CN103769749A - 一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其方法为：在要保留的导电层周围加工制作绝缘包络沟道，遇到宽度过窄的孤立导线，分两次或两次以上进行加工；将要去除的导电层细分为若干个一端收窄、另一端放宽的条状绝热小块，相邻的金属箔层小块的收窄端和放宽端颠倒；然后向被细分的绝热小块上投射激光束使其脱离基板材料被去除。本发明通过调节激光的投射参数、投射路径以及投射环境，去除基板材料上的导电层，形成预定的导电结构，替代现有化学方法、物理方法和激光方法制作导电结构时采用的相应工艺流程，激光直接成型制作导电图案，省掉了多种设备和材料，环境友好，流程短、工艺简单易行，适合电路板样品、小批量、多品种和更高精度制作，同时也适合一般电路板生产。

Description

一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法

技术领域

本发明属于电路板加工技术领域，尤其是一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法。

背景技术

选择性去除覆金属层基板材料上指定区域的导电层，是减成法制作电路板的关键步骤之一，通常用化学蚀刻方法。即先在覆铜箔板表面上进行图形转移，将需要保留的导电图形部分的导电层，通常是铜箔，用保护性材料—抗蚀剂覆盖起来，而把非导电图案部分，即将要去掉的铜则裸露在外。蚀刻时，蚀刻剂和裸露的金属铜相互接触，发生反应，把铜溶解到蚀刻剂溶液中，达到了除去的目的。

蚀刻方法流程长而复杂，需要的工艺设备、材料多，使得高精度、高质量电路板生产需要资金、场地、人员配备的成本高，生产过程柔性差，行业进入的门槛高，满足不了本地化就近、快速、灵活制作的需求。此外，蚀刻方法的加工精度受很多因素影响，难以控制，导致做出的电路图形的几何尺寸偏离设计要求，比如由于图形转移难以进一步提高，侧腐蚀效应等，长期困扰电路板的行业，促使人们寻找其它加工手段。

激光加工有着聚集能量高、灵活性大，精密度好、非接触加工、环境友好等等优点，近年来在电子行业的应用越来越受关注。目前主要有两种技术已经在电路板制造行业进入实用领域：激光直接成像技术，和最近出现的激光直接成型技术。

激光直接成像即LDI-Laser Direct Imaging技术，加工过程中并不产生材料的物理移除，只是将激光能量作用在材料上，使之感光而发生聚合、分解等反应，材料的物理移除靠由随后的显影工序完成。大致流程是，用激光直接在涂覆感光材料的电路板基材上曝光，形成线路图案的正相或负相潜象，经显影后获得抗电镀或抗蚀刻掩膜，随后直接蚀刻或反镀金属抗蚀剂。这种技术不需要照相制版、贴膜等工序，减少了生产装备，缩短了流程，并提高了加工质量和精度，增加了制造柔性，已经在批量生产中得到了应用。

而所谓的激光直接成型即LDS—Laser Direct Structuring，需要的装备和加工步骤较LDI技术更少，操作更简单，产品精度和质量更高，作为未来技术，相比上述激光直接成像技术更进一步，加工时直接光蚀去除材料，甚至去除导电层，不需要显影，甚至不需要后续的蚀刻工序，技术进步格外明显。这种技术的要点是，按照设计要求的图案结构，将聚焦激光投照到材料表面上，使选定的材料升华汽化、或产生其它形态变化，从而被去移除，直接形成抗蚀掩膜图案，然后进行蚀刻加工或其它加工，获得最终的导电结构。若移除的是导电层，则不再需要后续加工步骤，一步就能获得需要的导电结构。

用激光直接光蚀，选择性直接去除导电层，一般是通过高性能精密激光设备完成，设备由激光光源、光束处理及传输系统、移动控制系统及工作台、安全及质量监控系统、电源以及辅助气体供应系统、计算机数据处理以及设备驱动软件组成。这样的系统可以直接按照CAD/EDA设计数据的要求，有选择性地去除例如柔性或高聚物导电材料载体，也包括3维导电材料载体，陶瓷导电层载体，或普通覆铜箔层压板上的选定部分的导电层，用保留下的导电层部分作为电路结构，以实现各种电路板导电图案制作。实践中，当化学蚀刻方法不能满足，或不适合时，比如制作样品，比如特殊材料，比如特别形状和尺寸，比如小批量制作，比如对图形精度要求高时，往往期待用这样的激光加工手段，高质量高效率地去除指定区域的导电层，制作导电结构。

理论上，只要去除或汽化基板材料所需要的激光能量的最小值，即激光光蚀阈值，明显高于去除或汽化导电材料需要的激光的能量值，就可以调整激光参数，使投照的激光功率大于去除或汽化导电材料所需的功率，并小于去除或汽化基板材料所需的功率，在去除导电材料的同时，不损伤基板材料，从而实现用激光有选择的去除基板材料上的导电层，制作出含预定的导电结构的电路板。

然而，在实践中，使用激光选择性去除金属箔层，需要解决以下两方面的问题，才能满足对电路结构的质量要求，并达到经济上可接受的加工效率。

一方面，大多数情况下，去除或汽化基板材料所需要的激光能量的最小值，小于或接近于去除导电材料所需的激光能量值。为了不损伤或少损伤基板材料，加工时施加的激光功率就不得不调到与去除导电材料所需的阈值尽量接近的范围内，这就不足以彻底将导电材料去除，往往出现部分导电材料仅仅被熔化，而未被去除的现象，熔化后的导电材料的堆积，又需要施加更大的激光能量。而更大的激光能量，难以避免损伤位于导电材料层下面的基板材料，从而，导致加工质量缺陷。

