淺析PCB 板先進(jìn)切割技術(shù)及切割精度控制
2017-1-13 來源：南京熊貓電子制造有限公司 作者：龍云
摘要：基于現(xiàn)有PCB拼板的切割問題，分析了傳統(tǒng)機(jī)械切割技術(shù)和先進(jìn)激光切割技術(shù)的優(yōu)勢和不足，并闡述了提高PCB 板切割精度的相應(yīng)技術(shù)手段，對PCB 切割加工行業(yè)具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：PCB 板；機(jī)械切割；激光切割；精度控制
0.引言
印制線路板，簡稱PCB 板，是各種電子產(chǎn)品的基本構(gòu)成組件，用于實現(xiàn)電子元器件之間的電氣互連。近些年，國內(nèi)外電子產(chǎn)品及電子加工行業(yè)趨向于小型化，甚至微型化發(fā)展，所使用的PCB 板的尺寸也越來越小，使得單一件或小批量PCB 加工很難滿足企業(yè)大批量生產(chǎn)加工工藝的要求。目前，為滿足生產(chǎn)加工工藝要求，通常是將多個規(guī)格相同的PCB 拼接成一個較大面積的大板，在統(tǒng)一完成生產(chǎn)加工后再進(jìn)行分割處理，以提高PCB 加工效率和安裝的便利性。因此，PCB大板分割成為其生產(chǎn)加工的關(guān)鍵工序，而切割質(zhì)量及精度的好壞直接關(guān)系到是否會對PCB 造成損傷和破壞，最終導(dǎo)致PCB 板報廢。
1.PCB 板切割技術(shù)
1.1 PCB板機(jī)械切割
傳統(tǒng)的PCB 切割技術(shù)，通常是利用高壓水或機(jī)械刀具等接觸式方法對大板進(jìn)行切割，切割過程中，大板將承受一定的切削力，導(dǎo)致夾具施加的夾緊力增加，容易損壞板內(nèi)的微小電路。此外，切割機(jī)床通常由人工操作、對刀等，使得切割精度和切割效率很難保證，導(dǎo)致PCB 板切割廢品率增加。以目前常用的PCB板V割機(jī)為例，其通過上下圓刀進(jìn)行雙面切割，可以實現(xiàn)快速切割，形成V型割口，如圖1所示。
然而，V割機(jī)刀具的路徑受PCB 板尺寸限制較大。同時，由于PCB 板拼接時布線和排布非常緊密，而且是采用上下圓刀的雙面切割方式，對定位精度要求較高，一旦上下切割的路徑未嚴(yán)格對齊或者切割控制不合理，都會對PCB 板和切割刀頭造成嚴(yán)重?fù)p壞。
1.2 PCB 板激光切割技術(shù)
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精密的PCB 產(chǎn)品，如HDI/BUM基板、多層板等，以及多種新型板材制版，如柔性基板FPC、剛撓結(jié)合板等在市場上的份額越來越大，這些新型PCB 產(chǎn)品出現(xiàn)給傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝及精度帶來了很大的困難和挑戰(zhàn)。
激光加工作為一種非接觸式加工方法，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，具有加工精度高、加工速度快、成本低等優(yōu)點，近年來被越來越多的廠家用于新型PCB 板，尤其是柔性印刷電路板的切割和加工。其基本原理是，將PCB大板裝夾在工作臺上，利用高清線陣CCD攝像裝置檢測和識別基板上的定位標(biāo)記點，并將該檢測數(shù)據(jù)與存儲的標(biāo)準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算出基板的位置和偏角，然后利用計算值對CAD文件數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在基板定位完成后，利用控制軟件將已修正的CAD加工數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送到激光控制卡，一路指令分配到振鏡控制系統(tǒng)，經(jīng)16 位D/A轉(zhuǎn)換后用于控制振鏡的運動，另一路指令分配到伺服系統(tǒng)，控制工作臺的運動位置、軌跡及速度，第三路則分配到激光器控制系統(tǒng)，用于控制激光器開關(guān)機(jī)激光能量，從而實現(xiàn)對PCB 基板的切割加工。
與傳統(tǒng)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響，可以一次性實現(xiàn)薄板單面V割的精確加工。此外，激光加工對PCB 板外形尺寸精度的影響較小，通常不需要機(jī)械加工的雙面V割，可以單面直接加工，且無需精度補償。
2.PCB 切割精度控制方法
2.1 CCD技術(shù)輔助PCB V切割定位
