CN115087233B - 一种pcb线路增材修复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCB线路增材修复系统及方法，其中，所述PCB线路增材修复系统包括机架、工作台、三维驱动装置、送丝装置、涂层涂覆装置、搬运装置、激光发射装置以及控制装置，其中，所述工作台的下端设有加热器；所述涂层涂覆装置用于在丝材表面涂上助焊剂；所述搬运装置包括线夹和劈刀；所述激光发射装置用于完成丝材在PCB板上的熔覆；所述控制装置包括图像采集装置、上位机以及下位机。本发明的PCB线路增材修复系统采用丝材为修补材料对PCB板进行修复，在丝材进行熔覆的过程中，丝材与空气的接触面积小，不易氧化。另外，采用丝材进行熔覆后不会有残余的未烧结颗粒，不需要进行后续的清洗，这样可以减少对PCB板的损害。

Description

一种PCB线路增材修复系统及方法

技术领域

本发明涉及一种印刷电路板加工装置及方法，具体为一种PCB线路增材修复系统及方法。

背景技术

而随着电子设备的智能化，电子设备中的线路也越来越复杂，在追求轻量和减小体积的情况下，线路就会变得更加精细，若在精细的线路中存在线路不均匀或者缺陷的情况，在一些载流量较大的时候可能会造成PCB板中的线路的熔断，出现断路则会使得整个PCB板不能使用而报废，造成极大的经济损失和资源浪费。

传统的修复方法进行修复，即在过流、打火处用铜皮重做焊盘的方法进行线路的修复。这种人工线路修复的方法，一方面对技术工人的要求高，技术工人应熟悉掌握的故障检测技术以及对精细线路的拆焊、重焊技术，另一方面这种方法也不能完全保证能修复线路，因此在耗费人力和时间成本的同时，却不能有效地提高生产效率。另外一种方式是先用精密螺丝刀刮去电路板上的涂层，在清理开路走线两端刷一层助焊剂，然后在上面焊锡，从而修复线路。而这种方法所使用的焊料是含铜的合金，由于合金熔点低，而纯铜的熔点高，使用含铜焊料能在不伤及基板的前提下，进行线路修复。但是对于微米级的线路，在刮出缺陷点和使用焊料修复的时候，对焊料和设备的精度要求高，对于修复精细线路还是存在一定困难，比较适合修复毫米级的线路。

另外，申请公布号为CN113194613A的发明专利申请公开了“一种PCB板的修复方法”，首先通过自动光学检测发现线路熔断的区域；接着将PCB板的线路轨迹图导出在电脑中标识出熔断线路，通过熔断线路测量出线宽和计算出熔断区域的体积，从而确定激光光斑的大小和计算出激光熔覆粉末的用量；随后通过激光光斑的大小和粉末的用量为激光熔覆的基本参数，计算激光的离焦量、激光扫描速度、送粉速率、激光功率和数控平台的移动轨迹，且采用激光设备对PCB板进行同步式激光熔覆修复。

然而上述PCB板的修复方法采用粉末作为修补材料，在对粉末进行熔覆时，粉末与空气的接触面积大，从而极易氧化。另外，采用粉末进行熔覆后会有残余的未烧结颗粒，需要进行后续的清洗，这样会增加对电路板的损害。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供了一种PCB线路增材修复系统，所述PCB线路增材修复系统采用丝材为修补材料对PCB板进行修复，在丝材进行熔覆的过程中，丝材与空气的接触面积小，不易氧化。另外，采用丝材进行熔覆后不会有残余的未烧结颗粒，不需要进行后续的清洗，这样可以减少对PCB板的损害。

本发明的另一个目的在于提供一种PCB线路增材修复方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种PCB线路增材修复系统，包括机架、设置在机架上的工作台、用于驱动所述工作台做三维移动的三维驱动装置、送丝装置、用于对送丝装置输送出来的丝材的表面涂上助焊剂的涂层涂覆装置、用于将涂层涂覆装置中出来的丝材搬运到PCB板中的待修复位置的搬运装置、激光发射装置以及控制装置，其中，

