CN110695535A - 一种薄膜材料异形结构及其激光加工方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，具体步骤为：S1：根据薄膜材料所需加工异形结构的形状，设计确定激光束的扫描路径；S2：将薄膜材料固定在加工平台上；S3：根据薄膜材料的特性，先测试其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；S4：采用激光束根据所需加工异形结构的形状对薄膜材料进行扫描加工；S5：对薄膜材料异形结构区域进行处理，去除异形结构中间的薄膜。通过本发明的方法，可以实现所加工薄膜材料异形结构底部不发生烧焦、碳化现象，并且实现所加工结构内部薄膜完全去除。

Description

一种薄膜材料异形结构及其激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种薄膜材料异形结构及其激光加工方法。

背景技术

随着机器、仪器设备向着小型化发展的趋势，比如在电子、汽车、航天、测量实验设备等行业中，对挠性电路板的制作要求越来越严格，加工要求随之也变的更加复杂，每年的产量也都在增加。随之而来的对生产FPC用的薄膜材料，例如覆盖膜的加工要求也越来越高，复杂程度也在不断的提升，原有的机械成型方式已经很难达到如此高的要求。激光加工属于非接触式加工，加工范围广，由于激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好等特点，能够产生极高的能量密度和功率密度，高能量激光束加工不受材料硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，可作用在硬、脆、软等各类材料上。因此，采用激光加工薄膜材料异形结构将成为行业研究的热点。

目前激光加工薄膜类材料异形结构的常用方法为将激光束以扫描填充的方式照射在覆盖膜表面，使照射部分材料吸收激光的能量后熔化蒸发去除，形成所需要的异形结构。但是由于薄膜类材料的烧蚀阈值低，采用激光束填充扫描的方式易导致激光能量的累积，造成异形结构底部烧焦、碳化现象，即便不发生烧焦、碳化现象，也会形成严重的热影响区，大大降低后期薄膜对其他电子元器件的保护作用，同时也会影响后期表面贴装工序中的阻焊作用。而采用激光只扫描加工异形结构外轮廓，虽然可以避免激光能量的累积造成异形结构边缘烧焦、碳化现象，但是仍然被粘结剂粘贴在基板5上无法去除。专利CN201510671004.7公开了一种PI覆盖膜自动激光切割除碳系统及方法，通过工控机对激光器、振镜系统、定位CCD、输送装置及除碳装置的自动控制，能够实现对PI覆盖膜的大幅面自动激光切割，但是，此种方法并不适合于在小幅面的薄膜材料上加工出异形结构。专利CN201510232501.7公开了另一种PCB板覆盖膜窗口的加工方法，通过在覆盖膜上切割形成条状的切割框，切割框内的条状覆盖膜的两端为尖锐端，以尖锐端为起点，将条状覆盖膜完全撕扯脱离PCB板形成窗口，这种方法虽然可以加工出边缘较好的切框，但是加工局限性较大，只适合加工条状切割框。因此，亟需一种适合在薄膜类材料上加工异形结构的激光加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于薄膜材料异形结构的激光加工方法，该方法可以实现所加工薄膜异形结构底部不发生烧焦、碳化现象，并且实现所加工结构内部薄膜材料完全去除。

一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料所需加工异形结构的形状，设计确定激光束的扫描路径；

S2：将薄膜材料固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料的特性，先测试其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束根据所需加工异形结构的形状对薄膜材料进行扫描加工；

S5：对薄膜材料异形结构区域进行处理，去除异形结构中间的薄膜。

优选的，所述步骤S1中，激光束的扫描路径为异形结构的外轮廓边缘，根据激光束光斑的大小，对扫描路径进行补偿。

优选的，所述步骤S3中，根据不同薄膜材料的特性先测试其烧蚀阈值，并且通过烧蚀阈值的大小调整激光束的波长为355～1064nm，脉冲宽度为0～200ns，输出功率调整范围为0～30W，重复频率范围为2～150kHz，离焦量为-3～3mm，扫描速度为100～2000mm/s，扫描次数范围为1～20次。

