激光熔覆打印机及线路板的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光熔覆打印机，其包括工作台、位置检测系统、激光系统、扫描系统、位置调节装置及控制系统。该激光熔覆打印机可以替代现有部分线路板的制作工序，达到在陶瓷、高分子材料等耐高温基板上打印线路板直接制作线路板线路的效果，线路板的制作过程简单，成本低且不具有污染性。此外，本发明还涉及一种使用该激光熔覆打印机的线路板的制作方法。
【专利说明】激光熔覆打印机及线路板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及线路板制作领域，尤其涉及一种用线路板线路制作的激光熔覆打印机及使用该打印机的线路板的制作方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，电子产品的小型化和高集成度发展对印制线路板(PCB)的制作提出前所未有的高要求。虽然目前PCB板制作的相关技术得到了迅猛发展，例如CO2激光钻孔技术和LDI激光直接成像技术等的发展都给PCB行业注进了新的动力。但传统的PCB制作工序纷繁复杂，包括开料、前处理、影像转移、铜面粗化、蚀刻、钻孔、沉铜、电镀、压合、绿油、成型等。由于复杂的工序导致了整个过程需要大量的人力物力财力，使得PCB的制作成本偏高，而且电镀、粗化等工序的存在使得制作过程具有污染性。加上多层印制线路板的需求量增加，PCB制作流程需要不断循环，提升了废品率的同时也加重了成本和污染。
【发明内容】
[0003]基于此，有必要提供一种制作工序相对简单、成本较低且不具有污染性的用于PCB线路制作的激光熔覆打印机及使用该打印机的线路板的制作方法。
[0004]一种激光熔覆打印机，包括工作台、位置检测系统、激光系统、扫描系统、位置调节装置及控制系统；所述控制系统综合控制所述位置检测系统、所述激光系统、所述扫描系统及所述位置调节装置；所述工作台用于承载并固定待加工的线路板基板；所述位置检测系统检测所述线路板基板的位置及厚度信息并将所述位置及厚度信息发送至所述控制系统；所述激光系统发射的激光传输至所述扫描系统；所述扫描系统包括旋转棱镜及Θ扫描镜组，所述激光经所述旋转棱镜反射后通过所述Θ扫描镜组投射到所述线路板基板的预设位置上作线性扫描；所述位置调节装置用于控制所述工作台在所述工作台平面内沿垂直于所述激光扫描路径的方向运动、在所述工作台平面内旋转运动或沿垂直于所述工作台平面的方向运动。
[0005]在其中一个实施例中，所述位置检测系统包括CXD图像传感器及厚度检测装置，所述位置检测系统与所述工作台配合获取所述线路板基板的位置信息，所述厚度检测装置检测所述线路板基板的厚度信息并发送至所述控制系统。
[0006]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以及用于调节所述激光的能量和光束直径的激光控制器，所述激光器发射的激光依次通过所述光隔离器及所述激光控制器。
[0007]在其中一个实施例中，所述激光熔覆打印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。
[0008]在其中一个实施例中，所述激光熔覆打印机还包括用于向所述线路板基板上铺设预设厚度的金属粉的铺粉装置。[0009]在其中一个实施例中，所述激光熔覆打印机还包括吸附装置和抽真空装置，所述吸附装置设在所述工作台上并与所述抽真空装置相连用于吸附所述线路板基板。
[0010]一种线路板的制作方法，其特征在于，使用上述任一实施例所述的激光熔覆打印机，所述制作方法包括如下步骤:
[0011]所述控制系统获知待加工区域，并对所述待加工区域进行栅格化处理，将所述待加工区域分割成多个矩形的子加工区域；
[0012]将待加工的线路板基板固定在所述工作台上；
[0013]所述控制系统获知所述线路板基板所在的位置信息，并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；
[0014]获取所述线路板基板的厚度信息，所述控制系统通过所述运动机构调节所述工作台的高度使线路板基板的表面与待加工区域的加工基准面重合；
[0015]向所述线路板基板上铺设预设厚度的金属粉；
[0016]所述激光系统根据线路板基板及所述金属粉的材料和厚度选择发射激光的能量及激光光束直径，所述激光系统发射的激光经扫描系统投射在所述线路板基板表面进行一维的所述子加工区域的扫描，所述金属粉通过所述激光熔融后粘接在所述线路板基板上形成线路板线路；
[0017]控制所述工作台在所述工作台平面内沿垂直于所述激光扫描路径的方向运动，从而实现对所述线路板基板的二维平面扫描，得到铺设有导电线路的所述线路板。
