5)继续处理；否则，返回步骤(3)，继续进行下一次激光扫描；

所述突变是指在当前红外温度场累加图像中，温度突变区域的面积大于等于当前红外温度场累加图像的5％；所述温度突变区域是指该区域温度与历史红外温度场累加图像中对应区域的温度变化比例大于等于10％；

当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像的对比方法可以为：将当前红外温度场累加图像A和历史红外温度场累加图像B按各自包含的像素数量N各自分为N个区域，对比A和B对应区域Ni的温度值改变量ΔTi＝TAi-TBi，若ΔTi/TBi＞10％，则标记该区域为温度突变区域，否则标记为温度正常区域；当所有对应区域均对比并标记完成后，将标记为温度突变区域的数目除以区域总数N，结果即是发生温度突变的图像面积比例，若该比例不少于5％，则认为当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像相比有突变。当然对比方法还可以采用其他方式，比如一种优化的算法是将当前红外温度场累加图像A和历史红外温度场累加图像B按相同规则分成若干个大块，然后按照上述对比方法，依次对比每个大块，并累计大块内的突变区域面积，当累计的突变区域面积大于等于当前红外温度场累加图像的5％，则无须对比剩下的大块，可以认为当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像相比有突变。

由于前后两次激光扫描过程采用的是固定不变的初始工艺参数，若激光刻蚀未进行到金属层与聚合物基体的界面，就目前技术水平下的激光器性能参数、覆盖金属膜层制作工艺能力而言，前后两次激光扫描过程中激光与金属膜层的相互作用综合稳定性是很高的，绝不会超过10％，从而保证了利用当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像对比结果来判断激光刻蚀进行程度的有效性。

(5)设定激光直接刻蚀的改进工艺参数，所述改进工艺参数使得单次激光扫描所能去除的聚合物基体的厚度小于最大允许损伤深度的一半；

其中，改进工艺参数包括激光波长、光束质量、脉冲重复频率、单脉冲能量、扫描速度、扫描路径、离焦量、开/关光延时量、多道扫描的搭接率等。

(6)按照步骤(5)中设定的改进工艺参数，以及预先设定的待加工图形进行最后一次激光精细扫描。在本次扫描中，激光烧蚀掉一薄层聚合物基体(厚度小于最大允许损伤深度的一半)，由于激光烧蚀聚合物的炭化现象，残留的极少部分金属也会被携带去除，从而保证了良好的绝缘性。

实施例：

采用普通振镜扫描式紫外激光微加工设备，在振镜加工头上安装红外热像仪，构成闭环自适应工艺控制***。对聚酰亚胺表面覆铜膜进行激光直接刻蚀加工，聚酰亚胺基材厚度100μm，覆铜膜厚度40μm，待加工电路密度为65％，其步骤如下：

首先设定激光直接刻蚀的初始工艺参数，激光波长＝355Nm、光束质量因子M²＝1.1、脉冲重复频率60kHz、激光功率6W、扫描速度1000mm/s、离焦量＝0、开/关光延时量＝0、多道扫描的搭接率＝15％，在该初始工艺参数下，试验得出单次激光扫描所能去除的覆铜膜厚度为3.5μm，远小于聚合物基体的最大允许损伤深度10μm。

然后，按照设定的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行多次激光扫描，并选定N(N＞1，N为整数)个时刻实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到工件表面每次激光扫描过程中的红外温度场累加图像；

将当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像进行对比，当温度场对比差值相对于历史温度场的比例超过10％的图像面积不大于5％时，认为当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像一致，并继续进行下一次激光扫描；

当进行到第12次激光扫描时，发现其采集的红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像对比结果有很大的突变，超过40％的图像面积出现温度场对比差值相对于历史温度场的比例超过70％以上，则表明激光刻蚀已进行到金属层与聚合物基体的界面，此时刻蚀表面呈现的是部分支离破碎残留的金属薄层和露出的聚合物基底，则当本次扫描结束后不再继续激光扫描；

最后，设定激光直接刻蚀的改进工艺参数，简单的将脉冲重复频率改为80kHz、激光功率改为2W，其他参数不变，进行最后一次激光精细扫描。在本次扫描中，激光烧蚀掉一薄层聚合物基体(厚度约为4μm，小于最大允许损伤深度的一半)，由于激光烧蚀聚合物的炭化现象，残留的极少部分金属也会被携带去除，从而保证了良好的刻蚀质量和绝缘性。

Claims (1)

1.一种激光直接刻蚀聚合物基体表面覆盖金属膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设定激光直接刻蚀的初始工艺参数，所述初始工艺参数使得单次激光扫描所能去除的金属膜的厚度小于聚合物基体的最大允许损伤深度；

(2)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行第一次激光扫描；在激光扫描过程中，任意选择N个时刻，并在所述N个时刻均实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到初始红外温度场累加图像；其中N为大于1的正整数；

(3)按照步骤(1)中的初始工艺参数，以及预先设定的待加工图形开始进行下一次激光扫描；在激光扫描过程中，在步骤(2)中选定的N个时刻均实时采集工件表面的红外温度场图像，将获得的N幅红外温度场图像作叠加处理，得到本次激光扫描的红外温度场累加图像；

(4)将当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像进行对比；若当前红外温度场累加图像与历史红外温度场累加图像相比有突变，则表明激光刻蚀已进行到金属层与聚合物基体的界面，进入步骤(5)；

否则，返回步骤(3)；

所述突变是指在当前红外温度场累加图像中，温度突变区域的面积大于等于当前红外温度场累加图像的5％；所述温度突变区域是指该区域温度与历史红外温度场累加图像中对应区域的温度变化比例大于等于10％；

(5)设定激光直接刻蚀的改进工艺参数，所述改进工艺参数使得单次激光扫描所能去除的聚合物基体的厚度小于最大允许损伤深度的一半；

(6)按照步骤(5)中设定的改进工艺参数，以及预先设定的待加工图形进行最后一次激光精细扫描。