CN103436882B - 线路板激光填孔机及线路板的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线路板激光填孔机，其包括机架及在机架上设置的控制系统、激光系统、扫描系统、位置检测装置、位置调节装置及铺粉装置；激光系统发射的激光依次经光路传输系统及扫描系统投射到线路板基板上并在线路板基板上进行二维扫描，完成打孔和填孔操作。该线路板激光填孔机针对多层结构的线路板基板，可代替传统的线路板孔金属化电镀工艺，达到线路板在激光打孔后直接烧结粉末进行填孔从而实现线路板之间导电的效果，可以显著提高多层电路板的加工效率，且成本低、无污染。此外，本发明还涉及一种线路板的制作方法。

Description

线路板激光填孔机及线路板的制作方法

技术领域

本发明涉及线路板制作领域，尤其是涉及一种线路板激光填孔机及使用该激光填孔机的线路板的制作方法。

背景技术

随着计算机、4G手机及3D电视等技术的不断发展，多层印制线路板的需求在急剧上升。多层印制线路板是通过多个单层线路板压合而成，而单层线路板之间的电连接常通过金属化孔的连接来实现，因此金属化孔的导电性尤为重要。

传统的使孔壁上的不导电部分，如树脂和玻纤进行金属化，达到足够的导电和焊接的孔壁性能所采用的方法是孔电镀方法，即往钻孔完成的线路板的孔上进行孔壁的金属化电镀。孔电镀工序时间长、效率低下、成本高，而且会有不同程度的缺陷，更加重要的是存在严重污染，包括金属污染和有机污染等。

发明内容

基于此，有必要提供一种能提高多层印制线路板加工效率且不会造成污染的线路板激光填孔机及使用该激光填孔机的线路板的制作方法。

一种线路板激光填孔机，包括机架及在所述机架上设置的控制系统、激光系统、扫描系统、位置检测装置及位置调节装置；所述机架上设有用于承载并固定待加工的线路板基板的工作台；所述控制系统控制所述激光系统、所述扫描系统、所述位置检测装置及所述位置调节装置；所述激光系统发射的激光传输至所述扫描系统，所述扫描系统包括振镜及f-θ扫描镜，所述激光经所述振镜扫描后通过所述f-θ扫描镜矫正垂直投射到所述线路板基板上并在所述线路板基板上进行二维扫描；所述位置检测装置用于检测所述线路板基板在所述机架上的位置信息，并将所述位置信息发送至所述控制系统；所述位置调节装置用于调节所述工作台在所述机架上的位置。

在其中一个实施例中，所述激光系统包括用于发射激光的激光器、用于隔绝光路中的后向反射光并保护激光器的光隔离器、用于调节所述激光能量及光束直径的激光控制器及用于进一步调节所述激光光束直径的光阑，所述激光器发射的激光依次通过所述光隔离器、所述激光控制器及所述光阑后进入所述扫描系统。

在其中一个实施例中，所述线路板激光填孔机还包括设在所述激光系统与所述扫描系统之间的光路传输系统，所述光路传输系统由至少一片反射镜组成，所述激光系统发射的激光经所述光路传输系统传输至所述扫描系统。

在其中一个实施例中，所述线路板激光填孔机还包括铺粉装置，所述铺粉装置用于向激光打孔后的所述线路板基板上铺设金属粉，孔内的所述金属粉经所述激光熔融而粘接在所述线路板基板的孔内。

一种线路板的制作方法，使用上述任一实施例所述的线路板激光填孔机，所述制作方法包括如下步骤：

输入待加工区域的打孔及填孔位置信息；

将待加工的线路板基板固定在所述工作台上；

获取所述线路板基板的位置信息，判断所述待加工区域是否位于所述线路板基板以内，如果是，进行后续步骤；如果否，调节所述工作台使所述待加工区域位于所述线路板基板以内并进行后续步骤；

建立所述待加工区域的打孔位置信息及所述线路板基板的位置信息之间的对应关系，在所述线路板基板的预设的打孔位置进行激光打孔；

向所述线路板基板上铺设预设厚度的金属粉；

在激光打孔后的所述线路板基板的孔位置进行激光填孔，所述金属粉通过所述激光熔融后粘接在所述孔的孔壁上形成导电结构。

在其中一个实施例中，所述制作方法还包括在激光打孔之前将所述待加工区域分成多个子加工区域，再依次对每个所述子加工区域进行激光打孔和激光填孔处理的步骤。

在其中一个实施例中，所述制作方法还包括在铺设金属粉之前对所述线路板基板的加工环境进行抽真空处理的步骤。

在其中一个实施例中，所述孔的孔径不同，所述在线路板基板的预设的打孔位置进行激光打孔包括如下步骤：按照所述孔的孔径对将要打的孔进行分类处理，再依次对每一类的孔进行激光打孔。

