紫外激光切割機

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1、紫外激光切割機 紫外激光切割機 n撓性印刷電路板:是一種利用撓性基材制成的具有圖形的印刷電路板，其英文名稱為FlexiblePrintedCircuitBoard,簡稱FPCB或FPC,由絕緣基材和導電層構成，絕緣基材和導電層之間可以有粘結劑。 n由于其具有可連續(xù)自動化生產(chǎn)，配線密度高，重量輕、體積小，配線錯誤少，可撓性及可彈性改變形狀等特性，被廣泛應用于軍工、國防和消費性電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機、手表、筆記本電腦等領域。 FPC產(chǎn)業(yè)發(fā)展預測 n基于目前中國大陸FPC的廣闊市場，日本、美國、臺灣地區(qū)等大型FPC企業(yè)都已在中國大陸搶奪客戶，中國大陸地區(qū)大批FPC民營企業(yè)興起。預測2009年，

2、中國大陸FPC產(chǎn)業(yè)仍將高速度向前健康發(fā)展。 n未來幾年內(nèi)，中國大陸FPC產(chǎn)量產(chǎn)值將超過美國、歐洲、韓國、臺灣地區(qū)，接近日本，其中產(chǎn)量將占全球約20%的比重，成為世界最重要的生產(chǎn)基地。 n中國印制電路行業(yè)協(xié)會(CPCA)指出，中國大陸撓性板需求近年來呈高增長率56.5%發(fā)展，遠高于世界平均增長率的8。4%o自2001年以來中國大陸撓性板市場需求連續(xù)三年增幅達70%,美國約45%,占全球10%~20%。 nCPCA預測指出，2005年中國大陸FPC的產(chǎn)值達到135。94億元人民幣，比2004年的84o95億元人民幣增長65$左右，預期今后兒年市場增幅仍將保持在這個水平.市場需求主要來自于手機

3、、筆記本計算機、PDA、數(shù)碼相機、LCD顯示屏等高端、小型化電子產(chǎn)品領域，進而推動中國大陸PCB廠商開發(fā)更薄、更輕和密度更高的FPC,FPC在整個行業(yè)的比例也將越來越大. 激光切割FPC的特點與優(yōu)點 n激光在撓性電路板制造過程中有三個主要功能：FPC外型切割，覆蓋膜開窗，鉆孔等； n直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)用來激光切割，更方便快捷，可以大幅度縮短交貨周期； n采用高速振鏡掃描方式投射激光，不因形狀復雜、路徑曲折而增加加工難度； n進行覆蓋膜開窗口時?，采用矢量描述激光走行的路徑，切割出的覆蓋膜輪廓邊緣齊整圓順、光滑無毛刺、無溢膠。采用模具等機加工方式開窗難免在窗口附近會有沖型后的毛刺和溢膠

4、，這種毛刺和溢膠在經(jīng)貼合壓合上焊盤后是很難去除的，會直接影響其后的鍍層質(zhì)量。 n撓性板樣品加工經(jīng)常由于客戶需要出現(xiàn)線路、焊盤位置的修改而導致覆蓋膜窗口的變更，采用傳統(tǒng)方法則需要重新更換或修改模具。而采用激光加工,此問題卻可以迎刃而解，因為只需要你將修改后的CAD數(shù)據(jù)導入就可以很輕松快捷地加工得到你想要開窗圖形的覆蓋膜，在時間和費用上將為您贏得市場競爭先機。 n激光加工精度高，是撓性電路板成型處理的理想工具。經(jīng)聚焦后的激光可以將材料加工成任意形狀。 在以往的大批量生產(chǎn)中，許多小部件都使用機械硬沖壓成型的模具壓制形成。但是硬沖模法大的損耗和長的交付周期對小部件的加工和成型而言顯得不實用且成本

