激光鉆孔振鏡控制研究

方志鑫

（深圳市大族數(shù)控科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）是電子產(chǎn)品不可或缺的一部分。電子設(shè)計(jì)在不斷提高整機(jī)性能的同時(shí)，也在不斷縮小其尺寸。高密度互連（high density interconnection，HDI）技術(shù)可以使終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加小型化，同時(shí)滿足電子性能和效率的更高標(biāo)準(zhǔn)。HDI板廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)、筆記本電腦、汽車電子和其他數(shù)碼產(chǎn)品等，其中以手機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。HDI板一般采用積層法制造，積層的次數(shù)越多，板件的技術(shù)檔次越高。激光鉆孔作為HDI 板加工工藝流程中的關(guān)鍵工序，目前的主流激光鉆孔設(shè)備為CO2激光鉆孔機(jī)。

CO2激光鉆孔機(jī)是一種集光、機(jī)、電、軟件等多學(xué)科于一體的高端加工裝備，沿著激光束傳輸?shù)姆较蚍謩e由激光器、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光闌、振鏡、F-θ聚焦鏡、加工平臺(tái)等組成。

振鏡在激光鉆孔中是非常關(guān)鍵的核心器件，由X-Y光學(xué)掃描頭、驅(qū)動(dòng)板和光學(xué)反射鏡片組成。工控機(jī)提供的信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描頭，從而在X-Y方向控制激光束的偏轉(zhuǎn)。振鏡電機(jī)工作時(shí)，主要依靠控制參數(shù)如跳轉(zhuǎn)速度、跳轉(zhuǎn)延時(shí)、零跳轉(zhuǎn)延時(shí)及跳轉(zhuǎn)閾值長(zhǎng)度等，來(lái)影響振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)定位的效率和精度。振鏡系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 振鏡系統(tǒng)

振鏡的工作情況與加工品質(zhì)息息相關(guān)，為了提高激光鉆孔的精度和效率，更好地管控加工品質(zhì)，本文將理論結(jié)合實(shí)踐，探討振鏡在掃描控制中參數(shù)的設(shè)置和優(yōu)化。

1 研究目的

本文研究在激光鉆孔過(guò)程中，振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)對(duì)加工效率和精度的影響。其中，跳轉(zhuǎn)速度為振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度，跳轉(zhuǎn)延時(shí)為振鏡電機(jī)從跳轉(zhuǎn)完成到停止抖動(dòng)需要的整定時(shí)間。通過(guò)觀察不同參數(shù)下振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)時(shí)示波器捕獲的運(yùn)動(dòng)曲線，著重比較跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)參數(shù)優(yōu)化前后振鏡工作時(shí)的電機(jī)跳轉(zhuǎn)狀態(tài)，探索振鏡在激光鉆孔加工中是否處于最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到最佳的電機(jī)跳轉(zhuǎn)階躍響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)定位置與實(shí)際位置之間的滯后最小，提高PCB 的激光鉆孔品質(zhì)，達(dá)到最佳的加工效率和精度。振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)階躍響應(yīng)如圖2所示。

圖2 振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)階躍響應(yīng)

2 缺陷分析

當(dāng)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，如跳轉(zhuǎn)速度設(shè)置過(guò)小或跳轉(zhuǎn)延時(shí)設(shè)置過(guò)大，激光鉆孔的效率會(huì)受到嚴(yán)重的制約。跳轉(zhuǎn)速度設(shè)置過(guò)大，容易造成振鏡停止時(shí)振動(dòng)過(guò)大，影響振鏡的定位精度和整定時(shí)間。跳轉(zhuǎn)延時(shí)設(shè)置過(guò)小，振鏡沒(méi)有停穩(wěn)，激光就開(kāi)始鉆孔加工，容易出現(xiàn)孔偏現(xiàn)象。上述不合理的參數(shù)設(shè)置甚至?xí)?dǎo)致同一孔位多發(fā)激光鉆孔不重合等加工質(zhì)量問(wèn)題，如圖3所示。

圖3 多發(fā)激光鉆孔不重合

3 優(yōu)化方案及分析

3.1 振鏡的工作原理

輸入一個(gè)位置信號(hào)，振鏡上的電機(jī)就會(huì)按一定電壓與角度的轉(zhuǎn)換比例跳轉(zhuǎn)一定角度。電機(jī)在設(shè)計(jì)的可偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，形成一個(gè)X、Y方向上的掃描加工區(qū)域，如圖4所示。圖4中，θx為振鏡X方向最大掃描角度，θy為振鏡Y方向最大掃描角度。

圖4 振鏡掃描區(qū)域

3.2 參數(shù)優(yōu)化方案實(shí)施

在激光鉆孔領(lǐng)域，一般以聚焦鏡焦距f=100 mm、跳轉(zhuǎn)距離1 mm 所需的跳轉(zhuǎn)和穩(wěn)定時(shí)間衡量鉆孔的速度。一個(gè)完整的振鏡工作加工周期包括振鏡跳轉(zhuǎn)時(shí)間、跳轉(zhuǎn)延時(shí)、出光延時(shí)（即激光鉆孔加工調(diào)制脈寬的時(shí)間）。