优选的，所述步骤S5中，对薄膜材料异形结构区域进行处理的方式包括：热胀冷缩去除法和真空吸附去除法。

优选的，所述热胀冷缩去除法，是将薄膜材料放置于低温平台上并对异形结构区域进行热气处理，再用集尘装置去除异形结构中间的薄膜。

优选的，所述低温平台的温度范围为-15～5℃，热气温度为20～60℃，吹气口离加工区域的距离为60～90mm，吹气压力为0.1～0.4MPa，吹气时间为0.5～2min，集尘装置真空度范围为3～6kpa，吸尘口离加工区域距离为30～70mm。

优选的，所述真空吸附去除法，是通过真空吸附平台直接去除异形结构中间的薄膜。

优选的，所述真空吸附平台的真空度范围为5～20kPa。

优选的，完成所述步骤S5后，将薄膜材料从低温平台上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗3~7分钟。

本发明还提供一种薄膜材料异形结构，使用上述的激光加工方法制成。

与现有技术相比本发明的有益效果如下：

1. 本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，通过只对薄膜材料异形结构的轮廓边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构。

2. 本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，将薄膜材料放置于低温平台上并对异形结构区域上方进行热气处理，不仅能够降低薄膜和基板之间粘合剂的粘性，而且薄膜与基板由于温差产生热胀冷缩，导致两者周围部分产生分离，此时再用集尘装置可轻易去除异形结构中间的薄膜。

3. 本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，通过真空吸附平台上阵列吸孔对异形结构内部薄膜的吸附作用，可实现加工区域薄膜和基板的分离。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法的流程图。

图2是本发明的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法的激光扫描异形结构轮廓的示意图。

图3是本发明的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法的采用热胀冷缩去除法去除异形结构中间薄膜的示意图。

图4是本发明的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法的采用真空吸附去除法去除异形结构中间薄膜的示意图。

图中包括有：

1-激光束，2-异形结构，21-异形结构轮廓，22-异形结构中间薄膜，3-薄膜材料，4-粘合剂，5-基板5，6-热气，7-集尘装置，8-低温平台，9-真空吸附平台，91-阵列吸孔。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料3所需加工异形结构2的形状，设计确定激光束1的扫描路径；

S2：将薄膜材料3固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料3的特性先测定其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束1根据所需加工异形结构2的形状对薄膜材料3进行扫描加工；

S5：对薄膜材料3异形结构2区域进行处理，去除异形结构2中间的薄膜。

在优选实施例中，步骤S1的具体加工方法为：根据薄膜材料3所需要加工出的异形结构2的形状，在计算机上通过绘图软件设计确定激光束1的扫描出异形结构轮廓21的外边缘路径，并且根据激光加工机床激光束1光斑的大小，对扫描路径进行补偿，补偿的距离为激光束1光斑的半径25μm，将确定好的扫描路径导入激光加工机床中，该步骤可以只对异形结构轮廓21的外边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料3的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料3上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构2，通过激光扫描异形结构轮廓21的外边缘，可实现异形结构中间部分的薄膜材料3与边缘部分分离。

在优选实施例中，步骤S2的具体加工方法为：将薄膜材料3用专用夹具四周夹紧，使薄膜处于张紧状态，并且保持水平悬空，然后将夹具固定在激光机床的加工平台上。

在优选实施例中，步骤S3的具体加工方法为：在加工之前，测定待加工薄膜材料3的烧蚀阈值，根据烧蚀阈值的大小，选用波长为1030nm，脉宽为300fs的激光器，并且将功率设置为5W，重复频率设置为100kHz，离焦量设置为0，扫描速度设置为1000mm/s，加工次数设置为5次。

在优选实施例中，步骤S4的具体加工方法为：将薄膜材料3移至激光机床扫描振镜下方，并且调节激光束1的聚焦位置，关闭激光加工机床的防护门，开启激光系统，输出激光束1对薄膜材料3进行扫描加工。