目前，國內(nèi)外均在積極開發(fā)集成了機(jī)器視覺技術(shù)的PCB 板切割機(jī)床，以相對先進(jìn)的PCB 板V 割機(jī)為例，其采用高分辨CCD 探頭采集待切割的PCB板的圖像，然后通過軟件算法自動檢測和識別PCB的定位標(biāo)志，并與CAD文件中的原始數(shù)據(jù)信息對比，進(jìn)而根據(jù)PCB 板的傾斜角度及時調(diào)整上下切割圓刀的角度，從而進(jìn)行高精度切割。采用機(jī)器視覺技術(shù)輔助PCB 切割定位時，涉及兩個非常關(guān)鍵的問題，即高清圖像的采集和定位標(biāo)記的識別。由于CCD攝像機(jī)分辨率的限制，常用的CCD 拍攝的圖像對應(yīng)的實際面積僅為100mm2左右，遠(yuǎn)小于實際待切割PCB 板的尺寸，因此需要多次移動工作臺或攝像機(jī)進(jìn)行分區(qū)拍攝，并將本次圖像與上一幅相鄰圖像進(jìn)行拼接，從而獲得一個完整的高分辨PCB 圖像。在實際拍攝過程中，需要先根據(jù)CCD拍攝圖像面積將整個工作臺劃分為若干區(qū)域，每拍攝完一個區(qū)域后繼續(xù)移動到相鄰區(qū)域拍攝，為了避免拍攝過程中漏拍PCB板的部分區(qū)域，一方面要求機(jī)械傳動裝置的控制精準(zhǔn)性較高，另一方面，需要人為控制CCD在本次區(qū)域的拍攝視場與在相鄰區(qū)域的視場有小尺寸的交叉和重疊，獲取的圖像經(jīng)軟件處理，剔除兩個像素中的重疊部分，從而獲得組合的連續(xù)圖像。對于定位標(biāo)記的識別，通常先以無缺陷PCB 定位標(biāo)志為藍(lán)本拍攝標(biāo)準(zhǔn)模板圖像，經(jīng)一系列處理后存儲在模板庫中作為識別基準(zhǔn)。然后通過相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，將拍攝的PCB 的二次圖像的可能區(qū)域與基準(zhǔn)模板進(jìn)行對比和匹配，待所有的位置都對比完畢后，差別最小的區(qū)域即被判定為定位標(biāo)記的位置。
2.2 PCB板激光切割中的精度控制
對于特別厚的PCB 產(chǎn)品，如PTFE 板料，在激光切割時會超出激光的焦距范圍，單面加工難以滿足要求，此時可以利用激光雙面切割來實現(xiàn)對厚板的快速切割。另外，對于柔性基板FPC其切割時要求嚴(yán)格按照指定的位置和線路。因此，在對一些特殊PCB 板進(jìn)行激光切割前，需要對基板進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。目前，通常是借助高清CCD 技術(shù)和精準(zhǔn)的機(jī)械控制，來定位基板上的定位孔坐標(biāo)，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和切割。
此外，激光切割過程中高功率的激光束照射到PCB 板上，部分能量會被材料吸收，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，會引起PCB 板的形變，不利于切割定位，甚至可能導(dǎo)致整個PCB 板報廢。在實際定位操作中，需要進(jìn)行一定的漲縮系數(shù)補償。例如，廣東正業(yè)科技的愛思達(dá)UV 激光切割技術(shù)，其在切割軟件中引入角度偏差和漲縮比閾值的概念，對實際定位點進(jìn)行計算，一旦計算結(jié)果大于角度偏差或者超過漲縮比閾值時，軟件自動提示本次定位失敗，從而在基板發(fā)生熱形變時，也能保證其定位切割的精準(zhǔn)性。另外，高功率激光束切割會存在一定的熱影響區(qū)，一旦激光能量控制不當(dāng)或停留時間長，都會引起切割邊緣的吸熱碳化現(xiàn)象，影響切割質(zhì)量。通常，采用UV紫外激光替代常規(guī)的CO2激光器，可以改善激光的聚焦性能，減少熱影響區(qū)，同時還需要根據(jù)不同的切割材料，設(shè)置合理的切割參數(shù)，如切割速度、激光功率、激光延時等，通過電機(jī)、振鏡及激光參數(shù)的精確協(xié)調(diào)控制，以最大程度上降低PCB 板切割邊緣的碳化。
3.結(jié)束語
PCB板是實現(xiàn)集成電路和電子組件中元器件互聯(lián)的基礎(chǔ)平臺，其產(chǎn)品微型化、復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展趨勢，給傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和機(jī)械切割技術(shù)帶來了很大的困難。因此，開發(fā)先進(jìn)的PCB 板切割技術(shù)，有利于提高制板的精度和效率，實現(xiàn)微型化PCB 板大批量生產(chǎn)，減少基板和模具的損壞，并對PCB 行業(yè)向高密度和高精密方向的快速發(fā)展具有重要意義。
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