CN105407642A - 一种激光打孔系统及激光打孔方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光打孔系统，包括：控制器，用于接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；直线平台，用于依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；反馈装置，用于实时地将所述直线平台数据反馈至所述控制器；所述控制器，还用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；振镜扫描器，用于依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上布局打孔位置；激光器，用于根据所述打孔位置在所述FPC上进行钻孔。控制器以及反馈装置使得在直线平台运动的过程中，振镜扫描器和激光器边扫描边打孔，提高了打孔效率。

Description

一种激光打孔系统及激光打孔方法

技术领域

本发明涉及激光打孔技术领域，更具体的说，涉及一种激光打孔系统及激光打孔方法。

背景技术

目前，随着激光应用技术、智能运动控制技术、精密控制技术越来越完美的结合，大大促进了微电子技术的快速发展，特别是在智能通讯设备上的应用，例如激光打孔。技术人员通常使用激光加工设备在挠性印刷电路板(FlexiblePrintedCircuit，简称：FPC)表面进行打孔，以满足FPC在汽车、智能电话、数码相机以及平板电脑等高端电子产品内的应用。FPC具有1.轻薄短小，可曲挠，取代点到点的导线，具备电路动态挠曲性能；2.多层结构Z轴方向互连，各向异性互连的粘结功能；3具有浮雕板、单层板、双面板、多层板等电路结构等特点。FPC的材料通常为耐折性高的压延铜Cu18PI12Cu18，也可以为其它材料。

现有技术中通常使用Step&Scanning模式对FPC进行打孔，Step&Scanning模式包括了直线平台、振镜扫描系统以及激光器，但是这种模式有较多的不足：第一：由于平台走动期间，振镜扫描系统等待；振镜工作期间，平台也必须等待。而且，平台走完一步并振定完成后，振镜工作前必须等待约100毫秒，才能保证加工质量，如果某打孔资料有100个分格需要加工，那么就有十几秒被用来做平台的振定和延迟等待。平台控制系统与振镜和激光控制系统不在一个实时系统内控制，需要利用windows系统进行调度，在两者切换之间需要重置一些参数，所以会导致数十毫秒的耗时，分格越多，耗时越多。因此，Step&Scanning模式导致打孔时间延长。第二：由于振镜扫描系统的速度和加速度远远大于平台的运动速度和加速度，为了提高产能，希望分区最大化，然而分区大了又会受到一些关键参数制约，如扫描透镜的球差导致边缘光斑真圆度下降、整体畸变增大、控制分辨率降低等问题，因此，Step&Scanning模式导致打孔产量与质量不能同时保证，打孔效率低。第三：在FPC的实际打孔应用中，孔位密度一般比较低，通常500*400的范围内不足1万孔，每个扫描区域内的点并不多，振镜扫描系统快速的优势发挥不够充分，然而扫描分格却比较多，平台的慢速特性和区域间的切换固定时间消耗问题凸显出来，所以这种模式加工FPC板的盲、通孔速度时受到孔密度影响较大，因此，Step&Scanning模式导致打孔效率受孔密度影响较大，尤其当孔密度过低时，打孔速度慢，效率低。第四：加工盲孔时，工艺要求每个扫描区域要离焦约2mm一次，做清除PI加工过程，每一次动Z轴会耗费数百毫秒的时间，因此，Step&Scanning模式加工盲孔速度较慢。

综上所述，如何有效地解决用于给FPC板进行激光打孔的激光打孔系统打孔时间长，打孔质量差，效率低，打孔受孔密度以及孔类型的制约等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光打孔系统，能够提高打孔效率、打孔质量以及打孔精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光打孔系统，包括：

控制器，用于接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；

直线平台，用于依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；

反馈装置，用于实时地将所述直线平台数据反馈至所述控制器；

所述控制器，还用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；

振镜扫描器，用于依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；

所述反馈装置，还用于实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；

激光器，用于依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

优选的，在上述激光打孔系统中，还包括：

大视野视觉装置，用于在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；

高精度视觉装置，用于依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述控制器具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合蚁群排序算法生成第二目标位置控制指令。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述控制器具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合增强跟随误差控制算法生成第二目标位置控制指令。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述振镜扫描器在前导阶段加速振动，在后导阶段减速振动。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述直线平台为定位精度为±3μm且重复定位精度为±1μm的直线平台。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述反馈装置为定位精度为1μm的光栅尺编码器。

