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激光打码在PCB行业的广泛应用
  2021-11-02      

广东瑞天智能科技有限公司 艾元青

目前传统的追溯还是采用贴条码方式,此方式需要条码纸及打印条码,然后再手工贴及机贴,工序繁锁,容易出错,而且没有检测功能,长时间容易脱落,激光打标无需耗材及成本低,速度快,永久标记,所以,未来会得到大量的应用,当今工业4.0的兴起,越来越多的客户开始上MES系统,激光打标机又是必备的设备,未来激光打标机必将取代贴标,应用越来越广泛,受到越来越多的客户的重视,激光打标也是未来的发展趋势。  

大家都知道,激光器有很多的功能,传统的有激光切割,激光焊接,激光蚀刻,激光清洗,激光打标等等。今天,我们重点讲讲激光打标的应用。激光打标简单地来讲就是激光束在不同的物质表面上打上永久的标记,只是不同的激光器应对不同的材质打标。

首先我们来讲下UV激光器结构原理图,它主要由UV激光器及扩束镜、聚焦透镜、CCD定位系统,水冷系统,吸尘和除尘系统,XY运动控制部分组成。紫外激光器的工作原理是利用紫外短波长激光束通过扫描振镜传递到聚焦镜聚焦后扫描到物体的表面,使高能量的紫外光子直接破坏物料表面的分子键,达到去除材料的目的。加工的特点是:1.非接触式加工,无应力;2 属于冷光源加工,热影响小,加工边缘光滑;3  聚焦后的光斑斑点达到20UM,加工精度高  4 振镜的扫描速度快,加工效率快。 5  可加工各种复杂图纸,支持DXF及GERBER文件格式导入。

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     通过以上原理图可以看出,光纤激光器与CO2激光器工作原理同紫外激光器工作原理差不多,只是在激光光路上存在差异,不同的产品采用不同的激光器进行打标,后面我们将会重点介绍。

激光打标机的关键部件分为三大部分,激光器及振镜和场镜,激光器的作用是利用激光束在不同物体表面上刻上永久的记号。激光器在打标行业目前主要有UV、  CO2及光纤三种。振镜的作用是摆动激光到指定的位置,关系到打标的精准度及品质。场镜的作用是将激光聚焦后到指定的位置打标,关系到打标的速度。

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激光器图片

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振镜图片

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场镜图片

激光打码的流程是首先传感器检测PCB是否到位,再CCD相机进行识别定位,然后激光器根据程序的路径进行打标,同时进行读码,并将结果保存在设备的指定的路径下或上传到客户的MES系统内,方便后续查看及查找相关信息。通过导入激光打标机后可以实现三防,防错码,防漏码,防重码,对产品可以实现追溯功能,生产过程中实时监控,提升产品良率。

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激光打标流程图

二维码分为堆叠式二维码,矩阵式二维码,邮政码,目前我们常用的是矩阵式二维码,它的优点是存储大容量数据,在小空间内打印,可以有效的处理各种文字,对变脏及破损的适应能力强,可以从360度任一方向读取,支持数据合并功能。我们常用的是QR及DM码,当前紫外激光器设备所能打码的最小尺寸在1.0*1.0MM,评判等级在A或B级。通常产品的二维码大小在2*2到5*5MM之间,标刻的方式由点模式及圆模式和矩形模式三种方式,填充方式有整体填充及交叉填充两种模式。所有厂家的激光打码设备结构都差不多,但工艺人员的调试技术及实战经验就相差很多,需要专业人员不断调试及测试,才能达到最佳状态。激光打码的评级设备有很多种类,我们最常用的是基恩仕的SR-2000类型,评判的内容有10多项,精准度很高,评判的等级由A-F六个等级,依次由高至低顺序。激光打码的评判等级与镭雕的深度,雕刻的方式,填充的方式,PCB材质,PCB颜色等有关,通过下图的测试可以看出与周围的颜色干扰有相当的关系,必须在二维码的上下左右留出0.5MM的空间,否则很难达到A级的标准。

