CN112809204B - 一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法，该聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置包括激光切割装置，还包括制冷装置、覆盖膜固定装置及干冰清洗装置；所述激光切割装置、所述制冷装置及覆盖膜固定装置通过传送带依次连接；所述覆盖膜固定装置设置有覆盖膜固定平台；所述干冰清洗装置包括干冰喷喷枪，所述干冰喷枪的喷头对准所述覆盖膜固定平台的平面。该装置能有效去除聚酰亚胺覆盖膜表面的碳化层。

Description

一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法，属于激光切割技术领域。

背景技术

聚酰亚胺薄膜(Polyimide Film，简称PI膜)是世界上性能最好的薄膜类绝缘材料，由均苯四甲酸二酐(PMDA)和二胺基二苯醚(DDE)在强极性溶剂中经缩聚并流延成膜再经亚胺化而成，已广泛应用在微电子、液晶、分离膜、激光、航空、纳米、航天等领域。

柔性电路板(Flexible Printed Circuit，简称FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板，具有配线密度高、重量轻、厚度薄、韧性好、散热快的优点，构成了电子产品的核心部件，决定了电子产品的功能和性能，是现代电子产品飞速发展的重要支撑。目前，对柔性电路板的制作要求越来越严格，线宽线距越来越小，切割精度要求高。制作柔性电路板需要采用PI膜制备的PI覆盖膜。PI覆盖膜的加工精度要求也越来越严，过去使用的传统剪床、冲床精度达不到要求已经被淘汰，取而代之的是切割精度高的UV激光切割机。

激光切割PI覆盖膜的原理是高功率密度的UV激光束照射PI覆盖膜表面，依靠聚焦光斑处非常高的能量密度，超过PI覆盖膜的气化阈值，从而瞬间气化材料，同时还伴随着激光单光子能量过高从而打断PI覆盖膜上C-C键与C-N键的过程。在这个过程中，由于热量的产生和积累，PI覆盖膜的温度会不断上升，当温度超过600℃时，相对与C元素，N和O的这两种元素的比例会不断减小，最终材料的主要以C元素为主，即材料发生了碳化。这种切割结果是不合格的。虽然可以采用酒精等试剂进行人工擦拭，但清洗效率极低。

对于各个激光切割机厂商及FPC制造商来说，这个问题都是一个极具挑战性的难题。近年来，有一些相关研究，比如中国专利CN105234561A及文献(罗均涛,尹同芳,梁燎原.UV激光切割覆盖膜炭化问题影响因素研究[J].印制电路信息，2012(04):24-27.))提出增设光束整形器；改进抽风系统，增大加工材料表面气体流速和改善抽风的均匀性能；不断探索最合适的工艺参数以及自动激光切割二级除碳装置等工艺措施。其中，在工艺参数的设置上，虽然优选的工艺参数能大幅减少碳化物的产生，减轻后期干冰清洗的工作负担，但是碳化仍不能避免，上述方法都只能减少碳化物的出现，而不能彻底的去除PI覆盖膜表面残留的碳化物。

发明内容

本发明提供了一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法，可以有效解决上述问题。

本发明是这样实现的：

一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，包括激光切割装置、制冷装置、覆盖膜固定装置及干冰清洗装置；所述激光切割装置、所述制冷装置及覆盖膜固定装置通过传送带依次连接；所述覆盖膜固定装置设置有覆盖膜固定平台；所述干冰清洗装置包括干冰喷枪，所述干冰喷枪的喷头对准所述覆盖膜固定平台的平面。

作为进一步改进的，所述激光切割装置的工作平台为铜蜂窝板或铝蜂窝板。

作为进一步改进的，所述制冷装置包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器及冷冻室；所述压缩机、冷凝器、节流阀及蒸发器通过管道依次连接成循环通路；所述循环通路中含有制冷剂。

作为进一步改进的，所述干冰喷枪的喷头为外扩式喷头或直筒式喷头。

作为进一步改进的，所述覆盖膜固定装置为真空吸附平台。

一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳方法，使用上述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置；包括以下步骤：