优选的，在上述激光打孔系统中，所述振镜扫描器为利用振镜畸变补偿算法校正的精度为±5μm的振镜扫描器。

本发明还提供了一种激光打孔方法，包括：

接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；

依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；

实时地将所述直线平台数据反馈至控制器；

依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；

依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；

实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；

依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

优选的，在上述激光打孔方法中，在所述接收上位机发送的目标位置信息之前还包括：

在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；

依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供一种激光打孔系统，包括：控制器，用于接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；直线平台，用于依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；反馈装置，用于实时地将所述直线平台数据反馈至所述控制器；所述控制器，还用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；振镜扫描器，用于依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；所述反馈装置，还用于实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；激光器，用于依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

在应用本发明提供的一种激光打孔系统时，由于控制器不仅依据目标位置信息控制直线平台在FPC板上进行扫描，而且由于反馈装置能够实时地将直线平台数据以及打孔位置信息反馈至控制器，使得控制器依据直线平台数据、打孔位置信息以及目标位置信息控制激光器出光，激光在FPC板上打孔位置进行打孔。即控制器以及反馈装置使得在直线平台运动的过程中，振镜扫描器以及激光器边扫描边打孔，提高了打孔效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光打孔系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光打孔方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在一种具体的实施方式中，提供了一种激光打孔系统，包括：控制器101，用于接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；直线平台103，用于依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；反馈装置102，用于实时地将所述直线平台数据反馈至所述控制器；所述控制器，还用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；振镜扫描器104，用于依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；所述反馈装置102，还用于实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器101；激光器105，用于依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。另外，激光器105也可以将自身的信息反馈给控制器101，控制器101进行综合调控。为了使得直线平台103、激光器105以及振镜扫描器104同时工作的时间更加保持一致，可以在激光器105与控制器101之间添加延时模块。

具体的，将预设的打孔资料中的目标位置信息输入到控制器101中，控制器101依据目标位置信息生成第一目标位置控制指令，第一目标位置控制指令为控制直线平台103扫描FPC板上所需打孔的大体位置，将此控制指令发送给直线平台103，直线平台103在FPC板上进行扫描，扫描的过程为直线平台103会在FPC板上平滑的不断的朝着后面孔群的方向移动作大范围的移动，往一下个打孔位置或下一群打孔位置的方向移动，从而实现大范围的扫描。直线平台103在扫描时会产生直线平台数据，直线平台数据为直线平台的位置、速度、跟随误差等信息。直线平台103将直线平台数据通过反馈装置102反馈至控制器101中，激光打孔系统以48K伺服刷新频率进行实时反馈，每隔一定时间段对直线平台的位置、速度以及跟随误差等信息、振镜扫描器的位置等信息以及激光器自身信息等进行刷新，刷新频率为一秒钟48000次，并将刷新后的数据实时输入到控制器101中，当然，刷新频率可以根据需要进行调整，均在保护范围之内。控制器101结合最新的直线平台数据以及原有的目标位置信息生成第二目标位置控制指令发送至振镜扫描器104中，第二目标位置控制指令为控制振镜扫描器104在直线平台101扫描后的第一目标位置范围内进行更精确的定位扫描。振镜扫描器104由于具有非常大的加速度和速度，因此其扫描范围可以设置较小，一般设置为20mm×20mm，利用其更高的控制分辨率，更精确地控制打孔位置，同时对直线平台101的定位信息进行校正，同时，打开激光器105，激光器105具有高稳定性激光器脉冲，其能量稳定性小于3％，激光器105出光在振镜扫描器104的扫描范围内在FPC板上实现快速绕圈钻孔。激光器105钻孔的方式有多种，根据激光路径的不同，可以分为直冲(Punch)、圆周(Circle)、环切(Treapan)、环绕(Spiral)以及高级环绕(Spiral)钻孔，这几种钻孔方式可任意组合。控制器101以及反馈装置10使得直线平台在运动过程中，振镜扫描器和激光器边扫描边打孔，不仅提高了打孔效率，还避免了孔密度大小对加工速度的影响。

激光打孔系统在FPC上快速定位孔的位置，并要求激光器105的激光按照指定的速度和半径做匀速圆周运动若干圈进行打孔。钻孔位置、速度等规划完全由电脑完成，并独占CPU的一个线程建立实时控制，不需要利用windows系统调度各模块，具备强大的前瞻功能，可以对平台的运动、扫描系统的运动以及激光器脉冲实现精确控制。

