不断地追求小型化和高能性是电子工业的一大特征，这一特征几乎影响了电子制造业近乎所有板块，包括刚性 PCB 板（含封装基板）和薄型柔性电路板 FPC 生产过程中的一些重要微加工步骤。尤其在钻盲孔
和通孔（钻孔后需要进行电镀，以连接电路板的不同层上的电路）以及电路板 / 基板的切割和剪裁等应用上。
在这些激光加工工艺中，有一些已经达到现有激光技术（如纳秒激光器）的极限。因此，短波长（可见光和紫外光）的超短脉冲 (USP) 激光器正逐渐崭露头角，得到越来越多客户的关注。超短脉冲激光器厂商们也在提供更高功率和更低成本的激光器来顺应这个发展趋势，同时也是为了满足客户对于改进产品质量和提高产量的需求。
更短的脉冲、更短的波长
对 PCB 和 FPC 进行切割和钻孔时，最大限度地去减小热影响区域是非常重要的，切面或孔附近的材料的热影响区域在某种程度上来说属于热降解的一种。而使用超短脉宽激光器可以最大限度减小热影响区域。超短脉冲可以让激光处理过程“更冷”，即实现“冷加工”。这是因为其脉冲持续时间短于有机材料中的热扩散时间，也就是说，大部分激光脉冲能量还没来得及扩散时就已被喷射出的材料带走了。
图 1. 使用短脉冲激光器时，大部分脉冲能量会作用在喷射出的材料中被带走，从而大大缩小几乎所有材料中的热影响区域。
如图 1 所示。超短脉宽激光器的脉冲能量虽然比纳秒激光器小得多，但这类激光器较低的烧蚀阈值（较高的加工效率）抵消了降低的脉冲能量，因此产量更高。此外，超短脉宽激光器的脉冲重复频率更高，可支持快速多次加工，非常适合在基板（通常为陶瓷）顶部选择性地加工较薄的层。大多数应用场合，被加工材料的总厚度为 1 mm 或更薄，但在有些特殊应用场合中，例如在汽车行业，总厚度最厚可达 2 mm。有两项使用激光器的关键工艺就是在 PCB 上钻盲孔，使上层电路和孔底部裸露的下层电路通过后续电镀金属工艺实现导通；随后使用激光分板，从 PCB 大板上切割单个 PCB 产品。孔的直径目前在 50-100 µm的范围内，而且最终切割出来的 PCB 通常是简单的正方形或矩形，除了在特定情况下，如：激光只是切割 PCB 产品与大板之间的连接部分以外，没有复杂的形状。这种方式的工艺可以加工多种外形的 PCB。
传统的切割和钻孔都是使用锣刀和钻头进行机械加工。用于 100 µm 通孔的典型钻孔机器有六个钻孔头，每个钻孔头每秒可钻 20 个孔。然而，钻头钻取 2000 个孔后就已经到其使用寿命。在过去的十年中，PCB 机械钻孔工艺已被二氧化碳 (CO2) 激光器的激光钻孔工艺广泛取代，例如 Coherent 相干公司 DIAMOND系列中的二氧化碳红外激光器，可提供出色的功率成本比。但是，如果通孔直径为 50 µm 或更小，则 CO2 激光器无法提供所需的分辨率，并且会产生太多的热影响区域。在这类应用场合下，通常首选纳秒绿光激光器。但现在，越来越多的客户寻求同时兼顾小孔径、低热影响区域和高产能的方案，皮秒绿光超短脉宽激光器可以很好的满足这个需求，见图 2。以 Coherent 相干公司开发的 HyperRapid NX 为例，在与快速扫描振镜配合使用时实现每秒 3000 孔的速率，激光器需要高达 2000 kHz 的脉冲重复频率和高功率，而这些必要参数，相干公司最新款绿光皮秒级激光器就可以提供。
图 2. 使用不同的放大数倍和角度下观看在贴有 ABF 的铜材料上钻取的盲通孔。这些孔是使用 HyperRapid NX 皮秒级绿光激光器在 25 瓦功率下加工出来的。孔的直径和深度均为 40 µm。最大钻孔速率为每秒 1000 孔。
