摘 要 介绍了以激光切割加工成型的印制板外形加工模具。这种模具制作速度快、效率高、质量精良、成本较低，不失为印制电路板外形加工的一种新的尝试。
关键词 印制电路板 外形加工 激光模切
Process Technology of PCB Contour
Xiong Xiangyu
(Wuhan Digital Engineering Institute of Warship Research Institute of China)
Abstract Introduce PCB contour die in laser cutting.The die is of fast making,high efficency,excellent quality,lower cost and so on,and is a new try of PCB contour process.
Keywords PCB Contour process Laser die cutting
1 印制电路板外形加工现状
印制电路板PCB(Printed Circuit Board)的外形加工通常称之为整形，它是PCB后工序中不容忽视的重要环节。然而，实际情况却十分糟糕，不少企业以为整形仅仅只关系到“无关大局”的装配质量而与电路导通无碍，或许再加上无力进行外形加工设备方面的投资。于是，一个本应加以密切关注的重要环节就在这种糊涂思想的“指导”下演变为企业的得过且过。
1.1 剪床与锯片刀
在一个很长的时期内，特别是那些实力不甚雄厚的中、小型企业，采用剪床剪切PCB外形，以最简单的锯片刀加工PCB插头部位的开口槽，以诸如此类的方法“对付”PCB外形加工是我们经常可以见到的。到真正遇到了一些异形的外形整形以及PCB中一些异形孔的加工，他们往往是一筹莫展、无可奈何。加工设施及手段的简陋使得他们在业务上受到极大的限制。同时，在剪床或锯片刀下加工PCB的外形，显然不可能获得较高的加工精度。据研究显示，人肉眼所能分辨的最小误差为0.2mm，因此，单以人的手工操作，以眼的视力(分辨率)作为外形加工精度的依据，显然不能适应高品质PCB外形精度要求，而且这类加工工艺除工艺准确性欠佳之外，其加工周期长，操作工人的体力消耗大。
1.2 数控铣
用数控铣的方法，结合使用硬质合金刀具加工PCB外形及其内部的异形孔，已经成为PCB生产的重要的也是行之有效的工艺手段。与剪切、冲裁和锯割相比，其被加工面光洁、尺寸精度高(一般可达0.01～0.02mm)，可避免材料的浪费并能缩短加工周期。最新的多主轴数控铣床的出现，使加工成本大大降低。随着电子技术、微电子技术的飞速发展，不少PCB上的走线靠近板材边缘，只有用铣的方法加工才能满足这样的要求。数控铣与其它加工方法相比，一个重要的指标是成本。在PCB生产技术水平高，数控铣应用广泛的国家、地区，数控铣的成本低于模具冲。这是由生产效率、设备、刀具、工装等诸因素的成本所决定的。应该说：数控铣代表了PCB外形加工的现代技术之一，我们应致力发展。
1.3 PCB冲裁
PCB的外形和孔的加工(含下料)均可采用模具冲裁的方法。
冲孔—生产批量大，孔的种类和数量多而形状复杂的单面纸基和双面非金属化孔的环氧玻璃布基板，通常采用一副或几副模具冲孔。
外形加工—PCB生产批量大的单面板或双面板的外形，通常采用模具冲。根据PCB的尺寸大小，可分为上落料模和下落料模。
复合加工—PCB的孔与孔，孔与外形之间要求精度高，同时为了缩短制造周期，提高生产效率，采用复合模同时加工单面板的孔和外形。
2 激光切割模具