进一步的，为了提高系统在FPC上的打孔位置的精确度，激光打孔系统还包括了大视野视觉装置，用于在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；高精度视觉装置，用于依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。具体的，预设的钻孔文件中具有打孔位置以及打孔位置的参考系，目标PFC上几个特征标识位置，首先大视野视觉装置确认特征标识位置，并根据钻孔文件中的打孔位置的参考系将特征标识位置放进参考系中进行坐标对应，得到了特征标识位置在参考系中的坐标，利用特征标识位置在FPC上建立同样的参考系，利用高精度视觉装置在具有参考系的FPC板上抓取靶标点，通常抓取四个靶标点即可，通过计算出缩放、旋转以及平移量，就可以计算出钻孔的确切位置，从而实现高精度定位，并实现精确打孔。

进一步的，由于打孔速度与打孔的顺序有关，为了提高打孔速度，控制器101具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合蚁群排序算法生成第二目标位置控制指令。对于FPC上打孔的布局，原则上要求各孔位之间的连线总长最短，耗时也相应最少。具体为：首先用聚类的方法在FPC上分区块，再对区块内的各个点利用蚁群排序算法进行排序，孔位经过重新排序后，使得加工时间区域最短，相比现有技术中Step&Scanning的打孔方式，打孔速度提高了约30％。

进一步的，打孔不仅要速度快，还要保证打孔后孔的质量，为了提高打孔质量，控制器101具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合增强跟随误差控制算法生成第二目标位置控制指令。增强跟随误差控制算法ETC算法可大大减小点对点移动的振定时间和减小运动过程中的跟随偏差，使得打孔时两次打孔形成的圆形偏差控制在1微米以内，使实际加工路径更接近规划路径，钻孔的路径平滑，孔壁更平整，重复性更好，同时提高了孔的真圆度和孔口质量，从而提高钻孔的稳定性和一致性。

进一步的，为了保证打孔的质量，所述振镜扫描器104在前导阶段加速运动，在后导阶段减速运动，前导阶段为振镜扫描器104已经开始扫描并进行定位后，激光器105还未出光前的阶段，后导阶段为激光器105出光进行打孔之后，振镜扫描器104并没有立即停止扫描的时间段，即振镜扫描器104在激光器105出光期间具有稳定的运行速度。由于振镜扫描器104在扫描时在前导过程中加减速段以及在后导过程中减速段对打孔质量有影响，因此，在激光器105出光、加工的过程中，振镜扫描器104的扫描速度稳定，使得咬蚀量更稳定，否则会产生盲孔底部烧伤，或钻孔不圆等现象。咬蚀量大小与绕圈速度和激光重复频率相关，咬蚀量＝加工速度/激光重复频率，精确计算起点落点的位置即精确计算绕圈半径、光斑大小等，如果加工多圈，可调整多圈的重叠量。通过精确计算咬蚀量可以控制光斑起落点的距离，避免起落点位置孔地打伤或欠加工。另外，由于振镜扫描器105运动属于机械运动，需要一定时间进行加速或者减速才能是振镜处于稳定开启或者关闭功能，为了保证钻孔的真圆度大于95％，激光进行绕圈打孔前，振镜扫描器105停顿约50微秒最佳。

进一步的，为了提高打孔质量，直线平台103为定位精度为±3μm且重复定位精度为±1μm的直线平台。

进一步的，反馈装置102为分辨率为0.1的光栅尺编码器。

进一步的，振镜扫描器104为利用振镜畸变补偿算法校正的精度为±5μm的振镜扫描器。利用振镜畸变补偿算法能够将振镜自身因为畸变属性而导致的扫描不稳定等缺陷，提高振镜扫描器104的准确率。

本发明提供的一种激光打孔系统，由于控制器101不仅依据目标位置信息控制直线平台103在FPC板上进行扫描，而且由于反馈装置102能够实时地将直线平台数据反馈至控制器101，从而控制器101还依据直线平台数据以及目标位置信息控制振镜扫描器规划光斑位置，并同步激光器105的开关，激光器105出光在FPC板上进行打孔。即直线平台103、振镜扫描器104以及激光器105同时进行运行，边扫描边打孔，提高了打孔速度以及打孔效率。由于直线平台103、振镜扫描器104以及激光器105同时工作，大大提高加工产能，即使是在孔密度较小的情况下，整体加工速度也不会受到太大的影响，在整个加工期间计算机不参与计算，完全由控制器完成，无故障工作时间长。控制器101实时监测和诊断激光器状态，激光功率大小，运动器件各指标。定期自动进行功率校正，精度校正等动作，保证良率和可靠性。采用专业安全模块，实时监视系统安全性，电源添加防雷击，防浪涌等安全器件，不仅在打孔效果、打孔质量、孔位精度及品质稳定性方面得到保证，而且打孔速度比传统的Step&Scanning模式要快30％以上，特别是在盲孔工艺方面的优越性更为突出。