在其中一个实施例中，所述激光打孔及所述激光填孔过程中还包括对每一个孔进行多次激光打孔或激光填孔处理的过程。

在其中一个实施例中，所述在激光打孔后的所述线路板基板的孔位置进行激光填孔是在所述孔内填满金属直至所述金属的高度高于所述线路板基板的板面为止。

上述线路板激光填孔机针对多层结构的线路板基板，可代替传统的线路板孔金属化电镀工艺，达到线路板在激光打孔后直接烧结粉末进行填孔从而实现线路板之间导电的效果，可以显著提高多层电路板的加工效率，且成本低、无污染。

上述线路板的制作方法使用该激光填孔机，直接在该激光填孔机上即可实现激光打孔和激光填孔操作，制作效率较高，且不具有污染性。

附图说明

图1为一实施方式的线路板激光填孔机的模块示意图；

图2为图1线路板激光填孔机的机构示意图；

图3为图1线路板激光填孔机的原理示意图；

图4为一实施方式的线路板的制作方法流程图；

图5为实施例部分待加工区域的划分示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合图1、图2和图3，一实施方式的线路板激光填孔机100包括机架110、位置调节装置120、控制系统130、激光系统140、光路传输系统150、扫描系统160、位置检测装置170及铺粉装置180。

如图2所示，机架110包括基座112以及设在基座112上的龙门结构114。基座112呈长方体形状，其上设有用于承载待加工的线路板基板200的工作台111。龙门结构114架设在基座112上。龙门结构114包括设在基座112上的柱脚113及架设在两柱脚113上的横梁115。在本实施方式中，横梁115上设有平行于柱脚113的第一导轨117。

如图2所示，位置调节装置120用于调节工作台111在基座112上的位置。在本实施方式中，位置调节装置120包括第二导轨122、工作台底架124及第三导轨126。第二导轨122设在基座112上。工作台底架124设在第二导轨122上。第三导轨126设在工作台底架124上。工作台111设在第三导轨126上。第二导轨122与龙门结构114中间空隙的平面垂直设置，第三导轨126与第二导轨122垂直设置，从而工作台可穿过该龙门结构114，并可在基座112平面内作二维运动。

控制系统130控制激光系统140发射激光。请结合图2和图3，在本实施方式中，激光系统140包括用于发射激光的激光器142、光隔离器144、用于调节激光能量及光束直径的激光控制器146及用于进一步调节激光光束直径的光阑148。激光器142用于发射激光，可以为常用的YAG激光器或CO2激光器等。激光器142的数量可以为1个，也可以为多个，多个激光器142协同配合可以提高激光加工的效率。光隔离器144用于隔绝光路中的后向反射光，防止后向反射光进入激光器142，从而保证激光输出的能量稳定性并保护激光器142。光阑148呈圆盘状，其上设有多个不同孔径的通孔（图中未标示）。激光器142发射的激光经激光控制器146调节后进入光阑可以得到光束直径的激光，该光束直径与预设的打孔或填孔的孔径匹配。

光路传输系统150由至少一片反射镜152组成。在本实施方式中，光路传输系统150包括四片反射镜152。四片反射镜152配合将激光器142发射的激光传输至扫描系统160。可以理解，在其他实施方式中，反射镜152的数量不限于四片，并且在其他实施方式中，该线路板激光填孔机100还可以不设置光路传输系统150，通过调节激光器142的投射方向，激光器142发射的激光可直接投射至扫描系统160。

扫描系统160包括两个振镜162。两振镜162可以实现激光在二维平面的扫描。由于激光在经过振镜反射后，激光与工作台111的台面可能呈现非垂直状态，影响产品的加工，因此，在本实施方式中，扫描系统160还包括一f-θ扫描镜164。f-θ扫描镜164位于振镜162与工作台111之间，用于矫正激光的投射方向，使激光垂直投射到工作台111上的线路板基板200上。扫描系统160设在横梁115的第一导轨117上，并可沿第一导轨117滑动。