所谓激光切割模具是指以钢线刀(又称模切刀片或钢刀条)弯制成冲裁PCB外形或孔的刀具，然后将这些弯制好的刀具固定在以激光切割成型的模体(亦称模切板)上，这种以模切板和钢线刀组合而成的激光切割模具在薄膜开关等行业中已得到广泛的推广和应用。如今，在PCB行业中也有人开始试用，据称效果不错。
2.1 钢线刀
目前国内市场销售的钢线刀分为国产和进口两种。国产钢线刀大都采用上海产品，其厚度为0.7mm，高度为23.77mm和23.62mm两种，进口钢线刀大都采用瑞典、奥地利和日本的产品，这些钢线刀的厚度也是0.7mm，高度为23.80mm。
钢线刀可以用来切割包括制作PCB的覆铜箔板板材在内的若干材料，它是一种奇特的切割刀具，它将许多重要的、互为矛盾的质量特性出色地共融于一体。所以，以钢线刀制作的激光切割模具在提高劳动生产率、增强市场竞争力等方面占据着极大的优势。
(1)高硬度的刀刃—保证较长的使用寿命。刀刃经过高频淬火，硬度可达HV640。最大程度地弯曲也不会出现裂痕。
(2)锋利光滑的刀刃—易于快速切割。
(3)坚硬性和弯曲性—可以经常弯曲，并且可以弯成一个锐角。
(4)柔韧的刀体—经常弯曲产品不受损，坚硬性不改变。由于刀体经过一种特殊的热处理工艺，有一个硬芯HV340，刀体表面具有延展性，刚柔并举，可弯曲角度超过120°。
用于平板模切的刃口包括多面刀、单侧刀以及单侧多面刀。最常用的刀刃角度有52°、46°与42°。例如瑞典山特维克(SANDVIK)公司自三十多年前在世界上第一个采用了刀刃硬化技术以来，一直保持该技术的领先地位。其产品具有非常理想的硬度结构，淬火硬化后的刀体硬度HV340～520，经过硬化处理的刀刃，硬度高达HV560～720。所有可弯曲的钢线刀，在表面上都有一层柔软的脱碳层。图1为能弯曲成精确、复杂几何图形的用于平板模切的钢线刀刃口示意图，下表是型号为Qinflex钢线刀的技术指标。
图1 平板模切钢线刀刃口示意图
表 钢线刀技术指标
h/mm
d/mm
钢线刀的质量特性有：弯曲性、厚度、硬度、韧性、表面平凹度、刀刃锋利度及形状、刀背形状、刀刃硬度及淬火深度、卷曲度、扭曲度及弧度/边弯曲和高度。
(1)刀片的弯曲性极为重要。弯曲时，无论是刀体或刀刃，都不许出现裂痕。在硬化加工过程中设定的硬度、微观结构及脱碳直接决定了刀片的弯曲性。此外，刀刃的成型处理、硬度与淬火深度都对弯曲性有一定的影响。
(2)刀片的厚度必须控制在极小的公差范围之内，以便符合计算机制版及激光切割模切板技术的高要求。
(3)刀体的硬度根据稳定性和刚性加以选择，因为切割不同材料需要的稳定性和刚性不同。同时，刀体的硬度要限定在很小的区域内，弯曲时刀片才能具备均衡的韧性和弯曲随意性。韧性或弯曲随意性是由硬度、微观结构、脱碳情况及厚度所决定的。
(4)刀片的表面应保持干净，表面上要尽量减少对弯曲性和制板工作有影响的缺陷。
(5)锋利与精确的刃口形状是消除毛刺、使切割位置准确的重要因素。
(6)刀背应该没有毛刺，而且为便于把刀片容易、平缓地嵌入模切板，刀背两棱应当有一定的倒角。
(7)硬度和刀刃的淬硬深度经过合理的选择，产生良好的弯曲性和长寿命。寿命和弯曲性之间的关系是：硬度和淬火深度过多地增加会使刀片寿命延长，但是弯曲性下降。有实验证明，刀刃的硬度如果提高14％，其磨损就减少30％。这就充分说明了合适的高硬度的重要性。
(8)严格控制同一模具中刀片的高度，只有一致性好的刀片高度才会使装板、调试工作更容易一些。
2.3 钢线刀的弯制