另一方面，通常情况下，聚焦后的激光光斑直径小，要去除某一确定面积的导电材料，需要逐点或逐线方式向导电材料表面上投照激光，逐点逐线的去除金属箔层，直至遍及整个待去除区域，因此会耗费较长时间，导致去除金属箔层效率低，加工时间长，经济上不可行。

本发明提供了一种采用激光光束，按照设计要求，有选择性地去除基板材料上选定部分的金属箔层，特别是铜金属箔层，从而留下预定导电图案，形成电路结构的方法。第一步，沿各个要保留的金属箔层区域外围的包络线向金属箔层投照激光，将激光运动路径下面的金属箔层光蚀去掉，即去除要保留的金属箔层的包络线外围一定宽度的金属箔层，从而，在要保留的金属箔层区域与要去除的金属箔层区域中间形成绝缘并绝热的沟道；第二步，通过投照激光，光蚀去除激光运动路径下面的金属箔层，制作出绝热沟道，用绝热沟道把将要去除的金属箔层区域细分至形状和大小都适合被剥离的小块，小块为顶端收窄，底端放宽的长条形，小块的分隔线优选与水平线成45°或135°方向，相邻的金属箔层小块的底端和顶端颠倒，以使后续加热时，激光运动的路径短，虽有热量累积但金属箔层小块各部分温度升高均匀；第三步，向细分后的金属箔层小块表面投照激光，并使激光束沿细分后的金属箔层小块收窄的一端向放宽的一端运动，激光参数调整到投照的功率密度不足以使金属箔层熔化或汽化，但能使金属箔层小块因受热而降低其与基板材料的附着力被整体去除，或使金属箔层小块因受热变形产生与基板材料脱离的应力而被整体去除的程度，通过整体去除金属箔层小块，最后保留下预定的导电图案，形成设计要求的电路结构。

公开号为US5525205的美国专利描述了一种用激光去除指定区域的金属箔层，特别是铜金属层的方法。按照这种方法，激光参数被调整到恰能去除金属箔层，同时又不损伤位于导电材料下面的基板材料的程度上，通过沿一定路径向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，而形成绝缘沟道，绝缘沟道使将要去除的金属箔层区域与外部区域电气绝缘，这样，就可仅在外部区域金属箔层上电镀抗蚀金属，最后，蚀刻掉未被抗蚀金属覆盖的金属铜，并退除抗蚀金属。

公开号为DE102004006414B4的德国专利描述了一种用激光去除指定区域的金属箔层，特别是铜金属层的方法。按照这种方法，激光参数被调整到恰恰能去除掉金属箔层，同时又不损伤位于导电材料下面的基板材料的程度上，通过沿一定路径向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，而形成绝热沟道，把要去除的金属箔层区域分隔成相互绝缘的小块，再用激光束加热这些小块，降低其与基板材料的附着力，使整个小块与基板材料脱离。

公开号为DE102010019406A1的德国专利公开了一种去除指定区域金属箔层的方法。这种方法的第一个步骤是，把要去除的金属箔层区域分隔成相互绝缘的小块。分隔时，激光参数被调整到能在去除掉金属箔层的同时，不损伤位于导电材料下面的基板材料的程度上，通过沿一定路径向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝热沟道，把要去除的金属箔层区域分割成条状小块，相邻的条状小块由线状的沟道相互绝热。各线状的沟道主要为相互平行的直线，并与已知的导线走向形成的主轴线（X、Y）成22.5°的锐角。按照该申请的描述，在实践中，基本上不可能出现沟道与导线平行的状况，从而尽可能地减少激光与导线接近的机会，能避免在去除金属箔层制作绝缘沟道形成相互绝缘的条状小块时，热量向导线传导，也就避免了由于热而导致的对要保留导线的损伤。下一步骤是，对分隔成的条状小块加热降低其与基板材料附着力的同时，用与沟道既不平行，又不垂直的流体将条状小块整体去掉，留下的金属箔层部分形成预想的导电结构。

同时，公开号为DE102010019406A1的的德国专利认为：德国专利DE102004006414B4的问题是，在用激光去除金属箔层开出绝缘沟道以便把金属箔层分隔成小块时，特别是处理到靠近要保留导线或电路板边缘时，会出现剩余的面积不合适，小块过小或者过大。留下的小块过小时，可能出现激光靠近导线太近，损伤导线；而放弃继续分隔，就会使留下的小块过大，后续加热不能将小块整体去除，导致激光加工后，有不期望的金属箔层残留。若采用与导线方向平行，等距离分隔小块的方法，则由于电路板导线方向并不完全一致，导线间的间距也不一致，还会出现金属箔层小块宽窄不一的情况，使得后续加热时，需要根据小块宽窄分别确定加热参数，才能保证加热效果，因此会增加加工过程的难度。因此，专利申请DE102010019406A1假设，大部分电路板导线沿X轴，Y轴或与X轴、Y轴成45°的方向布设，因此采用了沿着与布线主轴X轴或Y轴成22.5°的锐角方向，等距离分隔要去除的金属箔层，使其成为等宽的至少有两边平行的四边形的分隔方案。该专利申请认为，这种分隔方法保证了分隔线不会与要保留的导线平行，并与导线成锐角，减少了平行分隔时运动的激光与导线接近的机会，避免了向导线传递不必要的热量，也就避免了损伤导线。

