淺析PCB 板先進切割技術及切割精度控制
2017-1-13 來源：南京熊貓電子制造有限公司 作者：龍云
摘要：基于現有PCB拼板的切割問題，分析了傳統機械切割技術和先進激光切割技術的優勢和不足，并闡述了提高PCB 板切割精度的相應技術手段，對PCB 切割加工行業具有一定的參考價值。
關鍵詞：PCB 板；機械切割；激光切割；精度控制
0.引言
印制線路板，簡稱PCB 板，是各種電子產品的基本構成組件，用于實現電子元器件之間的電氣互連。近些年，國內外電子產品及電子加工行業趨向于小型化，甚至微型化發展，所使用的PCB 板的尺寸也越來越小，使得單一件或小批量PCB 加工很難滿足企業大批量生產加工工藝的要求。目前，為滿足生產加工工藝要求，通常是將多個規格相同的PCB 拼接成一個較大面積的大板，在統一完成生產加工后再進行分割處理，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加工的關鍵工序，而切割質量及精度的好壞直接關系到是否會對PCB 造成損傷和破壞，最終導致PCB 板報廢。
1.PCB 板切割技術
1.1 PCB板機械切割
傳統的PCB 切割技術，通常是利用高壓水或機械刀具等接觸式方法對大板進行切割，切割過程中，大板將承受一定的切削力，導致夾具施加的夾緊力增加，容易損壞板內的微小電路。此外，切割機床通常由人工操作、對刀等，使得切割精度和切割效率很難保證，導致PCB 板切割廢品率增加。以目前常用的PCB板V割機為例，其通過上下圓刀進行雙面切割，可以實現快速切割，形成V型割口，如圖1所示。
然而，V割機刀具的路徑受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重損壞。
1.2 PCB 板激光切割技術
隨著電子技術的不斷發展，多種結構復雜且加工精密的PCB 產品，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、剛撓結合板等在市場上的份額越來越大，這些新型PCB 產品出現給傳統機械加工工藝及精度帶來了很大的困難和挑戰。
激光加工作為一種非接觸式加工方法，與傳統的機械加工相比，具有加工精度高、加工速度快、成本低等優點，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記點，并將該檢測數據與存儲的標準文件數據進行對比，計算出基板的位置和偏角，然后利用計算值對CAD文件數據進行修正。在基板定位完成后，利用控制軟件將已修正的CAD加工數據和控制指令發送到激光控制卡，一路指令分配到振鏡控制系統，經16 位D/A轉換后用于控制振鏡的運動，另一路指令分配到伺服系統，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，用于控制激光器開關機激光能量，從而實現對PCB 基板的切割加工。
與傳統的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技術輔助PCB V切割定位
目前，國內外均在積極開發集成了機器視覺技術的PCB 板切割機床，以相對先進的PCB 板V 割機為例，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的定位標志，并與CAD文件中的原始數據信息對比，進而根據PCB 板的傾斜角度及時調整上下切割圓刀的角度，從而進行高精度切割。采用機器視覺技術輔助PCB 切割定位時，涉及兩個非常關鍵的問題，即高清圖像的采集和定位標記的識別。由于CCD攝像機分辨率的限制，常用的CCD 拍攝的圖像對應的實際面積僅為100mm2左右，遠小于實際待切割PCB 板的尺寸，因此需要多次移動工作臺或攝像機進行分區拍攝，并將本次圖像與上一幅相鄰圖像進行拼接，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CCD拍攝圖像面積將整個工作臺劃分為若干區域，每拍攝完一個區域后繼續移動到相鄰區域拍攝，為了避免拍攝過程中漏拍PCB板的部分區域，一方面要求機械傳動裝置的控制精準性較高，另一方面，需要人為控制CCD在本次區域的拍攝視場與在相鄰區域的視場有小尺寸的交叉和重疊，獲取的圖像經軟件處理，剔除兩個像素中的重疊部分，從而獲得組合的連續圖像。對于定位標記的識別，通常先以無缺陷PCB 定位標志為藍本拍攝標準模板圖像，經一系列處理后存儲在模板庫中作為識別基準。然后通過相關的函數關系，將拍攝的PCB 的二次圖像的可能區域與基準模板進行對比和匹配，待所有的位置都對比完畢后，差別最小的區域即被判定為定位標記的位置。
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對厚板的快速切割。另外，對于柔性基板FPC其切割時要求嚴格按照指定的位置和線路。因此，在對一些特殊PCB 板進行激光切割前，需要對基板進行精準的定位。目前，通常是借助高清CCD 技術和精準的機械控制，來定位基板上的定位孔坐標，從而實現精準定位和切割。
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不同，會引起PCB 板的形變，不利于切割定位，甚至可能導致整個PCB 板報廢。在實際定位操作中，需要進行一定的漲縮系數補償。例如，廣東正業科技的愛思達UV 激光切割技術，其在切割軟件中引入角度偏差和漲縮比閾值的概念，對實際定位點進行計算，一旦計算結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，從而在基板發生熱形變時，也能保證其定位切割的精準性。另外，高功率激光束切割會存在一定的熱影響區，一旦激光能量控制不當或停留時間長，都會引起切割邊緣的吸熱碳化現象，影響切割質量。通常，采用UV紫外激光替代常規的CO2激光器，可以改善激光的聚焦性能，減少熱影響區，同時還需要根據不同的切割材料，設置合理的切割參數，如切割速度、激光功率、激光延時等，通過電機、振鏡及激光參數的精確協調控制，以最大程度上降低PCB 板切割邊緣的碳化。
3.結束語
PCB板是實現集成電路和電子組件中元器件互聯的基礎平臺，其產品微型化、復雜化和多樣化的發展趨勢，給傳統的生產工藝和機械切割技術帶來了很大的困難。因此，開發先進的PCB 板切割技術，有利于提高制板的精度和效率，實現微型化PCB 板大批量生產，減少基板和模具的損壞，并對PCB 行業向高密度和高精密方向的快速發展具有重要意義。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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