CN115091063B - 一种飞秒激光内孔壁加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞秒激光内孔壁加工装置，包括飞秒设备和定位设备，用于对工件上的导电孔孔壁进行处理，所述导电孔为通孔，还包括工件台和偏光装置；所述工件台包括用于放置工件的台板，台板上设置有中通孔，所述导电孔与所述中通孔对齐；所述偏光装置包括设置在导电孔中心线上的自转杆，所述自转杆顶部设置有反射镜；飞秒设备发出的激光光束发射到反射镜上，经过反射后，垂直作用于导电孔孔壁；自转杆相对于工件台匀速运动或同频间歇运动。本发明飞秒激光加工内孔壁装置处理后的PCB层叠板导电内孔壁平滑，规避了PCB层叠板导电内孔壁表面质量有损和有斜度的缺陷，通电后不出现因为内孔壁质量不高产生的高压放电击穿等问题。

Description

一种飞秒激光内孔壁加工装置

技术领域

本发明属于PCB板加工设备领域，涉及PCB板导电孔加工设备。

背景技术

在较早的技术研发工作中，申请人制备得到如图6所示的PCB层叠板300，PCB层叠板300是由多个PCB复合板经过精准对齐压制得到，PCB板中部制作有导电孔301，导电孔301为通孔。随着PCB板应用领域的技术升级，使用条件越来越高，在制作PCB层叠板时，对于导电孔内表面质量要求也越来越高。使用PCB层叠板300时，导电孔301紧密套设在导电金属棒上，这就要求导电孔表面质量无损。

在完成本发明的过程中，发明人尝试了多种PCB板通内孔壁处理方案。

常规加工方式是采用机加工，但是机加方法是有损加工，满足不了高质量产品表面要求，PCB板导电内孔壁的表面质量不能再通过用户验收，一些层叠PCB板或多层PCB板采用机加工方式制孔，就会出现高压放电击穿现象。

飞秒激光是人类在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，在瞬间发出的功率巨大。在微加工领域，由于飞秒激光对材料周围影响极小，能安全地切割、打孔、雕刻，甚至能够应用于电子行业集成电路的光刻工艺中。申请人初步认为飞秒激光加工也能够用于电子行业制作PCB板的通孔。

发明人尝试应用了传统激光飞秒工艺，依然不能满足用户需求。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题中的一个问题：

A、 现有技术中，出现了使用激光束包括飞秒激光在工件表面打孔的技术手段，但这些现有方案中，钻孔方式包括冲孔和非冲孔法，非冲孔法包含环切法、螺旋法、同心圆加工法等。这些技术手段目的仅在于在工件上打孔，并不能使孔的内壁表面达到无损状态。

B、在飞秒加工过程中有个致命缺陷（目前市面上的飞秒激光加工都有这种通病），飞秒加工每次击穿PCB工件厚度为0.3~0.5丝，而PCB工件的厚度为30mm左右，因此，飞秒加工时，不能一次直接将工件完全击穿，需环切或螺旋切，如同镗刀一层一层处理打孔部位，每处理一层，孔壁就出现一层凹槽，最终使得通内孔壁出现锯齿状，参见图7，锯齿孔301a的横截面为锯齿形状，该锯齿的尖端会成为高压尖端放电部位，导致导电金属棒被击穿，且PCB层叠板的寿命会因此缩短，甚至直接损坏。

C、现有飞秒激光设备不能对孔的内壁进行处理。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种能够使内孔壁平滑的飞秒激光内孔壁加工装置。