同时，德国专利DE102010019406A1的申请人认为这种分隔方案，要去除的金属箔层小块在靠近导线部位收敛，导致去除该类金属箔层小块需要的热能量减少，至少可以减小传给金属箔层小块靠近导线的终端部分的热能。该申请认为，加热时，激光可以因此与导线保持一定的距离，或至少可以实现不与导线平行的运动。

德国专利DE102010019406A1的申请人还认为这种分隔方案的优势还在于，除了端部外，分隔线及沿分隔线投照激光后产生的绝缘沟道是相互平行的，条状金属箔层小块各处宽度一致，各个绝金属箔层小块的宽度也相同，因此分隔操作简单，加热过程得到优化，降低附着力的速度快且效果一致，因此也就能够可靠、快速的以较大面积整体剥离这些绝缘小块。

德国专利DE102010019406A1的申请人还提出，为了避免小角度接近要保留导线时，激光可能熔化或冲击基板材料，分隔线及沿分隔线投照的激光，在接近导线时，应该折向或以曲线走向与导线成90°的方向运动。

此外，在德国专利DE102010019406A1中还强调了用定向的压缩空气气流产生的向上的分力，从边缘向中心，揭掉受热的金属箔层小块。同时，该申请也提出，用真空吸力使金属箔层小块与基板材料脱离，并从基板材料上吸走，这样还能避免脱离下来的尚处于高热状态的金属箔层小块，落到其它部位，与下面的金属箔层熔化在一起而滞留在基板材料上。

在德国专利DE102010019406A1中申请人认为，压缩空气和真空吸力形成的气流的方向，应与沟道既不平行，又不垂直，最好与沟道成20°到40°锐角，这样就能沿长度方向有先后顺序的逐段的集中性的起作用，而不是靠同步作用在整个金属箔层小块上同时揭起条形小块，从而避免脱离下的小块的卷折而遮挡激光投照，避免其与基板材料的粘连。

德国专利DE102010019406A1申请声称，为了避免先揭掉的条状金属箔层小块残留在未揭部位，影响后续的加热与脱离，应该使气流的方向与加热方向相向而行，即用于加热激光从条状金属箔层小块离进气口远，或离吸气口近的一端开始，向条状金属箔层小块离进气口近，或离吸气口远的一端运动。

但本案申请人认为，其问题是，在上面的方法描述中，DE102010019406A1强调了为了避免向要保留的导线传递多余的热量，需要把金属箔层分隔成各处宽度相同，且相互等宽的条状小块。为了避免以小角度从远而近接近要保留导线时，激光可能熔化或冲击基板材料，分隔线及沿分隔线投照的激光，在接近导线时，应该折向或以曲线走向与导线成90°的方向运动。按照这样的方法，激光对条状小块进行加热时，要从条状小块一端开始，到达条状小块另一端结束，在实践中，会出现与条状小块的激光加热终止端靠近的导线被过度灼烧的现象，还会出现与条状小块的激光加热终止端靠近的基材被熔化或过度冲击现象。

按照专利申请DE102010019406A1描述，要先将要去除的金属箔层分隔成相互绝热的条状小块，要对条状小块进行加热，并用气流揭掉条状小块。加热时，激光要从条状小块一端开始，边投照边运动，到达条状小块另一端时结束。投照到金属箔层小块上的激光被吸收，并转变成热能，使金属箔层小块温度上升，导致条状金属箔层小块与基板材料的附着力减小。投照激光的同时，向条状小块定向施加压缩空气和抽真空，用气流揭掉条状金属箔层小块。

实验表明，随着加热的激光束从一端开始向另一端的运动，即从起点向终点依次投照激光，孤立的条状金属箔层小块温度会不断升高，而且孤立的条状小块各部分温度沿着激光运动的路径方向从起点到终点由低到高上升。激光虽然在单位时间内向单位长度上传递了等量能量，但由于激光传递能量的速度快，而该能量通过热传导向周围传递速度慢，瞬间接受激光投照部位的温度，是原来因为该部位接受邻近部位传导的能量后导致的温度上升，和瞬间接受激光投照后将光能转变为热能导致的温度上升的复合作用结果。依次类推，可以得到，孤立的条状金属箔层小块激光加热运动起点端温度最低，而激光加热运动终点端温度最高，条状金属箔层小块越长，激光加热运动终点端温度越高。

由此可见，DE102010019406A1描述的方法采用的条状金属箔层分隔方案，由于小块中间各部分散热条件基本相同，而终点端的散热条件较差，不利于高温端热量的传递，进一步放大了金属箔层小块各部分温度差别。这种差别，导致激光加热终止端温度往往过高，以致影响的与之接近的要保留的导线，那些长度较长的条形金属箔层小块这一现象更加突出。这些小块，因为长度长，所以重量大，不容易被气流排除，再加上终止端温度过高，更容易影响相邻的要保留的导线，或在脱落后与尚未去除的金属箔层熔化在一起，留在基板材料上，影响进一步激光投照，也影响导电结构的质量。

更进一步的问题是，DE102010019406A1把要去掉的金属箔层细分成各处宽度相同，且相互等宽的条状小块，在加热较长条状小块时终点端温度超过了剥离小块需要的温度，这不能充分利用激光传递给被加工材料的能量，加工效率仍然不够高。另一方面，当条状小块达不到一定长度时，加热时激光虽然在单位时间内向单位长度上传递了等量能量，也会出现激光作用的时间和路径太短，不足以使小块的终点端温度上升到使附着力的下降和应力的增加导致其从基板上脱落的现象。

