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隨(sui)著微電子技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)飛速(su)發展(zhan),大規模(mo)和超大規模(mo)集成(cheng)電路的(de)(de)廣泛應(ying)用,微組裝技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)進步,使(shi)印(yin)制(zhi)電路板(ban)的(de)(de)制(zhi)造向著積(ji)層化(hua)(hua)、多功能化(hua)(hua)方(fang)(fang)向發展(zhan),使(shi)印(yin)制(zhi)電路圖形(xing)導線細、微孔(kong)化(hua)(hua)窄間距化(hua)(hua),加工中所采用的(de)(de)機(ji)械(xie)方(fang)(fang)式鉆孔(kong)工藝技(ji)(ji)(ji)術已不能滿足(zu)要求而迅速(su)發展(zhan)起來(lai)的(de)(de)一(yi)種新(xin)型的(de)(de)微孔(kong)加工方(fang)(fang)式即(ji)激(ji)光鉆孔(kong)技(ji)(ji)(ji)術。
激光成孔的原理
激(ji)(ji)(ji)光(guang)是當(dang)“射(she)(she)線”受(shou)到(dao)外來的刺激(ji)(ji)(ji)而增(zeng)加(jia)能量下所激(ji)(ji)(ji)發(fa)的一種(zhong)強力(li)光(guang)束,其中(zhong)紅外光(guang)和(he)可見光(guang)具(ju)有熱能,紫(zi)外光(guang)另具(ju)有光(guang)學能。此種(zhong)類型的光(guang)射(she)(she)到(dao)工件的表面時會發(fa)生三種(zhong)現象(xiang)即反射(she)(she)、吸收和(he)穿透(tou)。
透過光學(xue)另(ling)件(jian)擊(ji)打在基材上激光光點,其組(zu)成有多(duo)種(zhong)模式,與被照點會產生(sheng)三種(zhong)反應(ying)。
激光鉆孔的主(zhu)要(yao)(yao)作用(yong)就是能夠很快地除去所要(yao)(yao)加工(gong)的基板材料,它主(zhu)要(yao)(yao)靠(kao)光熱燒蝕(shi)和光化學燒蝕(shi)或稱之謂(wei)切除。
01光熱燒蝕
指被加工的(de)(de)材料吸收高(gao)能量的(de)(de)激(ji)光,在極短(duan)的(de)(de)時間(jian)加熱到(dao)熔化并被蒸發(fa)掉的(de)(de)成孔(kong)原理(li)。此種工藝方法在基板材料受到(dao)高(gao)能量的(de)(de)作用(yong)下,在所形成的(de)(de)孔(kong)壁上有燒黑(hei)的(de)(de)炭化殘渣(zha),孔(kong)化前必須進行清理(li)。
02光化學燒蝕
是(shi)指紫外(wai)線區所具有(you)(you)(you)的(de)(de)高光子能(neng)(neng)量(超過(guo)2eV電子伏特)、激光波長超過(guo)400納米的(de)(de)高能(neng)(neng)量光子起作用的(de)(de)結果。而(er)這種(zhong)高能(neng)(neng)量的(de)(de)光子能(neng)(neng)破壞有(you)(you)(you)機(ji)材料(liao)的(de)(de)長分子鏈,成為更小(xiao)的(de)(de)微(wei)粒,而(er)其(qi)能(neng)(neng)量大于原分子,極力從中逸出(chu),在(zai)外(wai)力的(de)(de)掐吸情(qing)況之下,使基板材料(liao)被快速除去而(er)形成微(wei)孔。因此種(zhong)類型的(de)(de)工藝方(fang)法(fa),不(bu)含(han)有(you)(you)(you)熱燒,也就不(bu)會(hui)產生炭(tan)化(hua)(hua)現象(xiang)。所以,孔化(hua)(hua)前清理就非常簡單。
以上(shang)就是激光(guang)(guang)成孔的基本原理(li)。目前(qian)最(zui)常(chang)用的有兩種激光(guang)(guang)鉆(zhan)孔方式:印制電路板鉆(zhan)孔用的激光(guang)(guang)器(qi)主要有RF激發的CO2氣體激光(guang)(guang)器(qi)和UV固態Nd:YAG激光(guang)(guang)器(qi)。