[0018]在其中一个实施例中，所述矩形的子加工区域的长度等于所述待加工区域的宽度，所有所述矩形的子加工区域的宽度之和等于所述待加工区域的长度。
[0019]在其中一个实施例中，所述制作方法还包括在激光扫描之前控制所述工作台旋转预设角度以使所述激光扫描路径与所述线路板基板的长度方向垂直的步骤。
[0020]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加工环境进行抽真空的步骤。
[0021]上述用于线路板制作的激光熔覆打印机可以替代现有部分线路板的制作工序，达到在陶瓷、高分子材料等耐高温基板上打印线路板直接制作线路板线路的效果，线路板的制作过程相对简单，成本较低且不具有污染性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为一实施方式的激光熔覆打印机的模块示意图；
[0023]图2为图1所示激光熔覆打印机的部分原理图；
[0024]图3为一实施方式的线路板的制作方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图及具体实施例对激光熔覆打印机及使用该打印机的线路板的制作方法作进一步详细的说明。
[0026]如图1所示，一实施方式的激光熔覆打印机100主要用于线路板制作过程中的线路形成，其包括工作台110、基板吸附系统120、位置检测系统130、激光系统140、光路传输系统150、扫描系统160、位置调节装置170及控制系统180。控制系统180综合控制基板吸附系统120、位置检测系统130、激光系统140、扫描系统160及位置调节装置170的运行。
[0027]以下请结合图2，工作台110用于承载待加工的线路板基板200。工作台110的面积大于线路板基板200的面积，以使线路板基板200可以完全贴附在工作台110上，保证线路板制作过程的精确性。
[0028]基板吸附系统120包括吸附装置及抽真空装置(图未示)。吸附装置设在工作台110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110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。
[0029]位置检测系统130包括CXD图像传感器及厚度检测装置(图未示)。CXD图像传感器与工作台Iio配合用于获取线路板基板200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130将获取的位置信息及厚度信息发送至控制系统180，控制系统180根据该位置信息及厚度信息控制位置调节装置170调节工作台110的位置，使工作台110在工作台110的平面内沿垂直于激光扫描路径的方向运动、在工作台110的平面内旋转运动或沿垂直于工作台110的平面的方向运动。
[0030]激光系统140包括激光器142、光隔离器144及激光控制器146。激光器142用于发射激光，可以为常用的YAG激光器等。激光器142的数量可以为I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。激光器142发射的激光依次通过光隔离器144及激光控制器146。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,进而保持激光光束输出稳定性和保护激光器142。激光控制器146用于调节激光的能量和光束的直径。
[0031]光路传输系统150由至少一片第一反射镜152组成。在本实施方式中，光路传输系统150包括三片第一反射镜152。三片第一反射镜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，第一反射镜152的数量不限于三片，并且在在他实施方式中，该激光熔覆打印机还可以不包括光路传输系统150，可以直接通过调节激光器142的投射角度将激光直接投射至扫描系统160。
[0032]扫描系统160包括旋转棱镜162、f- Θ扫描镜组164及第二反射镜166。旋转棱镜162为多面棱镜，如12面棱镜等，旋转棱镜162的面数根据激光光束的直径及待加工基板的尺寸具体设计。激光经旋转棱镜162反射后可以实现一维线扫描。f-θ扫描镜组164中含有多片扫描镜(图中镜片数量只作示意)。激光经旋转棱镜162反射后通过f-Θ扫描镜组164投射到预设位置，再经第二反射镜166反射投射到线路板基板200上。可以理解，在其他实施方式中，扫描系统160也可以不包括第二反射镜166，可以通过调节f-θ扫描镜组164将激光直接投射在线路板基板的预设位置上。