钢线刀弯制的几何形状的精度是保证钢线刀顺利置入模切板的重要因素，同时也是保证激光切割模具冲裁精度的关键之一。在薄膜开关等行业，如今大多数企业是以具有较高钳工或钣金工技艺的技工以人工弯制，其工件冲裁精度可达0.2～0.5mm。对较高精度要求的PCB或其它类型的工件则需另择它途。在专业化的激光切割模具制造工厂，都是采用自动弯刀机进行弯刀。例如日本LASERCK自动弯刀机，能根据电脑绘制的图形，自动计算刀片的回弹力，高速、准确地完成弯刀工序，进一步保证模切刀模的精度。除日本的自动弯刀机外，德国产的液压弯刀、切刀系统采用液晶显示、液压传动及游标定位，有效地保证了弯制的刀具的几何精度在0.02mm。
2.4 电脑绘图与模切板加工
激光切割模具制造工艺为：
图2 激光切割模具制造工艺流程图
(1)电脑绘图—电脑绘图是指对客户提供的模具加工数据(模具技术要求)进行电脑模拟(电脑绘图)，然后再以这些成条的数据(文件)命令(驱动)激光切割机对模切板进行切割。当前，市场上已有专用于激光切割模具的计算机软件和绘图系统出售，它们与激光切割模切板系统组合在一起形成全封闭的计算机网络。这样既有效地防止数据丢失及计算机病毒的侵入，同时又保证了模切板的高精度。对于复杂且不规则图形，采用高分辨率的扫描仪扫入电脑，保证图形的准确性。
(2)模切板加工
模切板是嵌入已弯成几何形状的钢线刀的承载体，它是以激光切割制成的。
由于激光切割制作模切板是由一台大功率CO2激光发生器，一台精密数控机床以及电脑共同协作完成的，因此它的精密度是非常高的。操作时只要把模切刀具的形状、尺寸等数据输入电脑，激光切割头就会在电脑的控制下，通过精密数控机床，按设计要求把拼排的模切板图形线在木板或其它材料上切割出来。无论多么复杂的图案，只要有正确的数据，激光都能划割准确无误，以便能顺利嵌入钢线刀。
激光切割机采用脉冲切割技术，其切割速度为10m/min，切割精度可达0.02mm，这样的高精度和高效率是普通手工或机械锯割所不能相比的。
从激光切割头发出的激光束由于是垂直光束，因此，在模切板上的图形线也是非常垂直很利于嵌入钢线刀。 对于模切板来说，切缝槽实际是非常讲究的。若切缝模的宽度大于钢线刀的厚度时，钢线刀嵌入后，容易在槽内松动，容易在模切轧壳时“掉刀”，而切缝槽的宽度小于钢线刀的厚度时，嵌入钢线刀就非常困难，嵌入钢线刀之后往往因为太紧造成模切板变形，经过装板、垫板后影响钢线刀的寿命。而采用激光切割制作模切板就能很好地解决切缝槽的宽窄问题，因为只要稍微调整激光切割尖的激光束或运行速度，就可以轻易得到切缝所需宽度。而且，用激光束还可以割出0.5～1.0mm的圆弧，而普通锯床只能靠打一个孔来完成。且缝槽的垂直度也没有激光来得垂直，排刀人员只能凭经验将钢线刀折弯成圆弧，影响了装刀质量。因此，由激光制作的模切板和手工或机械排刀制作的模切板相比较，激光排刀质量要高于手工或机械排刀制作的模切板。
激光切割制作的模切板在钢线刀不锋利的情况下还可直接换刀，使板子可以长期保存、反复使用。一副激光切割的PCB外形加工模具，由于时间长，PCB企业原始图纸遗失也没有关系，PCB企业只要把模切板制作初始的文件号(甚至只需把企业名称)报出来，就能在极短的时间里将贮存在电脑中的该激光切割模具的原始文件调出来，重新制作一副，极其简单和快捷。
3 结束语
PCB的外形加工，当然不能囿于某一种模式，随着电子工业、微电子工业飞速发展，对现代PCB质量提出更高的要求，用激光切割制作PCB外形加工模具无疑是一种可喜的尝试。激光切割制作PCB外形加工模具，具有制作精确，速度快，效率高，模具中的模切板可长期使用，模切刀具易于更新，模具可反复使用，模具制作成本相对较低等特点。