5、高. 激光器的選擇 n許多塑料和一些大量使用在撓性電路板基體材料中的特殊聚合物(如聚酰亞胺)不能通過紅外處理或〃熱〃處理過程進行精細加工。因為熱會使塑料變形，在切割邊緣產(chǎn)生炭化形式的損傷，可能會導致電路板結構性的削弱和寄生傳導性通路，從而不得不增加后續(xù)處理工序以改善加工結果。因此，紅外激光器不適合于撓性電路板的處理。 n紫外激光器的輸出波長在0.4mn以下，這是適合于處理聚合物材料的主要優(yōu)點。與紅外加工不同，紫外微處理過程從本質(zhì)上來說不是"熱〃處理過程。大多數(shù)材料吸收紫外光比紅外光更容易，高能量的紫外光直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵，這種”冷〃加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的

6、炭化影響。針對撓性電路板材料的特性，選擇DPSS紫外激光器作為光源。 本項目采用355nm的DPSS紫外激光器 主要參數(shù)如下 n激光波長：355nmn輸出功率：玄7Wn頻率：lOKHzTOOKHzn光束質(zhì)量(M2)：lo2,TEM00n脈寬：212nsn功率不穩(wěn)定度：W1% n輸出光斑：W1mm 外光路系統(tǒng) 外光路系統(tǒng)是將激光器輸出的激光反射聚焦到工件表面進行加工的部分.敢先激光網(wǎng),WWW。laser5。orgn首先利用一個10倍的擴束器對激光束進行整形，然后通過裝在高速振鏡頭內(nèi)的兩片全反射鏡將激光向工件反射并通過聚焦鏡聚焦后照射在撓性電路板表面，振鏡在計算機的控制下運動完成對撓性

7、電路板的成型加工。 n經(jīng)過振鏡鏡片反射到FPC表面的激光束并不都垂直于FPC,遠心掃描透鏡就是經(jīng)過特殊設計，為了使聚焦光束的主光線在任何視場角的情況下都垂直于焦平面，以保證振鏡在其掃描范圍內(nèi)切割時的切縫達到一致。 n聚焦光斑越小往往透鏡的掃描面積越小，將使切割的速度和加工效率降低;但是選擇大面積的遠心掃描透鏡則聚焦光斑將大大增加，除了影響切割質(zhì)量外，同時也會因功率密度的降低影響切割效率。綜合考慮后選擇掃描面積40X40mm的遠心掃描透鏡，其設計聚焦光斑值小于7Um. 計算機控制系統(tǒng) n切割系統(tǒng)工作方式概述 n激光切割系統(tǒng)根據(jù)切割中激光運動與否,分為定光式切割和動光式切割兩種，定光式激

8、光切割在工作過程中光路固定，依靠工作臺的運動實現(xiàn)對工件的切割加工。這種定光式切割系統(tǒng)的切割速度主要取決于工作臺的運動速度，而由于工作臺本身的運動速度限制,其加工速度不可能太高，而且由于機械運動的慣性始終存在，使得加工精度和加工速度這一對矛盾很難得到調(diào)和。適用于小批量、零散加工，以及對速度和效率要求不高的場合。 n動光式切割系統(tǒng)依靠受計?算機控制的兩個振鏡實現(xiàn)激光的高速掃描；通過可補償聚焦誤差的聚焦鏡將光束聚焦到工件表面，實現(xiàn)加工過程的自動化。振鏡偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激光掃描速度，相對于工作臺的移動速度快得多，所以這種方式的加工效率比定光式高得多，其應用前景遠大于定光式.縱然動光式激光切割雖然優(yōu)點很多，