[0033]位置调节装置170除实现工作台110在工作台110的平面内沿垂直于激光扫描路径的方向运动、在工作台110的平面内旋转运动或沿垂直于工作台110的平面的方向运动夕卜，还包括用于控制旋转棱镜162旋转的旋转机构(图未示)。
[0034]此外，该激光熔覆打印机100还包括铺粉装置(图未示)。铺粉装置用于在线路板基板200的表面铺设一层厚度均匀的金属粉，如铜粉等。金属粉经激光熔融从而粘接到线路板基板200上形成导线线路。可以理解，在其他实施方式中，该激光熔覆打印机100可以不设置铺粉装置，直接人工铺粉即可。
[0035]进一步，本实施方式还提供了一种使用上述激光熔覆打印机100的线路板的制作方法，如图3所示，该制作方法包括如下步骤:
[0036]步骤S310，控制系统获知待加工区域，并对待加工区域进行栅格化处理，将待加工区域分割成多个矩形的子加工区域。
[0037]子加工区域的宽度为激光的光束直径，长度为待加工区域的宽度。所有子加工区域的宽度之和等于待加工区域的长度。
[0038]步骤S320，将待加工的线路板基板固定在工作台上。
[0039]具体是通过吸附装置及抽真空装置将线路板基板吸附固定在工作台的台面上。
[0040]步骤S330，控制系统获知线路板基板所在的位置信息，并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。
[0041]线路板基板的尺寸选择要略大于待加工区域，从而可以保证待加工区域都在线路板基板以内，保证制作出的产品的良率。
[0042]步骤S340，获取线路板基板的厚度信息，控制系统通过位置调节装置调节工作台的高度使线路板基板的表面与待加工区域的加工基准面重合。
[0043]步骤S350，向线路板基板上铺设预设厚度的金属粉。
[0044]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。
[0045]步骤S360，激光系统发射激光经扫描系统投射在线路板基板表面进行一维的子加工区域的扫描，金属粉通过激光熔融后粘接在线路板基板上形成线路板线路。
[0046]在本实施方式中，激光系统根据线路板基板及金属粉的材料和厚度选择激光的能量及激光光束的直径。
[0047]进一步，在本步骤中，还包括在激光扫描之前位置调节装置控制工作台旋转预设角度以使激光扫描路径与线路板基板的长度方向垂直的步骤。
[0048]步骤S370，位置调节装置控制工作台在工作台平面内沿垂直于激光扫描路径的方向运动，从而实现对线路板基板的二维平面扫描，得到铺设有导电线路的线路板。
[0049]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。
[0050]上述用于线路板制作的激光熔覆打印机100可以替代现有部分线路板的制作工序，达到在陶瓷、高分子材料等耐高温基板上打印线路板直接制作线路板线路的效果，线路板的制作过程相对简单，成本较低且不具有污染性。
[0051]以下为具体实施例部分:
[0052]机器:激光器采用功率为400W、波长为1064nm的YAG激光器；扫描棱镜面数为12 ；工作台台面大小580mmX740mm;铺设金属粉层厚度为20 μ m_60 μ m ;产品的线路板线路铜厚 20 μ m-50 μ m。
[0053]待加工对象:560mmX 720mmX 3mm陶瓷基板；加工线路范围距离板材每边20mm,即540mmX 700mmX 3mmο
[0054]制作步骤:读入加工文件，获取加工范围后，进行栅格化处理，长方形栅格的大小为540mmX 10 μ m。根据陶瓷基板材料调节合适的激光能量400W和孔径大小10 μ m。设定棱镜的转速为24000r/min。通过计算得到工平台运动速度为48mm/s，基板加工时间为14.6s,工作台旋转的角度Θ约为0.002°。
[0055]完成上述计算与设定后，将基板置于工作台中央位置，打开抽真空装置，通过阀门的控制，使得陶瓷基板吸附在工作台上，吸附装置的吸附区域略小于陶瓷基板的面积，距离基板边缘约10mm。并进行加工室内真空抽取。
[0056]打开CXD图像传感器和光源，扫描基板，通过工作台的运动，调整基板至加工区域范围以内并作Θ角度的旋转，由前边计算的结果可知Θ值非常小，若板边留有足够区域，可不做旋转，后续板材压合前进行对位即可。本实施例的基板可不做旋转。厚度检测装置获取基板表面离工作台面高度，通过位置调节装置调节工作台的高度，将陶瓷基板表面调整到加工基准面。