所述工作台上设置有用于安装PCB板的承载部，所述PCB板安装在所述承载部；该工作台的下端设置有加热器；

所述三维驱动装置包括用于驱动工作台在X方向运动的X轴驱动机构、用于驱动工作台在Y方向运动的Y轴驱动机构以及用于驱动工作台在Z方向运动的Z轴驱动机构；

所述送丝装置包括送丝器和真空张紧装置，其中，所述送丝器位于所述工作台的上方；丝材从所述送丝器出来后，经过所述真空张紧装置进入所述涂层涂覆装置中；

所述涂层涂覆装置用于在所述丝材表面涂上助焊剂，该涂层涂覆装置包括涂层涂覆箱体，所述涂层涂覆箱体内装有助焊剂，该涂层涂覆箱体中设置有进口和出口，自所述送丝器出来的丝材从所述涂层涂覆箱体的进口进去，出口出来；

所述搬运装置包括线夹和劈刀，其中，自所述涂层涂覆箱体的出口出来的丝材的表面覆上助焊剂后，经过所述线夹的夹紧口后，通过所述劈刀将其定位到所述PCB板上；

所述激光发射装置位于所述工作台的上方，用于完成丝材在PCB板上的熔覆；

所述控制装置包括图像采集装置、上位机以及下位机，其中，所述图像采集装置用于采集位于工作台上的PCB板的图像信息，并上传给上位机；所述下位机通过控制线分别与加热器、X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构、送丝器、激光发射装置连接；所述上位机通过数据传输线与所述下位机连接，该上位机将图像采集模块上传的图像信息进行处理后，将对应的控制信息传输给下位机，所述下位机据此生成控制程序驱动被控制模块动作。

优选的，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构均采用电机与丝杆传动机构组合的驱动方式，或者采用电动推杆，亦或者采用驱动气缸。

优选的，所述助焊剂为黑色染料，用于在丝材表面涂上黑色涂层。

一种PCB线路增材修复方法，包括以下步骤：

S1、通过图像采集装置对PCB板中的线路进行图像采集，并将采集到的图像信息上传给上位机，所述上位机据此测量出PCB板中损坏线路的线宽；

S2、所述上位机通过测量出的线路线宽来选用对应直径的丝材作为修补材料，同时计算出修补线路所需要的丝材的总体积，以此确定出所需的丝材用量；

S3、所述上位机通过丝材用量计算出熔覆过程中所需吸收的热量，以此计算出激光功率、激光光斑大小以及送丝器的送丝速度，并生成控制信息传输给下位机，所述下位机控制各个模块工作，包括以下步骤：

S31、送丝器将丝材送进涂层涂覆箱体中，所述丝材从所述涂层涂覆箱体中穿过后，该丝材表面被涂上一层助焊剂；

S32、三维驱动装置带动工作台做水平运动，使得所述PCB板中的待修补线路的一端位于劈刀的正下方，所述三维驱动装置带动所述工作台上升，使得所述劈刀在所述PCB板上定位第一个定位点，同时该劈刀将所述丝材的一端压紧在所述第一个定位点上，所述激光发射装置发射激光，使得该丝材的一端焊接在该第一个定位点上；接着，线夹松开丝材，所述三维驱动装置以该第一个定位点为基准，带动工作台运动，从而将丝材牵引出来并通过劈刀压紧在所述PCB板中的待修补线路的另一端，此后，所述线夹再次夹紧丝材；随后，所述激光发射装置对位于所述PCB板上的丝材进行照射，促使其熔覆到PCB板上，完成对PCB板的修复。

优选的，所采用的丝材的直径在1-50μm之间，且该丝材为T2紫铜丝。

优选的，所述激光发射装置为532nm连续绿光激光器，产生的激光光斑小于50μm。

优选的，所述工作台为微米级数控平台，所述微米级数控平台的移动精度为5μm。

优选的，在步骤S32中，在熔覆的过程中需要对丝材喷保护气以减少氧化。

优选的，所述送丝器的送丝直径为1-50μm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的PCB线路增材修复系统采用丝材为修补材料对PCB板进行修复，在丝材进行熔覆的过程中，丝材与空气的接触面积小，不易氧化。

2、本发明的PCB线路增材修复系统采用丝材进行熔覆后不会有残余的未烧结颗粒，不需要进行后续的清洗，这样可以减少对PCB板的损害。

3、本发明的PCB线路增材修复系统采用丝材作为修补材料，由于丝材柔软，在室温条件下易于拉直、弯曲；因此该丝材可快速高效率地精确成形，且成形时需要的作用力很小，故而消耗的能量很少。