S1，将聚酰亚胺覆盖膜固定在所述激光切割装置的工作平台上，进行激光切割；

S2，将切割好的聚酰亚胺覆盖膜输送至所述制冷装置的冷冻室中进行冷冻；

S3，将冷冻好的聚酰亚胺覆盖膜输送至聚酰亚胺覆盖膜装置的覆盖膜固定平台上进行固定，使用所述干冰喷枪对聚酰亚胺覆盖膜的表面喷射干冰颗粒，进行清洗。

作为进一步改进的，所述冷冻室的温度设置为-38℃～-40℃，冷冻时间8～15s。

作为进一步改进的，所述干冰喷枪的喷射压力为3～8bar，喷射时间为20～40s。

作为进一步改进的，所述干冰喷枪的喷头与聚酰亚胺覆盖膜的距离为150～300mm。

作为进一步改进的，所述所述干冰喷枪喷射的干冰颗粒的直径不大于3mm。

本发明的有益效果是：

本发明的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置在切割完成后输送至制冷装置，通过低温将聚酰亚胺覆盖膜上残留的碳化物冷脆化，之后由传送带输送至聚酰亚胺覆盖膜固定装置，固定后采用干冰喷枪以较小风速喷射干冰颗粒以进行除碳，在能够实现对大面积的PI覆盖膜切割的同时实现了表面最大程度除碳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置的结构示意图。

附图标记：

激光光源1、光路整形器2、振镜3、聚焦镜5、工作平台6、传送带7、压缩机8、冷凝器9、节流阀10、蒸发器11、管道12、冷冻室13、聚酰亚胺覆盖膜固定平台15、干冰喷枪14。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

参照图1所示，本发明实施例提供一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，包括激光切割装置，还包括制冷装置、覆盖膜固定装置15及干冰清洗装置。所述激光切割装置、所述制冷装置及覆盖膜固定装置通过传送带7依次连接。所述覆盖膜固定装置15设置有覆盖膜固定平台。所述干冰清洗装置包括干冰喷枪14，所述干冰喷枪14的喷头对准所述覆盖膜固定平台的平面。

所述聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置的工作原理如下：

将PI覆盖膜经激光切割通过制冷装置和干冰喷枪，使用制冷装置配合干冰喷枪清洗由激光切割带来的碳化物。设置制冷装置的目的是为了冷冻脆化PI覆盖膜表面的碳化物，为下一道工序做准备。PI覆盖膜在冷冻过程中，由于其良好的耐低温性能，并未发生破坏，而PI覆盖膜表面残留的碳化物，其在各个方向的线性热胀冷缩系数为2×10^-6/℃，与PI覆盖膜的线性热胀冷缩系数3×10^-5/℃-5×10^-5/℃相差很大，导致在较大温度范围的变化下，碳化物与PI覆盖膜的收缩程度明显不同，从而使得PI覆盖膜上的碳化物更容易从覆盖膜上剥离。

除此之外，由于碳化物处于较低的温度之下，碳化物中原子的运动能力降低，在一个相对较小的范围内波动，而此时迫使物质发生形变，即使原子发生位移变得越发困难，从宏观上就表现出物质的低温脆性，而PI覆盖膜在低温下却不会发生脆化(PI覆盖膜在-269℃液氦下不会发生脆化)，这是基于低温清洗碳化物最重要的一点，而低温脆性使得碳化物在PI覆盖膜上由粘弹态转变为固态，固态的碳化物在之后的喷射干冰工艺中，更加容易破裂，使得碳化物更加容易去除。由于上述所提的原因，导致处于低温环境下的碳化物在PI覆盖膜上非常容易脱落，为后续的工艺做准备。

增设干冰喷枪的目的是通过外力来进行碳化物的最终去除，通过喷射出粒径3mm左右的干冰颗粒，干冰颗粒在触碰到样品表面的过程中发生升华，体积膨胀近800倍，在接触点附近发生“微型爆炸”，将固态脆化的碳化物破裂，与此同时，裹挟着持续不断的气流将碳化物卷走。其次，干冰喷枪工作时，周围温度也较低，能够使PI覆盖膜获得较小的温度落差，以避免温差过大而导致发生的涨缩过大，为后序加工制造困难。

