作者簡(jiǎn)介：

吳軍權(quán)：大學(xué)本科畢業(yè)，現(xiàn)任金百澤技術(shù)中心研發(fā)部工程師。

摘要：

隨著PCB產(chǎn)品趨于短小輕薄和組裝結(jié)構(gòu)多樣化，不少PCB廠商引入了激光制造工藝以應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的精密加工。二氧化碳激光常用于PCB的微盲孔加工和薄板切割加工，實(shí)際上還可用于開發(fā)多種材料的精密加工。本課題通過研究激光的線面加工原理及多種板材的激光加工效果，從而提出了PTFE板料激光切割、激光控深銑槽等新型激光加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光線面加工  PTFE板料激光切割  激光控深銑槽

Abstract:

As the PCB product tending to be short, thin and assembly structures with diversified, many PCB manufacturers introduce laser precision machining to deal with the complex structure product. Carbon dioxide laser is used in micro-blind hole machining and sheet cutting. In fact, it can also be used in a variety of materials developing precision machining. By studying the laser line and surface processing principle and the effect of various laser processing, we proposed new laser machining technology such as PTFE material laser cutting, laser depth control milling groove technology and so on.

Key words：Laser Line And Surface Machining; PTFE Material Laser Cutting; Laser Depth Control Milling Groove

1  前言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精密的PCB產(chǎn)品。新產(chǎn)品對(duì)加工精度的要求在提升，對(duì)產(chǎn)品外觀的要求也變得嚴(yán)格，而且還有了采用新型板材制板的需求，這使得傳統(tǒng)的機(jī)械加工變得難以滿足如此新穎的市場(chǎng)需求。由于激光加工具有優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工的精密加工性、高速加工性、低成本加工性，越來越多的廠商開始引入激光設(shè)備開發(fā)新的制板工藝來應(yīng)對(duì)此狀況。為了更好地開發(fā)二氧化碳激光加工技術(shù)，我們先對(duì)二氧化碳激光可能的加工模式進(jìn)行分析。

       2  二氧化碳激光的加工模式分析

用于PCB加工的二氧化碳激光通常為波長(zhǎng)10.6um的高功率脈沖整形激光，對(duì)非金屬材料具有極強(qiáng)的加工能力。目前常用的二氧化碳激光加工技術(shù)有微盲孔加工、軟板PI切割以及激光打標(biāo)等，如下圖1和圖2所示。

圖1 激光加工微盲孔                            圖2  激光加工PI覆蓋膜

可見目前的二氧化碳激光加工特點(diǎn)在于點(diǎn)加工和簡(jiǎn)單的薄板線加工，這不禁讓我們開始思考二氧化碳激光是否具有其它加工模式。如何進(jìn)一步拓展其應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)及線的線加工方式，以及由點(diǎn)及面的面加工方式，已成為業(yè)界同行共同思考的話題。

2.1  二氧化碳激光線加工原理及分析

二氧化碳激光線加工，其實(shí)質(zhì)是由點(diǎn)連成線的點(diǎn)陣式加工。當(dāng)連成線的相鄰光點(diǎn)間距足夠小的時(shí)候，激光將呈現(xiàn)出平滑的線加工效果，沿線方向激光線加工的效果如下圖3所示。

圖3 沿線方向激光線加工效果

此外激光的加工焦距有一定的范圍，激光加工能量會(huì)隨加工深度增加而衰減，加工本質(zhì)類似于V-CUT外形。但由于激光光束徑很小，加工出來的開口很小，通常被認(rèn)為具有平直切割的效果，而截面的線加工效果如下圖4所示。

圖4 激光線加工截面效果

2.2  二氧化碳激光面加工原理及分析

激光面加工涉及三個(gè)維度，加工時(shí)以點(diǎn)陣圖形確定加工面的兩個(gè)維度，以激光能量確定加工深度一個(gè)維度。點(diǎn)陣圖的設(shè)計(jì)根據(jù)光束徑尺寸進(jìn)行間距計(jì)算，鋪滿整個(gè)加工面，可滿足激光在各種深度下加工出均勻的平面，如下圖5所示。

圖5 激光面加工點(diǎn)陣圖模型                   圖6  激光面加工截面示意圖

       以點(diǎn)陣方式進(jìn)行面加工，加工面的底部會(huì)存在微坑，但只要激光能量調(diào)整適當(dāng)，可使得加工深度的可控性不受微坑影響，而且從宏觀看加工面幾乎是平整的，其加工示意圖如上圖6所示。

3  二氧化碳激光線面加工模式應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)