4、本发明的PCB线路增材修复方法的工艺步骤简单，稳定可靠，操作方便，容易实施，生产成本较低，适用于大批量工业生产，且应用范围广，市场前景好。

附图说明

图1为本发明的PCB线路增材修复系统的结构示意图。

图2为本发明的PCB线路增材修复方法的流程示意图。

图3为本发明的PCB线路增材修复方法的激光发射装置和工作台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1-图3，本发明的PCB线路增材修复系统包括机架104、设置在机架104上的工作台103、用于驱动所述工作台103做三维移动的三维驱动装置、送丝装置、用于对送丝装置输送出来的丝材的表面涂上助焊剂的涂层涂覆装置、用于将涂层涂覆装置中出来的丝材搬运到PCB板101中的待修复位置的搬运装置、激光发射装置113以及控制装置。

参见图1-图3，所述工作台103上设置有用于安装PCB板101的承载部，所述PCB板101安装在所述承载部；该工作台103的下端设置有加热器102，用于对工作台103上的PCB板101进行预热。

参见图1-图3，所述三维驱动装置包括用于驱动工作台103在X方向运动的X轴驱动机构105、用于驱动工作台103在Y方向运动的Y轴驱动机构106以及用于驱动工作台103在Z方向运动的Z轴驱动机构107；其中，所述X轴驱动机构105、Y轴驱动机构106、Z轴驱动机构107的具体结构可以参照市面上现有的装置实施，例如所述X轴驱动机构105、Y轴驱动机构106、Z轴驱动机构107均采用电机与丝杆传动机构组合的驱动方式，或者采用电动推杆，亦或者采用驱动气缸。

参见图1-图3，所述送丝装置包括送丝器108和真空张紧装置109，其中，所述送丝器108位于所述工作台103的上方；其中，所述丝材从所述送丝器108出来后，经过所述真空张紧装置109进入所述涂层涂覆装置中；其中，所述真空张紧装置109采用现有的装置实施，用于保证丝材处于绷紧状态，以便于输送。

参见图1-图3，所述涂层涂覆装置用于在丝材表面涂上助焊剂，该涂层涂覆装置包括涂层涂覆箱体110，所述涂层涂覆箱体110内装有助焊剂，该涂层涂覆箱体110中设置有进口和出口，自所述送丝器108出来的丝材从所述涂层涂覆箱体110的进口进去，出口出来，其中，所述助焊剂为黑色染料，用于在丝材表面涂上黑色涂层；通过在丝材表面增加黑色涂层,当进入熔池的丝材表面有了助焊剂后,激光作用熔池时产生热辐射，此时在同等激光作用时间下丝材熔化时将会吸收更多能量，激光能量利用率更高，从而能够使丝材充分熔化，且熔化后的润湿性更好，有利于线路的形成。

参见图1-图3，所述搬运装置包括线夹111和劈刀112，其中，自所述涂层涂覆箱体110的出口出来的丝材的表面覆上助焊剂后，经过所述线夹111后，通过所述劈刀112定位到所述PCB板101上。

参见图1-图3，所述激光发射装置113位于所述工作台103的上方，用于完成丝材在PCB板101上的熔覆；其中，本实施例中的激光发射装置113为532nm连续绿光激光器，产生的激光光斑小于50μm。用于采用连续型激光，可以得到很窄的线宽，激光单色性好，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度，使得激光熔覆具有高能量密度、加热快、加热区域小、热影响区域小、对电路板损伤较小的优点，可以快速熔覆高熔点的丝材；进而使得本发明的PCB线路增材修复方法能修复微米级线路，提高了修复精度。另外，所述激光发射装置113发出的激光为绿光，对比红外光而言，可以提高铜丝材对激光的吸收率，提高熔覆效率。

参见图1-图3，所述控制装置包括图像采集装置、上位机114以及下位机115，其中，所述图像采集装置用于采集位于工作台103上的PCB板101的图像，并上传给上位机114；所述下位机115通过控制线分别与加热器102、X轴驱动机构105、Y轴驱动机构106、Z轴驱动机构107、送丝器108、激光发射装置113对应连接；所述上位机114通过数据传输线与所述下位机115连接，该上位机114将图像采集模块上传的图像信息进行处理后，将对应的控制信息传输给所述下位机115，所述下位机115据此生成控制程序驱动被控制机构按程序进行相应的动作。

