一种精细线路的开路与短路修复设备及方法

1.本发明涉及电路修复的技术领域，特别是一种精细线路的开路与短路修复设备及方法。


背景技术：

2.当前随着电子产品朝着轻薄化多功能化方向发展，集成电路的尺寸越来越小、功能越来越强、引脚越来越多，这就对线路的集成密度、精度和稳定性提出了更高的要求。在以往非集成化电子设备的电路板维修中是采用人工进行修复。现如今的高集成电路人工已远远达不到要求，需要一种纳米级线路的修复工艺及方法。
3.纳米材料的尺寸效应使得修复时焊接温度大大降低，从而避免对电路板上的其它线路造成破坏，并且激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，可以在很高的位置精度传输很高的能量密度，并且激光能将这些能量聚焦到很小的范围内实现微米级别线路的烧结。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种精细线路的开路与短路修复设备及方法，基于纳米金属的修复工艺、结构及设备，能够准确确定待修复线路位置进行线路修复，相比人工提高了修复效率以及准确率。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种精细线路的开路与短路修复设备，包括以下模块：
7.前处理装置，对待修复线路板进行除油、酸活化表面前处理；
8.aoi系统，用于确定线路缺陷的类型、具体位置和大小；
9.激光系统包括激光烧蚀装置和激光烧结装置；所述激光烧蚀装置用于实现短路部分的烧蚀；所述激光烧结装置用于实现断路部分纳米金属的激光烧结；
10.喷胶系统，用于实现纳米金属在线路断路的缺陷位置的完全填充；
11.表面平整化装置，用于实现纳米金属填充体上表面平整化，以使纳米金属填充体具有与周边线路相同的高度及特定高度；
12.清洗装置，用于实现线路的清洗，去除残余的纳米颗粒；
13.热压装置，用于加强烧结处纳米金属填充体与线路板的结合程度；
14.检测装置，用于测试修复点性能是否达到特定标准；
15.信号处理及控制系统，用于实现以上各模块的耦合联动控制。
16.优选的，所述激光系统在对修复部分进行烧结和烧蚀时，信号处理及控制系统可根据实际线路的线宽和大小，设置不同的单脉冲能量和频率，使其满足以下关系式：
[0017][0018]
其中p代表激光功率；n表示单位时间激光脉冲作用次数，δe表示单脉冲能量，v代
表激光光斑扫描速度；d代表激光光斑直径；δ代表金属层厚度；ρ是金属层密度；c是金属层比热；δt是金属烧结所需的温升，对于断路电路的烧结，δt的范围为210
–
390℃，对于短路电路的烧蚀，δt需调高至1000～2000℃；η代表金属层对激光的吸收率，对于330nm紫外光可取值为～95％；β代表扣除基底热耗散后，金属层吸收能量占总激光能量的比例，在50mm/s扫描速度以上时，可取值为～90％，随着扫描速度降低，其数值也相应降低。
[0019]
优选的，所述喷胶系统可根据aoi系统识别的缺陷大小，控制所需的喷胶体积，其控制方程满足以下：
[0020][0021]
式中v表示喷胶体积，a表示喷胶口面积，t表示喷胶时间，δp表示喷胶压力，ρ表示纳米金属膏体的质量浓度，re表示雷诺数，其大小满足：
[0022][0023]
其中ρ表示纳米金属膏体的质量浓度，d代表喷胶口直径，μ代表金属膏体的粘度，固含量为80％的膏体可取值为μ＝20pa
·
s。
[0024]
优选的，所述aoi系统包括：在线路下方设有高亮面光源，通过线路板不同位置的透光率判断线路缺陷位置，当线路板较厚不易透光时，在线路板侧方、下方及不同方向设置多个光源，以提高线路缺陷检测成功率。
[0025]
一种精细线路的开路与短路修复方法，应用如上文所述的一种精细线路的开路与短路修复设备，对于短路线路的修复，包括以下步骤：
[0026]
步骤a1：对待修复线路板依次进行乙醇-稀硫酸清洗，实现除油、酸活化表面前处理；
[0027]
步骤a2：aoi系统扫描待修复线路板，与数据库中的标准样本进行比较，确定缺陷的类型、具体位置和大小，自动标记待修复线路板的缺陷；
[0028]
步骤a3：根据短路部分的具体位置和大小，结合激光系统的功率、频率、波长、脉宽等光源特征，计算出激光系统的光斑尺寸、扫描速度、步进幅度、运行轨迹等光源参数，得出最佳加工方式；
[0029]
步骤a4：激光烧蚀装置根据最佳加工方式，烧蚀去除短路部分，形成激光烧蚀区域；
