機(jī)械打孔原理

激光打孔原理

機(jī)械打孔具有加工質(zhì)量好、孔徑準(zhǔn)確、孔位精度高的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械加工的方式使其對(duì)生瓷片影響最小，沖制的通孔上下一致，為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，孔型圓度好。機(jī)械打孔的缺點(diǎn)主要是孔徑受制于使用的沖針尺寸，無(wú)法加工極小尺寸（100μm以下），在進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)尺寸或異形孔的加工時(shí)會(huì)受到限制，另外，機(jī)械打孔需消耗沖針，耗材昂貴。目前先進(jìn)機(jī)械打孔設(shè)備生產(chǎn)效率可達(dá)單針1800孔/分鐘以上，打孔位置精度可達(dá)±5μm。若定制模組進(jìn)行沖孔，效率可更高，但對(duì)模組加工質(zhì)量要求也較高。

激光打孔具有不使用耗材、加工速度快的特點(diǎn)，并且激光打孔不受孔徑限制，在非標(biāo)尺寸和異形孔加工時(shí)具有極大優(yōu)勢(shì)。激光加工的缺點(diǎn)主要是激光加工時(shí)會(huì)對(duì)加工區(qū)域產(chǎn)生熱影響，導(dǎo)致生瓷片通孔邊緣狀態(tài)發(fā)生變化。另外，由于激光束的特性和加工方式，激光的入口直徑更大、出口直徑更小，產(chǎn)生錐度。激光加工的效率受生瓷片厚度和孔徑尺寸影響，生瓷片厚度越大，孔徑尺寸越大，加工效率越低。目前先進(jìn)的激光打孔設(shè)備在特定條件下單激光頭生產(chǎn)效率可達(dá)4000孔/秒，而不少?gòu)S家為提升加工效率還設(shè)計(jì)雙頭雙工位甚至四頭四工位設(shè)備，其加工效率更是倍增。

就機(jī)械打孔來(lái)說(shuō)

①選擇合適的設(shè)備：使用高精度、高穩(wěn)定性的打孔機(jī)是前提，確保設(shè)備的X、Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)生瓷片的高速、高精度移動(dòng)；高質(zhì)量的沖針和凹模是保證打孔質(zhì)量的最重要因素，沖針和凹模的硬度、圓度、尺寸精度、裝配公差直接影響著機(jī)械打孔的質(zhì)量。

②適宜的材料：機(jī)械打孔過(guò)程僅發(fā)生物理變化，因此對(duì)材料成分幾乎沒(méi)有要求，一般的LTCC材料都可采用機(jī)械打孔的方式，但材料的機(jī)械特性會(huì)對(duì)打孔質(zhì)量造成較大影響。若生瓷片的脆性較大，在打孔時(shí)易發(fā)生崩缺、開(kāi)裂；若生瓷片的材質(zhì)不均勻，會(huì)影響打孔的一致性；若生瓷片的平整度不夠，會(huì)影響加工通孔的位置準(zhǔn)確度甚至造成生成瓷片損壞。在生瓷片脆性合適的情況下確保其平整度和一致性是保證機(jī)械打孔質(zhì)量的重要條件。

③優(yōu)化工藝參數(shù)：機(jī)械打孔的主要參數(shù)是間距、壓力和速度。間距是指生瓷片在沖針和凹模之間的間距，一般情況下三者相距越近，沖針加工的孔徑越精準(zhǔn)，孔型越圓，加工速度越快，但過(guò)近的間距對(duì)生瓷片的平整度和相關(guān)機(jī)構(gòu)的加工要求就越高，間距越近，越易發(fā)生沖針損壞或生瓷片破損。壓力主要影響通孔的完整性，合適的壓力范圍應(yīng)保證通孔能完整打穿而不對(duì)其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。速度主要指沖針加工的時(shí)間，一般將整個(gè)過(guò)程分為沖針等待時(shí)間（從生瓷片移動(dòng)完成到?jīng)_孔開(kāi)始）、沖孔時(shí)間（從沖針下行到?jīng)_針開(kāi)始上行）、沖針復(fù)位時(shí)間（從沖針開(kāi)始上行到?jīng)_針上行完成回到原位），合理調(diào)整這三個(gè)過(guò)程的時(shí)間才能保證機(jī)械打孔過(guò)程的穩(wěn)定高速運(yùn)行。

④操作流程的精細(xì)控制：如保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔和穩(wěn)定，避免微塵和濕度對(duì)打孔質(zhì)量的影響，控制生瓷片的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，減少轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中對(duì)生瓷片平整度的擾動(dòng)等都是提升機(jī)械打孔質(zhì)量的重要保證。

完好的沖針及凹模及其打孔效果

磨損的沖針及凹模及其打孔效果

就激光打孔來(lái)說(shuō)

①選擇合適的設(shè)備：使用具有穩(wěn)定的激光器、精確的導(dǎo)向系統(tǒng)和可靠的控制系統(tǒng)的高性能的激光設(shè)備，這是提高激光打孔質(zhì)量的基礎(chǔ)。當(dāng)前激光打孔的方式有兩種，其一是將CO2激光的光斑精確聚焦于固定尺寸，采取沖制的方式直接加工通孔，這種加工方式速度快，加工效率高，但其熱效應(yīng)高，對(duì)材料要求高。其二是使用皮秒、飛秒等脈沖激光聚焦于較小尺寸（一般為30μm以下），采取劃切的方式加工通孔，這種加工方式加工效率低，但熱效應(yīng)更集中，對(duì)材料的損傷更小。

②優(yōu)化工藝參數(shù)：激光打孔的主要參數(shù)是激光聚焦位置、激光功率、脈沖寬度、激光頻率和振鏡標(biāo)刻速度。激光在聚焦位置才能形成最小的光斑，進(jìn)而提升打孔的精度和錐度，因此在激光劃切加工時(shí)，往往需要聚焦位置隨著加工遍數(shù)變化。激光功率是影響打孔速度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，功率越高，去除材料的速度越快，但過(guò)高的功率可能導(dǎo)致材料過(guò)度熔化或熱影響區(qū)域擴(kuò)大。脈沖寬度影響激光能量的分布，較短的脈沖可以提供高峰值功率，更適合高精度打孔，較長(zhǎng)的脈沖則提供更平緩的能量分布，適用于較深的打孔；激光頻率決定了單位時(shí)間內(nèi)激光脈沖的數(shù)量，增加頻率可以提高打孔速度，但過(guò)高的頻率可能導(dǎo)致熱量積累和材料損傷；振鏡標(biāo)刻速度影響著激光聚焦光斑移動(dòng)的速度，其與激光頻率配合才能保證孔型的完整性與圓度。

③操作流程的精細(xì)控制：如保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔和穩(wěn)定，避免微塵和濕度對(duì)打孔質(zhì)量的影響，針對(duì)生瓷片和PET采取不同的打孔參數(shù)組合打孔，提高打孔質(zhì)量等。

不良的激光打孔質(zhì)量