参见图1-图3，本发明的PCB线路增材修复方法，包括以下步骤：

S1、通过图像采集装置对PCB板101中的线路进行图像采集，并将采集到的图像信息上传给上位机114，所述上位机114据此测量出PCB板101中损坏线路的线宽；

S2、所述上位机114通过测量出的线路线宽来选用对应直径的丝材作为修补材料，同时计算出修补线路所需要的丝材的总体积，以此确定出所需的丝材用量；

S3、所述上位机114通过丝材用量计算出熔覆过程中所需吸收的热量，以此计算出激光功率、激光光斑大小以及送丝器108的送丝速度，并生成控制信息传输给下位机115，所述下位机115控制各个模块工作，包括以下步骤：

S31、送丝器108将丝材送进涂层涂覆箱体110中，该丝材从所述涂层涂覆箱体110中穿过后，该丝材表面被涂上一层助焊剂；

S32、三维驱动装置带动工作台103做水平运动，使得所述PCB板101中的待修补线路的一端位于劈刀112的正下方，所述三维驱动装置带动所述工作台103上升，使得所述劈刀112在所述PCB板101上定位第一个定位点，同时该劈刀112将所述丝材的一端压紧在所述第一个定位点上，所述激光发射装置113发射激光，使得该丝材的一端焊接在该第一个定位点上；接着，线夹111松开丝材，所述三维驱动装置以该第一个定位点为基准，带动工作台103运动，从而将丝材牵引出来并通过劈刀112压紧在所述PCB板101中的待修补线路的另一端，同时，所述线夹111再次夹紧丝材；随后，所述激光发射装置113对位于所述PCB板101上的丝材进行照射，促使其熔覆到PCB板101上，完成对PCB板101的修复，其中，在熔覆的过程中需要对丝材喷保护气以减少氧化。

在本实施例中，所采用的丝材为T2紫铜丝，直径在1-50μm，而采用的工作台103为微米级数控平台，移动精度为5μm。另外，由于一般多层PCB电路板单层厚度超过50μm，所用丝材直径在50μm以下，因此本发明的PCB线路增材修复方法可用于修复多层电路板；此外，随着送丝器108的送丝速度的增加，对应的熔覆效率也可以随之提高。

实施例2

本实施例以修复电路板上长度为100微米，宽度为50微米的缺陷线路为例。

(1)、激光光斑直径选用50μm；

(2)、计算相应值：

(2-1)所需铜丝体积：

V＝πr²L＝π×0.025mm×0.025mm×0.1mm＝1.963×10^-4mm³＝1.963×10^-7cm³；

(2-2)铜丝重量：

m铜＝ρ铜×V铜

＝8960g/cm³×1.963×10^-7cm³＝1.759×10^-3g＝1.759×10^-6kg；

(2-3)铜丝融化所需热量：

Q铜＝m铜×(T1-T2)×C铜+m铜/M铜×q＝1.759××10^-6kg×(1083.4℃-25℃)×0.39kJ/(kg·℃)+(1.759×10^-6kg/6.3556×10^-2kg/mol)×13.02kJ/mol＝7.26×10^-4kJ+3.60×10^-4kJ＝10.86×10^-4kJ＝1.086J；

(2-4)激光器采用的是同步送丝的绿光激光器，波长为532mm，铜在此波长下吸收率为63％，所需总功为：

W总＝Q铜/63％＝1.723J；

当激光光斑直径为50μm时，测得激光功率P＝4W，经过试验，当激光功率为4W时，在待检测电路板上停留超过1s会使表面的环氧树脂层烧损，所以激光停留时间需小于1s；激光实际停留时间：

t停＝W总/P＝1.723J/4W＝0.431s＜1s；

此时，送丝器的送丝速度为：

V丝＝50μm/0.431s＝116.01μm/s；

把各项数据输入电控系统中，对线路板进行修复。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PCB线路增材修复系统，其特征在于，包括机架、设置在机架上的工作台、用于驱动所述工作台做三维移动的三维驱动装置、送丝装置、用于对送丝装置输送出来的丝材的表面涂上助焊剂的涂层涂覆装置、用于将涂层涂覆装置中出来的丝材搬运到PCB板中的待修复位置的搬运装置、激光发射装置以及控制装置，其中，

