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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 激光快速PCB加工系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品將大功率405nm半導(dǎo)體激光應(yīng)用在PCB曝光加工中，使用FPGA進(jìn)行控制，構(gòu)建基于F-theta透鏡組的激光掃描系統(tǒng)，配合精密的步進(jìn)機(jī)械裝置，將大大提高PCB加工的速度和精度。
- 詳細(xì)介紹：
- 傳統(tǒng)PCB加工多采取膠片曝光和化學(xué)蝕刻的模式，流程復(fù)雜，耗時(shí)長，精度不高；而機(jī)械雕刻PCB的方法則一次投資高、對(duì)覆銅板平整度要求苛刻。本作品利用激光掃描成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PCB的快速曝光加工，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室和研究人員，而且具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。 四大特色 ◆ 在曝光中引入激光掃描成像技術(shù)，取代膠片和曝光機(jī)，快速方便，保證精度，環(huán)保低碳。 ◆ 首次在PCB加工中使用大功率405nm半導(dǎo)體激光，成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命理想，填補(bǔ)相關(guān)空白。 ◆ 借助激光掃描快速完成感光油墨和感光阻焊劑曝光，淘汰古老的絲印工藝和阻焊劑遮擋曝光工藝。 ◆ 成本低，產(chǎn)業(yè)化前景好，拓展系統(tǒng)可采用脈沖激光直接雕刻PCB，引發(fā)PCB快速加工領(lǐng)域的光電革命。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本作品集光電機(jī)算為一體，設(shè)計(jì)了更加經(jīng)濟(jì)、快速、方便、精確的PCB曝光加工技術(shù)。使用掃描光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)X方向，使用與光學(xué)成像精度匹配的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)Y方向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到激光掃描成像的目的。 光學(xué)設(shè)計(jì)： 1. 采用高速無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四棱反射鏡作為光掃描器件； 2. 設(shè)計(jì)了適合405nm大功率激光的F-theta透鏡組，結(jié)合平面反射鏡，搭建光學(xué)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)X方向的一維光掃描并通過透鏡組的設(shè)計(jì)對(duì)掃描的線性度和精度進(jìn)行優(yōu)化； 3. 在掃描光路適當(dāng)位置設(shè)置光敏器件，提高了掃描行同步信號(hào)的檢測(cè)精度； 4. 理論分析了光束截面的無縫拼接，設(shè)計(jì)了六邊形光束整形方案。 電子電路設(shè)計(jì)： 1. 使用FPGA搭建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連集成，并在其中實(shí)現(xiàn)基于FIFO的高速實(shí)時(shí)并串轉(zhuǎn)換邏輯，得到高速串行激光通斷信號(hào)； 2. 選用了技術(shù)成熟的半導(dǎo)體激光電流驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了激光驅(qū)動(dòng)電路，其擁有很短的邊沿時(shí)間，驅(qū)動(dòng)激光輸出可以得到極為銳利的曝光邊緣； 3. 通過光敏二極管檢測(cè)高速掃過的激光束，并設(shè)計(jì)了高速光電轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)行同步信號(hào)輸出； 4. 在FPGA中實(shí)現(xiàn)了帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡的無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速精確控制和帶動(dòng)滾珠絲杠的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制; 機(jī)械設(shè)計(jì)： 1. 使用精密滾珠絲杠滑臺(tái)，帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)作精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，最小步進(jìn)位移7.5um； 2. 設(shè)計(jì)了小型化、穩(wěn)定性好的光學(xué)系統(tǒng)支架。 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)： 1. 進(jìn)行了上位機(jī)程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種流行的CAD軟件加工輸出格式到掃描加工二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換； 2. 2. 基于C++/CLR技術(shù)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，操作系統(tǒng)兼容性好，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和加工系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信與加工參數(shù)設(shè)置，使用方便快捷。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品集光電機(jī)算為一體，設(shè)計(jì)了更加經(jīng)濟(jì)、快速、方便、精確的PCB曝光加工技術(shù)。 光學(xué)設(shè)計(jì)：1. 采用高速無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四棱反射鏡作為光掃描器件； 2. 設(shè)計(jì)了適合405nm大功率激光的F-theta透鏡組，結(jié)合平面反射鏡，搭建光學(xué)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)X方向的一維光掃描并通過透鏡組的設(shè)計(jì)對(duì)掃描的線性度和精度進(jìn)行優(yōu)化； 3. 在掃描光路適當(dāng)位置設(shè)置光敏器件，提高了掃描行同步信號(hào)的檢測(cè)精度； 4. 理論分析了光束截面的無縫拼接，設(shè)計(jì)了六邊形光束整形方案。 電子電路設(shè)計(jì)：1. 使用FPGA搭建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連集成，并在其中實(shí)現(xiàn)基于FIFO的高速實(shí)時(shí)并串轉(zhuǎn)換邏輯，得到高速串行激光通斷信號(hào)； 2. 