位置检测系统170包括CCD图像传感器172及厚度检测装置（图未示）。CCD图像传感器172、厚度检测装置及扫描系统一起设在横梁115的第一导轨117上，并可沿第一导轨117滑动。CCD图像传感器172与工作台111配合用于获取线路板基板200的位置信息。线路板基板200上设有用于CCD图像传感器172检测的标记点（mark点），如对于长方体形状的线路板基板200，标记点可以设在线路板基板200的四个顶点位置或者两个对角位置，CCD图像传感器172获取该标记点的位置信息。厚度检测装置用于检测线路板基板200的厚度信息。位置检测系统170将获取的位置信息及厚度信息发送至控制系统130，控制系统130根据该位置信息及厚度信息建立待加工区域与线路板基板200的位置匹配关系后控制位置调节装置120调节工作台111的位置，使工作台111上的线路板基板200与控制系统130中读入的待加工区域匹配。可以理解，在其他实施方式中，位置检测系统170可以不包括厚度检测装置，线路板基板200的厚度信息可以直接输入控制系统130。

铺粉装置180用于在打孔后的线路板基板200的表面铺设一层厚度均匀的金属粉，如铜粉、银粉等金属粉。金属粉经激光熔融从而可以粘接到线路板基板200的孔壁上形成电连接各单层线路板的导电层。可以理解，在其他实施方式中，该线路板激光填孔及100可以没有铺粉装置180，直接人工铺粉即可。

此外，在本实施方式中，该线路板激光填孔机100还包括基板吸附系统190。基板吸附系统190包括吸附装置和抽真空装置（图未示）。吸附装置设在工作台111的表面，并与抽真空装置相连，通过抽真空系统抽真空而将线路板基板200吸附固定在工作台111表面。此外，如在线路板制作过程中需要真空环境，抽真空装置还可以用于工作室的抽真空，也可以由其他抽真空装置实现工作室的抽真空。

进一步，在本实施方式中，该线路板激光填孔机100还包括收粉装置（图未示）。收粉装置用于在填孔结束后从制作好的线路板上回收残留的金属粉，以节省原料，降低产品的成本。

上述线路板激光填孔机100针对多层结构的线路板基板，可代替传统的线路板孔金属化电镀工艺，达到线路板基板200在激光打孔后直接烧结粉末进行填孔从而实现线路板之间导电的效果，可以显著提高多层电路板的加工效率，且成本低、无污染。

进一步，本实施方式还提供了一种线路板的制作方法，该制作方法使用上述线路板激光填孔机，如图4所示，该制作方法包括如下步骤：

步骤S410：输入待加工区域的打孔和填孔位置信息。

工作时，控制系统首先读入加入文件，得到关于待加工区域的打孔和填孔位置信息，形成二维的孔位置点阵图。

步骤S420：将待加工的线路板基板固定在工作台上。

抽真空装置抽真空，通过设置在工作台上的吸附装置将待加工的线路板基板吸附固定在工作台。

步骤S430：获取线路板基板的位置信息及厚度信息，判断待加工区域是否位于线路板基板以内，如果是，进行后续步骤；如果否，调节工作台使待加工区域位于线路板基板以内并进行后续步骤。

线路板基板上设有用于位置检测装置检测的mark点，位置检测装置获取线路板基板的位置信息，并将该位置信息发送至控制系统，控制系统判断待加工区域是否位于线路板基板以内，如果是，进行后续步骤；如果否，调节工作台使待加工区域位于线路板基板以内并进行后续步骤。

步骤S440：建立待加工区域的打孔位置信息及线路板基板的位置信息之间的对应关系，在线路板基板的预设的打孔位置进行激光打孔。

具体在本实施方式中，控制系统130读入含有打孔位置坐标信息的加工文件，并建立线路板基板200上mark点与机器坐标间的对应关系，将两者的对应关系附到加工文件上，完成坐标转换。

由于f-θ扫描镜的入射角角度不能过小，且振镜旋转角度的限制，使得两个振镜的扫描范围有限，若该扫描范围比待加工的线路板基板的面积小，需要将线路板基板划分成多个子加工区域，再依次对每个子加工区域进行加工，即依次对每个子加工区域进行激光打孔和激光填孔操作。

