【導讀】2019年，激光加工市場規模增速進一步放緩，部分應用市場的成熟與紅海競爭，也讓相關企業面臨經營壓力增大、業績下滑的困境，2020年的新冠肺炎疫情更是給激光企業的發展蒙上陰影。
2019年，激光加工市場規模增速進一步放緩，部分應用市場的成熟與紅海競爭，也讓相關企業面臨經營壓力增大、業績下滑的困境，2020年的新冠肺炎疫情更是給激光企業的發展蒙上陰影。而在這樣的環境下，OFweek激光網發現與PCB加工相關的激光市場卻仍保持增長，在部分上市公司披露的數據中，PCB業務的訂單成了支撐業績增長的主要動力。PCB市場的發展情況如何？又為何能為激光企業帶來巨大的增長動能呢？
PCB、FPC產業快速發展 市場增量巨大
PCB是印刷電路板（Printed Circuit Board）的簡稱，是電子工業的重要部件之一，幾乎用于所有的電子產品，主要作用是實現各個元件之間的電氣互連。PCB由絕緣底板、連接導線和裝配焊接電子元件的焊盤組成，具有導電線路和絕緣底板的雙重作用。其制造品質可直接影響電子產品的可靠性，是當今電子信息產品制造的基礎產業，也是目前全球電子元件細分產業中產值最大的產業。
PCB的應用市場十分廣泛，包括消費電子、汽車電子、通信、醫療、軍工、航天等。目前消費電子和汽車電子發展快速，成了PCB應用的主要領域。長期以來，全球PCB產值主要集中在北美、歐洲及日本等地區，2000年后PCB產業重心開始向亞洲地區轉移，尤以中國市場為最。2009年，中國大陸PCB產業產值約占全球的1/3，到2017年已達50.5％，占據全球PCB產值的半壁江山。
數據來源：Prismark、OFweek產業研究院
2019年，受貿易摩擦、終端需求下降和匯率貶值等影響，全球PCB產值略有下降，但中國市場受益于5G、大數據、云計算、人工智能、物聯網等行業快速發展，成為2019年唯一成長的地區。Prismark數據顯示，2019年中國PCB市場規模約329億美元，占全球的53.7％。
而在消費電子的PCB應用中，FPC的發展速度最快，占PCB市場的比重不斷提升。FPC 是柔性印刷線路板（Flexible Printed Circuit）的簡稱，是以聚酰亞胺（Polyimide，PI，工業界又稱之為PI 覆蓋膜）或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板，具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點。在當下移動電子產品智能化，輕薄化的趨勢下，FPC憑借密度高、重量輕、厚度薄、耐彎曲、結構靈活、耐高溫等優勢被廣泛運用，并成為目前滿足電子產品小型化和移動要求的惟一解決方法。
快速發展的PCB市場培育了巨大的衍生市場。隨著激光技術的發展，激光加工逐漸取代傳統的模切工藝，成了PCB產業鏈的重要一環。因此在激光市場整體增速放緩的背景下，與PCB相關的業務依然能夠保持較高增長。
激光在PCB、FPC加工的優勢
激光在PCB上的應用主要包括切割、鉆孔、打標等，尤以切割為主。與傳統的模切工藝相比，激光切割屬于無接觸加工，無需價格昂貴的模具，生產成本大大降低；此外，傳統工藝難以解決邊緣有毛刺、粉塵、應力、無法加工曲線等一系列的問題，而激光在聚焦后光斑僅有十幾微米，能夠滿足高精度切割和鉆孔的加工需求，解決了傳統工藝中遺留的一系列問題。這一優勢正迎合電路設計精密化的發展趨勢，是PCB、FPC、PI 膜切割的理想工具。
實際上，PCB激光切割技術在PCB行業中的應用起步較早，但早期采用CO2激光切割，熱影響較大，效率較低，一直未能獲得較好的發展，只在一些特殊領域（如科研、軍工等）有所運用。隨著激光技術發展，能在PCB行業應用的光源越來越多，也為實現激光切割PCB的工業化應用找到了突破口。
當前用在FPC、PI 膜切割的激光器主要為納秒級固體紫外激光器，其波長一般為355nm。相對于1064nm 紅外和532nm 綠光，355nm 紫外有更高的單光子能量，材料吸收率更高，產生的熱影響更小，實現更高的加工精度。