发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种飞秒激光内孔壁加工装置，包括飞秒设备和定位设备，用于对工件上的导电孔孔壁进行处理，所述导电孔为通孔，还包括工件台和偏光装置；所述工件台包括用于放置工件的台板，台板上设置有中通孔，所述导电孔与所述中通孔对齐；所述偏光装置包括设置在导电孔中心线上的自转杆，所述自转杆顶部设置有反射镜；飞秒设备发出的激光光束发射到反射镜上，经过反射后，垂直作用于导电孔孔壁；自转杆相对于工件台匀速运动或同频间歇运动。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述台板上设置有用于夹持所述工件的夹持组件，所述夹持组件包括两相互平行的限位板，所述限位板上安装有压板，所述压板与所述台板平行。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述台板上设置有多个调节孔，所述调节孔上装配有调节螺杆，调节螺杆的螺帽端位于台板下方。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述压板下方设置有压条。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述工件台还包括固定板和支撑板，台板连接支撑板，支撑板连接固定板，固定板连接电动平台组件。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述自转杆由联动组件驱动，并在导电孔的中心线上匀速或同频间歇式运动，使飞秒激光能够处理到导电孔全部内壁。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述联动组件包括驱动自转杆自转的伺服电机，包括驱动自转杆在X轴和Y轴平面上微移的XY轴微调滑台，包括驱动自转杆在Z轴方向移动的直线滑台。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述自转杆与伺服电机的动力输出轴连接，所述伺服电机与XY轴微调滑台通过法兰盘连接，所述XY轴微调滑台与直线滑台通过L型连接板连接。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述联动组件通过转接板安装在飞秒设备上。

根据本发明飞秒激光内孔壁加工装置的一个实施方式，所述伺服电机设置在中通孔下方。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

a)本发明通过设置偏光装置，使飞秒激光束在孔内偏转后，垂直打在内孔壁上，并在联动组件的协同下，使光束打击点覆盖内孔壁所有区域，解决现有质控工艺制备得到的内孔壁表面不平滑的问题。

b)本发明飞秒激光加工内孔壁装置处理后的PCB层叠板导电内孔壁平滑，规避了PCB层叠板导电内孔壁表面质量有损和有斜度的缺陷，通电后不出现因为内孔壁质量不高产生的高压放电击穿等问题，同时满足PCB板的使用寿命要求，使用本装置能够完全满足PCB产品的合格率，PCB产品一致性高，产品质量可控。

c)本发明飞秒激光加工内孔壁装置通过设置工件台，便于飞秒设备与反射镜配合，便于固定PCB层叠板，便于调整自转杆的位置和驱动自转杆运动，使飞秒激光全面覆盖导电内孔壁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明飞秒激光加工内孔壁装置一较佳实施例的工作状态立体结构示意图。

图2是本发明飞秒激光加工内孔壁装置一较佳实施例的立体结构示意图。

图3是本发明飞秒激光加工内孔壁装置一较佳实施例中工件台立体的结构示意图。

图4是本发明飞秒激光加工内孔壁装置另一较佳实施例中工件台立体的结构示意图。

图5是本发明飞秒激光加工内孔壁装置一较佳实施例中偏光装置的结构示意图。

图6是PCB层叠板的立体结构示意图。

图7是锯齿孔剖视示意图。

图8是平滑孔剖视示意图。

图中标记分别为：

100工件台，

110台板，

111限位板，

112压板，

1121压条，

113中通孔，

114调节孔，

1141调节螺杆，

120支撑板，

130固定板，

140电动平台组件，

200偏光装置，

201法兰盘，

202L型连接板，

2021水平段，

2022竖直段，

210自转杆，

211反射镜，

220伺服电机，

230XY轴微调滑台，

2301第一微调千分尺，

2302第二微调千分尺，

240直线滑台，

203转接板，

2031第一转接板，

2032第二转接板，

300PCB层叠板，

301导电孔，

301a锯齿孔，

301b平滑孔。

具体实施方式

下面结合附图与一个具体实施例进行说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

本实施例所描述的飞秒激光内孔壁加工装置，包括飞秒设备和定位设备，用于对工件上的导电孔301内壁进行加工处理，使其内壁表面光滑。参见图1和图6，本实施例中，所述工件为PCB层叠板300，PCB层叠板300上设置有导电孔301，所述导电孔301为通孔。现有技术中，因为PCB层叠板300经过机加工、激光切割后得到的导电孔301内壁有损，如图7所示，导电孔301被加工为锯齿孔301a。在高电压条件下，锯齿孔301a处的多层PCB板之间、锯齿孔301a与导电金属棒之间，会出现放电击穿现象。当然，现有加工工艺得到的有损导电孔并不仅限于锯齿孔301a这一种类型。因此，亟需一种新的PCB层叠板300上导电孔301内壁平滑处理工艺以及实现该工艺的设备。