该细分方法的问题不仅如此，按照与所谓布线主轴成22.5°锐角，各处宽度相同，且相互等宽的分隔金属箔层小块的分法，会造成在要保留的金属箔层图形中间，或金属箔层与边缘之间，往往会留下孤立的小块，长度或宽度小于大多数被分隔的条状金属箔层小块。这样的小块，很难在后续的加热时被剥除。显然，这种分隔方法留下的孤立小块，尺寸较通常条状小块要小，加热时激光虽然在单位时间内向单位长度上传递了等量能量，但较短激光投照路径，使得终点端温度不足以上升到使金属箔层小块脱离基板材料的程度。

另外的问题是，按照DE102010019406A1描述的方法，加工时压缩空气起着产生向上的揭去金属箔层条状小块的分力，对去除指定的金属箔层起着重要作用，但在实践中，会发生导线被灼伤，表面变色等现象。此种现象表明，压缩空气作用于被加工材料上时，不仅会产生向上揭去金属箔层条状小块的分力，而且还在金属箔层周围形成了密度远远高于环境气体氛围，其中的氧气密度也远远高于正常环境下氧气的密度，在激光加工的热作用下，有更强烈的助燃作用和氧化作用。

发明内容

本发明针对专利申请DE102010019406A1描述的方法的不足，提出了一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，设置了另外的加工条件。按照本发明的方法，可以改进专利申请DE102010019406A1描述的方法的不足，获得更好的加工质量，并且提高加工效率，按设计要求选择性地去除基板材料上金属箔层，形成预定导电图案。

本发明采用的技术方案是：

一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，用激光对覆有金属箔层材料的基板材料进行如下操作：在要保留的金属箔层周围加工制作绝缘包络沟道，将要去除的金属箔层细分为若干个绝热小块，向被细分的绝热小块上投射激光使其脱离基板材料被去除，其特征在于：通过调节激光的投射参数、投射路径以及投射环境，去除基板材料上的金属箔层，形成预定的导电结构，其步骤为：

⑴用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道，把激光参数调整到激光恰恰切透金属箔层，触及金属箔层下的基板材料却未使其受到损伤或虽有损伤，但损伤最小的程度；

⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小均近似的被剥离的小块，小块为顶端收窄，底端放宽的长条形，细分小块的分隔线优选与水平线成45°或135°方向，相邻的金属箔层小块的底端和顶端颠倒；

⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料，并被吸走，加热时，投照的激光沿金属箔层小块收窄的顶端向放宽的底端运动。

而且，步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，激光光束与要保留的导线的包络线相切，沿包络线外围的路径运动的同时向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝缘沟道，遇到宽度过窄的孤立导线，分两次及以上进行加工。

而且，步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，使用吸气装置，并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

而且，步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，将激光沿形成的包络沟道远离导电结构的一侧运动，去掉激光运动路径下面的金属箔层实现绝缘沟道的扩宽。

而且，步骤⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小都适合被剥离的小块，对金属箔层小块的长度以及小块的重量进行限定，把长度或重量超过限定值的小块继续分成若干小块。

而且，步骤⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小都适合被剥离的小块时，通过光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝热沟道完成细分，制作沟道时，使用吸气装置，并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

而且，步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，加热时，投照的激光沿金属箔层小块的收窄的顶端向放宽的底端运动，到达该小块放宽的底端后，就近运动到相邻金属箔层小块的收窄的顶端，继续对另一金属箔层小块从收窄的顶端向放宽的底端加工，依次类推，使激光运动去程和返程都在进行有效加工。

而且，步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，当给宽长比值较大的金属箔层小块加热时，要通过在金属箔层上沿循环路径运动增加激光对小块加热的行程。

而且，步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，加热时，使用吸气装置并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

而且，步骤⑴、步骤⑵、步骤⑶所述的保护、清洁和/或冷却气体均为氮气或惰性气体，其中，步骤⑶中加热时的吸气装置抽吸力应该满足金属箔层小块脱离基板的抽吸力值，并大于步骤⑴和步骤⑵中制作沟道时的抽吸装置的抽吸力值。

本发明的优点和效果是：

1、本发明对于窄且孤立的导线，采用了两步形成绝缘沟道，避免了孤立导线脱落，可以制作更精细的导线，更干净更快去除指定的金属箔层，有效减小基板材料和留下的金属箔层的氧化和灼伤。

2、在通过本发明对电路板在加工过程中，使用氮气或惰性气体保护被加工工件，避免了氧化和灼伤，提高了导电结构的质量。

3、本发明只需要绝缘沟道就能满足功能时，可以根据本发明的路径扩宽绝缘沟道，制作电路结构简单快捷。

4、在本发明中细分金属箔层小块时，采用了一端收窄一端放宽且颠倒互补的分隔方案，使孤立金属箔层小块被加热去除时，温度更平衡，避免了因一端过热出现的对相邻导线的影响，避免了一端过热对基板材料的热冲击，使加工质量更好。

5、在本发明中细分金属箔层小块时，设置小块长、宽两个维度参数，使得小块不会太长、太重，既避免了温度过高现象，又能保证不会因重量太大抽吸不动，保证了加工质量。

6、在本发明中，加热孤立小块采用从收窄端开始，向放宽端运动路径，到终止端时，就近移动到邻近小块的收窄端，折返继续加工，有效地利用了激光运动的全程，更好的利用了激光发射出的能量，提高了加工效率。