作为进一步改进的，所述激光切割装置包括激光光源1、光路整形器2、振镜3、聚焦镜5及工作平台6，所述工作平台6为铜蜂窝板或铝蜂窝板，优选为铜蜂窝板，以增大散热。

作为进一步改进的，所述制冷装置包括压缩机8、冷凝器9、节流阀10、蒸发器11及冷冻室13。所述压缩机8、冷凝器9、节流阀10及蒸发器11通过管道12依次连接成循环通路；所述循环通路中含有制冷剂，比如异丁烷等。所述制冷装置，通入异丁烷等低压制冷剂气体并循环运行整个制冷系统，使用压缩机8对制冷剂异丁烷等气体进行压缩，将低压的制冷剂气体压缩成高压气体，气体由于被压缩而温度变高，随后通过管道12进入冷凝器9，通过冷凝器9将高温高压的液体进行冷却，并在一定的温度和压力下，使气态制冷剂转化成高压液态制冷剂，期间释放大量热量。之后通过节流阀10，使高压液态制冷剂压力降低至要求压力之下进入蒸发器11，低压液体从周围的介质中吸收大量热量后蒸发成气体，气体随后进入压缩机8，进行下一次循环。在整个循环之中，冷冻室13内的温度控制在-40℃左右。

作为进一步改进的，所述干冰喷枪14为多个，优选为三个。所述干冰喷枪14的喷头为外扩式喷头或直筒式喷头。优选为外扩式喷头，这样可以尽可能地向四周吹气，将碳化物卷走。

作为进一步改进的，所述覆盖膜固定装置15为真空吸附平台，可以将PI覆盖膜吸附固定。

上述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置的除碳方法；包括以下步骤：

S1，将聚酰亚胺覆盖膜固定在所述激光切割装置的工作平台上，进行激光切割；具体的，准备一台15瓦的紫外激光，将PI覆盖膜通过定位孔固定在铜蜂窝板工作平台后，在工控机中设置切割速度，重复切割次数及切割频率等参数并进行激光切割，切割过程注意只需切透PI覆盖膜，而不能切透离型纸，从而不伤及下面的铜蜂窝板或铝蜂窝板。

S2，将切割好的聚酰亚胺覆盖膜输送至所述制冷装置的冷冻室中进行冷冻；

S3，将冷冻好的聚酰亚胺覆盖膜输送至聚酰亚胺覆盖膜装置的覆盖膜固定平台上进行固定，使用所述干冰喷枪对聚酰亚胺覆盖膜的表面喷射干冰颗粒，进行清洗。

作为进一步改进的，所述冷冻室的温度设置为-38℃～-40℃，冷冻时间8～15s。优选为10s。

作为进一步改进的，所述干冰喷枪的喷射压力为3～8bar，优选的，喷射压力在3～5Pa之间。喷射时间为20～40s，优选为20～30s。所述干冰喷枪的喷头与聚酰亚胺覆盖膜的距离为150～300mm，优选为150～200mm。干冰喷枪工作过程必须使用5m/s以下的速度冲击PI覆盖膜，高于5m/s的喷射速度可能对样品表面造成破坏。

作为进一步改进的，所述所述干冰喷枪喷射的干冰颗粒的直径不大于3mm，避免过大的干冰可以对PI覆盖膜表面造成破坏。

以下实施例2-9使用本实施例的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置及除碳方法。

实施例2

S1、将8μm厚的PI覆盖膜在铜蜂窝板上固定；

S2、设置切割参数:切割速度1000mm/s；重复切割次数6次,激光频率60kHz；

S3、将切割完成的PI覆盖膜放入-40℃的冷冻室,进行10秒的冷冻脆化处理；

S4、将冷冻脆化处理后的PI覆盖膜通过真空吸附装置固定,时间为15秒；

S5、完成步骤S4中的抽真空步骤后，打开干冰喷枪喷射干冰,所述干冰喷枪为外扩式喷头，喷射压力设置为5bar，喷枪距离为200mm，完成后取出样品并检查,具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：微量(通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω(采用常规方法测定)