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二维码的雕刻方式

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二维码的效果与周围干扰有关系

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二维码的评级

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二维码的点阵数与位数关系

激光器按激光介质分类:有固体激光器,气体激光器,半导体激光器,燃料激光器。按激光波长分类:有紫外,CO2,光纤,绿光。以下图一将激光分为可见与不可见激光,紫外与红外光是不可见激光,辐射较少。绿光是可见光激光,有较强的辐射。所以在现实生产过程中,绿光的激光器很少用到。图二是将不同波长的激光器进行比较,以便后续我们选用。

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图一

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图二

     二氧化碳(CO2)激光器主要应用范围: 消费类电子,手机部件,陶瓷,PCBA,塑胶壳体。. CO2激光器功能通常在10W,波长10640nm,激光斑点大小0.08mm,国内厂商的激光器精度还很达到要求,所以目前各家设备商还是采用进口激光器。以下是我们实际生产中应用案例,供各位参考。

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光纤(FLP)激光器主要应用范围:塑胶透光按键,钟表眼镜,电子元器件,五金饰品, 建材管材,屏敝盖 等。光纤激光器功率通常在20W,波长1064nm,激光斑点0.05mm,国内厂商居多,如武汉锐科,杰普特,创鑫等等。

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紫外(UV)激光器主要应用范围: 工艺礼品,医药包装,食品饮料包装,PCBA, 屏敝盖,钢片 等,UV激光器功率通常在5W,波长355nm,激光斑点在0.03mm ,下面是实际生产的效果图。

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     SMT在线打标机是放在送板机后面,印刷机前面,实现无人化、自动化、智能化生产,提升效率,节省人力。激光打标的效率非常快,有些客户为了节省成本,单独放置线外打标,一条离线的打码产能可以供应3条SMT线体的产能,而且激光打码换线时间大概5分钟,是SMT换线时间的六分之一(以老机种换线为例)。离线打码对于小批量多品种产品非常有优势,节省时间,提高效率。针对后段组装线的产品,也有不同类型的产品线对应客户需求,图一产品可以随意搬动,在流水线体上不同位置打码,灵活多样。图二产品与客户的流水线对接,自动打码,减少人力,速度快,无需治具定位,节省成本。图三根据客户的空间位置量体裁衣,满足客户的需求。图四针对小批量多品种打样,换线快,操作方便。


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  图一                        图二                              图三                             图四

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离线模式

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在线模式

镭雕后的二维码我们通过深圳市华南检测中心测试,产品符合要求。具体有四项测试方法:

1.快速温度试验,(测试条件:低温-40摄氏度,低温保持时间30分钟,高温60摄氏度 ,高温保持时间30分钟,温变速率:1︒C/MIN,,测试周期:1个循环)

2.酒精摩擦试:(温度22.5︒C ,温度55.5%RH,荷重50G,次数50次,摩擦位置:二维码位置)

3.ECA纸带摩擦试验 (温度22.5︒C ,温度55.5%RH,荷重55G,次数50次,摩擦位置:二维码位置)

4.切片观察(OM),目前大部分客户最关心的镭雕深度是多少UM或镭雕是否伤到PCB线路?通过切片观察 ,如下图测试数据,我们发现UV的镭雕深度最浅,CO2其次,光纤最深,最次验证PCBA的镭雕用UV及CO2最合适。

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镭雕打标机具有:1.自动雕刻,实现自动化作业,2.成本低,易操作,无耗材成本 3. 可以实现产品的追溯,避免大量的重工及返修。4. 易于辩识,外观清晰,5. 不易擦掉,永久保存  6 符合环保要求 ,

激光打标机可以与MES系统完整对接,标刻内容可以由软件完成,也可以从客户数据库调用或通过局域网对接,自动生成二维码内容,避免重码,错码,漏码,同时与MES系统使用,可以监控产品的生产过程,实时的预警与报警,确保产品良率和品质。

目前激光打标机在结构上有很多的设计,如标准在线打标机,在线翻板打标机,单头双轨打标机,上下头单轨打标机,上下头双轨打标机,主要是取决于客户的要求而定,在激光器光路设计上主要有普通光路及飞行光路两种设计,在相机的设计上有同轴及伪同轴两种设计。在相机光源上主要有同轴光及环形光两种设计。

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伪同轴设计

激光打标机的广泛应用得到越来越多终端客户的认可,不管是品质上还是效率上,都较传统的贴标机有较大的优势,随着工业4.0及大数据的不断推广,而且在技术及工艺上不断完善,必将是呈爆发式的增长。

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