7、在本发明中，设置了宽长比较大小块的加热方案，使较小维度的孤立小块也能得到足够的热量，导致附着力下降或产生应力被去除。

8、采用本发明提供的分割方法，可以实现激光直接成型制作导电图案，替代化学腐蚀，省掉了多种设备和材料，环境友好，流程短、工艺简单易行，适用面广、生产柔性大，加工产品精度高，适合电路板样品、小批量、多品种和更高精度制作，同时也适合一般电路板生产。

附图说明

图1是通过本发明去除金属箔层时的基板平面局部结构示意图。

具体实施方式

一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，用激光对覆有金属箔层材料的基板材料进行如下操作：在要保留的金属箔层周围加工制作绝缘包络沟道，将要去除的金属箔层细分为若干个绝热小块，向被细分的绝热小块上投射激光使其脱离基板材料被去除，通过调节激光的投射参数、投射路径以及投射环境，去除基板材料上的金属箔层，形成预定的导电结构，其步骤为：

⑴用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道，此步骤中，应该把激光参数调整到激光切透金属箔层且触及金属箔层下的基板材料，触及金属箔层下的基板材料却未使其受到损伤或虽有损伤，但损伤最小的程度，激光光束与要保留的导线的包络线相切，沿包络线外围的路径运动的同时向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝缘沟道，遇到宽度过窄的孤立导线，分两次及以上进行加工，使用吸气装置并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体，如不需要继续去除多余的导电层即可完成功能，在已经加工后闭合的绝缘沟道远离导电结构一侧，使激光光束与新形成的绝缘沟道相切，沿该绝缘沟道包络线外围路径运动的同时向导电层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的导电层，扩宽绝缘沟道；

⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小都适合被剥离的小块，根据实际需要对金属箔层小块的长度以及小块的重量进行限定，把长度或重量超过限定值的小块继续分成若干小块，相邻区域的金属箔层小块为颠倒的四边形、梯形、三角形等互补形状，小块的分割线优选与水平线呈45°或135°方向，宽度从一端向另一端逐步变宽，相邻的金属箔层小块窄端和宽端相互颠倒，通过光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝热沟道完成细分，制作沟道时，使用吸气装置，并向被加工工件周围输送保护和清洁气体；

⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料，并被吸走，加热时，投照的激光沿金属箔层小块收窄的一端向放宽的一端运动，当投照的激光沿金属箔层小块收窄的一端向放宽的一端运动到终点后，运动到相邻金属箔层小块的起始点，继续对另一金属箔层小块从收窄的一端向放宽的一端加工，依次类推，使激光运动去程和返程都在进行有效加工，当给宽长比值较大的金属箔层小块加热时，要通过在金属箔层上沿循环路径运动增加激光对小块加热的行程，加热时，使用吸气装置并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

步骤⑴、步骤⑵、步骤⑶所述的吸气装置抽吸力均应该满足金属箔层小块脱离基板的抽吸力值，其中，步骤⑶中抽吸装置的抽吸力大于步骤⑴和步骤⑵中抽吸装置的抽吸力，所述保护和清洁气体为惰性气体，步骤⑶中惰性气体气压小于步骤⑴和步骤⑵中抽吸装置的抽吸力。

以下将结合一个实施例和附图，对本发明做进一步的说明。下述的实施实例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施实例来限定本发明的保护范围。

实施例

本实例中，基板材料为FR4覆铜板层压板，使用CircuitCAM V7.0及以上或DCT-DreamCreaTor软件对待加工数据进行处理，使用DCT-DL500激光设备进行加工。

一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，按设计要求选择性地去除基板材料上金属箔层，形成预定导电图案的方法，方法中绝缘沟道路径、分隔路径和加热路径如图1所示，其中，1是绝缘基板材料，2是金属金属箔层，覆在基板材料上，操作步骤为：

步骤⑴：在吸尘装置14开启和送惰性气体装置13开启条件下，用激光在要保留的金属箔层外缘加工绝缘沟道；

先加工超窄孤立导线5，用激光光束3沿着激光切割路径7完成部分沟道制作。然后，用激光光束3沿着激光切割路径6制作绝缘兼绝热的沟道10，留下导线4；

最后，用激光光束3沿留下的用于散热的激光切割路径8，以及用于扩宽的激光切割路径9完成超窄孤立导线绝缘兼绝热沟道制作。

该步骤中，在要保留的导线周围制作绝缘兼绝热的沟道，以实现电路结构各部分金属箔层间的电气互连和电气绝缘功能。制作绝缘兼绝缘沟道是功能性加工，要求保留下的导线不脱离绝缘基材，不被损伤，制作时，应该把激光参数调整到激光恰恰切透金属箔层，触及金属箔层下的基板材料却未使其受到损伤或虽有损伤，但损伤最小的程度。让激光光束与要保留的导线的包络线相切，沿包络线外围的路径运动的同时向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，在要保留的导线外围形成绝缘兼绝热沟道，在要保留的导线周围制作绝缘兼绝热的沟道时，激光束投照到金属箔层上，被金属箔层吸收，转变成热，使被投照处的金属箔层温度迅速升高，熔化、汽化而被去除。对于大多数波长和脉冲宽度的激光，投照到基板材料表面的激光光能不可能完全被用于汽化金属箔层，有一部分热能会传导到金属箔层周围，使局部温度升高。温度的上升导致两种作用：一是导致金属箔层与绝缘材料间的附着力下降；二是在金属箔层和绝缘材料间产生应力。