3.1  二氧化碳激光線加工應(yīng)用研究

3.1.1  PCB材料的激光線加工效果分析

二氧化碳激光通常用于加工非金屬材料，非金屬材料對(duì)二氧化碳激光的能量吸收率較高，因此我們將對(duì)環(huán)氧樹脂+玻纖、PTFE+玻纖及陶瓷填料+玻纖這幾類常用的基材進(jìn)行激光加工效果分析，以研究其激光加工的外觀品質(zhì)及加工可控程度。我們圍繞三個(gè)方面對(duì)多種板材的激光線加工效果進(jìn)行考察。第一方面是激光加工效率，以同參數(shù)下的加工深度比值來表示；第二個(gè)方面是加工均勻性，以加工的最大偏差值來表示；第三方面是外觀品質(zhì)，觀察加工后的產(chǎn)品外觀是否嚴(yán)重碳化。材料的激光線加工效果如下表1所示。

表1  幾種材料的激光線加工效果

由上述的激光線加工效果可知，加工效率方面PTFE+玻纖材料的線加工深度比較高，更容易被激光加工；均勻性上最大偏差值均小于0.1mm，表明材料的線加工的可控程度可滿足常規(guī)外形公差；而加工外觀環(huán)氧樹脂+玻纖材料較容易出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，陶瓷填料+玻纖材料也會(huì)出現(xiàn)輕微的碳化現(xiàn)象，而PTFE+玻纖材料則不存在碳化現(xiàn)象，若對(duì)產(chǎn)品外觀要求嚴(yán)格把控時(shí)，不同材料的碳化情況應(yīng)引起注意。

3.1.2  二氧化碳激光線加工技術(shù)開發(fā)

我們常用激光來進(jìn)行PI覆蓋膜、軟板薄板的切割加工，激光線工的能力仿佛被定格于薄板及軟性材料的切割加工。通過上述材料對(duì)激光加工能力的考察，我們知道激光同樣也可滿足硬材料的切割，而且控深加工能力很強(qiáng)，因此激光線加工可滿足的材料切割品種和材料厚度有更大的開發(fā)空間。

(1)軟硬結(jié)合板單面激光揭蓋技術(shù)

軟硬結(jié)合板是新型PCB產(chǎn)品的主力軍之一，揭蓋技術(shù)通常使用機(jī)械V-CUT工藝。實(shí)際上激光也可實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合板的揭蓋加工[1]，基于激光強(qiáng)大的控深加工能力，通過對(duì)激光能量的適當(dāng)調(diào)整可得到一定范圍內(nèi)所需的深度加工，類似于機(jī)械V-CUT加工，加工效果如下圖7和圖8所示。

圖7 激光線加工V-CUT效果                  圖8 激光線加工后揭蓋實(shí)物效果圖

相比常規(guī)的機(jī)械V-CUT加工，激光控深線加工可實(shí)現(xiàn)更小深度的精確加工。而機(jī)械V-CUT的控深精度受板材硬度和厚度影響，因此難以實(shí)現(xiàn)薄板加工和較小深度的V-CUT精確加工。

此外由于激光線加工在揭蓋加工時(shí)不必像機(jī)械加工一樣為了保證外形尺寸精度而進(jìn)行雙面V-CUT，可直接單面激光加工到蓋板底部，也無需做精度補(bǔ)償，如下圖9所示。

圖9 機(jī)械揭蓋與激光揭蓋的區(qū)別

(2)PTFE板料激光切割技術(shù)

PTFE板料采用常規(guī)的機(jī)械銑加工很容易在邊緣產(chǎn)生毛刺，后期處理或再返工十分耗時(shí)。而采用激光加工則不存在毛刺，上述試驗(yàn)結(jié)果也表明PTFE進(jìn)行激光切割時(shí)無碳化現(xiàn)象，因此該板料是極其適合采用激光進(jìn)行外形加工的。

然而用PTFE板料制作的成品PCB遠(yuǎn)比我們用于PI軟板切割要厚，進(jìn)行激光切割時(shí)容易超出焦距范圍。此時(shí)只靠常規(guī)單面激光加工無法滿足需求，因此可利用激光進(jìn)行雙面切割來提升對(duì)厚板的切割性能，機(jī)械加工與激光加工效果對(duì)比分別如下圖10和圖11所示。

圖10  PTFE板料激光切割示意圖          圖11  PTFE板料機(jī)械銑與激光切割效果對(duì)比

3.2  二氧化碳激光面加工應(yīng)用研究

3.2.1  PCB材料的激光面加工研究

與上述對(duì)多種材料進(jìn)行激光線加工的研究方式一樣，激光面加工同樣圍繞材料的激光加工效率、加工均勻性和外觀品質(zhì)這三個(gè)方面展開研究，材料的激光面加工效果如下表2所示。

