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浅析PCB 板先进切割技术及切割精度控制
2017-1-13  来源:南京熊猫电子制造有限公司  作者:龙云

      摘要:基于现有PCB拼板的切割问题,分析了传统机械切割技术和先进激光切割技术的优势和不足,并阐述了提高PCB 板切割精度的相应技术手段,对PCB 切割加工行业具有一定的参考价值。

      关键词:PCB 板;机械切割;激光切割;精度控制

      0.引言

      印制线路板,简称PCB 板,是各种电子产品的基本构成组件,用于实现电子元器件之间的电气互连。近些年,国内外电子产品及电子加工行业趋向于小型化,甚至微型化发展,所使用的PCB 板的尺寸也越来越小,使得单一件或小批量PCB 加工很难满足企业大批量生产加工工艺的要求。目前,为满足生产加工工艺要求,通常是将多个规格相同的PCB 拼接成一个较大面积的大板,在统一完成生产加工后再进行分割处理,以提高PCB 加工效率和安装的便利性。因此,PCB大板分割成为其生产加工的关键工序,而切割质量及精度的好坏直接关系到是否会对PCB 造成损伤和破坏,最终导致PCB 板报废。

      1.PCB 板切割技术

      1.1 PCB板机械切割

      传统的PCB 切割技术,通常是利用高压水或机械刀具等接触式方法对大板进行切割,切割过程中,大板将承受一定的切削力,导致夹具施加的夹紧力增加,容易损坏板内的微小电路。此外,切割机床通常由人工操作、对刀等,使得切割精度和切割效率很难保证,导致PCB 板切割废品率增加。以目前常用的PCB板V割机为例,其通过上下圆刀进行双面切割,可以实现快速切割,形成V型割口,如图1所示。

      然而,V割机刀具的路径受PCB 板尺寸限制较大。同时,由于PCB 板拼接时布线和排布非常紧密,而且是采用上下圆刀的双面切割方式,对定位精度要求较高,一旦上下切割的路径未严格对齐或者切割控制不合理,都会对PCB 板和切割刀头造成严重损坏。

      1.2 PCB 板激光切割技术

      随着电子技术的不断发展,多种结构复杂且加工精密的PCB 产品,如HDI/BUM基板、多层板等,以及多种新型板材制版,如柔性基板FPC、刚挠结合板等在市场上的份额越来越大,这些新型PCB 产品出现给传统机械加工工艺及精度带来了很大的困难和挑战。


      激光加工作为一种非接触式加工方法,与传统的机械加工相比,具有加工精度高、加工速度快、成本低等优点,近年来被越来越多的厂家用于新型PCB 板,尤其是柔性印刷电路板的切割和加工。其基本原理是,将PCB大板装夹在工作台上,利用高清线阵CCD摄像装置检测和识别基板上的定位标记点,并将该检测数据与存储的标准文件数据进行对比,计算出基板的位置和偏角,然后利用计算值对CAD文件数据进行修正。在基板定位完成后,利用控制软件将已修正的CAD加工数据和控制指令发送到激光控制卡,一路指令分配到振镜控制系统,经16 位D/A转换后用于控制振镜的运动,另一路指令分配到伺服系统,控制工作台的运动位置、轨迹及速度,第三路则分配到激光器控制系统,用于控制激光器开关机激光能量,从而实现对PCB 基板的切割加工。

      与传统的PCB板V 割相比,激光切割的控深精度不受板材厚度和硬度的影响,可以一次性实现薄板单面V割的精确加工。此外,激光加工对PCB 板外形尺寸精度的影响较小,通常不需要机械加工的双面V割,可以单面直接加工,且无需精度补偿。

      2.PCB 切割精度控制方法

      2.1 CCD技术辅助PCB V切割定位

      目前,国内外均在积极开发集成了机器视觉技术的PCB 板切割机床,以相对先进的PCB 板V 割机为例,其采用高分辨CCD 探头采集待切割的PCB板的图像,然后通过软件算法自动检测和识别PCB的定位标志,并与CAD文件中的原始数据信息对比,进而根据PCB 板的倾斜角度及时调整上下切割圆刀的角度,从而进行高精度切割。采用机器视觉技术辅助PCB 切割定位时,涉及两个非常关键的问题,即高清图像的采集和定位标记的识别。由于CCD摄像机分辨率的限制,常用的CCD 拍摄的图像对应的实际面积仅为100mm2左右,远小于实际待切割PCB 板的尺寸,因此需要多次移动工作台或摄像机进行分区拍摄,并将本次图像与上一幅相邻图像进行拼接,从而获得一个完整的高分辨PCB 图像。在实际拍摄过程中,需要先根据CCD拍摄图像面积将整个工作台划分为若干区域,每拍摄完一个区域后继续移动到相邻区域拍摄,为了避免拍摄过程中漏拍PCB板的部分区域,一方面要求机械传动装置的控制精准性较高,另一方面,需要人为控制CCD在本次区域的拍摄视场与在相邻区域的视场有小尺寸的交叉和重叠,获取的图像经软件处理,剔除两个像素中的重叠部分,从而获得组合的连续图像。对于定位标记的识别,通常先以无缺陷PCB 定位标志为蓝本拍摄标准模板图像,经一系列处理后存储在模板库中作为识别基准。然后通过相关的函数关系,将拍摄的PCB 的二次图像的可能区域与基准模板进行对比和匹配,待所有的位置都对比完毕后,差别最小的区域即被判定为定位标记的位置。

      2.2 PCB板激光切割中的精度控制

      对于特别厚的PCB 产品,如PTFE 板料,在激光切割时会超出激光的焦距范围,单面加工难以满足要求,此时可以利用激光双面切割来实现对厚板的快速切割。另外,对于柔性基板FPC其切割时要求严格按照指定的位置和线路。因此,在对一些特殊PCB 板进行激光切割前,需要对基板进行精准的定位。目前,通常是借助高清CCD 技术和精准的机械控制,来定位基板上的定位孔坐标,从而实现精准定位和切割。

      此外,激光切割过程中高功率的激光束照射到PCB 板上,部分能量会被材料吸收,由于不同材料的热膨胀系数不同,会引起PCB 板的形变,不利于切割定位,甚至可能导致整个PCB 板报废。在实际定位操作中,需要进行一定的涨缩系数补偿。例如,广东正业科技的爱思达UV 激光切割技术,其在切割软件中引入角度偏差和涨缩比阈值的概念,对实际定位点进行计算,一旦计算结果大于角度偏差或者超过涨缩比阈值时,软件自动提示本次定位失败,从而在基板发生热形变时,也能保证其定位切割的精准性。另外,高功率激光束切割会存在一定的热影响区,一旦激光能量控制不当或停留时间长,都会引起切割边缘的吸热碳化现象,影响切割质量。通常,采用UV紫外激光替代常规的CO2激光器,可以改善激光的聚焦性能,减少热影响区,同时还需要根据不同的切割材料,设置合理的切割参数,如切割速度、激光功率、激光延时等,通过电机、振镜及激光参数的精确协调控制,以最大程度上降低PCB 板切割边缘的碳化。

      3.结束语

      PCB板是实现集成电路和电子组件中元器件互联的基础平台,其产品微型化、复杂化和多样化的发展趋势,给传统的生产工艺和机械切割技术带来了很大的困难。因此,开发先进的PCB 板切割技术,有利于提高制板的精度和效率,实现微型化PCB 板大批量生产,减少基板和模具的损坏,并对PCB 行业向高密度和高精密方向的快速发展具有重要意义。
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