多数情况下，绝缘材料与导电材料热性能存在差别。大多数绝缘材料的热膨胀系数在10-16ppm/℃之间，金属箔层铜金属的热膨胀系数为17-20ppm/℃。大多数绝缘材料的导热系数在0.12-0.35W/m.K之间，而铜则具有优良的导热性能，其导热系数为390-420W/m.K。

金属箔层材料接受到足够的激光投照后，温度会在瞬间升高数百度。由于铜的优良导热性能，加之绝缘材料传热能力很低，热量还会迅速并相对集中的向周围区域的金属箔层传递，使周围的金属箔层的温度也迅速上升。与金属箔层相比，绝缘材料温升较慢、热膨胀导致的尺寸变化较小。金属箔层较大的热胀系数在大幅度的温升时会导致体积迅速变化，特别是在长度方向尺寸增加更明显。这样，绝缘材料尺寸就不能与金属箔层尺寸同步变化，使得金属箔层与绝缘材料间产生应力。

上述现象在制作包络要保留的金属箔层导线周围的绝缘兼绝热沟道时，特别是宽度较窄的孤立导线时比较明显。因为在制作沟道时，激光要沿着导线的包络线外围运动并投照热量，去光蚀除掉运行路径之下的金属箔层，在运动距离超过包络线总长度一半时，特别是包络线将要闭合时，即导线周围的绝缘兼绝热沟道即将包围导线时，由于导线已经接近绝热，接受的热量更难散出，聚集在面积有限的导线上，热作用格外严重。这时，导线就有受附着力下降和上述应力共同作用，而卷曲，脱离绝缘材料的危险。

用激光投照去掉金属箔层在导线周围形成绝缘兼绝热沟道，遇孤立窄导线时，要分两次或两次以上加工。例如，第一次，连续去掉导线周围的金属箔层，直到离沟道闭合尚有0.5-5mm时停止，留下长度为0.5-5mm金属箔层暂不去除，用作散热连接桥。第二次，被加工工件上全部导线的绝缘兼绝热沟道加工一遍后，再向留下的长度为0.5-5mm的散热连接桥投照激光，去掉为散热而留下的连接桥处的金属箔层，使要保留的导线周围的绝缘兼绝热的沟道闭合。

用激光投照去掉金属箔层材料，形成绝缘兼绝热沟道，金属箔层以汽化方式被除去，为防止热蒸汽上升，损坏激光器件，要使用吸气装置，吸力应该调节到仅够吸走产生的热蒸汽程度，避免吸力过大导致孤立导线脱离基板材料。

加工绝缘兼绝热沟道时，为避免受热的金属箔层被空气氧化，也为了对金属箔层进行散热冷却，在加工时向被加工工件周围输送保护兼清洁用气体，特别是氮气。惰性气体和其它保护气体，特别是氮气，可以降低氧气在加工区域的浓度，抑制氧化反应发生。同时，有一定压力的保护性气体有一定的散热和制冷效果，能抑制因温度升高导致的金属箔层与绝缘基材附着力的降低，能降低因热量在金属箔层上的聚集而产生的脱离基板材料的应力。另一方面，在加工时，施加有一定压力的气体还会吹走产生的尘屑，起到对被加工工件表面，特别是沟道的及时清洁作用。

被加工件的导电结构，即电气互连和电气绝缘已经形成，在特定的情况下，如不需要继续去除多余的金属箔层即可完成功能时，可以令激光沿形成的包络沟道远离导电的一侧运动，同时向金属箔层投照激光，去掉激光运动路径下面的金属箔层，扩宽导电沟道。导电沟道可以按如此操作扩宽多遍，直到达到需要的宽度为止。

步骤⑵：

在吸尘装置14开启和送惰性气体装置13开启条件下，用激光加工在要去除的金属箔层区域加工绝缘沟道，将要去除的金属箔层细分为孤立的小块；

将要去除的金属箔层用激光光束3，沿分隔线11细分至形状和大小都适合被剥离的小块12。为方便确定分割线11，设两相邻小块互补而成的梯形的一边边长为W，从左上角开始分割，激光光束3沿与铅垂线方向成45°角，从左下向右上运动，到达右上边缘后完成第一条线；

激光右移4/5W后从右上向左下运动，终点为距离第一条切割线起点1/5W处完成第二条切割线。第三条切割线从距离第一条切割线W处开始，沿与铅垂线方向成45°角，从左下向右上运动，到达右上边缘后完成第三条线。依次类推，完成步骤整个区域的细分。

该步骤中，采用激光投照去掉金属箔层材料形成绝热沟道完成要去除金属箔层的细分，金属箔层以汽化方式被除去，为防止热蒸汽上升，损坏激光器件，要使用吸气装置，吸力应该调节到仅够吸走产生的热蒸汽程度，避免吸力过大导致孤立导线脱离基板材料。同时，为避免受热的金属箔层被空气氧化，也为了对金属箔层进行散热冷却，在加工时向被加工工件周围输送保护兼清洁用气体，特别是氮气。惰性气体和其它保护气体，特别是氮气，可以降低氧气在加工区域的浓度，抑制氧化反应发生。同时，有一定压力的保护性气体有一定的散热和制冷效果，能抑制因温度升高导致的金属箔层与绝缘基材附着力的降低，能降低因热量在金属箔层上的聚集而产生的脱离基板材料的应力。另一方面，在加工时，施加有一定压力的气体还会吹走产生的尘屑，起到对被加工工件表面，特别是沟道的及时清洁作用。