3.2.1 參數(shù)優(yōu)化前振鏡電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

為了解決多發(fā)激光鉆孔不重合的問(wèn)題，按照出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的參數(shù)，設(shè)定振鏡的跳轉(zhuǎn)速度為5 000 mm/s，跳轉(zhuǎn)延時(shí)設(shè)為120 ns，加工調(diào)制脈寬時(shí)間設(shè)為15 μs。加載振鏡掃描文件，在聚焦鏡f=100 mm時(shí)，跳轉(zhuǎn)距離1 mm，可以測(cè)量出1個(gè)加工周期時(shí)間為283.7 μs。其中，穩(wěn)定時(shí)間與出光時(shí)間為30.3 μs，即振鏡在1 s 時(shí)間內(nèi)可完成3 488 次跳轉(zhuǎn)。按照每3 束激光完成1 個(gè)孔加工，則可實(shí)現(xiàn)1 162 孔/s 的加工效率。在2 個(gè)振鏡電機(jī)跳轉(zhuǎn)周期銜接的部位有明顯的凹陷區(qū)域，這是因?yàn)檎耒R電機(jī)沒(méi)有停穩(wěn)仍處于整定調(diào)整中。

通過(guò)示波器可以看到，電機(jī)停止時(shí)的定位誤差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許的±20 μrad，具體如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前的定位誤差

3.2.2 振鏡電機(jī)參數(shù)優(yōu)化步驟及監(jiān)測(cè)分析

為了改善上述存在的問(wèn)題，首先增加跳轉(zhuǎn)延時(shí)，從120 ns逐步增加到330 ns，通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)到跳轉(zhuǎn)曲線有明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到330 ns 后再無(wú)改善。繼續(xù)減小跳轉(zhuǎn)速度，從5 000 mm/s 逐漸降低到4 700 mm/s 時(shí)，監(jiān)測(cè)到的曲線再無(wú)變化，此時(shí)的振鏡電機(jī)性能已經(jīng)變得非常理想。在聚焦鏡f=100 mm 時(shí)，跳轉(zhuǎn)距離1 mm，加工調(diào)制脈寬時(shí)間15 μs，測(cè)量出1 個(gè)加工周期時(shí)間為292.4 μs。其中，穩(wěn)定時(shí)間與出光時(shí)間為33.3 μs，即振鏡在1 s時(shí)間內(nèi)可以完成3 419 次跳轉(zhuǎn)。按照每3 束激光完成1個(gè)孔加工，則可實(shí)現(xiàn)1 139孔/s的加工效率。

示波器監(jiān)測(cè)到電機(jī)停止時(shí)的定位誤差滿足振鏡設(shè)計(jì)要求，即在允許的±20 μrad 范圍內(nèi)，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的定位誤差

根據(jù)上述測(cè)試方案，以同樣的方案驗(yàn)證其他跳轉(zhuǎn)距離時(shí)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。通過(guò)測(cè)試0.25、0.50、5、10 mm 等跳轉(zhuǎn)距離確認(rèn)，優(yōu)化后的跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)參數(shù)均可適用。

3.2.3 振鏡電機(jī)定位偏差驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述參數(shù)優(yōu)化的可靠性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，在亞克力校正板上進(jìn)行不同步距隨機(jī)跳轉(zhuǎn)激光鉆孔，通過(guò)CO2激光鉆孔機(jī)配套視覺(jué)系統(tǒng)中的電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）識(shí)別并計(jì)算出鉆孔偏差值的方案，監(jiān)測(cè)參數(shù)優(yōu)化前后振鏡X、Y電機(jī)定位偏差值，驗(yàn)證掃描鉆孔偏差是否滿足不超過(guò)±10 μm 的要求，偏差值記錄見(jiàn)表1。

表1 振鏡電機(jī)隨機(jī)跳轉(zhuǎn)偏差值

由表1可知，優(yōu)化前，X電機(jī)的最大定位偏差值為?15 μm，Y電機(jī)的最大定位偏差值為?48 μm，不符合設(shè)備加工要求的±10 μm。優(yōu)化后，X電機(jī)的最大定位偏差值為?8 μm，Y電機(jī)的最大定位偏差值為?9 μm，符合設(shè)備加工要求的±10 μm。

綜合以上測(cè)試驗(yàn)證分析，振鏡在跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)參數(shù)優(yōu)化后，各方面改善明顯，加工效率每秒只減少23 孔，2 個(gè)振鏡跳轉(zhuǎn)加工周期之間，電機(jī)停止平穩(wěn)，不同步距隨機(jī)跳轉(zhuǎn)電機(jī)定位偏差值小，符合振鏡掃描工作時(shí)的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆孔精度是激光鉆孔的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，尤其是現(xiàn)在的HDI 板和集成電路（integrated circuit，IC）載板孔徑和孔距都越來(lái)越小，在激光鉆孔生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)能指標(biāo)要求較高的前提下，既要保證質(zhì)量，又要保證效率。影響PCB 激光鉆孔精度的因素非常多，除了上述的振鏡原因，還有漲縮、壓合等因素導(dǎo)致的孔偏，控制激光鉆孔精度需制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的控制計(jì)劃。

針對(duì)不同類型的振鏡、不同的應(yīng)用環(huán)境，振鏡的參數(shù)調(diào)整可能不一樣。本文分析了振鏡中跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)對(duì)HDI 板激光鉆孔加工精度的影響，以及如何通過(guò)調(diào)整跳轉(zhuǎn)速度和跳轉(zhuǎn)延時(shí)參數(shù)優(yōu)化振鏡電機(jī)的定位精度。激光鉆孔孔偏的原因或許遠(yuǎn)不止這些，希望本文的經(jīng)驗(yàn)分享能夠起到拋磚引玉的作用，給同行提供一些幫助。