PCB市场为何能给激光企业带来增长动能？高功率纳秒紫外激光器有何优势？

PCB市场为何能给激光企业带来增长动能？高功率纳秒紫外激光器有何优势？

2019年，激光加工市场规模增速进一步放缓，部分应用市场的成熟与红海竞争，也让相关企业面临经营压力增大、业绩下滑的困境，2020年的新冠肺炎疫情更是给激光企业的发展蒙上阴影。而在这样的环境下，OFweek激光网发现与PCB加工相关的激光市场却仍保持增长，在部分上市公司披露的数据中，PCB业务的订单成了支撑业绩增长的主要动力。PCB市场的发展情况如何？又为何能为激光企业带来巨大的增长动能呢？

PCB、FPC产业快速发展 市场增量巨大

PCB是印刷电路板（Printed Circuit Board）的简称，是电子工业的重要部件之一，几乎用于所有的电子产品，主要作用是实现各个元件之间的电气互连。PCB由绝缘底板、连接导线和装配焊接电子元件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。其制造品质可直接影响电子产品的可靠性，是当今电子信息产品制造的基础产业，也是目前全球电子元件细分产业中产值最大的产业。

PCB的应用市场十分广泛，包括消费电子、汽车电子、通信、医疗、军工、航天等。目前消费电子和汽车电子发展快速，成了PCB应用的主要领域。长期以来，全球PCB产值主要集中在北美、欧洲及日本等地区，2000年后PCB产业重心开始向亚洲地区转移，尤以中国市场为最。2009年，中国大陆PCB产业产值约占全球的1/3，到2017年已达50.5％，占据全球PCB产值的半壁江山。

数据来源：Prismark、OFweek产业研究院

2019年，受贸易摩擦、终端需求下降和汇率贬值等影响，全球PCB产值略有下降，但中国市场受益于5G、大数据、云计算、人工智能、物联网等行业快速发展，成为2019年唯一成长的地区。Prismark数据显示，2019年中国PCB市场规模约329亿美元，占全球的53.7％。

而在消费电子的PCB应用中，FPC的发展速度最快，占PCB市场的比重不断提升。FPC 是柔性印刷线路板（Flexible Printed Circuit）的简称，是以聚酰亚胺（Polyimide，PI，工业界又称之为PI 覆盖膜）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、弯折性好的特点。在当下移动电子产品智能化，轻薄化的趋势下，FPC凭借密度高、重量轻、厚度薄、耐弯曲、结构灵活、耐高温等优势被广泛运用，并成为目前满足电子产品小型化和移动要求的惟一解决方法。

快速发展的PCB市场培育了巨大的衍生市场。随着激光技术的发展，激光加工逐渐取代传统的模切工艺，成了PCB产业链的重要一环。因此在激光市场整体增速放缓的背景下，与PCB相关的业务依然能够保持较高增长。

激光在PCB、FPC加工的优势

激光在PCB上的应用主要包括切割、钻孔、打标等，尤以切割为主。与传统的模切工艺相比，激光切割属于无接触加工，无需价格昂贵的模具，生产成本大大降低；此外，传统工艺难以解决边缘有毛刺、粉尘、应力、无法加工曲线等一系列的问题，而激光在聚焦后光斑仅有十几微米，能够满足高精度切割和钻孔的加工需求，解决了传统工艺中遗留的一系列问题。这一优势正迎合电路设计精密化的发展趋势，是PCB、FPC、PI 膜切割的理想工具。

实际上，PCB激光切割技术在PCB行业中的应用起步较早，但早期采用CO2激光切割，热影响较大，效率较低，一直未能获得较好的发展，只在一些特殊领域（如科研、军工等）有所运用。随着激光技术发展，能在PCB行业应用的光源越来越多，也为实现激光切割PCB的工业化应用找到了突破口。

当前用在FPC、PI 膜切割的激光器主要为纳秒级固体紫外激光器，其波长一般为355nm。相对于1064nm 红外和532nm 绿光，355nm 紫外有更高的单光子能量，材料吸收率更高，产生的热影响更小，实现更高的加工精度。