飞秒设备和定位设备均属于现有设备，本实施例附图中未对其进行示意。定位设备是对飞秒设备上激光发生器发出的激光光束和导电孔301中心线进行重合精准定位的设备，现有技术中包括的方式之一是将图像识别和光栅反馈相结合进行孔心快速精确定位，包括振镜扫描头组件、CCD图像采集组件、含有光栅反馈系统的电动平台组件、微机控制单元等，本发明实施例中，电动平台组件140包括X轴滑轨和Y轴滑轨。

参见图1至图5。本发明飞秒激光内孔壁加工装置还包括工件台100和偏光装置200。

对PCB层叠板300进行加工处理时，PCB层叠板300水平放置在工件台100上，导电孔301的中心线垂直于水平面，偏光装置200位于PCB层叠板300下方，飞秒设备位于PCB层叠板300上方。参见图8，飞秒设备发出的激光光束L与导电孔301的中心线重叠，竖直向下投射，经过偏光装置200（具体为反射镜211）对激光光束L进行反射处理，最终激光光束L水平投射到导电孔301的内壁上，导电孔301被处理为平滑孔301b。

因导电孔301空间限制，反射镜211进入导电孔301的伸入方向需要与激光光束L的投射方向相反，基于此，发明人设计了专用的工件台100。

具体来说，所述工件台100包括用于放置工件的台板110、固定板130和支撑板120，台板110连接支撑板120，支撑板120连接固定板130，固定板130固定连接到电动平台组件140。电动平台组件140包括X轴滑轨和Y轴滑轨，根据定位设备对导电孔301的位置识别信号，通过微机控制单元对工件台100的位置进行调整，使导电孔301中心线与飞秒激光光束L位于同一直线上。

本实施例中，台板110是一块平行于水平面的矩形平板，台板110上设置有中通孔113，所述导电孔301与所述中通孔113对齐，以便反射镜211从中通孔113进入到导电孔301内。显然，反射镜211的水平投影面小于导电孔301和中通孔113。支撑板120为两块相互平行且垂直于台板110的立板，两支撑板120的高度大于偏光装置200及其竖直方向的运动范围。两支撑板120的宽度大于偏光装置200及其水平方向的运动范围。两支撑板120左右平行设置，前后方向开口，便于偏光装置200进入到台板110下方由台板110、固定板130和支撑板120围合构成的容置空间。偏光装置200的水平段在该容置空间内在X轴、Y轴方向微调，在Z轴方向移动，容置空间的大小应充分保障偏光装置200的相对运动不受干涉。

所述台板110上设置有用于夹持PCB层叠板300的夹持组件，使PCB层叠板300在整个加工过程中不会发生位移，保证导电孔301内壁加工精度。

所述夹持组件包括两相互平行的限位板111，两限位板111之间的距离不小于PCB层叠板300的宽度，所述限位板111上安装有可拆卸的压板112，所述压板112与所述台板110平行，压板112和台板110对PCB层叠板300进行夹持固定。压板112与限位板111通过螺钉连接，压板112上设置有长条孔，可调节两压板之间的距离，调节对PCB层叠板300施压的位置。所述压板112下方设置有压条1121，压条1121位于夹持组件的内侧，即靠近中通孔113的一方。

所述台板110上设置有多个调节孔114，调节孔114为螺孔，所述调节孔114上装配有调节螺杆1141，调节螺杆1141的螺帽端位于台板110下方。本实施例中，调节孔114为四个，通过设置调节螺杆1141，可以进一步提高夹持组件夹持PCB层叠板300的夹持力。

偏光装置200是在激光发生器发射出激光光束L后，再在导电孔301内改变激光光束L的方向，使激光光束L垂直作用于导电孔301的内壁。激光光束L被偏光装置200分为入射光束和反射光束，入射光束相当于导电孔301的中心线，反射光束相当于导电孔301的半径线。

所述偏光装置200包括自转杆210，工作状态下，自转杆210在导电孔301中心线上，所述自转杆210顶部设置有反射镜211。参见图8，飞秒设备发出的激光光束L发射到反射镜211上，经过反射后，垂直作用于导电孔301孔壁。自转杆210同频间歇运动，是指以相同的频率逐环上升或逐环下降或逐条母线转动。反射光束在导电孔301内转动，逐环上升或下降，直至覆盖导电孔301内壁全域；也可以是，反射光束在导电孔301内匀速上升或下降，逐条母线旋转，直至覆盖导电孔301内壁全域；也可以是，反射光束在导电孔301内匀速螺旋转动，直至覆盖导电孔301内壁全域。反射光束的上升、下降、旋转等现象都是由联动组件驱动的。最终加工得到平滑孔301b。