具体的线路板基板在打孔过程中，可能孔的孔径不同，因此，在本实施方式中，在打孔之前，先根据孔的孔径对孔进行分类，如按照大孔、中孔、小孔等进行分类，再依次对每一类的孔进行激光打孔，如可以先对大孔进行激光打孔，再依次对中孔和小孔进行激光打孔等。此外，具体操作时，一个孔的加工很难做到一次打孔便可达到理想状态，因此，需要对每一个孔进行多次激光打孔处理，后续激光填孔过程同理。

步骤S450：向激光打孔结束后的线路板基板上铺设预设厚度的金属粉。

为防止在加工过程中金属粉氧化，在本实施方式中，在向线路板基板上铺设预设厚度的金属粉之前，还包括使用抽真空装置对线路板基板的加工环境进行抽真空的步骤。

步骤S460：在激光打孔后的线路板基板的孔位置进行激光填孔，金属粉通过激光熔融后粘接在孔的孔壁上形成导电结构。

在本实施方式中，在激光打孔后的线路板基板的孔位置进行激光填孔是在孔内填满金属直至金属的高度高于线路板基板的板面为止，优选的，略高于板面即可。

进一步，在本实施方式中，当线路板线路全部形成后，该制作方法还包括使用回收装置回收残留的金属粉的步骤，以节省原料，降低产品的生产成本。

通常在加工过程中，会需要打出不同内径的孔，因此，在激光打孔和激光填孔操作过程中，可以分步对这些不同内径的孔进行加工，如可以按照大中小孔的顺序分别进行多次扫描。进一步，对于每个孔，在激光打孔过程中也可以进行多次加工，如第一次进行钻雏形、第二进行钻整形、第三次进行清根修饰等。

上述线路板的制作方法使用该激光填孔机，直接在该激光填孔机上即可实现激光打孔和激光填孔操作，制作效率较高，且不具有污染性。

以下为具体实施例部分：

机器：激光器采用功率为400W，波长为1064nm的YAG激光器（或采用波长为10.6μm的二氧化碳CO₂激光器）；工作台台面大小580mm×740mm；在可靠加工范围内，可加工厚度0.2-0.8mm的板，直径从50μm-150μm分布的孔；铺设金属粉层厚度为30μm-50μm。

待加工板材：270mm×320mm×0.5mm的三层压合板；层间未导通；绝缘材料为PP；板上四角有mark点。板材加工需求：需加工的范围距离板材每边10mm，即250mm×300mm×0.5mm；将顶面层和中间层导通；导通孔直径为100μm和150μm两种。

读入加工文件，获取需加工孔位的位置坐标，形成点阵图。将线路板放置于工作台中央位置，打开工作台的真空吸附装置，通过阀门的控制，使吸附范围略小于板材面积，距离板材每边约10mm。并进行加工室内的真空抽取。开动机器，打开CCD图像传感器光源，使用CCD扫描板面，获取mark点的位置，建立板面四个mark点与机器坐标间的对应关系，将两者的对应关系附到加工文件上，即完成坐标转换。打开机器厚度检测装置，获取线路板顶层表面离工作台面高度，即线路板厚度。

由于振镜扫描角度、f-θ扫描镜大小与角度等的限制，机器每次能扫描的小区域面积为50mm×50mm，而板材需加工范围为250mm×300mm，因此将待加工区域500分成30块子加工区域510，如图5。采用步进的方式，加工顺序按照图5中虚线方向从1到30。即加工完区域1后，工作台沿-X方向运动50mm运动到2区域，继续进行加工，如此直到加工完左侧6个子加工区域510后，工作台沿-Y方向运动50mm运动到7区域，继续加工，如此循环直到加工完整个板面。在子加工区域510加工过程中，如碰到孔位在线上的情况，此处采用先经过先加工的原则，即第一次碰到这种类型的孔就先加工，后续再次运动到此孔位置时则不进行加工。