在优选实施例中，步骤S5的具体加工方法为：打开激光加工机床的防护门，从夹具上轻轻取出薄膜，将薄膜正面朝上平放于低温平台8上，设置低温平台8的温度为-5℃，同时采用温度为40℃的热气6对薄膜上的异形结构2进行处理，吹气口离加工区域的距离为70mm，吹气压力为0.2MPa，吹气时间为1min，吹气结束同时关闭低温平台8，将集尘装置7的吸尘口对准加工区域，吸尘口离加工区域距离为30mm，设置真空度为4kpa，开启集尘装置7将异形结构中间薄膜22连同底部的粘合剂4一起吸除，关闭集尘装置7，加工结束；该步骤可以，将薄膜材料3放置于低温平台8上并对异形结构2区域进行热气处理，不仅能够降低薄膜和基板5之间粘合剂4的粘性，而且薄膜与基板5由于温差产生热胀冷缩，导致两者周围部分产生分离，此时再用集尘装置7可轻易去除异形结构中间薄膜22。

在优选实施例中，完成所述步骤S5后，将薄膜材料3从低温平台8上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗5分钟，去除部分残留在异形结构2底部的熔融物以及粘合剂4。

本实施例还提供一种薄膜材料异形结构，使用上述的激光加工方法制成。

实施例2

如图1-4所示，本实施例提供一种薄膜材料3异形结构2的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料3所需加工异形结构2的形状，设计确定激光束1的扫描路径；

S2：将薄膜材料3固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料3的特性先测定其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束1根据所需加工异形结构2的形状对薄膜材料3进行扫描加工；

S5：对薄膜材料3异形结构2区域进行处理，去除异形结构2中间的薄膜。

步骤S1的具体加工方法为：根据薄膜材料3所需要加工出的异形结构2的形状，在计算机上通过绘图软件设计确定激光束1的扫描出异形结构轮廓21的外边缘路径，并且根据激光加工机床激光束1光斑的大小，对扫描路径进行补偿，补偿的距离为激光束1光斑的半径25μm，将确定好的扫描路径导入激光加工机床中，该步骤可以只对异形结构轮廓21的外边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料3的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料3上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构2，通过激光扫描异形结构轮廓21的外边缘，可实现异形结构中间部分的薄膜材料3与边缘部分分离。

在优选实施例中，步骤S2的具体加工方法为：将薄膜材料3用专用夹具四周夹紧，使薄膜处于张紧状态，并且保持水平悬空，然后将夹具固定在激光机床的加工平台上。

在优选实施例中，步骤S3的具体加工方法为：在加工之前，测定待加工薄膜材料3的烧蚀阈值，根据烧蚀阈值的大小，选用波长为532nm，脉宽为80ns的激光器，并且将功率设置为10W，重复频率设置为120kHz，离焦量设置为0，扫描速度设置为1500mm/s，加工次数设置为3次。

在优选实施例中，步骤S4的具体加工方法为：将薄膜材料3移至激光机床扫描振镜下方，并且调节激光束1的聚焦位置，关闭激光加工机床的防护门，开启激光系统，输出激光束1对薄膜材料3进行扫描加工。

在优选实施例中，步骤S5的具体加工方法为：打开激光加工机床的防护门，从夹具上轻轻取出薄膜，将薄膜正面朝上平放于低温平台8上，设置低温平台8的温度为-5℃，同时采用温度为40℃的热气6对薄膜上的异形结构2进行处理，吹气口离加工区域的距离为70mm，吹气速度压力为0.2MPa，吹气时间为1min，吹气结束同时关闭低温平台8，将集尘装置7的吸尘口对准加工区域，吸尘口离加工区域距离为30mm，设置真空度为4kpa，开启集尘装置7将异形结构中间薄膜22连同底部的粘合剂4一起吸除，关闭集尘装置7，加工结束；该步骤可以，将薄膜材料3放置于低温平台8上并对异形结构2区域进行热气处理，不仅能够降低薄膜和基板5之间粘合剂4的粘性，而且薄膜与基板5由于温差产生热胀冷缩，导致两者周围部分产生分离，此时再用集尘装置7可轻易去除异形结构中间薄膜22。

在优选实施例中，完成所述步骤S5后，将薄膜材料3从低温平台8上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗5分钟，去除部分残留在异形结构2底部的熔融物以及粘合剂4。

本实施例还提供一种薄膜材料异形结构，使用上述的激光加工方法制成。

实施例3

如图1-4所示，本实施例提供一种薄膜材料33异形结构22的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料3所需加工异形结构2的形状，设计确定激光束1的扫描路径；