[0030]
步骤a5：检测修复线路两端的导电性能，判断修复是否成功，若修复失败，则重新生成新的修复方案和路径，重新进行修复工序，直到修复至预设性能标准；
[0031]
步骤a6：对线路进行自动清洗处理，包括局部氧化、酸洗和钝化处理。
[0032]
优选的，对于断路线路的修复，包括以下步骤：
[0033]
步骤b1：对待修复线路板依次进行乙醇-稀硫酸清洗，实现除油、酸活化表面前处理；
[0034]
步骤b2：扫描待修复线路板，与数据库中的标准样本进行比较，确定断路缺陷的类型、具体位置和大小，自动标记待修复线路板的断路缺陷；
[0035]
步骤b3：根据断路缺陷的具体位置和大小，结合喷胶系统的喷胶速度、宽度等参数，计算出喷胶系统的最佳运行轨迹、喷胶次序、喷胶量和喷胶速度；
[0036]
步骤b4：喷胶系统根据设定的最佳路线，将纳米金属颗粒膏体填充于线路缺陷位置，形成纳米金属填充体；
[0037]
步骤b5：对上述位置的纳米金属填充体的上表面进行表面平整化处理，控制纳米金属填充体具有与周边线路相同的高度及特定高度；
[0038]
步骤b6：根据纳米金属填充体的具体位置和大小，结合激光系统的光源特征，计算出激光系统的最佳加工方式和光源参数；
[0039]
步骤b7：激光烧结装置根据最佳加工方式和光源参数对纳米金属填充体进行激光照射，形成纳米金属填充体的烧结区域，实现烧结；
[0040]
步骤b8：对烧结后的线路板进行清洗，洗去残余的纳米金属；
[0041]
步骤b9：根据断路缺陷的具体位置和大小，计算出热压装置的最佳运行轨迹、热压力、热压温度、热压时间等参数，对烧结后的区域进行热压；
[0042]
步骤b10：检测修复线路两端的导电性能，判断修复是否成功，若修复失败，则重新生成新的修复方案和路径，重新进行修复工序，直到修复至预设性能标准；
[0043]
步骤b11：对线路进行自动清洗处理，包括局部氧化、酸洗和钝化处理。
[0044]
优选的，将所述激光系统与aoi系统设置为同轴结构，在安装各模块时，对激光系统与aoi系统、喷胶系统、表面平整化装置、检测装置的位置进行标定和补偿修正，使信号处理及控制系统对各模块的位置实现同步联动控制。
[0045]
优选的，所述表面平整化装置对纳米金属填充体的上表面进行表面平整化处理，具体包括方案a：喷胶结束后，自动覆盖玻璃机构将玻璃片自动覆盖于纳米金属填充体的上方，并根据纳米金属填充体的具体体积和面积，施加压力，可在0-20mpa范围内动态调节纳米金属填充体的压强，再使激光透过玻璃片对纳米金属填充体进行照射；在纳米金属烧结完成后，自动覆盖玻璃机构自动将玻璃片取下。
[0046]
优选的，所述表面平整化装置对纳米金属填充体的上表面进行表面平整化处理，具体包括方案b：对喷胶后的纳米金属填充体进行刮刷，移除高于原有线路高度的纳米金属填充体，刮刷结束后，对纳米金属填充体进行烘干，再使用激光对纳米金属填充体进行照射，使纳米金属烧结。
[0047]
上述技术方案包括以下有益效果：
[0048]
本发明的提出的一种精细线路的开路与短路修复设备及方法，基于纳米金属的修复工艺、结构及设备，能够准确确定待修复线路位置进行线路修复，相比人工提高了修复效率以及准确率。
附图说明
[0049]
图1为短路修复示意；
[0050]
图2为断路修复示意。
[0051]
其中：1、aoi系统；2、短路部分；3、激光烧蚀装置；4、激光烧蚀区域；5、检测装置；6、清洗装置；7、断路缺陷；8、喷胶系统；9、纳米金属填充体；10、表面平整化装置；11、激光烧结装置；12、烧结区域；13、热压装置。
具体实施方式
[0052]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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装置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，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，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
[0054]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0056]