通常钻同一个孔时，需进行多次加工，此处采用三次，分别实现钻雏形、整形、清根三个目的，以获得合格的孔壁质量；当然同一个孔的熔粉填孔也可多次，不过此处采用一次烧结即达到了理想的效果。加工每块小区域时，根据孔径的大小，需要选择不同的激光能量、孔径大小及占空比。板上存在100μm和150μm两种孔径的孔，故先选择合适的激光参数分三次加工150μm的孔。激光到达振镜后，振镜按照转化后的150μm孔坐标进行扫描。完成后，调整激光参数分三次加工100μm的孔。如此便完成一块小区域的钻孔加工。按预定顺序循环完小区域即完成板面钻孔加工。完成钻孔后通过铺粉装置进行金属粉的铺设，本实施例在线路板基板上均匀铺设的金属粉层采用铜粉，粉层厚度为50μm。跟钻孔同理，熔粉填孔同样需要分阶段进行，先选择合适的激光参数进行150μm孔径的一次熔粉填孔。然后重新铺设粉层，选择合适的激光参数进行100μm孔径的一次熔粉填孔。烧结时，直到填孔的高度略高于板面，如10μm，即停止。按照加工顺序，完成所有小区域的熔粉填孔即完成板面的填孔加工。最后收粉装置回收未加工的粉末，循环利用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种线路板激光填孔机，其特征在于，包括机架及在所述机架上设置的控制系统、铺粉装置、激光系统、扫描系统、位置检测装置及位置调节装置；所述机架上设有用于承载并固定待加工的线路板基板的工作台；所述控制系统控制所述铺粉装置、所述激光系统、所述扫描系统、所述位置检测装置及所述位置调节装置；所述铺粉装置用于向激光打孔后的所述线路板基板上整体铺设一层金属粉，孔内的所述金属粉经激光熔融而粘接在所述线路板基板的孔内；所述激光系统发射的激光传输至所述扫描系统，所述扫描系统包括振镜及f-θ扫描镜，所述激光经所述振镜扫描后通过所述f-θ扫描镜矫正垂直投射到所述线路板基板上并在所述线路板基板上进行二维扫描，以在所述线路板基板的预设位置进行打孔，并在铺粉后将所述金属粉熔覆在所述线路板基板的预定位置形成导电通路；所述位置检测装置用于检测所述线路板基板在所述机架上的位置信息，并将所述位置信息发送至所述控制系统；所述控制系统根据所述位置信息控制所述位置调节装置调节所述工作台在所述机架上的位置。

2.如权利要求1所述的线路板激光填孔机，其特征在于，所述激光系统包括用于发射激光的激光器、用于隔绝光路中的后向反射光并保护激光器的光隔离器、用于调节所述激光能量及光束直径的激光控制器及用于进一步调节所述激光光束直径的光阑，所述激光器发射的激光依次通过所述光隔离器、所述激光控制器及所述光阑后进入所述扫描系统。

3.如权利要求1所述的线路板激光填孔机，其特征在于，还包括设在所述激光系统与所述扫描系统之间的光路传输系统，所述光路传输系统由至少一片反射镜组成，所述激光系统发射的激光经所述光路传输系统传输至所述扫描系统。

4.一种线路板的制作方法，其特征在于，使用上述如权利要求1-3中任一项所述的线路板激光填孔机，所述制作方法包括如下步骤：

输入待加工区域的打孔及填孔位置信息；

将待加工的线路板基板固定在所述工作台上；

获取所述线路板基板的位置信息，判断所述待加工区域是否位于所述线路板基板以内，如果是，进行后续步骤；如果否，调节所述工作台使所述待加工区域位于所述线路板基板以内并进行后续步骤；

建立所述待加工区域的打孔位置信息及所述线路板基板的位置信息之间的对应关系，在所述线路板基板的预设的打孔位置进行激光打孔；

向所述线路板基板上整体铺设一层预设厚度的金属粉；

在激光打孔后的所述线路板基板的孔位置进行激光填孔，所述金属粉通过所述激光熔融后粘接在所述孔的孔壁上形成导电结构。

5.如权利要求4所述的线路板的制作方法，其特征在于，还包括在激光打孔之前将所述待加工区域分成多个子加工区域，再依次对每个所述子加工区域进行激光打孔和激光填孔处理的步骤。

6.如权利要求4所述的线路板的制作方法，其特征在于，还包括在铺设金属粉之前对所述线路板基板的加工环境进行抽真空处理的步骤。

7.如权利要求4所述的线路板的制作方法，其特征在于，所述孔的孔径不同，所述在线路板基板的预设的打孔位置进行激光打孔包括如下步骤：按照所述孔的孔径对将要打的孔进行分类处理，再依次对每一类的孔进行激光打孔。

8.如权利要求4或7所述的线路板的制作方法，其特征在于，所述激光打孔及所述激光填孔过程中还包括对每一个孔进行多次激光打孔或激光填孔处理的过程。

9.如权利要求4所述的线路板的制作方法，其特征在于，所述在激光打孔后的所述线路板基板的孔位置进行激光填孔是在所述孔内填满金属直至所述金属的高度高于所述线路板基板的板面为止。