9、由于振鏡加工幅面的限制使得單獨靠振鏡是不可能完成整個加工的，于是我們就考慮到使用振鏡和工作臺的聯(lián)合運動。將待加工對象分割成網(wǎng)格塊. n以每一個網(wǎng)格塊為單元切割加工，然后移動工作臺到下一個塊，依次逐塊進行加工從而完成整個零件的切割加工，因此必須處理好工作臺運動和振鏡運動之間以及激光開關延時的關系； n由于振鏡自身的畸變誤差（枕型和桶形畸變），以及加工過程中網(wǎng)格塊的變換，如何處理好各網(wǎng)格之間切分軌跡的無縫對接成為實現(xiàn)動光式激光切割中的關鍵技術。最后由于FPC生產(chǎn)工藝復雜，所用的材料容易產(chǎn)生變形，并且不同的部位由于材料不同，不僅導致局部區(qū)域切割次數(shù)不一樣，而且導致變形程度不一樣，因此對切割系統(tǒng)的

10、控制方式、材料變形的適應性以及切割精度，提出了很高的要求。綜上所述只有解決好了這些問題，才能最大限度地發(fā)揮動光式激光切割的優(yōu)點。 n本項目提出了一種動光式激光切割拼縫高精度的方法 1）首先補償桶形和振形畸變 2）然后區(qū)域系數(shù)的線性插值補償 3）最后任意四邊形的畸變校正，主要表現(xiàn)為梯形畸變 控制系統(tǒng)硬件組成 n本項目硬件部分主要由以下幾個部分組成：工業(yè)控制計算機、直線電機及驅(qū)動器、攝像機、工作臺、遠心透鏡、高速雙振鏡、運動控制卡、光源以及其他輔助裝置等. n運動控制器 n該運動控制器由DSP+FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算。該卡提供兩軸運動控制輸出，對于每個軸既可以輸出脈

11、沖量，也可以輸出模擬量.其中脈沖輸出用于控制伺服電機，模擬量輸出用于控制振鏡偏轉(zhuǎn)?？刂瓶ㄟ€為每軸提供正負限位信號和原點信號輸入，為每個軸提供16位的狀態(tài)寄存器,用戶可以隨意通過指令來獲取當前狀況下各軸的運行狀態(tài)，提供16位通用輸入和16位通用輸出I/O信號，另有兩路高速I/O口控制激光輸出的開啟、關閉。為了達到高速、高精度的切割，該卡還提供激光開關延時、空跳延時、標刻延時等。 直線電機 n進給速度范圍寬.可從lm/min到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min,而傳統(tǒng)機床快進速度60m/min,一般為20?30m/min.速度特性好。速度偏差可達0.01%以下。加速

12、度大。直線電機最大加速度可達30g,目前加工中心的進給加速度已達3。24g,激光加工機的進給加速度已達5g,而傳統(tǒng)機床進給加速度在1g以下，一般為0.3go n定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達0.001~0。002um。應用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化,可實現(xiàn)納米級控制。行程不受限制.傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般4%m,更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅(qū)動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心X軸長達40m以上. n結構簡單、運動平

13、穩(wěn)、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠. 直線電機參數(shù)： nX軸行程：304mmnY軸行程：400mmn加工速度：最大lOOOOmntminn定位精度：±0。OOlmmn重復精度：±0.001mmn切割系統(tǒng)軟件是該設備的核心，軟件管理硬件的工作程，處理用戶的輸入信息，以及反饋系統(tǒng)工作狀態(tài)信息. n系統(tǒng)軟件功能模塊分為以下幾個部分： nGerber文件解析模塊： 本系統(tǒng)主要應用在FPC行業(yè)，該行業(yè)在電路板設計過程中所使用的主要文件格式是Gerber文件，所以在切割時軟件一定要能識別Gerber文件，將其中與切割相關的重要信息提取出來。解析模塊的主要任務是要能識別文件的

