激光打標技術(shù)在電路板組裝件上的應(yīng)用研究

楊 璐，程四化，孫亞芬，程 霄，曹 凱

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

在電子制造領(lǐng)域，印制電路板作為電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體，已成為全球性的產(chǎn)業(yè)，在電子互聯(lián)技術(shù)中占有重要地位。幾乎所有的高精密產(chǎn)品都離不開復(fù)雜的電路設(shè)計，而印制電路板就是貫穿整個產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的最初單元。

近年來，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展[1]，特別是自動化工廠的建立，產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性越來越受到重視，因其作為質(zhì)量管控的重要手段，起著質(zhì)量監(jiān)控與快速響應(yīng)的作用，也是連接產(chǎn)品-企業(yè)-客戶的紐帶。印制電路板的生產(chǎn)也是如此，條碼技術(shù)以高精度、高效率、容量大、追溯性強等特點，在印制電路板上的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。

1 激光打標技術(shù)

激光打標技術(shù)是用激光束在物質(zhì)表面打上永久的標記，目前打標方式有2種：熱加工與冷加工。熱加工指的是具有較高能量密度的激光束照射在材料上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從而使材料表面溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒灼、蒸發(fā)等現(xiàn)象而形成特定標記；常用光源有光纖、CO2等。冷加工指具有很高負荷能量的光子，能夠打斷材料或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學(xué)鍵，致使材料發(fā)生非熱過程破壞而形成特定標記；常用光源有紫外、綠光等。

印制電路板由于其特殊性，打標過程中不得損傷周圍元器件，而目前印制電路板的集成度非常高，因此，對激光光束的最小線寬及最小打標尺寸要求較高，同時要考慮不能產(chǎn)生熱效應(yīng)影響元器件，對比不同激光器的參數(shù)(見表1)可知，電路板組裝件激光打標應(yīng)首選冷光源：紫外、綠光。

表1 激光器類型參數(shù)對比表

2 條碼技術(shù)

條碼是由一組規(guī)則排列的條、空及其對應(yīng)字符組成的識別標記，由條碼符號和對應(yīng)字符(包括數(shù)字、字母及特殊或?qū)Ｓ米址?組成，用以表示一定的信息[2]。條形碼的研究最早始于美國，從一維碼的使用，到現(xiàn)在的類型幾十余種，條碼技術(shù)已發(fā)展十分成熟。條碼最常見的應(yīng)用領(lǐng)域為零售業(yè)、食品行業(yè)，但隨著信息化產(chǎn)業(yè)的延伸與滲透，越來越多的工業(yè)企業(yè)開始關(guān)注條碼在產(chǎn)品制造過程的監(jiān)控、跟蹤作用[3]。

條碼的種類很多，常見的大概有20多種，包括Code39碼、Codabar碼、Code25碼、ITF25碼、Matrix25碼、UPC-A碼、UPC-E碼、EAN-13碼、EAN-8碼、Code-B碼、MSI碼、Code11碼、Code93碼、Code128碼等一維碼和PDF417、QR Code、Data Matrix等二維碼[4]。一維碼雖然常用，但它的信息存儲量小，尺寸偏大。與一維碼相比，二維碼有著數(shù)據(jù)容量大、無字母數(shù)字限制、尺寸更小以及抗損毀能力強等優(yōu)點，對于高集成高密度的印制電路板，推薦使用二維碼打標更為合適。

3 印制電路板打標驗證

3.1 打標位置

印制電路板打標應(yīng)盡量打在板內(nèi)(非工藝邊)，隨板流轉(zhuǎn)，才可記載原件到出廠的各個環(huán)節(jié)。由于目前印制板電路的集成化、密集化，二維碼的打標要避開其他元器件，保障最小電氣距離，打標尺寸至少滿足2 mm×2 mm，且打一種印制板對應(yīng)一個固定的打標位置。

3.2 打標顏色

目前較好的做法是在板上絲印一塊區(qū)域作為固定打標位，為了驗證油墨顏色的影響，選取了4種與阻焊層對比度較高的顏色，并在印制板(材料為環(huán)氧玻璃布層壓板)上分別進行同一能量下的打標，打標效果如圖1所示。通過打標效果可以看出，綠色與黑色油墨對比度最高，且經(jīng)過電子顯微鏡觀察到綠色油墨打標碼壁粗糙度最低，因此推薦綠色的識別效果最佳。

a)白色絲印

3.3 參數(shù)調(diào)校

激光光束的能量、運動速度等因素決定著打標的深度、線型的粗細等，這些都會影響打標的效果。以某品牌PCB自動打標設(shè)備為例，打標時主要應(yīng)調(diào)整如下參數(shù)。