切割 PCB 最常用的激光器工具是紫外纳秒激光器。但是，较长的脉宽会导致边缘变色，从而影响终端客户的外观评测，而且还会留下碎屑，导致必须在激光加工后安排清洗环节来清除这些碎屑，但是清洗有损坏电路的风险和对环境造成影响的后果。因此，PCB 制造商越来越多地寻求使用红外光或绿光超短脉宽激光器来执行单步切割工艺，不需要清洗环节。超短脉宽激光器中，红外光的成本最低但功率最高，而绿光的效果最好，见图 3 和图 4。
图 3. 切割 1.2 mm 厚的 SiP：左图使用 HyperRapid NX 皮秒级绿光激光器（切割速度大于 10 mm/s）。右图使用纳秒级紫外光激光器（切割速度小于 10 mm/s）。
图 4. 使用 HyperRapid NX 皮秒级激光器切割的不同 PCB 材料的横截面。左图：包含金属层的 1.3mm SiP（使用 HyperRapidNX 绿光皮秒级激光器，切割速度大于 10 mm/s）。中图：陶瓷基板上 250 µm 厚PCB“指纹传感器”（使用 HyperRapid NX绿光皮秒级激光器，切割速度大于 40 mm/s）。右图：1 mm 厚PCB（使用 HyperRapid NX 红外光皮秒级激光器，切割速度大于 20 mm/s）。
柔性电路
柔性电路由铜和 PI、稀有铜和液晶高分子材料 (LCP) 等柔性聚合物层压而成。为了提供必要的柔性，它们比厚度在 100-300 µm 范围内的刚性 PCB 薄得多。最重要的激光加工工艺仍然是钻孔和切割。多年来，这些任务主要通过波长355 nm 的纳秒紫外光激光器完成。由于对窄切割道、复杂曲面和多样切面轮廓的应用需求不断增加，多家 PCB 制造商现在都希望逐渐过渡到使用皮秒级紫外光激光器。（最新智能手机 OLED 显示屏背面的紧密折叠电路就是一个典型例子。）此外，纳秒级激光器的重复频率被限制在几百 kHz，而皮秒级激光器的重复频率可以达到几千 kHz。如之前所述，较低的烧蚀阈值配合较短的脉冲意味着像 Coherent 相干公司HyperRapid NX 355 这样的激光器的切割速度可达到纳秒级激光器的 10 倍。具体来说，在我们演示中，当激光器的运行功率为 50W、重复频率为 5 MHz 时，对于厚度高达 130µm 和切割宽度小于 50 µm 的聚酰亚胺柔性电路基板，有效切割速度高达 1000 mm/s。
图 5. 柔性电路基板上的盲孔。使用 HyperRapid NX 355 紫外光皮秒级激光器在 10 瓦功率下，以 1 MHz 的重复频率在 30 µm 厚贴有 ABF 的铜上钻取的直径为 50 µm 的孔。钻孔速率为每秒超过3000 个。这些孔几乎没有锥度。在中间图像中，显微镜聚焦在孔的顶部，在右边的图像中，显微镜聚焦在孔的底部。
另外，相干超短脉冲激光器采用了一项名为“PulseEQ”的重要功能，这也是它们热影响区域较小的原因之一。当激光通过振镜在材料表面扫描复杂图形进行加工时，直线和曲线部分的切换必然造成扫描速度的变化，使用固定的脉冲重复频率，会使激光在曲线部分逗留时间过长而造成切割拐角的热影响区域扩大。而使用 Pulse EQ 后，激光器的脉冲重复频率受控于振镜，重要的是，无论扫描速度如何，单脉冲能量都保持在恒定水平。这样可以保证在切割轮廓的各个角落都能提供同样高的切割质量。同时，振镜的控制卡可以通过算法改变激光器的重复频率，保证激光脉冲的空间分布以达到直线和曲线部分的切割效果相同。
而且，这些超短脉冲激光器钻孔的质量相较于纳秒级激光器有明显的改善，见图 5。现在，柔性电路基板制造商都希望通过一种激光器工具同时完成钻孔和切割任务，因此，这些超短脉冲激光器都已蓄势待发，必将在这两种任务中大获成功。
总结
总而言之，刚性电路基板和柔性电路板的一些微加工任务正在突破较长脉冲激光方法极限。然而，相干的最新超短脉冲激光器既能保证优秀的加工品质，也能加快加工速度，满足这些应用领域目前的要求。
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