03關于基板吸光度
激光(guang)(guang)成(cheng)功率(lv)的高(gao)低(di)與(yu)(yu)基板材(cai)(cai)(cai)料(liao)的吸光(guang)(guang)率(lv)有(you)(you)著直接的關系。印制電路板是由(you)銅箔與(yu)(yu)玻璃布和樹脂組合而成(cheng),此(ci)三種材(cai)(cai)(cai)料(liao)的吸光(guang)(guang)度(du)也因(yin)波長不同有(you)(you)所(suo)不同但其中銅箔與(yu)(yu)玻璃布在(zai)紫外光(guang)(guang)0.3mμ以下區域的吸收率(lv)較高(gao),但進入可見光(guang)(guang)與(yu)(yu)IR后卻(que)大幅度(du)滑落。有(you)(you)機樹脂材(cai)(cai)(cai)料(liao)則(ze)在(zai)三段光(guang)(guang)譜(pu)中,都(dou)能維持相(xiang)當高(gao)的吸收率(lv)。這(zhe)就(jiu)是樹脂材(cai)(cai)(cai)料(liao)所(suo)具有(you)(you)的特性,是激光(guang)(guang)鉆孔工藝流行的基礎。
CO2激光成孔的不同的工藝方法
CO2激(ji)(ji)光(guang)成(cheng)孔的(de)(de)(de)(de)(de)鉆孔方(fang)法(fa)(fa)主要(yao)有(you)直接成(cheng)孔法(fa)(fa)和敷(fu)形掩(yan)膜成(cheng)孔法(fa)(fa)兩種。所謂(wei)直接成(cheng)孔工(gong)(gong)(gong)藝(yi)方(fang)法(fa)(fa)就(jiu)是把激(ji)(ji)光(guang)光(guang)束經設備(bei)主控系統將光(guang)束的(de)(de)(de)(de)(de)直徑(jing)調制(zhi)到與被加工(gong)(gong)(gong)印(yin)制(zhi)電路板(ban)上的(de)(de)(de)(de)(de)孔直徑(jing)相(xiang)同,在沒有(you)銅箔的(de)(de)(de)(de)(de)絕緣介質表面上直接進(jin)行成(cheng)孔加工(gong)(gong)(gong)。敷(fu)形掩(yan)膜工(gong)(gong)(gong)藝(yi)方(fang)法(fa)(fa)就(jiu)是在印(yin)制(zhi)板(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)表面涂覆一層專用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)掩(yan)膜,采(cai)用(yong)常規的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)方(fang)法(fa)(fa)經曝光(guang)/顯影/蝕刻工(gong)(gong)(gong)藝(yi)去掉孔表面的(de)(de)(de)(de)(de)銅箔面形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)敷(fu)形窗(chuang)口。然后(hou)采(cai)用(yong)大于孔徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)束照射這些孔,切除暴露的(de)(de)(de)(de)(de)介質層樹脂(zhi)。現分(fen)別(bie)介紹如下:
1開銅窗法:
首先在內層板上(shang)復壓一層RCC(涂樹(shu)脂銅箔(bo))通過光(guang)化學方法(fa)制成窗口(kou)(kou),然后進行蝕刻露出樹(shu)脂,再采用激光(guang)燒除窗口(kou)(kou)內基(ji)板材料即形成微(wei)盲孔。
當光束經增強后通過(guo)光圈到達(da)兩組電流計式的微動(dong)反射掃(sao)描鏡,并經一次垂直(zhi)對正(Fθ 透(tou)鏡)而達(da)到可進行激動(dong)的臺(tai)面的管區,然后再逐一燒成微盲孔。
在一(yi)英寸見方的(de)小管區內經電子快束這(zhe)定位(wei)后,對(dui)0.15mm的(de)盲(mang)孔(kong)可連打三槍成孔(kong)。其中第一(yi)槍的(de)脈沖寬度約為(wei)15μs,此時提供能量達到成孔(kong)的(de)目的(de)。后再槍則利用來清理孔(kong)壁(bi)孔(kong)底的(de)殘渣和修正孔(kong)。