1)打標速率：越快，單點能量越低，一般設(shè)置為1 000或1 200 mm/s。

2)空跳速率：一般設(shè)置為1 500或2 000 mm/s。

3)Q頻：數(shù)值越大，能量越高。

4)電流：數(shù)值越大，能量越高，一般設(shè)置為23～25 A。

為達到最優(yōu)的打標效果，筆者以打標速率300 mm/s、空跳速度2 000 mm/s、Q頻70 kHz為定量，以電流大小與打標次數(shù)為變量，合理范圍內(nèi)調(diào)整了參數(shù)值，不同參數(shù)值對應(yīng)效果如圖2和圖3所示。

a)1次

a)1次

由圖2和圖3可以看出，圖2d能量已使覆銅層暴露，有電路連接風(fēng)險，相比之下圖2c打標效果最優(yōu)，但對比度低、不易識別；圖3d能量已使覆銅層暴露，圖3c的對比度高、打標效果最佳、識別率高，因此推薦電流25 A，進行4次打標效果最優(yōu)。

3.4 性能測試

打標后的印制電路板組裝件應(yīng)安裝在樣機上進行產(chǎn)品試驗，綜合評定產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、強度、絕緣、功能等指標滿足設(shè)計要求。樣機打標要求見表2。

表2 打標要求

4 激光打標技術(shù)在印制電路板上的應(yīng)用

二維碼在印制電路板上進行標識，與實物一一對應(yīng)，作為最原始數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息化系統(tǒng)中的基礎(chǔ)，主要作用表現(xiàn)如下。

4.1 生產(chǎn)過程監(jiān)控

在印制電路板組裝件生產(chǎn)過程中，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)建立健全的過程監(jiān)控系統(tǒng)，特別是在數(shù)字化工廠中，MES系統(tǒng)的應(yīng)用也以條碼為基礎(chǔ)單元。印制電路板組裝件的首道工序應(yīng)為激光打標，隨后進行的裝配如錫膏印刷、貼片、焊接、檢測等，每道工序中都會通過掃碼，記錄該板的生產(chǎn)情況。激光打碼技術(shù)替代了復(fù)雜、量大的人工填寫記錄，使這些工作能自動完成。

4.2 生產(chǎn)信息管理

印制電路板組裝件上的二維碼信息，不僅是產(chǎn)品的“身份證”，更包含了產(chǎn)品從零部件到成品的全過程信息，這些質(zhì)量數(shù)據(jù)直接影響到企業(yè)的決策和發(fā)展。許多企業(yè)目前生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息采集還是人工填寫、錄入、計算及匯總，帶來的問題就是數(shù)據(jù)的真實性、時效性及準確性存在隱患，人為操作總會帶來誤差；而進行打標后的產(chǎn)品，其物料信息、生產(chǎn)信息、操作人員信息、工藝信息、質(zhì)檢信息等都會以BOM表形式在MES系統(tǒng)中生成，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程上實現(xiàn)集成共享。

4.3 產(chǎn)品質(zhì)量追溯

質(zhì)量追溯是制造企業(yè)實現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)最重要的一個環(huán)節(jié)[5]，出現(xiàn)問題后快速響應(yīng)、準確定位、迅速解決是企業(yè)的核心競爭力之一，激光打標后的印制電路板組裝件，一旦發(fā)生問題，就可通過掃描上面的二維碼讀取該產(chǎn)品的制造信息，快速、直觀地掌握制造全過程，準確分析出關(guān)鍵質(zhì)量點，達到迅速解決的目的。

5 結(jié)語

本文通過對印制電路板組裝件激光打標技術(shù)的介紹，分析了在印制電路板組裝件上打標的最佳方式與參數(shù)調(diào)整，并進一步強調(diào)了激光打標技術(shù)在印制電路板組裝件生產(chǎn)過程中應(yīng)用的必要性，該項技術(shù)的研究與應(yīng)用，凸顯了印制電路板組裝件打標的重要作用，為印制電路板組裝件制造行業(yè)提供了可行的解決思路。