淺析PCB板先進(jìn)切割技術(shù)及切割精度控制

摘 要：基于現(xiàn)有PCB拼板的切割問(wèn)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(shì)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(duì)PCB切割加工行業(yè)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PCB板；機(jī)械切割；激光切割；精度控制

引言

印制線路板，簡(jiǎn)稱PCB板，是各種電子產(chǎn)品的基本構(gòu)成組件，用于實(shí)現(xiàn)電子元器件之間的電氣互連。近些年，國(guó)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(lái)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(gè)規(guī)格相同的PCB拼接成一個(gè)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(huì)對(duì)PCB造成損傷和破壞，最終導(dǎo)致PCB板報(bào)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(duì)大板進(jìn)行切割，切割過(guò)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(duì)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(guò)上下圓刀進(jìn)行雙面切割，可以實(shí)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(shí)，由于PCB板拼接時(shí)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(duì)定位精度要求較高，一旦上下切割的路徑未嚴(yán)格對(duì)齊或者切割控制不合理，都會(huì)對(duì)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(chǎng)上的份額越來(lái)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(lái)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(diǎn)，近年來(lái)被越來(lái)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(tái)上，利用高清線陣CCD攝像裝置檢測(cè)和識(shí)別基板上的定位標(biāo)記點(diǎn)，并將該檢測(cè)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出基板的位置和偏角，然后利用計(jì)算值對(duì)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(yùn)動(dòng)，另一路指令分配到伺服系統(tǒng)，控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(kāi)關(guān)機(jī)激光能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)薄板單面V割的精確加工。此外，激光加工對(duì)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(wú)需精度補(bǔ)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(guó)內(nèi)外均在積極開(kāi)發(fā)集成了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的PCB板切割機(jī)床，以相對(duì)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(guò)軟件算法自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別PCB的定位標(biāo)志，并與CAD文件中的原始數(shù)據(jù)信息對(duì)比，進(jìn)而根據(jù)PCB板的傾斜角度及時(shí)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(jué)技術(shù)輔助PCB切割定位時(shí)，涉及兩個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題，即高清圖像的采集和定位標(biāo)記的識(shí)別。由于CCD攝像機(jī)分辨率的限制，常用的CCD拍攝的圖像對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積僅為100mm2左右，遠(yuǎn)小于實(shí)際待切割PCB板的尺寸，因此需要多次移動(dòng)工作臺(tái)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(gè)完整的高分辨PCB圖像。在實(shí)際拍攝過(guò)程中，需要先根據(jù)CCD拍攝圖像面積將整個(gè)工作臺(tái)劃分為若干區(qū)域，每拍攝完一個(gè)區(qū)域后繼續(xù)移動(dòng)到相鄰區(qū)域拍攝，為了避免拍攝過(guò)程中漏拍PCB板的部分區(qū)域，一方面要求機(jī)械傳動(dòng)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(chǎng)與在相鄰區(qū)域的視場(chǎng)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(gè)像素中的重疊部分，從而獲得組合的連續(xù)圖像。

對(duì)于定位標(biāo)記的識(shí)別，通常先以無(wú)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(chǔ)在模板庫(kù)中作為識(shí)別基準(zhǔn)。然后通過(guò)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(duì)比和匹配，待所有的位置都對(duì)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(duì)于特別厚的PCB產(chǎn)品，如PTFE板料，在激光切割時(shí)會(huì)超出激光的焦距范圍，單面加工難以滿足要求，此時(shí)可以利用激光雙面切割來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)厚板的快速切割。另外，對(duì)于柔性基板FPC其切割時(shí)要求嚴(yán)格按照指定的位置和線路。因此，在對(duì)一些特殊PCB板進(jìn)行激光切割前，需要對(duì)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(lái)定位基板上的定位孔坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和切割。

此外，激光切割過(guò)程中高功率的激光束照射到PCB板上，部分能量會(huì)被材料吸收，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)引起PCB板的形變，不利于切割定位，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)PCB板報(bào)廢。在實(shí)際定位操作中，需要進(jìn)行一定的漲縮系數(shù)補(bǔ)償。例如，廣東正業(yè)科技的愛(ài)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(duì)實(shí)際定位點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，一旦計(jì)算結(jié)果大于角度偏差或者超過(guò)漲縮比閾值時(shí)，軟件自動(dòng)提示本次定位失敗，從而在基板發(fā)生熱形變時(shí)，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(huì)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(shí)間長(zhǎng)，都會(huì)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(shí)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(shí)等，通過(guò)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(yǔ)

PCB板是實(shí)現(xiàn)集成電路和電子組件中元器件互聯(lián)的基礎(chǔ)平臺(tái)，其產(chǎn)品微型化、復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，給傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和機(jī)械切割技術(shù)帶來(lái)了很大的困難。因此，開(kāi)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(shí)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(duì)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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