激光(guang)能量控(kong)制良好的0.15mm微(wei)盲孔(kong)的SEM橫斷面及45度的全圖,此種(zhong)開窗(chuang)口(kou)的成孔(kong)工藝方法,當底墊(靶標盤)不(bu)大時又需大排(pai)版或二階(jie)盲孔(kong)時,其對準度就(jiu)比較困(kun)難。
2開大窗口工藝方法:
前一種工藝(yi)方(fang)法成(cheng)孔(kong)(kong)的(de)(de)直徑與(yu)所開(kai)的(de)(de)銅窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)相同(tong),如果(guo)操作稍有不慎就會使(shi)所開(kai)窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)的(de)(de)位置(zhi)(zhi)產(chan)生偏(pian)差,導致成(cheng)孔(kong)(kong)的(de)(de)盲孔(kong)(kong)位置(zhi)(zhi)走位致使(shi)與(yu)底墊(dian)中心失準的(de)(de)問題產(chan)生。該銅窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)的(de)(de)偏(pian)差產(chan)生的(de)(de)原因有可(ke)能是基(ji)板材料(liao)漲(zhang)縮和圖像轉(zhuan)移所采用的(de)(de)底片變(bian)形有關。所以采取開(kai)大(da)(da)銅窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)的(de)(de)工藝(yi)方(fang)法,就是將銅窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)直徑擴大(da)(da)到比底墊(dian)還大(da)(da)經 0.05mm左(zuo)右(you)(通常按照(zhao)孔(kong)(kong)徑的(de)(de)大(da)(da)小來確定(ding),當孔(kong)(kong)徑為(wei)0.15mm時(shi),底墊(dian)直徑應在(zai)0.25mm左(zuo)右(you),其(qi)大(da)(da)窗(chuang)(chuang)(chuang)口(kou)直徑為(wei)0.30mm)然后(hou)再進行(xing)激光鉆孔(kong)(kong),即(ji)可(ke)燒出位置(zhi)(zhi)精確對準底墊(dian)的(de)(de)微盲孔(kong)(kong)。
其(qi)主要特點(dian)是選擇(ze)自(zi)由(you)度大(da),進行激光(guang)鉆孔(kong)時可選擇(ze)另按內層(ceng)底墊的(de)(de)程(cheng)式去成(cheng)(cheng)孔(kong)。這就(jiu)有效的(de)(de)避免由(you)于銅窗口直(zhi)徑(jing)與成(cheng)(cheng)孔(kong)直(zhi)徑(jing)相同時造成(cheng)(cheng)的(de)(de)偏(pian)位而(er)使(shi)激光(guang)點(dian)無法對正窗口,使(shi)批量(liang)大(da)的(de)(de)大(da)拚板面上會(hui)出現許多不完整的(de)(de)半孔(kong)或殘孔(kong)的(de)(de)現象。
3樹脂(zhi)表面直接成孔工藝方法 :
采用激光成孔有(you)幾種類型的工藝方法進(jin)行(xing)激光鉆孔:
A.基板是采用在內層板上(shang)層壓涂樹脂(zhi)銅箔(bo),然后將銅箔(bo)全部蝕刻去掉,就可采用CO2激光在裸露的樹脂(zhi)表面直接成孔(kong),再繼(ji)續按照鍍覆孔(kong)工藝方法進行孔(kong)化處(chu)理。
B.基板是采用FR-4半固(gu)化(hua)片和銅箔(bo)以代替(ti)涂樹脂(zhi)銅箔(bo)的相類似制作工藝(yi)方法。
C.涂布感光樹脂后(hou)續層壓銅(tong)箔的工藝方法制作。
D.采用干膜作介質(zhi)層與銅箔的壓貼工(gong)藝方(fang)法制作。
E.涂布其它類型的溫膜與銅箔覆壓的工藝方法(fa)來制作。
4采(cai)用超薄(bo)銅箔(bo)的直接燒蝕的工藝方法
內層(ceng)芯板(ban)兩面壓(ya)貼涂樹脂(zhi)銅箔(bo)后(hou),可(ke)(ke)采用(yong)“半(ban)蝕方法”將銅箔(bo)厚度(du)17m經蝕刻(ke)后(hou)減薄到(dao)5微米,然(ran)后(hou)進行黑氧(yang)化處理,就(jiu)可(ke)(ke)采用(yong)CO2激光成孔。