从原理来看，脉冲激光切割材料可分为两种情况：一种是光化学原理，利用激光单光子能量达到或超过材料化学键键能，打断材料某些化学键来实现切割；另一种是光物理原理，当激光单光子能量低于材料化学键键能时，依靠聚焦光斑处非常高的能量密度，超过材料的气化阈值，从而瞬间气化材料，实现材料的切割。但实际在用紫外激光切割FPC或PI膜时，光化学和光物理切割原理同时存在。

下面以PI 膜为例讲解两种加工原理。常态下的C－C 键和C－N 键的键能分别为3.45eV 和3.17eV，而355nm 紫外激光的单光子能量为3.49eV，高于常态下C－C 键和C－N 键的键能，可直接破坏材料的化学键。（参考文献：张菲， 段军， 曾晓雁， 等． 355nm 紫外激光加工柔性线路板盲孔的研究[J]. 中国激光, 2009, 36(12):3143-3148.）

在光物理效应中，会有热量的产生和积累，材料温度不断上升。当 PI 材料温度高于600℃时，相对于C元素，N和O两种元素的比例会不断减小，最终材料中主要以C 元素为主，即材料发生碳化。材料吸收激光能量转化为热能的扩散距离公式 L＝[4Dt]^1/2，其中D为材料热扩散率，t为激光脉宽。（参考文献：张鹏， 迟伟东， 沈曾民． 高温炭化对聚酰亚胺（PI） 薄膜结构与性能的影响[J].炭素技术, 2008, 27(6):10-12.）

由此可知，当材料一定时，激光脉宽越大，激光产生的热能在材料上的扩散距离越大，对材料的热损伤越大。因此脉宽越窄，加工效果越好。

20W／25W纳秒紫外激光器：更高功率，更优效果

前文提到，我国PCB产业受益于5G、大数据等新兴产业而快速发展，新产业、新技术的出现也对FPC、PI膜切割行业提出更高的要求。为了实现更少碳化和更快效率，激光器企业也在不断进行技术革新，不断探索更高频率、更窄脉宽、更高功率。

据了解，英诺激光于2019年在旧款AWAVE系列15W＠50KHz纳秒紫外激光器的基础上，推出了新一代高频短脉宽纳秒紫外激光器FORMULA系列15W＠50KHz，并于今年初将最高功率提升至25W，最高单脉冲能量超过500uJ。

图片来源：英诺激光

英诺激光的技术人员向OFweek激光网介绍说：“在推出FORMULA系列15W＠50KHz之后，加工效果和效率比传统的AWAVE 15W ＠50KHZ有了很大改善，但对于很多应用，效率还是不够。现在新款激光器将功率提升至20W／25W，最高单脉冲能量也超过500uJ，这大大提高了很多材料的切割效率，使很多种材料的量产变的可能。”

新款高频短脉宽纳秒紫外激光器能给PCB加工带来怎样的改变呢？以下展示部分加工案例（以下图片由英诺激光提供）：

金手指切割

AWAVE 15W ＠50KHZ切割效果，有效速度：50mm／s（左）

FORMULA 15W ＠150KHZ切割效果，有效速度100mm／s（右）

在厚度为150um金手指切割对比中可见，与传统AWAVE系列激光器相比，FORMULA系列激光器的切割效果明显改善，切割效率也实现了100％的提升。

铜箔钻孔

正面（左） 反面（右）

在厚度为100um的铜箔上钻孔，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，达到250 mm／s。

PCB切割

正面未擦拭（左） 反面未擦拭（右）

厚度为400um的PCB切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了50％，达到60mm／s。

FPC补强板切割

正面（左） 反面（右）

PI厚度为100um的FPC补强板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，达到250 mm／s。

正面（左） 反面（右）

厚度为130um的FPC补强板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了40％，达到140 mm／s。

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