下面结合图1至图2描述本发明实施例的一种精细线路的开路与短路修复设备及方法：
[0057]
一种精细线路的开路与短路修复设备，包括以下模块：
[0058]
前处理装置，对待修复线路板进行除油、酸活化表面前处理；
[0059]
aoi系统1，用于确定线路缺陷的类型、具体位置和大小；
[0060]
激光系统包括激光烧蚀装置3和激光烧结装置11；所述激光烧蚀装置3用于实现短路部分2的烧蚀；所述激光烧结装置11用于实现断路部分纳米金属填充体9的激光烧结；
[0061]
喷胶系统8，使用纳米金属在线路断路的缺陷位置进行完全填充，以形成纳米金属填充体9；
[0062]
表面平整化装置10，用于实现纳米金属填充体9上表面平整化，以使纳米金属填充体9具有与周边线路相同的高度及特定高度；
[0063]
清洗装置6，用于实现线路的清洗，去除残余的纳米颗粒；
[0064]
热压装置13，用于加强烧结处纳米金属填充体9与线路板的结合程度；
[0065]
检测装置5，用于测试修复点性能是否达到特定标准；
[0066]
信号处理及控制系统，用于实现以上各模块的耦合联动控制。
[0067]
具体的，前处理装置包括三个浸泡池，分别为有机溶液浸泡池、乙醇溶液浸泡池和稀硫酸溶液浸泡池，线路板依次在有机溶液浸泡池、乙醇溶液浸泡池和稀硫酸溶液浸泡池进行浸泡，去除其表面的油渍，将其表面酸活化。
[0068]
aoi系统1的工作原理为：在进行自动光学检测时，通过摄像头自动扫描pcb，采集图像，将测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出pcb上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示或标示出来。
[0069]
激光烧蚀装置3和激光烧结装置11均包括激光器，可选用准分子激光器或dpss激光器。
[0070]
喷胶系统8，包含喷枪、储胶罐和压力施加装置。所述喷胶系统8可根据aoi系统1识别的缺陷大小，控制所需的喷胶口尺寸、喷胶压力、喷胶体积、喷洒时间和纳米金属的颗粒质量浓度。
[0071]
喷胶系统8、激光系统依靠气压驱动，可沿纵向及横向导轨移动。
[0072]
信号处理及控制系统为plc控制系统，用于实现以上各模块的耦合联动控制。
[0073]
表面平整化装置10包括气缸和固定在气缸活塞杆上的固定座，固定座上设有刚性或柔性刷板，信号处理及控制系统与所述气缸连接。本技术方案中，信号处理及控制系统下发信号给气缸，气缸根据信号启动，会带动其活塞杆上连接的刚性或柔性刷板在线路板上移动，以抹平线路板上填充的纳米金属颗粒。
[0074]
清洗装置6包括乙醇溶液浸泡池和夹持组件，夹持组件由信号处理及控制系统控制，可夹持修复后的线路板浸入乙醇溶液浸泡池中，完成线路板清洗后再将其取出。
[0075]
热压装置13包括热压板和高频电发生器，通过产生涡流使热压板升温，其中，热压用玻璃透光率需≥92％。
[0076]
具体的，在aoi系统1定位到烧结区域12后，信号处理及控制系统根据烧结区域12的体积自动设置热压板的表面温度、压力与热压时间。热压装置13对烧结区域12施加压力，同时加热热压板使其表面温度达到预定值，持续作用一段时间。其中，热压板的表面温度、压力与热压时间，使其满足以下关系式：
[0077][0078]
式中p表示热压压力，t表示热压时间，λl表示烧结部分导热率，δv表示烧结部位体积，t表示热压板的表面温度。
[0079]
热压使烧结后的纳米金属填充体9形成更致密的结构，使得烧结处纳米金属填充体9与线路板的结合程度加强，纳米金属填充体9不易脱落，提高修复效果。
[0080]
检测装置5的检测方法为使用四探针探头接触修复线路的两端。外侧两探针通过恒定电流，内侧两探针测量电压，再计算获得修复线路两端的电阻。检测装置5对修复后的线路板通电，测量线路板的电压数值，判断线路板的修复结果，若修复失败，信号处理及控制系统重新生成修复方案，进行上述修复工序，直到线路板达到性能要求。
[0081]
优选的，所述激光系统在对修复部分进行烧结和烧蚀时，信号处理及控制系统可根据实际线路的线宽和大小，设置不同的单脉冲能量和频率，使其满足以下关系式：
[0082][0083]
其中p代表激光功率；n表示单位时间激光脉冲作用次数，δe表示单脉冲能量，v代表激光光斑扫描速度；d代表激光光斑直径；δ代表金属层厚度；ρ是金属层密度；c是金属层比热；δt是金属烧结所需的温升，对于断路电路的烧结，δt的范围为210
