本文利用UV355激光器作为激光源和自行设计的光路系统，研制出UV355 PCB柔性加工机床，通过对激光加工工艺和PCB制作工艺的研究，开发出具有钻孔、切割、成型、刻板等多种功能于一体的数控系统。UV355 PCB柔性加工机床为目前PCB发展中的几个关键性工艺难题提出了解决方案。
随着印制线路技术的发展，多层板、挠性印制电路板FPC、刚挠结合板、HDI/BUM基板的市场份额越来越大，传统的机械加工方法越来越显得无能为力，而RF二氧化碳激光打孔也存在着工艺复杂、精度和质量有限等问题，所以市场需要一种精度更高、加工质量更高和工艺简单的一种新设备来满足需求。UV355 PCB柔性加工机床采用美国理波公司生产的J80-H1O-355QW型半导体泵浦固体激光器，输出波长355nm，光束质量优秀，可以在柔性线路板的聚酰亚胺和金属层式电路上直接钻孔、切割复杂形状等，并町以完成高密度柔性线路板的成型，可以切割SMT金属模板等。是今后PCB行业朝向高密度和高精密方向快速发展的关键性技术。
1 机床加工机理和控制原理
该机床在采用UV355固体激光器作为激光源，UV355固体激光器与红外和可见波段的激光器相比，其波长更短，聚焦光斑更小，光子的能量更高。UV355激光器产生高能鼋的光子直接打断聚合物的分子链，为冷加工，这一过程称为“光蚀”效应，这种“冷”加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化影响。用于柔性线路板的高精密加工，不仅可以得到较高精密度，而且可以减少线路板的制作工序。
该机床的控制系统主要有工控机、激光运动控制卡、CCD线阵的工件安装形位误差纠偏系统、伺服系统和相应的控制软件组成等几部分组成。它是一个有机的整体，保证了直线电机工作台、振镜系统、CCD定位系统协调一致加工出高质量的工件。其控制原理如图1所示。
图1 控制系统原理图
将加工工件任意摆放在工作台上之后，由线阵CCD进行检测马克点(或是自定义的特殊点)，根据文件数据和检测到的数据进行比较，计算出工件的位置及偏摆角度，根据这工件的位置和偏摆角度对文件数据进行处理(这一步骤主要在成型线路板时使用)。加工数据及控制指令通过控制软件传输到激光控制卡，控制卡将数据分为三路：第一路控制振镜系统，根据指令经过16位D/A转换控制振镜运动；第二路控制伺服系统，伺服系统控制着工作台的运动位置、运动轨迹和运动速度；第三路控制激光器的开关及激光的能量大小。从而实现机床的所有功能。
2 光路系统的组成和选择
光路系统是一台激光工业设备必备的一部分，在该机器的光路系统中，包括反射镜、扩束镜、扫描振镜、场镜几部分。光路原理如图2所示。
图2 光路系统图原理图
(1)反射镜
激光反射镜主要起引导激光束的作用，使用适当材料制作反射镜，可以将原来直线传播的激光束转到需要的任意方向上。
(2)扩束镜
扩束镜是能够改变激光光束直径栅发散角的透镜组件，主要有以下两个用途：其一是增大光束的直径，降低振镜上激光功率密度，减小激光对振镜造成的损伤；其二是压缩光束的发散角，发散角的压缩倍率和光束扩束倍率相同。所以采用扩束镜可以减小聚焦光斑直径，提高激光功率密度，达到精密加工的目的。
(3)扫描振镜
扫描振镜是由高精度伺服电机和反射镜组成，反射镜是由电机控制做高速摆动，引导激光束。振镜一般是成对使用，正交安装，分别负责x、Y方向的扫描。
(4)平场透镜(F-Theta透镜)
在振镜系统中，光束经振镜扫描，若用普通透镜聚焦后，扫描的焦平面将在一个球面上，难以满足使用要求，因此必须用特殊的透镜——平面场镜加以校正，这种透镜能够保证平面聚焦，可以满足在整个扫描范围内，聚焦光斑均匀，直径不变。
光路系统的选择主要依据激光波长、加工扫描速度和需要的聚焦光斑直径，合理的选择光路系统对机床最终的加工质量有着非常重要的影响。nextpage
3 控制系统的软件开发
该机床的控制系统是采用PC+控制卡的开放式系统。该软件系统建立在界面友好的VB开发平台上，以对目前出现的不同CAD文件全面解剖为基础，开发出钻孔、切覆盖膜、成型、刻板、文字图案五大功能模块。