[0057]铺粉装置均匀往陶瓷基板上铺设厚度为30μπι的铜粉。完成后，工作台开始按48mm/s速度运动，棱镜开始按24000r/min的转速旋转。待两者速度均匀后，选择合适的时间(即栅格化后，长条栅格细分的小正方形栅格内需要与不需要打印线路的小区域形成的时间时序)出射激光，激光进入多面旋转棱镜后到达打印区域，将铜粉烧成熔融状态，熔融的铜金属粘接到基板上。旋转棱镜和工作台的配合实现平面二维的扫描。第一面棱镜扫完第一条栅格后，第二面接上开始进行第二条栅格的扫描。棱镜旋转一周扫完12个面后，继续旋转，循环扫描，直至扫完整个540_X 700mm板面，即停止扫描。最后收粉装置回收未加工的粉末，循环利用。至此完成基板的线路激光熔覆打印。最终成品板的铜高度差在5μπι之内。
[0058]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。
【权利要求】
1.一种激光熔覆打印机，其特征在于，包括工作台、位置检测系统、激光系统、扫描系统、位置调节装置及控制系统；所述控制系统综合控制所述位置检测系统、所述激光系统、所述扫描系统及所述位置调节装置；所述工作台用于承载并固定待加工的线路板基板；所述位置检测系统检测所述线路板基板的位置及厚度信息并将所述位置及厚度信息发送至所述控制系统；所述激光系统发射的激光传输至所述扫描系统；所述扫描系统包括旋转棱镜及f-θ扫描镜组，所述激光经所述旋转棱镜反射后通过所述f-θ扫描镜组投射到所述线路板基板的预设位置上作线性扫描；所述位置调节装置用于控制所述工作台在所述工作台平面内沿垂直于所述激光扫描路径的方向运动、在所述工作台平面内旋转运动或沿垂直于所述工作台平面的方向运动。
2.如权利要求1所述的激光熔覆打印机，其特征在于，所述位置检测系统包括CCD图像传感器及厚度检测装置，所述位置检测系统与所述工作台配合获取所述线路板基板的位置信息，所述厚度检测装置检测所述线路板基板的厚度信息并发送至所述控制系统。
3.如权利要求1所述的激光熔覆打印机，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以及用于调节所述激光的能量和光束直径的激光控制器，所述激光器发射的激光依次通过所述光隔离器及所述激光控制器。
4.如权利要求1所述的激光熔覆打印机，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。
5.如权利要求1所述的激光熔覆打印机，其特征在于，还包括用于向所述线路板基板上铺设预设厚度的金属粉的铺粉装置。
6.如权利要求1所述的激光熔覆打印机，其特征在于，还包括吸附装置和抽真空装置，所述吸附装置设 在所述工作台上并与所述抽真空装置相连用于吸附所述线路板基板。
7.一种线路板的制作方法，其特征在于，使用上述如权利要求1-6中任一项所述的激光熔覆打印机，所述制作方法包括如下步骤: 所述控制系统获知待加工区域，并对所述待加工区域进行栅格化处理，将所述待加工区域分割成多个矩形的子加工区域； 将待加工的线路板基板固定在所述工作台上； 所述控制系统获知所述线路板基板所在的位置信息，并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； 获取所述线路板基板的厚度信息，所述控制系统通过所述运动机构调节所述工作台的高度使线路板基板的表面与待加工区域的加工基准面重合； 向所述线路板基板上铺设预设厚度的金属粉； 所述激光系统根据线路板基板及所述金属粉的材料和厚度选择发射激光的能量及激光光束直径，所述激光系统发射的激光经扫描系统投射在所述线路板基板表面进行一维的所述子加工区域的扫描，所述金属粉通过所述激光熔融后粘接在所述线路板基板上形成线路板线路； 控制所述工作台在所述工作台平面内沿垂直于所述激光扫描路径的方向运动，从而实现对所述线路板基板的二维平面扫描，得到铺设有导电线路的所述线路板。
8.如权利要求7所述的线路板的制作方法，其特征在于，所述矩形的子加工区域的长度等于所述待加工区域的宽度，所有所述矩形的子加工区域的宽度之和等于所述待加工区域的长度。
9.如权利要求7或8所述的线路板的制作方法，其特征在于，还包括在激光扫描之前控制所述工作台旋转预设角度以使所述激光扫描路径与所述线路板基板的长度方向垂直的步骤。
10.如权利要求7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加工环境进行抽真空 的步骤。
【文档编号】B23K26/06GK103433619SQ201310390392
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】陈百强, 宋福民, 王星, 翟学涛, 杨朝辉, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司, 深圳市大族数控科技有限公司