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淺析PCB 板先進(jìn)切割技術(shù)及切割精度控制
2017-1-13  來(lái)源:南京熊貓電子制造有限公司  作者:龍?jiān)?/DIV>

      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

      0.引言

      印制線(xiàn)路板,簡(jiǎn)稱(chēng)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(mǎn)足企業(yè)大批量生產(chǎn)加工工藝的要求。目前,為滿(mǎn)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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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