14、層信息、實體信息。 n運動控制模塊 軟件系統(tǒng)需要提供的運動功能包括：工作臺回零運動（其中包括X,Y軸單獨回零或者X,Y同時回零）；機床坐標系下運動與振鏡坐標系下運動轉(zhuǎn)換;工作臺絕對坐標和相對坐標單段直線、圓弧軌跡運動；振鏡角度、坐標值運動；工作臺和振鏡多段軌跡連續(xù)運動等。 n系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊 各軸限位狀態(tài)，零點捕獲狀態(tài)，電機的使能狀態(tài)，伺服使能狀態(tài)，機床當前位置，激光開關狀態(tài)，攝像機狀態(tài)以及加工時間等. n激光控制模塊 主要包括激光能量控制模式，開關光，直接輸出能量大小、能量 nCCD定位模塊 主要完成標志點的自動定位和手動定位兩種方式，以及相機分辨率的標定，相機中心距離振鏡中

15、心距離的測量,變形矯正算法的實現(xiàn)等。 n系統(tǒng)補償與校正模塊 該模塊是項目的重點，由于振鏡加工產(chǎn)生誤差的因素很多，所以必須加以矯正才能滿足加工要求。 系統(tǒng)工作流程如圖 真空吸附裝置 n本吸盤裝置在加工過程中通過真空泵，由吸管4對托盤臺面進行吸氣，能在多孔陶瓷板上產(chǎn)生很強的吸附力，當把待加工的FPC工件放置在此真空吸盤上后，由于真空泵在多孔陶瓷板表面上產(chǎn)生的強大吸附力，能有效將FPC工件吸附在多孔陶瓷板敢先激光網(wǎng)，WWW.Iaser5.org 表面，對其起到了很好的固定作用，待加工的FPC工件無變形，表面平整度好，非常有利于紫外激光的切割加工；此外，由于此真空吸盤制作簡單，加工方便并且

16、成本低廉，非常適合FPC的紫外激光切割加工。 CCD精密定位 n采用CCD定位技術是本項目的乂一個新穎點。在精密元器件加工過程中，因受夾具的加工精度和安裝方式的限制，須人工不斷調(diào)整定位，這樣必然存在人工疏失、重復性差和效率低的問題.FFC由于板面不平整，普通裝夾方式基本不能滿足要求,所以在加工的時候一般直接采用將FPC板放置在工作臺上面采用CCD定位。FPC采用撓性材料作為基材，由于熱脹冷縮或其它原因，極易發(fā)生不均勻變形，這種不均勻變形對加工精度的影響非常嚴重； n傳統(tǒng)的CCD定位算法直接將被加工對象當作剛性物體來考慮，忽略了FPC的不均勻變形，如果按照傳統(tǒng)的CCD定位算法來加工，不僅精

17、度上不能滿足要求，甚至使切割出來的電路單元完全報廢以至無法使用，比如把導線切斷而造成該電路單元報廢等。因此傳統(tǒng)的CCD定位方式遠不能滿足實際生產(chǎn)需要. 因此為了實現(xiàn)FPC的高精度切割，需要找到一種快捷、準確、定位精度高的定位算法，而且該定位算法還必須考慮FPC的不均勻變形問題。 nCCD定位系統(tǒng)基本組成 nCCD定位系統(tǒng)由光源、鏡頭、攝像機、圖像處理單元、監(jiān)視器組成，其中CCD單元還留有接口與控制主機通信，最終達到控制運動執(zhí)行機構精確定位的目的。 定位和變形校正方法 n該項目以工件上的標記孔為基準，采用CCD攝像機為工具攝取圖像得到工件上標記孔的實際位置，通過和理論的標記孔位置進行比

18、較得到工件的實際變形，再經(jīng)射影變換實現(xiàn)工件的自動定位和加工指令的校正.在進行工件自動定位和工件加工變形校正的過程中，要在機床坐標系、攝像機坐標系等坐標系下進行變換，因此獲取標記孔幾何位置信息和建立變形校正關系成為該技術的關鍵技術。 該技術的實現(xiàn)主要涉及三個步驟， n第一步：建立系統(tǒng)中各坐標模型之間的關系； n第二步：獲取FPC板上標記孔的幾何和位置信息； n第三步:建立坐標的射影變換關系，實現(xiàn)從工件坐標系到機床坐標系的坐標轉(zhuǎn)換 切割工藝研究 n撓性線路板在切割時有多種情況需要考慮。有的需要切割部分僅僅是絕緣的聚酰亞胺基體，有的部分是基體加上一層銅，有的部分卻是基體+銅然后還加一層襯