所述工作台上设置有用于安装PCB板的承载部，所述PCB板安装在所述承载部；该工作台的下端设置有加热器；

所述三维驱动装置包括用于驱动工作台在X方向运动的X轴驱动机构、用于驱动工作台在Y方向运动的Y轴驱动机构以及用于驱动工作台在Z方向运动的Z轴驱动机构；

所述送丝装置包括送丝器和真空张紧装置，其中，所述送丝器位于所述工作台的上方；丝材从所述送丝器出来后，经过所述真空张紧装置进入所述涂层涂覆装置中；

所述涂层涂覆装置用于在所述丝材表面涂上助焊剂，该涂层涂覆装置包括涂层涂覆箱体，所述涂层涂覆箱体内装有助焊剂，该涂层涂覆箱体中设置有进口和出口，自所述送丝器出来的丝材从所述涂层涂覆箱体的进口进去，出口出来；

所述搬运装置包括线夹和劈刀，其中，自所述涂层涂覆箱体的出口出来的丝材的表面覆上助焊剂后，经过所述线夹的夹紧口后，通过所述劈刀将其定位到所述PCB板上；

所述激光发射装置位于所述工作台的上方，用于完成丝材在PCB板上的熔覆；

所述控制装置包括图像采集装置、上位机以及下位机，其中，所述图像采集装置用于采集位于工作台上的PCB板的图像信息，并上传给上位机；所述下位机通过控制线分别与加热器、X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构、送丝器、激光发射装置连接；所述上位机通过数据传输线与所述下位机连接，该上位机将图像采集模块上传的图像信息进行处理后，将对应的控制信息传输给下位机，所述下位机据此生成控制程序驱动被控制模块动作。

2.根据权利要求1所述的PCB线路增材修复系统，其特征在于，所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构均采用电机与丝杆传动机构组合的驱动方式，或者采用电动推杆，亦或者采用驱动气缸。

3.根据权利要求1所述的PCB线路增材修复系统，其特征在于，所述助焊剂为黑色染料，用于在丝材表面涂上一层黑色涂层。

4.一种用于权利要求1-3任一项所述的PCB线路增材修复系统的PCB线路增材修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过图像采集装置对PCB板中的线路进行图像采集，并将采集到的图像信息上传给上位机，所述上位机据此测量出PCB板中损坏线路的线宽；

S2、所述上位机通过测量出的线路线宽来选用对应直径的丝材作为修补材料，同时计算出修补线路所需要的丝材的总体积，以此确定出所需的丝材用量；

S3、所述上位机通过丝材用量计算出熔覆过程中所需吸收的热量，以此计算出激光功率、激光光斑大小以及送丝器的送丝速度，并生成控制信息传输给下位机；所述下位机控制各个功能模块工作，包括以下步骤：

S31、送丝器将丝材送进涂层涂覆箱体中，所述丝材从所述涂层涂覆箱体中穿过后，该丝材表面被涂上一层助焊剂；

S32、三维驱动装置带动工作台做水平运动，使得所述PCB板中的待修补线路的一端位于劈刀的正下方，所述三维驱动装置带动所述工作台上升，使得所述劈刀在所述PCB板上定位第一个定位点，同时该劈刀将所述丝材的一端压紧在所述第一个定位点上，所述激光发射装置发射激光，使得该丝材的一端焊接在该第一个定位点上；接着，线夹松开丝材，所述三维驱动装置以该第一个定位点为基准，带动工作台运动，从而将丝材牵引出来并通过劈刀压紧在所述PCB板中的待修补线路的另一端，此后，所述线夹再次夹紧丝材；随后，所述激光发射装置对位于所述PCB板上的丝材进行照射，促使其熔覆到PCB板上，完成对PCB板的修复。

5.根据权利要求4所述的PCB线路增材修复方法，其特征在于，所采用的丝材的直径在1-50μm之间，且该丝材为T2紫铜丝。

6.根据权利要求4所述的PCB线路增材修复方法，其特征在于，所述激光发射装置为532nm连续绿光激光器，产生的激光光斑小于50μm。

7.根据权利要求4所述的PCB线路增材修复方法，其特征在于，所述工作台为微米级数控平台，所述微米级数控平台的移动精度为5μm。

8.根据权利要求4所述的PCB线路增材修复方法，其特征在于，在步骤S32中，在熔覆的过程中需要对丝材喷保护气以减少氧化。

9.根据权利要求4所述的PCB线路增材修复方法，其特征在于，所述送丝器的送丝直径为1-50μm。

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