在分隔要去除的金属箔层方案中，金属箔层小块形状可以是梯形、四边形和三角形或其它不规则形状，但宽度从一端向另一端逐步变宽，相邻的金属箔层小块窄端和宽端相互颠倒，即一个金属箔层小块的窄端，与第二个金属箔层小块的宽端相邻，而第二个小块的宽端又与第三个小块的窄端相邻。

在分隔要去除的金属箔层方案中，需要限制金属箔层小块的长度，把长度超过限定值的小块继续分成若干小块。这样可以避免因为长度过长，重量过大，即使小块从基板材料上脱落，也不能被吸走现象。同时还能避免小块在加工过程中，因为激光在其上运动路径过长，传递给其热量过多，导致到激光运动到终止端时，温度已经升到其熔点温度，造成其在脱离后与接触到的金属箔层粘连而滞留，或在激光未到达终止端时，一端已经翘起，影响激光进一步加工的现象。

这种分法的优点是，既考虑了金属箔层小块长度方向对于剥离的作用，又考虑了金属箔层小块的宽度对于加工和剥离的作用，还考虑了绝缘小块整体体积及重量对于加工剥离的作用。在后续用激光加热把这些孤立的导电小块从基板材料上剥离时，不会出现终止端过热现象，并且加工效率也得以提高。加热时，激光以其窄端作为起始点投照光束，一边投照一边向宽端运动。刚开始投照时，导电小块上没有热量积累，激光投照到窄端，窄端散热空间较少，利于窄端温度迅速升高。随着激光向宽端运动，导电小块上的热量累积越来越多，温度也越升越高，但导电小块宽度的增加，增加了散热面积，有利于控制金属箔层小块温度上升到足够降低附着力，并发生热膨胀产生足够应力，而脱离基板材料的程度。另一方面，应用本发明的分法，避免了激光加热这些孤立的小块时温度过度上升，防止了由于孤立小块由于散热空间小，温度过分升高对基板材料的冲击，也避免了过高温度对邻近导线的热影响，因此在激光接近导线时，也不再需要折向或曲线走向与导线成90°的方向运动。

这种细分金属箔层小块的方法，相比于各处等宽条状分隔方法的另一个优势是，可以避免用等宽条状小块分隔法分隔到靠近离要保留导线或电路板边缘时，出现剩余的面积不合适，使小块过小或者过大不适合加热去除现象。同样用这样的分法，能在金属箔层小块的宽度和长度间平衡，不会出现宽度和长度都不适合后续加热去除的现象。避免条状小块达不到一定长度时，加热时激光虽然在单位时间内向单位长度上传递了等量能量，也会出现激光作用的时间和路径太短，却不足以使小块的终点端温度上升到使附着力的下降和应力的增加导致其从基板上脱落的现象。避免等宽条状分隔法遇到的尺寸过大或过小，造成在要保留的金属箔层图形中间，或金属箔层与边缘之间，留下孤立的小块，长度或宽度小于大多数被分隔的条状金属箔层小块的现象。显然，等宽条状分隔方法留下的孤立小块，尺寸较通常条状小块要小，加热时激光虽然在单位时间内向单位长度上传递了等量能量，但较短激光投照路径，使得终点端温度不足以上升到使金属箔层小块脱离基板材料的高度。

步骤⑶：

在吸尘装置14开启并调大吸力和送惰性气体装置13开启条件下，用激光加热去除孤立的金属箔层小块；

加热从右下角开始，如图中箭头方向所示，加热时，投照的激光沿细分后的金属箔层小块收窄的一端向放宽的一端运动。

到达终点端后，就近运动到相邻金属箔层小块的起始点，继续对另一金属箔层小块从收窄的一端向放宽的一端加工，依次类推；

给宽长比值较大的金属箔层小块加热时，激光沿循环路径运动一遍。

步骤⑴、步骤⑵、步骤⑶所述保护、清洁及冷却气体为氮气或惰性气体，其中，步骤⑶中加热时的吸气装置抽吸力应该满足金属箔层小块脱离基板的抽吸力值，并大于步骤⑴和步骤⑵中制作沟道时的抽吸装置的抽吸力。

本步骤中，应该把激光参数调整到使其处于不能使金属箔层熔化或汽化，不能物理移除或破坏金属箔层，但又适合被材料吸收，尽可能多地转变成热能被导电材料吸收的程度，以使单个的小块温度上升，从而导致其与基板材料的附着力变小，或卷曲变形，从而与基板脱离。操作时，从离抽吸口近的一端逐个向各个孤立的金属箔层小块投照激光，使金属箔层吸收的光能转变为热能而迅速升高温度，从而降低孤立金属箔层小块与基板材料的附着力，增加孤立导线与基板材料间分离的应力，使孤立的金属箔层小块脱离基板材料，被抽吸入吸气口去除。

激光沿金属箔层小块较窄的一端向较宽的一端运动，到达终点端后，就近运动到相邻金属箔层小块的起始点，继续对另一金属箔层小块加工，到达第二个小块终点后，在就近运动到与其相邻的第三个金属箔层小块的起始点，这样，依次折返进行激光加热，激光运动去程和返程都在进行有效加工，缩短了激光运动路径长度，提高了加工效率。

