基本信息
- 项目名称：
- 激光快速PCB加工系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品将大功率405nm半导体激光应用在PCB曝光加工中，使用FPGA进行控制，构建基于F-theta透镜组的激光扫描系统，配合精密的步进机械装置，将大大提高PCB加工的速度和精度。
- 详细介绍：
- 传统PCB加工多采取胶片曝光和化学蚀刻的模式，流程复杂，耗时长，精度不高；而机械雕刻PCB的方法则一次投资高、对覆铜板平整度要求苛刻。本作品利用激光扫描成像技术，实现PCB的快速曝光加工，不仅适用于实验室和研究人员，而且具有很好的工业应用前景。 四大特色 ◆ 在曝光中引入激光扫描成像技术，取代胶片和曝光机，快速方便，保证精度，环保低碳。 ◆ 首次在PCB加工中使用大功率405nm半导体激光，成本低，结构紧凑，寿命理想，填补相关空白。 ◆ 借助激光扫描快速完成感光油墨和感光阻焊剂曝光，淘汰古老的丝印工艺和阻焊剂遮挡曝光工艺。 ◆ 成本低，产业化前景好，拓展系统可采用脉冲激光直接雕刻PCB，引发PCB快速加工领域的光电革命。 系统设计 本作品集光电机算为一体，设计了更加经济、快速、方便、精确的PCB曝光加工技术。使用扫描光学系统实现X方向，使用与光学成像精度匹配的滚珠丝杠实现Y方向步进运动，最终达到激光扫描成像的目的。 光学设计： 1. 采用高速无刷电机驱动的四棱反射镜作为光扫描器件； 2. 设计了适合405nm大功率激光的F-theta透镜组，结合平面反射镜，搭建光学扫描系统，实现X方向的一维光扫描并通过透镜组的设计对扫描的线性度和精度进行优化； 3. 在扫描光路适当位置设置光敏器件，提高了扫描行同步信号的检测精度； 4. 理论分析了光束截面的无缝拼接，设计了六边形光束整形方案。 电子电路设计： 1. 使用FPGA搭建实现系统互连集成，并在其中实现基于FIFO的高速实时并串转换逻辑，得到高速串行激光通断信号； 2. 选用了技术成熟的半导体激光电流驱动芯片，设计了激光驱动电路，其拥有很短的边沿时间，驱动激光输出可以得到极为锐利的曝光边缘； 3. 通过光敏二极管检测高速扫过的激光束，并设计了高速光电转换电路，实现行同步信号输出； 4. 在FPGA中实现了带动转镜的无刷电机的转速精确控制和带动滚珠丝杠的步进电机的步进转动控制; 机械设计： 1. 使用精密滚珠丝杠滑台，带动移动平台作精确步进运动，最小步进位移7.5um； 2. 设计了小型化、稳定性好的光学系统支架。 计算机程序设计： 1. 进行了上位机程序开发，实现多种流行的CAD软件加工输出格式到扫描加工二进制代码的转换； 2. 2. 基于C++/CLR技术设计了友好的人机界面，操作系统兼容性好，实现PC机和加工系统间的数据通信与加工参数设置，使用方便快捷。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品集光电机算为一体，设计了更加经济、快速、方便、精确的PCB曝光加工技术。 光学设计：1. 采用高速无刷电机驱动的四棱反射镜作为光扫描器件； 2. 设计了适合405nm大功率激光的F-theta透镜组，结合平面反射镜，搭建光学扫描系统，实现X方向的一维光扫描并通过透镜组的设计对扫描的线性度和精度进行优化； 3. 在扫描光路适当位置设置光敏器件，提高了扫描行同步信号的检测精度； 4. 理论分析了光束截面的无缝拼接，设计了六边形光束整形方案。 电子电路设计：1. 使用FPGA搭建实现系统互连集成，并在其中实现基于FIFO的高速实时并串转换逻辑，得到高速串行激光通断信号； 2. 选用了技术成熟的半导体激光电流驱动芯片，设计了激光驱动电路，其拥有很短的边沿时间，驱动激光输出可以得到极为锐利的曝光边缘； 3. 