–
390℃，对于短路电路的烧蚀，δt需调高至1000～2000℃；η代表金属层对激光的吸收率，对于330nm紫外光可取值为～95％；β代表扣除基底热耗散后，金属层吸收能量占总激光能量的比例，在50mm/s扫描速度以上时，可取值为～90％，随着扫描速度降低，其数值也相应降低。
[0084]
优选的，所述喷胶系统8可根据aoi系统1识别的缺陷大小，控制所需的喷胶体积，其控制方程满足以下：
[0085][0086]
式中v表示喷胶体积，a表示喷胶口面积，t表示喷胶时间，δp表示喷胶压力，ρ表示纳米金属膏体的质量浓度，re表示雷诺数，其大小满足：
[0087][0088]
其中ρ表示纳米金属膏体的质量浓度，d代表喷胶口直径，μ代表金属膏体的粘度，固含量为80％的膏体可取值为μ＝20pa
·
s。
[0089]
优选的，所述aoi系统1包括：在线路下方设有高亮面光源，通过线路板不同位置的透光率判断线路缺陷位置，当线路板较厚不易透光时，在线路板侧方、下方及不同方向设置多个光源，以提高线路缺陷检测成功率。
[0090]
一种精细线路的开路与短路修复方法，应用上述的一种精细线路的开路与短路修复设备，对于短路线路的修复，包括以下步骤：
[0091]
步骤a1：对待修复线路板依次进行乙醇-稀硫酸清洗，实现除油、酸活化表面前处理；
[0092]
步骤a2：aoi系统1扫描待修复线路板，与数据库中的标准样本进行比较，确定缺陷的类型、具体位置和大小，自动标记待修复线路板的缺陷；
[0093]
步骤a3：根据线路短路的具体位置和大小，结合激光系统的功率、频率、波长、脉宽等光源特征，计算出激光系统的光斑尺寸、扫描速度、步进幅度、运行轨迹等光源参数，得出最佳加工方式；
[0094]
步骤a4：激光系统根据最佳加工方式，烧蚀去除短路部分2，形成激光烧蚀区域4；
[0095]
步骤a5：检测修复线路两端的导电性能，判断修复是否成功，若修复失败，则重新生成新的修复方案和路径，重新进行修复工序，直到修复至预设性能标准；
[0096]
步骤a6：对线路进行自动清洗处理，包括局部氧化、酸洗和钝化处理。
[0097]
具体的，所述数据库中的标准样本为通过采集正常工况下的线路板获取。
[0098]
以下通过一个具体实施例对短路线路的修复过程进行说明：
[0099]
先将待修复电路板浸泡在无水乙醇中超声清洗15min以去除油渍，用双氧水氧化5min，再使用稀硫酸对其表面进行酸活化处理。存储一个线宽为20um标准pcb板图像作为参考标准，然后将待检测的线宽为20um的pcb板图像进行不同时间、不同传感器和不同视角下的同一场景的多幅图像进行配准，比较与标准pcb图像的差异，判断出有两条相互平行的短路线路，长分别为20um和30um，aoi系统1对其位置标记。激光系统根据标记的位置运动到指定位置，然后激光烧蚀装置3用功率为0.66w的激光以10mm/s的扫描速度对短路部位进行照射烧蚀。纳米金属烧蚀完成后，检测装置5对线路板进行检测。最后对线路板进行自动清洗处理。
[0100]
优选的，对于断路线路的修复，包括以下步骤：
[0101]
步骤b1：对待修复线路板依次进行乙醇-稀硫酸清洗，实现除油、酸活化表面前处理；
[0102]
步骤b2：扫描待修复线路板，与数据库中的标准样本进行比较，确定缺陷的类型、具体位置和大小，自动标记待修复线路板的缺陷；
[0103]
步骤b3：根据线路断路的具体位置和大小，结合喷胶系统8的喷胶速度、宽度等参数，计算出喷胶系统8的最佳运行轨迹、喷胶次序、喷胶量和喷胶速度；
[0104]
步骤b4：喷胶系统8根据设定的最佳路线，将纳米金属颗粒膏体填充于线路缺陷位置；
[0105]
步骤b5：对上述位置的纳米金属填充体9的上表面进行表面平整化处理，控制纳米金属填充体9具有与周边线路相同的高度及特定高度；
[0106]
步骤b6：根据纳米金属填充体9的具体位置和大小，结合激光系统的光源特征，计算出激光系统的最佳加工方式和光源参数；
[0107]
步骤b7：激光烧结装置根据最佳加工方式和光源参数对纳米金属填充体9进行激光照射，形成纳米金属填充体9的烧结区域12，实现烧结；
[0108]
步骤b8：对烧结后的线路板进行清洗，洗去残余的纳米金属；
[0109]