对于长度短，但宽度大的金属箔层小块，要增加激光对小块加热运动的行程。例如，对于宽长比大于0.1（0.3mm宽，3mm长）的小块，激光首先沿金属箔层小块较窄的一端向沿着远离下一小块的一边向较宽的一端运动，到达终点端后，向靠近下一小块方向运动到邻近下一小块的一边后，就近运动到相邻金属箔层小块的起始点。又例如，对于宽长比大于0.2（0.4mm宽，2mm长）的小块，激光首先沿金属箔层小块较窄的一端向沿着远离下一小块的一边向较宽的一端运动，到达终点端后，向靠近下一小块方向运动到邻近下一小块的一边后，沿邻近下一小块的一边折返向小块较窄一端运动，到达窄端后，再运动到相邻金属箔层小块的起始点，继续对另一金属箔层小块加工。还例如，对于宽长比大于0.3（0.45mm宽，1.5mm长）的小块，激光首先沿金属箔层小块较窄的一端向沿着远离下一小块的一边向较宽的一端运动，到达终点端后，向靠近下一小块方向运动到小块中心线后，沿小块的中心线折返向小块较窄一端运动，到达窄端后，再折返沿小块邻近下一小块的一边向小块的宽端运动，到达终端后，就近运动到相邻金属箔层小块的起始点，继续对另一金属箔层小块加工。

为了从板面上去除已经与基板材料脱离的金属箔层小块，避免其在板面上遮挡激光正常加热，要用气流将金属箔层小块吸走，同时，抽吸作用力也有助于小块与基板材料的脱离。此时的抽吸力应该大到能吸走脱离的金属箔层小块，比步骤一和步骤二的抽吸力要有显著增加。

为避免受热的金属箔层被空气氧化，也为了对金属箔层进行散热冷却，在加工时向被加工工件周围输送保护兼清洁用气体，特别是氮气。惰性气体和其它保护气体，特别是氮气，可以降低氧气在加工区域的浓度，抑制氧化反应发生。同时，有一定压力的保护性气体有一定的散热和制冷效果，能抑制因温度升高导致的金属箔层与绝缘基材附着力的降低，能降低因热量在金属箔层上的聚集而产生的脱离基板材料的应力。另一方面，在加工时，施加有一定压力的气体还会吹走产生的尘屑，起到对被加工工件表面，特别是沟道的及时清洁作用。

Claims (10)

1.一种在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，用激光对覆有金属箔层材料的基板材料进行如下操作：在要保留的金属箔层周围加工制作绝缘包络沟道，将要去除的金属箔层细分为若干个绝热小块，向被细分的绝热小块上投射激光使其脱离基板材料被去除，其特征在于：通过调节激光的投射参数、投射路径以及投射环境，去除基板材料上的金属箔层，形成预定的导电结构，其步骤为：

⑴用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道，把激光参数调整到激光恰恰切透金属箔层，触及金属箔层下的基板材料却未使其受到损伤或虽有损伤，但损伤最小的程度；

⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小均近似的被剥离的小块，小块为顶端收窄，底端放宽的长条形，细分小块的分隔线优选与水平线成45°或135°方向，相邻的金属箔层小块的底端和顶端颠倒；

⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料，并被吸走，加热时，投照的激光沿金属箔层小块收窄的顶端向放宽的底端运动。

2.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，激光光束与要保留的导线的包络线相切，沿包络线外围的路径运动的同时向金属箔层投照激光，光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝缘沟道，遇到宽度过窄的孤立导线，分两次及以上进行加工。

3.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，使用吸气装置，并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

4.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑴所述的用激光在要保留的金属箔层周围加工制作包络沟道时，将激光沿形成的包络沟道远离导电结构的一侧运动，去掉激光运动路径下面的金属箔层实现绝缘沟道的扩宽。

5.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小都适合被剥离的小块，对金属箔层小块的长度以及小块的重量进行限定，把长度或重量超过限定值的小块继续分成若干小块。

6.根据权利要求3所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑵将要去除的金属箔层用激光细分至形状和大小都适合被剥离的小块时，通过光蚀去除掉激光运行路径下的金属箔层，形成绝热沟道完成细分，制作沟道时，使用吸气装置，并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

7.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，加热时，投照的激光沿金属箔层小块的收窄的顶端向放宽的底端运动，到达该小块放宽的底端后，就近运动到相邻金属箔层小块的收窄的顶端，继续对另一金属箔层小块从收窄的顶端向放宽的底端加工，依次类推，使激光运动去程和返程都在进行有效加工。

8.根据权利要求1所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，当给宽长比值较大的金属箔层小块加热时，要通过在金属箔层上沿循环路径运动增加激光对小块加热的行程。

9.根据权利要求6所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑶用激光在抽吸气流作用下给被细分的金属箔层加热使其脱离基板材料时，加热时，使用吸气装置并向被加工工件周围输送保护、清洁及冷却气体。

10.根据权利要求9所述的在覆金属箔绝缘基板上制作导电图案的方法，其特征在于：步骤⑴、步骤⑵、步骤⑶所述的保护、清洁和/或冷却气体均为氮气或惰性气体，其中，步骤⑶中加热时的吸气装置抽吸力应该满足金属箔层小块脱离基板的抽吸力值，并大于步骤⑴和步骤⑵中制作沟道时的抽吸装置的抽吸力值。

Images