其(qi)基本(ben)原理(li)就是(shi)經氧化處理(li)成黑(hei)的(de)(de)表(biao)面(mian)會強烈吸光,就會在(zai)提(ti)(ti)高CO2激(ji)光的(de)(de)光束能量(liang)的(de)(de)前(qian)提(ti)(ti)下,就可(ke)(ke)以(yi)(yi)直(zhi)接在(zai)超薄(bo)銅(tong)箔與樹脂表(biao)面(mian)成孔。但最困(kun)難的(de)(de)就是(shi)如(ru)何(he)確保 “半(ban)蝕方(fang)法”能否(fou)獲得厚度均勻一(yi)致(zhi)的(de)(de)銅(tong)層,所以(yi)(yi)制作(zuo)起來(lai)要(yao)特別注視。當然可(ke)(ke)采用(yong)背銅(tong)式可(ke)(ke)撕性材(cai)料(UTC),銅(tong)箔相當簿約5微(wei)米。
根據這(zhe)種類型(xing)的板加工,目前在(zai)工藝上主要采取(qu)以(yi)下幾個(ge)方面:
這主要(yao)對材料供應商(shang)提出嚴格的(de)質量和技(ji)術指標,要(yao)確(que)保介質層的(de)厚(hou)(hou)度(du)的(de)差異在510μm之間。因為只有(you)確(que)保涂樹(shu)脂(zhi)銅箔基材的(de)介質厚(hou)(hou)度(du)的(de)均勻性(xing),在同樣(yang)的(de)激(ji)(ji)光(guang)能量的(de)作(zuo)用(yong)下,才能確(que)保孔(kong)(kong)型的(de)準確(que)性(xing)和孔(kong)(kong)底部的(de)干(gan)凈。同時還需要(yao)在后(hou)續工序中(zhong),采用(yong)最佳的(de)除鉆污工藝條件,確(que)保激(ji)(ji)光(guang)成(cheng)孔(kong)(kong)后(hou)盲孔(kong)(kong)底部的(de)干(gan)凈無殘(can)留物。對盲孔(kong)(kong)化學鍍和電鍍層的(de)質量會(hui)產生良好(hao)的(de)作(zuo)用(yong)。
Nd:YAG激光鉆孔工藝方法
Nd:YAG是(shi)釹和(he)釔鋁柘榴石。兩種(zhong)固(gu)態晶體(ti)共同激(ji)發(fa)出的UV激(ji)光。最近多采用(yong)的二(er)極(ji)管脈沖激(ji)勵的激(ji)光束,它可以制成有效的激(ji)光密封(feng)系統,不需要水冷。這種(zhong)激(ji)光三次(ci)諧波(bo)(bo)波(bo)(bo)長為(wei)355納米(mi)(mi)(nm)、四(si)次(ci)諧波(bo)(bo)波(bo)(bo)長為(wei)266納米(mi)(mi)(nm),波(bo)(bo)長是(shi)由光學晶體(ti)調制的。
這種類(lei)(lei)型的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)鉆孔(kong)的(de)最大特點是屬于(yu)紫(zi)外(wai)光(guang)(guang)(guang)(UV)譜區,而覆銅箔層壓板所組成(cheng)(cheng)的(de)銅箔與玻璃(li)纖維在紫(zi)外(wai)光(guang)(guang)(guang)區域(yu)內吸光(guang)(guang)(guang)度很(hen)強,加上(shang)此類(lei)(lei)激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)光(guang)(guang)(guang)點小(xiao)能(neng)量大,故(gu)能(neng)強力的(de)穿透銅箔與玻璃(li)布(bu)而直(zhi)接成(cheng)(cheng)孔(kong)。由于(yu)上(shang)種類(lei)(lei)型的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)熱量較小(xiao),不會象(xiang)CO2激(ji)光(guang)(guang)(guang)鉆孔(kong)后生(sheng)成(cheng)(cheng)炭渣,對孔(kong)壁后續(xu)工序提供了(le)很(hen)好的(de)處(chu)理表面。