通过光敏二极管检测高速扫过的激光束，并设计了高速光电转换电路，实现行同步信号输出； 4. 在FPGA中实现了带动转镜的无刷电机的转速精确控制和带动滚珠丝杠的步进电机的步进转动控制; 机械设计：1. 使用精密滚珠丝杠滑台，带动移动平台作精确步进运动，最小步进位移7.5um； 2. 设计了小型化、稳定性好的光学系统支架。 计算机程序设计：1.进行了上位机程序开发，实现多种流行的CAD软件加工输出格式到扫描加工二进制代码的转换；2.基于C++/CLR技术设计了友好的人机界面，操作系统兼容性好，实现PC机和加工系统间的数据通信与加工参数设置，使用方便快捷。
科学性、先进性
- 传统PCB快速加工多采取胶片曝光和化学蚀刻的模式，流程复杂，耗时长，精度不高。 本作品把近年来使用成本逐渐降低的蓝紫色半导体激光器应用在PCB快速加工中，使用简洁、稳定的光扫描系统和精确、人性化的控制系统，在低成本的前提下实现了快速一次曝光，不仅为实验室和PCB开发者提供了更为高效实用的解决方案，在工业生产中也具有很高的实际应用价值。 项目对短脉冲及超短脉冲激光直接烧蚀PCB系统的分析和研究为新一代PCB快速高密度加工提供了更加理想化和更具前瞻性的解决方案。
获奖情况及鉴定结果
- 天津大学“挑战杯”第八届学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 拟采取方式：专利转让、技术支持、授权制造
作品可展示的形式
- 图片 现场演示 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作为激光快速加工领域的技术创新，本系统提供了集光、机、电、算为一体的快速PCB加工解决方案，省去了繁琐的胶片曝光工艺，方便快捷，准确度高，成本低，受覆铜板表面平整度影响较小，同时省去了中间物料成本，环保低碳。 本系统不仅填补了相关技术领域的空白，而且还面向目前较为空缺的少量快速PCB市场空间，主要适用于实验室及企业PCB开发者，尤其是需要快速制作精度较高的PCB样板的场合，具有很高的市场价值。 本技术具有很高的可拓展性，既可向综合化、一体化的中低端市场发展，也可在对光源进行更进一步的升级改造后，进入工业快速高密度互连PCB生产领域，从根本上改变相关工艺，迎来PCB工业的光电时代。
同类课题研究水平概述
- 目前PCB加工制造主要应用于两个方向：快速加工和批量制造。 快速加工多用于单层或双层PCB的快速少量生产，常规工艺分为两种：一是用打印胶片使感光覆铜板感光成像，或者对覆铜板进行热转印，再经化学蚀刻工艺得到电路，此种制作方法耗时较长，精度不高；二是使用机械雕刻机对覆铜板直接进行雕刻，此种方法对覆铜板的平整度要求苛刻，且雕刻机的投资较高，难以普及推广。 在批量制造领域，常规工艺是用覆铜箔层压板为基板，经网版印刷或光致成像形成抗蚀线路图形，由化学蚀刻得到电路；若是双面或多层PCB还要进行孔金属化与电镀，实现层间电路互连。其中光致成像工艺指的是光绘技术，即采用光绘机在二维平面上借助二维移动工作台和变换的镜头，对胶片成像或者对感光覆铜板直接成像，其投资较高，单次成像较长，耗费的中间物料较多。 而在激光等技术突飞猛进的今天，PCB制造加工主要朝向着两个方面发展：一是更快更方便，采用改进的工艺，能够迅速满足PCB开发者和小型生产厂家快速生产PCB的需要；二是更加精密，采取高密度互连（HDI）技术，实现精密导线化、微细孔径化的PCB制造，目前在手机中PCB主板微细导线(50～75μm/50～75μm,导线宽度/间距)已成为主流,此外导电层、板厚薄型化都是如今PCB朝向精密方向发展的重要标志。 在快速制造领域，国外一些公司有相关的新型技术。采用高功率调Q激光直接实现PCB的快速雕刻，但其使用的激光光源并不理想，精度与传统工艺相比并未有本质突破，而设备成本居高不下，难以大规模普及。