選用了技術(shù)成熟的半導(dǎo)體激光電流驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了激光驅(qū)動(dòng)電路，其擁有很短的邊沿時(shí)間，驅(qū)動(dòng)激光輸出可以得到極為銳利的曝光邊緣； 3. 通過光敏二極管檢測(cè)高速掃過的激光束，并設(shè)計(jì)了高速光電轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)行同步信號(hào)輸出； 4. 在FPGA中實(shí)現(xiàn)了帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡的無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速精確控制和帶動(dòng)滾珠絲杠的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制; 機(jī)械設(shè)計(jì)：1. 使用精密滾珠絲杠滑臺(tái)，帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)作精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，最小步進(jìn)位移7.5um； 2. 設(shè)計(jì)了小型化、穩(wěn)定性好的光學(xué)系統(tǒng)支架。 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)：1.進(jìn)行了上位機(jī)程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種流行的CAD軟件加工輸出格式到掃描加工二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換；2.基于C++/CLR技術(shù)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，操作系統(tǒng)兼容性好，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和加工系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信與加工參數(shù)設(shè)置，使用方便快捷。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 傳統(tǒng)PCB快速加工多采取膠片曝光和化學(xué)蝕刻的模式，流程復(fù)雜，耗時(shí)長，精度不高。 本作品把近年來使用成本逐漸降低的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器應(yīng)用在PCB快速加工中，使用簡潔、穩(wěn)定的光掃描系統(tǒng)和精確、人性化的控制系統(tǒng)，在低成本的前提下實(shí)現(xiàn)了快速一次曝光，不僅為實(shí)驗(yàn)室和PCB開發(fā)者提供了更為高效實(shí)用的解決方案，在工業(yè)生產(chǎn)中也具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 項(xiàng)目對(duì)短脈沖及超短脈沖激光直接燒蝕PCB系統(tǒng)的分析和研究為新一代PCB快速高密度加工提供了更加理想化和更具前瞻性的解決方案。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 天津大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”第八屆學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 擬采取方式：專利轉(zhuǎn)讓、技術(shù)支持、授權(quán)制造
作品可展示的形式
- 圖片 現(xiàn)場(chǎng)演示 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作為激光快速加工領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，本系統(tǒng)提供了集光、機(jī)、電、算為一體的快速PCB加工解決方案，省去了繁瑣的膠片曝光工藝，方便快捷，準(zhǔn)確度高，成本低，受覆銅板表面平整度影響較小，同時(shí)省去了中間物料成本，環(huán)保低碳。 本系統(tǒng)不僅填補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的空白，而且還面向目前較為空缺的少量快速PCB市場(chǎng)空間，主要適用于實(shí)驗(yàn)室及企業(yè)PCB開發(fā)者，尤其是需要快速制作精度較高的PCB樣板的場(chǎng)合，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值。 本技術(shù)具有很高的可拓展性，既可向綜合化、一體化的中低端市場(chǎng)發(fā)展，也可在對(duì)光源進(jìn)行更進(jìn)一步的升級(jí)改造后，進(jìn)入工業(yè)快速高密度互連PCB生產(chǎn)領(lǐng)域，從根本上改變相關(guān)工藝，迎來PCB工業(yè)的光電時(shí)代。
同類課題研究水平概述
- 目前PCB加工制造主要應(yīng)用于兩個(gè)方向：快速加工和批量制造。 快速加工多用于單層或雙層PCB的快速少量生產(chǎn)，常規(guī)工藝分為兩種：一是用打印膠片使感光覆銅板感光成像，或者對(duì)覆銅板進(jìn)行熱轉(zhuǎn)印，再經(jīng)化學(xué)蝕刻工藝得到電路，此種制作方法耗時(shí)較長，精度不高；二是使用機(jī)械雕刻機(jī)對(duì)覆銅板直接進(jìn)行雕刻，此種方法對(duì)覆銅板的平整度要求苛刻，且雕刻機(jī)的投資較高，難以普及推廣。 在批量制造領(lǐng)域，常規(guī)工藝是用覆銅箔層壓板為基板，經(jīng)網(wǎng)版印刷或光致成像形成抗蝕線路圖形，由化學(xué)蝕刻得到電路；若是雙面或多層PCB還要進(jìn)行孔金屬化與電鍍，實(shí)現(xiàn)層間電路互連。其中光致成像工藝指的是光繪技術(shù)，即采用光繪機(jī)在二維平面上借助二維移動(dòng)工作臺(tái)和變換的鏡頭，對(duì)膠片成像或者對(duì)感光覆銅板直接成像，其投資較高，單次成像較長，耗費(fèi)的中間物料較多。 而在激光等技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，PCB制造加工主要朝向著兩個(gè)方面發(fā)展：一是更快更方便，采用改進(jìn)的工藝，能夠迅速滿足PCB開發(fā)者和小型生產(chǎn)廠家快速生產(chǎn)PCB的需要；二是更加精密，采取高密度互連（HDI）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密導(dǎo)線化、微細(xì)孔徑化的PCB制造，目前在手機(jī)中PCB主板微細(xì)導(dǎo)線(50～75μm/50～75μm,導(dǎo)線寬度/間距)已成為主流,此外導(dǎo)電層、板厚薄型化都是如今PCB朝向精密方向發(fā)展的重要標(biāo)志。 在快速制造領(lǐng)域，國外一些公司有相關(guān)的新型技術(shù)。采用高功率調(diào)Q激光直接實(shí)現(xiàn)PCB的快速雕刻，但其使用的激光光源并不理想，精度與傳統(tǒng)工藝相比并未有本質(zhì)突破，而設(shè)備成本居高不下，難以大規(guī)模普及。