离型纸与覆盖膜贴合性:未分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。

实施例3

同实施例2的操作，不同的是，将冷冻室的温度设置为-60℃，具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：微量(通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:未分离

覆盖膜在后序的加工之中,不能准确定位,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度过大,样品作废。

实施例4

同实施例2的操作，不同的是，将PI覆盖膜放置在冷冻室内的时间缩短至5秒，具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：少量(未能通过人工检测)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:未分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。

实施例5

同实施例2的操作，不同的是，将干冰喷枪与PI覆盖膜的距离提升至300mm,具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：少量(未能通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:未分离

覆盖膜在后序的加工之中,并不能完全定位准确,说明覆盖膜在后序工艺喷射干冰时,距离过远导致温差变大,从而涨缩比也发生变化导致定位不准确。

实施例6

同实施例2的操作，不同的是，将干冰喷枪与PI覆盖膜的距离缩短至100mm,具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：微量(通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:已分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。但是破坏了离型纸和覆盖膜的贴合性,为后序加工制造困难。

实施例7

同实施例2的操作，不同的是，将干冰喷射的控制时间延长至50s,具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：微量(通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:已分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。

实施例8

同实施例2的操作，不同的是，干冰喷射喷头喷射压力降低至3bar，具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：少量(未能通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:未分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。

实施例9

同实施例2的操作，不同的是，所述干冰喷枪直筒式喷头为聚焦型喷射,具体情况如下：

切割外形有无缺口:无

覆盖膜层是否切透:已切透

表面碳化物残留：微量(通过人工检验)

切口有无毛边:无

表面电阻率:1×10¹³Ω

离型纸与覆盖膜贴合性:已分离

覆盖膜在后序的加工之中,均能定位准确,说明覆盖膜在低温脆化处理中的涨缩幅度不影响实际生产。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，其特征在于，包括激光切割装置、制冷装置、覆盖膜固定装置及干冰清洗装置；所述激光切割装置、所述制冷装置及覆盖膜固定装置通过传送带依次连接；所述覆盖膜固定装置设置有覆盖膜固定平台；所述干冰清洗装置包括干冰喷枪，所述干冰喷枪的喷头对准所述覆盖膜固定平台的平面；所述制冷装置包括压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器及冷冻室；所述压缩机、冷凝器、节流阀及蒸发器通过管道依次连接成循环通路；所述循环通路中含有制冷剂；所述制冷剂为低压制冷剂。

2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，其特征在于，所述激光切割装置的工作平台为铜蜂窝板或铝蜂窝板。

3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，其特征在于，所述干冰喷枪的喷头为外扩式喷头或直筒式喷头。

4.根据权利要求1所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置，其特征在于，所述覆盖膜固定装置为真空吸附平台。

5.一种聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳方法，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳装置；包括以下步骤：

S1，将聚酰亚胺覆盖膜固定在所述激光切割装置的工作平台上，进行激光切割；

S2，将切割好的聚酰亚胺覆盖膜输送至所述制冷装置的冷冻室中进行冷冻；

S3，将冷冻好的聚酰亚胺覆盖膜输送至聚酰亚胺覆盖膜装置的覆盖膜固定平台上进行固定，使用所述干冰喷枪对聚酰亚胺覆盖膜的表面喷射干冰颗粒，进行清洗；

所述冷冻室的温度设置为-38℃～-40℃，冷冻时间8～15s；所述干冰喷枪的喷射压力为3～8bar，喷射时间为20～40s。

6.根据权利要求5所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳方法，其特征在于，所述干冰喷枪的喷头与聚酰亚胺覆盖膜的距离为150～300mm。

7.根据权利要求5所述的聚酰亚胺覆盖膜激光切割除碳方法，其特征在于，所述干冰喷枪喷射的干冰颗粒的直径不大于3mm。

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