表2  幾種材料的激光面加工效果

由上表2對(duì)幾種材料的激光面加工測(cè)試可知，加工效率方面同樣是PTFE+玻纖材料的面加工深度比較高，均勻性上最大偏差值均小于0.1mm，材料的面加工可控程度依然可滿足常規(guī)外形公差；加工外觀方面，環(huán)氧樹脂+玻纖材料整個(gè)加工面已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重的碳化，其余材料面加工的碳化程度則比較低。在使用這些材料進(jìn)行激光面加工時(shí)，需要優(yōu)先考慮激光加工引起的外觀問題能否有解決方案或滿足客戶的加工需求。

3.2.2  二氧化碳激光線加工技術(shù)開發(fā)

激光面加工常見的應(yīng)用是激光打標(biāo)，即圖形字符的表面雕刻，屬于比較淺層的激光加工。實(shí)際上同樣類似激光圖形應(yīng)用的淺層加工還可以用于對(duì)阻焊油墨的修整。若對(duì)加工深度進(jìn)行較大的提升，則可以把加工能力延伸至凹槽加工。

(1)激光阻焊返工技術(shù)

我們有時(shí)會(huì)遇到阻焊層漏開窗或油墨入孔的問題，這種情況通常只能褪阻焊返工或報(bào)廢處理。實(shí)際上激光加工設(shè)備的出現(xiàn)可以很輕易地解決這樣的難題，我們?cè)谇懊嫣岬蕉趸技す饧庸ぞ哂懈呔榷ㄎ坏膬?yōu)點(diǎn)及強(qiáng)大的控深加工能力，利用這些優(yōu)勢(shì)對(duì)需要阻焊返工的部位進(jìn)行激光面加工，可快速地完成高品質(zhì)阻焊返工，效果如下圖12所示。

(a)焊盤位阻焊漏開窗                                  (b)激光阻焊返工后

圖12 激光阻焊返工前后效果對(duì)比

(2)激光控深銑槽技術(shù)

凹槽加工特別是臺(tái)階槽加工，經(jīng)常因?yàn)閴汉虾穸裙羁刂茊栴}、開窗流膠問題和機(jī)械銑控深精度問題而難以加工，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝需要很高工藝流程配合度才能實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，否則即便是樣板生產(chǎn)也會(huì)面臨大量的報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。而激光面加工的控深加工能力十分出色，若應(yīng)用于臺(tái)階槽加工，可以采用更簡(jiǎn)單的壓合結(jié)構(gòu)，從而避免機(jī)械加工時(shí)出現(xiàn)的諸多困擾。

采用激光控深銑槽技術(shù)，臺(tái)階板在壓合時(shí)無需開窗，因此不存在流膠控制的問題。二氧化碳激光對(duì)金屬和非金屬具有選擇性加工，對(duì)金屬加工能力很弱，即便壓合厚度有一定的浮動(dòng)也不影響臺(tái)階位的焊盤完整性，機(jī)械加工則容易因板厚變化或下刀傾斜而傷及焊盤。激光加工臺(tái)階槽時(shí)，可直接從最表層激光控深面加工至所需層次，再利用金屬對(duì)激光的弱吸收率對(duì)焊盤進(jìn)行激光除膠，此時(shí)可得到較完整的臺(tái)階槽，加工原理及加工效果分別如下圖13和圖14所示。

圖13  激光控深銑槽加工示意圖      圖14  FR-4+陶瓷板料混壓三階臺(tái)階槽激光加工實(shí)物效果圖

4  結(jié)論

綜上所述，二氧化碳激光可應(yīng)用于多種PCB材料的線面加工，由激光線面加工衍生的一些新的激光加工技術(shù)，可輕易解決傳統(tǒng)制造工藝的一些難題，從而實(shí)現(xiàn)PCB的精細(xì)加工。在如今產(chǎn)品林立的PCB市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的精密加工已逐步了成為追求高附加值PCB產(chǎn)品制造的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。激光加工技術(shù)承載著高精密加工的使命，不斷挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)制造工藝所難以實(shí)現(xiàn)的精密加工極限，有望成為日后復(fù)雜結(jié)構(gòu)PCB精密加工的主流加工技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林映生,林啟恒,吳軍權(quán),陳裕韜,陳春,二氧化碳激光鉆孔機(jī)新技術(shù)應(yīng)用的探究[J].印制電路信息,2013,4.