S2：将薄膜材料3固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料3的特性先测定其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束1根据所需加工异形结构2的形状对薄膜材料3进行扫描加工；

S5：对薄膜材料3异形结构2区域进行处理，去除异形结构2中间的薄膜。

步骤S1的具体加工方法为：根据薄膜材料3所需要加工出的异形结构2的形状，在计算机上通过绘图软件设计确定激光束1的扫描出异形结构轮廓21的外边缘路径，并且根据激光加工机床激光束1光斑的大小，对扫描路径进行补偿，补偿的距离为激光束1光斑的半径25μm，将确定好的扫描路径导入激光加工机床中，该步骤可以只对异形结构轮廓21的外边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料3的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料3上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构2，通过激光扫描异形结构轮廓21的外边缘，可实现异形结构中间部分的薄膜材料3与边缘部分分离。

在优选实施例中，步骤S2的具体加工方法为：将薄膜材料3用专用夹具四周夹紧，使薄膜处于张紧状态，并且保持水平悬空，然后将夹具固定在激光机床的加工平台上。

在优选实施例中，步骤S3的具体加工方法为：在加工之前，测定待加工薄膜材料3的烧蚀阈值，根据烧蚀阈值的大小，选用波长为1030nm，脉宽为300fs的激光器，并且将功率设置为5W，重复频率设置为100kHz，离焦量设置为0，扫描速度设置为1000mm/s，加工次数设置为5次。

在优选实施例中，步骤S4的具体加工方法为：将薄膜材料3移至激光机床扫描振镜下方，并且调节激光束1的聚焦位置，关闭激光加工机床的防护门，开启激光系统，输出激光束1对薄膜材料3进行扫描加工。

在优选实施例中，步骤S5的具体加工方法为：打开激光加工机床的防护门，从夹具上轻轻取出薄膜，将薄膜反面朝上平放于真空吸附平台9上，并且使加工区域对准真空吸附平台9的阵列吸孔91，开启真空吸附平台9，设置真空度为10kPa，然后夹紧薄膜四周的两个角，轻轻将薄膜从真空吸附平台9上取出，异形结构2中间的薄膜连同底部的粘合剂4则被吸附在真空平台上，关闭真空吸附平台9，加工结束；通过真空吸附平台9上阵列吸孔91对异形结构中间薄膜22的吸附作用，可实现加工区域薄膜和基板5的分离。

在优选实施例中，完成所述步骤S5后，将薄膜材料3从低温平台8上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗5分钟，去除部分残留在异形结构2底部的熔融物以及粘合剂4。

本实施例还提供一种薄膜材料异形结构，使用上述的激光加工方法制成。

实施例4

如图1-4所示，本实施例提供一种薄膜材料33异形结构22的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料3所需加工异形结构2的形状，设计确定激光束1的扫描路径；

S2：将薄膜材料3固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料3的特性先测定其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束1根据所需加工异形结构2的形状对薄膜材料3进行扫描加工；

S5：对薄膜材料3异形结构2区域进行处理，去除异形结构2中间的薄膜。

步骤S1的具体加工方法为：根据薄膜材料3所需要加工出的异形结构2的形状，在计算机上通过绘图软件设计确定激光束1的扫描出异形结构轮廓21的外边缘路径，并且根据激光加工机床激光束1光斑的大小，对扫描路径进行补偿，补偿的距离为激光束1光斑的半径25μm，将确定好的扫描路径导入激光加工机床中，该步骤可以只对异形结构轮廓21的外边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料3的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料3上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构2，通过激光扫描异形结构轮廓21的外边缘，可实现异形结构中间部分的薄膜材料3与边缘部分分离。

在优选实施例中，步骤S2的具体加工方法为：将薄膜材料3用专用夹具四周夹紧，使薄膜处于张紧状态，并且保持水平悬空，然后将夹具固定在激光机床的加工平台上。

在优选实施例中，步骤S3的具体加工方法为：在加工之前，测定待加工薄膜材料3的烧蚀阈值，根据烧蚀阈值的大小，选用波长为532nm，脉宽为80ns的激光器，并且将功率设置为10W，重复频率设置为120kHz，离焦量设置为0，扫描速度设置为1500mm/s，加工次数设置为3次。