步骤b9：根据线路断路的具体位置和大小，计算出热压装置的最佳运行轨迹、热压力、热压温度、热压时间等参数，对烧结后的区域进行热压；
[0110]
步骤b10：检测修复线路两端的导电性能，判断修复是否成功，若修复失败，则重新生成新的修复方案和路径，重新进行修复工序，直到修复至预设性能标准；
[0111]
步骤b11：对线路进行自动清洗处理，包括局部氧化、酸洗和钝化处理。
[0112]
以下通过两个具体实施例对断路线路的修复过程进行说明：
[0113]
实施例1
[0114]
先将待修复电路板浸泡在无水乙醇中超声清洗15min以去除油渍，用双氧水氧化5min，再使用稀硫酸对其表面进行酸活化处理。用aoi系统1判断出一条长2mm、宽0.05mm的开路线路并对其位置进行标记。喷胶系统8根据标记的位置运动到指定位置，使用20um的铜粉和乙二醇溶液制成的铜膏作为填充物，以1
×
10-5mm3/s的流量、20um/s的移动速度开始喷胶，直至覆盖整个标记区域。表面平整化装置10将玻璃片覆盖于纳米金属填充体9上方以平整表面。纳米金属填充体9的面积为0.1mm2，体积为1
×
10-3mm3，故对其施加10mpa压力；用功率为0.434w的激光以12mm/s的扫描速度透过玻璃对纳米金属填充体9进行照射烧结。纳米金属填充体9烧结完成后，表面平整化装置10会自动将玻璃取下，根据烧结后的体积为1
×
10-3mm3，热压装置13对烧结部分施加10mpa压力，同时加热热压板，使其表面温度为600k，持续作用10s。最后检测装置5对线路板进行检测，并对线路板进行自动清洗处理。
[0115]
实施例2
[0116]
实施例2为与实施例1缺陷类型不同，故修复过程不相同。
[0117]
存储一个线宽为20um的标准pcb板图像作为参考标准，然后将待检测的线宽为20um的pcb板图像进行不同时间、不同传感器和不同视角下的同一场景的多幅图像进行配准，比较与标准pcb图像的差异，判断出有两条相互垂直十字型的缺陷线路，长分别为50um和100um，同时aoi系统1对其打上标记。喷胶系统8根据标记的位置运动到指定位置，分别以8
×
10-8ml/s的流量、2um/s的移动速度和2.4
×
10-7ml/s的流量、2um/s的移动速度喷胶，直至覆盖整个标记区域。喷胶结束后，表面平整化装置10自动将玻璃片覆盖于纳米金属填充体9上方，纳米金属填充体9的面积与体积分别为4
×
10-4mm2、2
×
10-6mm3和6
×
10-4mm2、1.2
×
10-5mm3，施加5mpa压力，然后用功率为0.156w的激光以50mm/s的扫描速度透过玻璃对纳米金属填充体9进行照射烧结。纳米金属填充体9烧结完成后，表面平整化装置10会自动将
玻璃取下，取下的玻璃可自动进行更换，烧结后的体积分别为2
×
10-6mm3和1.2
×
10-5mm3，热压装置13对烧结部分施加10mpa压力，同时加热热压板使其表面温度为600k，持续12s。最后检测装置5对线路板进行检测，并对线路板进行自动清洗处理。
[0118]
优选的，将所述激光系统与aoi系统1设置为同轴结构，在安装各模块时，对激光系统与aoi系统1、喷胶系统8、表面平整化装置10、检测装置5的位置进行标定和补偿修正，使信号处理及控制系统对各模块的位置实现同步联动控制。
[0119]
优选的，所述表面平整化装置10对纳米金属填充体9的上表面进行表面平整化处理，具体包括方案a：喷胶结束后，自动覆盖玻璃机构将玻璃片自动覆盖于纳米金属填充体9的上方，并根据纳米金属填充体9的具体体积和面积，施加压力，可在0-20mpa范围内动态调节纳米金属填充体9的压强，再使激光透过玻璃片对纳米金属填充体9进行照射；在纳米金属填充体9烧结完成后，自动覆盖玻璃机构自动将玻璃片取下。
[0120]
优选的，所述表面平整化装置10对纳米金属填充体9的上表面进行表面平整化处理，具体包括方案b：对喷胶后的纳米金属填充体9进行刮刷，移除高于原有线路高度的纳米金属填充体9，刮刷结束后，对纳米金属填充体9进行烘干，再使用激光对纳米金属填充体9进行照射，使纳米金属填充体9烧结。
[0121]
根据本发明实施例的一种精细线路的开路与短路修复设备及方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
[0122]
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。