從原理來看，脈沖激光切割材料可分為兩種情況：一種是光化學原理，利用激光單光子能量達到或超過材料化學鍵鍵能，打斷材料某些化學鍵來實現切割；另一種是光物理原理，當激光單光子能量低于材料化學鍵鍵能時，依靠聚焦光斑處非常高的能量密度，超過材料的氣化閾值，從而瞬間氣化材料，實現材料的切割。但實際在用紫外激光切割FPC或PI膜時，光化學和光物理切割原理同時存在。
下面以PI 膜為例講解兩種加工原理。常態下的C－C 鍵和C－N 鍵的鍵能分別為3.45eV 和3.17eV，而355nm 紫外激光的單光子能量為3.49eV，高于常態下C－C 鍵和C－N 鍵的鍵能，可直接破壞材料的化學鍵。（參考文獻：張菲， 段軍， 曾曉雁， 等． 355nm 紫外激光加工柔性線路板盲孔的研究[J]. 中國激光, 2009, 36(12):3143-3148.）
在光物理效應中，會有熱量的產生和積累，材料溫度不斷上升。當 PI 材料溫度高于600℃時，相對于C元素，N和O兩種元素的比例會不斷減小，最終材料中主要以C 元素為主，即材料發生碳化。材料吸收激光能量轉化為熱能的擴散距離公式 L＝[4Dt]^1/2，其中D為材料熱擴散率，t為激光脈寬。（參考文獻：張鵬， 遲偉東， 沈曾民． 高溫炭化對聚酰亞胺（PI） 薄膜結構與性能的影響[J].炭素技術, 2008, 27(6):10-12.）
由此可知，當材料一定時，激光脈寬越大，激光產生的熱能在材料上的擴散距離越大，對材料的熱損傷越大。因此脈寬越窄，加工效果越好。
20W／25W納秒紫外激光器：更高功率，更優效果
前文提到，我國PCB產業受益于5G、大數據等新興產業而快速發展，新產業、新技術的出現也對FPC、PI膜切割行業提出更高的要求。為了實現更少碳化和更快效率，激光器企業也在不斷進行技術革新，不斷探索更高頻率、更窄脈寬、更高功率。
據了解，英諾激光于2019年在舊款AWAVE系列15W＠50KHz納秒紫外激光器的基礎上，推出了新一代高頻短脈寬納秒紫外激光器FORMULA系列15W＠50KHz，并于今年初將最高功率提升至25W，最高單脈沖能量超過500uJ。
圖片來源：英諾激光
英諾激光的技術人員向OFweek激光網介紹說：“在推出FORMULA系列15W＠50KHz之后，加工效果和效率比傳統的AWAVE 15W ＠50KHZ有了很大改善，但對于很多應用，效率還是不夠。現在新款激光器將功率提升至20W／25W，最高單脈沖能量也超過500uJ，這大大提高了很多材料的切割效率，使很多種材料的量產變的可能。”
新款高頻短脈寬納秒紫外激光器能給PCB加工帶來怎樣的改變呢？以下展示部分加工案例（以下圖片由英諾激光提供）：
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）
在厚度為150um金手指切割對比中可見，與傳統AWAVE系列激光器相比，FORMULA系列激光器的切割效果明顯改善，切割效率也實現了100％的提升。
銅箔鉆孔
正面（左） 反面（右）
在厚度為100um的銅箔上鉆孔，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，達到250 mm／s。
PCB切割
正面未擦拭（左） 反面未擦拭（右）
厚度為400um的PCB切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了50％，達到60mm／s。
FPC補強板切割
正面（左） 反面（右）
PI厚度為100um的FPC補強板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了60％，達到250 mm／s。
正面（左） 反面（右）
厚度為130um的FPC補強板切割，20W FORMULA系列激光器的效率比15W提升了40％，達到140 mm／s。
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