19、底，而襯底材料有環(huán)氧樹脂板或不銹鋼。 n在紫外激光切割加工FPC的過程中，為了有效地減少激光“燒蝕"FPC材料時產(chǎn)生的熱效應而使切割邊沿碳化的現(xiàn)象，我們采取了一種特殊的加工工藝，即”高速多遍〃的加工辦法。所謂〃高速多遍”的加工方法，就是在加工過程中把振鏡的掃描切割的速度調(diào)整到一個比較高的速度（一般為80mm/s-160mm/s,視具體情況而定），在振鏡高速掃描的前提下，依據(jù)FPC各部分材料的特性和厚度，采用不同的切割遍數(shù)，以保證材料被完全切斷.切割遍數(shù)的設定原則以剛好切斷該部份材料而不進行多余的無用切割遍數(shù)為宜。 n通過大量加工實踐表明，采用此種激光切割加工工藝加工出來的FPC樣品下，切割

20、邊緣的碳化現(xiàn)象被有效地減少，同時作用在FPC上的激光切縫也很窄（約為30—40um）,這樣的話就能保證加工出來的FPC樣品的尺寸滿足加工要求，同時FPC的品質(zhì)也得到了有力的保障。 n綜上所述，采用上述紫外激光切割加工工藝加工出來的FPC,具有切縫細，切割面光滑、無毛刺，速度快，材料的變形小,保證產(chǎn)品不被劃傷，無需任何模具制造，同時還能節(jié)省材料，尤其適合于新產(chǎn)品的快速開發(fā);切割厚度可達1mm,切割結果精密，側(cè)壁陡直，綜合精度高，可達±20um以內(nèi)或更高的精度；加工圓孔不會出現(xiàn)伴隨熱效應產(chǎn)生分層現(xiàn)象，鉆孔速度快、質(zhì)量好，具有直接成型抗蝕、阻焊等材料的功能，特別適合精細圖案加工。 敢先激光網(wǎng)，W

21、WW。laser5oorg 綜合技術指標 n機器尺寸：1750mmX1350mmXl800mmn機器重量：2800KGn綜合精度：±20umn重復精度：2umn切割幅面：304mmX400mmn振鏡加工幅面： 40mmX40mmn激光器波長：355nmn激光器功率：不小于7Wn支持文件格式：標準Gerber文件，兼容DXF文件 n切割線寬：30umn切割厚度：1mm,可以切割6層板 n切割速度：200mm/sn環(huán)境溫度：20±1℃ n環(huán)境濕度：＜60% n地基震動：（5ummn激光機供應電源:AC220V 項目創(chuàng)新點 n將大于7W的紫外激光應用到撓性電路板的切割； n采用直線電機工作臺和振鏡聯(lián)合加工，成功解決了拼縫的精度問題，極大地提高了激光切割的精度和效率； n利用遠心掃描聚焦透鏡保證切割面邊緣的垂直度； n采用基于射影變換的定位和變形校正技術,成功地補償了由于FPC變形所帶來的加工誤差； n采用〃高速多遍”的加工工藝對FPC進行切割，對激光能量精細控制，使得加工出來的FPC板切縫窄,無炭化現(xiàn)象，有效的保證了產(chǎn)品的尺寸和品質(zhì)。 特別聲明: 1：資料來源于互聯(lián)網(wǎng),版權歸屬原作者 2：資料內(nèi)容屬于網(wǎng)絡意見,與本賬號立場無關 3：如有侵權，請告知,立即刪除.