所述自转杆210由联动组件驱动，并在导电孔301的中心线上匀速或同频间歇式运动，使飞秒激光能够处理到导电孔301的全部内壁。

所述联动组件包括驱动自转杆210自转的伺服电机220，所述自转杆210与伺服电机220的动力输出轴连接。伺服电机220推荐采用盘式微型伺服电机。

所述联动组件包括驱动自转杆210在X轴和Y轴平面上微移的XY轴微调滑台230，XY轴微调滑台230包括X轴位移组件和Y轴位移组件，X轴位移组件通过第一微调千分尺2301进行位置微调，Y轴位移组件通过第二微调千分尺2302进行位置微调。XY轴微调滑台230与伺服电机220通过法兰盘201连接。在XY轴微调滑台230的位置调整下，伺服电机220与自转杆210一同在平面上进行位置微调。当然，调整XY轴的位置关系仅在于飞秒处理前，用于反射镜211与飞秒激光光束的对齐。

所述联动组件包括驱动自转杆210在Z轴方向移动的直线滑台240。直线滑台240包括固定单元和滑动单元，滑动单元通过L型连接板202与XY轴微调滑台230连接。L型连接板202包括相互垂直的水平段2021和竖直段2022，XY轴微调滑台230安装在水平段2021末端，滑动单元连接竖直段2022。本实施例中，竖直段2022始终位于台板110水平投射区域以外，即，通过水平段2021的延伸，将XY轴微调滑台230、伺服电机220与自转杆210一同置于中通孔113下方，保证自转杆210从下而上穿过中通孔113，并伸入导电孔301内。直线滑台240在竖直方向的滑动距离不小于中通孔113与导电孔301的总长度。

直线滑台240的固定单元通过转接板203安装在飞秒设备上，本实施例中，所述固定设置为飞秒设备。本实施例中，转接板203包括竖直设置的第一转接板2031和水平方向设置的第二转接板2032，第一转接板2031与直线滑台240连接，第二转接板2032与飞秒设备连接，最终使反射镜211位于飞秒设备激光发射器的正下方。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种飞秒激光内孔壁加工装置，包括飞秒设备和定位设备，用于对工件上的导电孔孔壁进行处理，所述导电孔为通孔，其特征在于，还包括工件台和偏光装置；所述工件台包括用于放置工件的台板，台板上设置有中通孔，所述导电孔与所述中通孔对齐；所述台板上设置有用于夹持所述工件使工件不发生位移的夹持组件；所述偏光装置包括设置在导电孔中心线上的自转杆，所述自转杆顶部设置有反射镜；飞秒设备发出的激光光束发射到反射镜上，经过反射后，垂直作用于导电孔孔壁；所述自转杆由联动组件驱动，并在导电孔的中心线上匀速或同频间歇式运动，使飞秒激光能够处理到导电孔全部内壁。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述夹持组件包括两相互平行的限位板，所述限位板上安装有压板，所述压板与所述台板平行。

3.根据权利要求1或2所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述台板上设置有多个调节孔，所述调节孔上装配有多个调节螺杆，调节螺杆的螺帽端位于台板下方。

4.根据权利要求2所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述压板下方设置有压条。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述工件台还包括固定板和支撑板，台板连接支撑板，支撑板连接固定板，固定板连接电动平台组件。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述联动组件包括驱动自转杆自转的伺服电机，包括驱动自转杆在X轴和Y轴平面上微移的XY轴微调滑台，包括驱动自转杆在Z轴方向移动的直线滑台。

7.根据权利要求6所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述自转杆与伺服电机的动力输出轴连接，所述伺服电机与XY轴微调滑台通过法兰盘连接，所述XY轴微调滑台与直线滑台通过L型连接板连接。

8.根据权利要求6或7所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述联动组件通过转接板安装在飞秒设备上。

9.根据权利要求6所述的飞秒激光内孔壁加工装置，其特征在于，所述伺服电机设置在中通孔下方。

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