(1)钻孔
在该模块中，系统会自动对客户提供的不同CAD文件进行识别，提取孔位数据，根据提取的数据进行固定分区处理。在加工执行时，系统控制电机按照固定的模式运动到一个固定区域。位于该区域内的孔位数据将根据电机所在的位置进行适当的处理，最后由振镜加工完成。然后电机运动到下一个固定区域，在该区域内同样采用振镜完成钻孔加工。
(2)切覆盖膜
该模块同钻孔模块一样，首先自动识别处理CAD文件，计算出激光束所要切割的轨迹，生成数据文件。但在该模块中采用的是一种以元件为单位的弹性分区，该分区方式可以提高覆盖膜的切割精度。该模块可以切割覆盖膜，SMT金属模板等。
(3)成型
由于线阵CCD的精度高于面阵CCD，而且，市场价格低于面阵CCD，所以在该模块中采用线阵CCD进行定位。使用线阵CCD采集马克点的位置数据，将该数据与文件原始数据进行比较，从而计算出工件的偏斜角度，根据工件的位置和偏斜角度对原始CAD文件中的数据进行处理，最后根据纠正后的数据和利用高能激光束精确切割各种复杂外形，从而取代了该工艺中的精密模具，是软板成型的最佳方式。
(4)刻板
激光刻板首先将PCB板上镀上一层适当厚度的锡，然后按照CAD文件的要求利用高能UV355激光束将需要去除的锡层去除。因为锡对UV355的吸收率较高，所以蚀刻的速度较高，最后再通过化学蚀刻的方法即可完成激光刻板。这种方式可以取代底片感光，减少制作光学底片带来的浪费。
(5)文字和图案
文字和图案都是基于VB位图开发的该机床的辅助功能。在该模块中，可以根据字库、图案提取出需要的点位，从而加工出各种字体的文字和各种精美图案。
4 整机的用途及性能
该机器是针对当前急剧增长的多层板、挠性印制电路板FPC、HDI/BUM基板、IC封装基板等品种而开发的。因此该机床能够满足当前和今后线路板发展的需要。UV激光源适用于各种PCB材料(包括铜箔、铝箔和玻璃布)的钻孔、成型等工艺，可以切割覆盖膜、SMT金属网等。整机的技术指标如下表：
机床主要性能参数表
5 实践应用
(1)切割SMT金属模板
在表面贴装元器件贴装之前，需要采用丝网印刷技术，将焊锡膏印制到电路的连接焊盘上，丝网印制模板是印制电路板中表面安装屏蔽漏印焊膏用模板，主要采用不锈钢板或黄铜板制作。UV355PCB柔性加工机床切割该模板有着无可比拟的优越性：
(1)软件直接处理各种PCB原文件，各种元器件可以任意角度的旋转，切割边缘位置准确，精度高；
(2)非接触加工，没有材料错位变形；
(3)热影响区域小，切割边缘光滑，无需后续处理工艺；
(4)修改方便，生产周期短。
UV355 PCB柔性加工机床切割金属铜模板照片(图3)，铜在激光加工材料中属于难加工材料，因为铜的热反射率高，对激光的吸收率很低，尤其对红外波段的二氧化碳激光，但是铜对波长为355nm的三倍频固体紫外激光具有较高的吸收率，能够加工出高精细的工件。在0.1mm的铜膜上切割出如图3所示的网眼，其切缝小于l0/μm，切缝的周围光滑、均匀、无氧化现象，完全可以满足需求。
图3 SMT铜模板切割
(2)高密度柔性线路板的成型
高密度柔性线路板的成型工艺是制作工艺中的一道难题，目前高密度柔性线路板的成型主要采用无间隙精密钢模冲模或精密刀模。由于高密度柔性线路板的形状很不规则，而且精度要求高，使得模具加工困难，延长产品的开发周期。UV激光成型可以对高密度柔性线路板一次成型。与机械模具相比较，UV激光成型可以直接提取PCB原文件中的数据，采用线阵CCD精确定位，具有极高的仿形切割能力，加工精度高，边缘无机械应力，无细小裂纹，切割边缘光洁度高。它不仅大大加快了产品的开发周期，而且对于小批量生产，减少了机械模具带来的浪费，节约了资源，提高了生产的灵活性。
6 结束语
UV355PCB柔性加工机床可以解决很多当前印制线路板制作的工艺难题，它不仅可以提高制板的精度，减少底片、模具等带来的浪费，而且可以缩短新产品的研发周期，使更多中型电路板厂和科研机构有机会进入高密度互连电路(HDI)以及高精密软板等高端领域。