在另一种实施方式中，本发明提供了一种激光打孔方法，选取Cu18PI12Cu18类型的压延铜作为测试材料，结构为两层压延铜之间利用PI连接。

具体包括：

步骤S1：接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；

步骤S2：依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；

步骤S3：实时地将所述直线平台数据反馈至控制器；

步骤S4：依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；

步骤S5：依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；

步骤S6：实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；

步骤S7：依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

其中，步骤S7具体为：如果加工孔径为90微米的盲孔，则分两步加工，第一步对着焦点破除表铜，第二步离焦清除PI。具体的，采用两个同心圆打开铜面，每个圆扫描两圈，再离焦2毫米用一个圆扫描两圈清除PI，以保证良率达标。由于铜的破坏阈值远大于基材PI和粘结胶，可以通过调整能量大小和离焦改变光斑大小调整激光功率密度，保证打孔质量。由于在整个加工过程中振镜扫描器只需要移动一次Z轴，所以加工盲孔时效率更高，更具有竞争力。

如果加工一般直径小于或等于100微米的盲通孔，则采用同心圆加工方法，对Cu18PI12Cu18材料进行打孔，公式1代表的是加工盲通孔激光的路径公式。需要注意的是，需要进行光斑大小补偿，激光器扫描时激光实际绕圈直径是孔的目标直径减去一个激光光斑直径。

$\left\{\begin{array}{c}x=R\cos \left(\mathrm{\ω}t\right)\\ y=R\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right.,R\∈\{r,2r...Nr\}---\left(1\right)$

在所述接收上位机发送的目标位置信息之前还包括：

步骤S11：在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；

步骤S12：依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。

本发明提供的一种激光打孔系统能够提高打孔质量、打孔效率以及打孔精度，打孔不受孔密度的影响，并且打盲孔的优势突出。由于打孔良率是衡量控制系统稳定性的一个关键指标，激光能量的稳定性、扫描加工时速度的稳定性、平台和扫描振镜的同步性能、运动控制部分与激光的同步性能都关系到良率大小。本发明提供的激光打孔系统对FPC的打孔良率相比传统的对FPC的打孔良率较高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种激光打孔系统，其特征在于，包括：

控制器，用于接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；

直线平台，用于依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；

反馈装置，用于实时地将所述直线平台数据反馈至所述控制器；

所述控制器，还用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；

振镜扫描器，用于依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；

所述反馈装置，还用于实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；

激光器，用于依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

2.如权利要求1所述的激光打孔系统，其特征在于，还包括：

大视野视觉装置，用于在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；

高精度视觉装置，用于依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。

3.如权利要求2所述的激光打孔系统，其特征在于，所述控制器具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合蚁群排序算法生成第二目标位置控制指令。

4.如权利要求3所述的激光打孔系统，其特征在于，所述控制器具体用于依据所述目标位置信息和所述直线平台数据结合增强跟随误差控制算法生成第二目标位置控制指令。

5.如权利要求4所述的激光打孔系统，其特征在于，所述振镜扫描器在前导阶段加速振动，在后导阶段减速振动。

6.如权利要求1至5任一项所述的激光打孔系统，其特征在于，所述直线平台为定位精度为±3μm且重复定位精度为±1μm的直线平台。

7.如权利要求6所述的激光打孔系统，其特征在于，所述反馈装置为分辨率为0.1的光栅尺编码器。

8.如权利要求7所述的激光打孔系统，其特征在于，所述振镜扫描器为利用振镜畸变补偿算法校正的精度为±5μm的振镜扫描器。

9.一种激光打孔方法，其特征在于，包括：

接收上位机发送的目标位置信息，并依据所述目标位置信息生成第一目标位置控制指令；

依据所述第一目标位置控制指令在挠性印刷电路板FPC上扫描并生成直线平台数据；

实时地将所述直线平台数据反馈至控制器；

依据所述目标位置信息和所述直线平台数据生成第二目标位置控制指令；

依据所述第二目标位置控制指令在所述FPC上扫描并生成打孔位置信息；

实时地将所述打孔位置信息反馈至所述控制器；

依据所述打孔位置信息在所述FPC上进行钻孔。

10.如权利要求9所述的激光打孔方法，其特征在于，在所述接收上位机发送的目标位置信息之前还包括：

在所述FPC上确认特征标识位置，并在钻孔文件的参考系中确定所述特征标识位置对应的坐标；

依据所述特征标识位置的坐标在所述FPC上抓取靶标点，并依据所述靶标点与所述特征标志位置的坐标进行计算，得到目标位置信息。