在优选实施例中，步骤S4的具体加工方法为：将薄膜材料3移至激光机床扫描振镜下方，并且调节激光束1的聚焦位置，关闭激光加工机床的防护门，开启激光系统，输出激光束1对薄膜材料3进行扫描加工。

在优选实施例中，步骤S5的具体加工方法为：打开激光加工机床的防护门，从夹具上轻轻取出薄膜，将薄膜反面朝上平放于真空吸附平台9上，并且使加工区域对准真空吸附平台9的阵列吸孔91，开启真空吸附平台9，设置真空度为10kPa，然后夹紧薄膜四周的两个角，轻轻将薄膜从真空吸附平台9上取出，异形结构2中间的薄膜连同底部的粘合剂4则被吸附在真空平台上，关闭真空吸附平台9，加工结束；通过真空吸附平台9上阵列吸孔91对异形结构中间薄膜22的吸附作用，可实现加工区域薄膜和基板5的分离。

在优选实施例中，完成所述步骤S5后，将薄膜材料3从低温平台8上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗5分钟，去除部分残留在异形结构2底部的熔融物以及粘合剂4。

本实施例还提供一种薄膜材料异形结构，使用上述的激光加工方法制成。

本发明有益效果如下：

（1）本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，通过只对薄膜材料异形结构的轮廓边缘进行激光扫描加工，减少激光与薄膜材料的作用时间，大大降低激光对非加工区域的损伤，可在薄膜材料上获得轮廓边缘相对齐整圆顺、结构底部无烧焦、无碳化现象以及热影响几乎没有的异形结构。

（2）本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，将薄膜材料放置于低温平台上并对异形结构区域上方进行热气处理，不仅能够降低薄膜和基板之间粘合剂的粘性，而且薄膜与基板由于温差产生热胀冷缩，导致两者周围部分产生分离，此时再用集尘装置可轻易去除异形结构中间的薄膜。

（3）本发明提供一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，通过真空吸附平台上阵列吸孔对异形结构内部薄膜的吸附作用，可实现加工区域薄膜和基板的分离。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据薄膜材料所需加工异形结构的形状，设计确定激光束的扫描路径；

S2：将薄膜材料固定在加工平台上；

S3：根据薄膜材料的特性，先测试其烧蚀阈值，再设置激光加工参数；

S4：采用激光束根据所需加工异形结构的形状对薄膜材料进行扫描加工；

S5：对薄膜材料异形结构区域进行处理，去除异形结构中间的薄膜。

2.根据权利要求1的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述步骤S1中，激光束的扫描路径为异形结构的外轮廓边缘，根据激光束光斑的大小，对扫描路径进行补偿。

3.根据权利要求1的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据不同薄膜材料的特性先测试其烧蚀阈值，并且通过烧蚀阈值的大小调整激光束的波长为355～1064nm，脉冲宽度为0～200ns，输出功率调整范围为0～30W，重复频率范围为2～150kHz，离焦量为-3～3mm，扫描速度为100～2000mm/s，扫描次数范围为1～20次。

4.根据权利要求1的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述步骤S5中，对薄膜材料异形结构区域进行处理的方式包括：热胀冷缩去除法和真空吸附去除法。

5.根据权利要求5的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述热胀冷缩去除法，是将薄膜材料放置于低温平台上并对异形结构区域进行热气处理，再用集尘装置去除异形结构中间的薄膜。

6.根据权利要求6的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述低温平台的温度范围为-15～5℃，热气温度为20～60℃，吹气口离加工区域的距离为60～90mm，吹气压力为0.1～0.4MPa，吹气时间为0.5～2min，集尘装置真空度范围为3～6kpa，吸尘口离加工区域距离为30～70mm。

7.根据权利要求5的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述真空吸附去除法，是通过真空吸附平台直接去除异形结构中间的薄膜。

8.根据权利要求8的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：所述真空吸附平台的真空度范围为5～20kPa。

9.根据权利要求1的一种薄膜材料异形结构的激光加工方法，其特征在于：完成所述步骤S5后，将薄膜材料从低温平台上取下，放置于丙酮或乙醇溶液中超声清洗3~7分钟。

10.一种薄膜材料异形结构，其特征在于：使用权利要求1至9所述的激光加工方法制成。

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