Nd:YAG激(ji)光技術在(zai)(zai)很多(duo)種材(cai)料上進(jin)(jin)行(xing)徽盲孔(kong)(kong)(kong)(kong)與(yu)通(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的加工。其(qi)中在(zai)(zai)聚酰亞胺覆銅箔層壓(ya)板(ban)上鉆(zhan)導通(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong),最小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)(kong)徑(jing)(jing)(jing)是25微(wei)米。從(cong)制作成本分(fen)析,最經(jing)濟(ji)的所采(cai)用(yong)的直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)是25125微(wei)米。鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)速度為10000孔(kong)(kong)(kong)(kong)/分(fen)。可采(cai)用(yong)直(zhi)接激(ji)光沖孔(kong)(kong)(kong)(kong)工藝方法,孔(kong)(kong)(kong)(kong)徑(jing)(jing)(jing)最大50微(wei)米。其(qi)成型的孔(kong)(kong)(kong)(kong)內(nei)表(biao)干凈(jing)無碳(tan)化,很容易進(jin)(jin)行(xing)電鍍。同樣也可在(zai)(zai)聚四氟乙烯(xi)覆銅箔層壓(ya)板(ban)鉆(zhan)導通(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong),最小(xiao)孔(kong)(kong)(kong)(kong)徑(jing)(jing)(jing)為25微(wei)米,最經(jing)濟(ji)的所采(cai)用(yong)的直(zhi)徑(jing)(jing)(jing)為25125微(wei)米。鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)速度為4500孔(kong)(kong)(kong)(kong)/分(fen)。不需(xu)預蝕刻(ke)出(chu)窗口(kou)。所成孔(kong)(kong)(kong)(kong)很干凈(jing),不需(xu)要(yao)附加特別的處理工藝要(yao)求(qiu)。還有(you)其(qi)它材(cai)料成型孔(kong)(kong)(kong)(kong)加工等(deng)。
實際生產中產生的質量問題
激光鉆孔過程中,產生的(de)質量(liang)問題比較多,不準備全面講(jiang)述,只將最易出現的(de)質量(liang)問題提出供同(tong)行(xing)參考。
在激(ji)光鉆孔中,光束(shu)定(ding)位系統(tong)對于(yu)孔徑(jing)成型的(de)(de)準確(que)性極關重要(yao)。盡管(guan)采用(yong)光束(shu)定(ding)位系統(tong)的(de)(de)精確(que)定(ding)位,但由(you)于(yu)其(qi)它因素(su)的(de)(de)影響往往會產(chan)(chan)生孔形(xing)變形(xing)的(de)(de)缺焰。生產(chan)(chan)過程中產(chan)(chan)生的(de)(de)質量問題,其(qi)原(yuan)因分(fen)析如下:
1.制作內(nei)層(ceng)(ceng)芯板(ban)焊盤(pan)與導線圖(tu)形(xing)的(de)底(di)片,與涂樹脂銅箔(RCC)增層(ceng)(ceng)后(hou)開(kai)窗口用(yong)的(de)底(di)片,由(you)于(yu)兩者都會因(yin)為濕度與溫(wen)度的(de)影響尺寸增大與縮小的(de)潛在因(yin)素。
2.芯板制(zhi)作導線焊盤圖形(xing)時基材(cai)本身(shen)的(de)尺寸的(de)漲縮,以及高溫壓貼涂樹(shu)脂銅箔(RCC)增層(ceng)后,內(nei)外層(ceng)基板材(cai)料又出現尺寸的(de)漲縮因素(su)存在所至(zhi)。
3.蝕(shi)刻所(suo)開銅窗(chuang)口尺寸大小與位置也(ye)都會產生誤差。
4.激光機(ji)本身的光點(dian)與臺(tai)面(mian)位移之(zhi)間的所造成的誤差。
5.二階盲孔(kong)對(dui)準度難度就更大,更易引起位置誤差。
根(gen)據上述(shu)原因分析,根(gen)據生(sheng)產所(suo)掌握的有關(guan)技(ji)術資料(liao)與實(shi)際運作過程的經驗,主(zhu)要采(cai)取(qu)的工藝(yi)對策有以(yi)下(xia)幾(ji)個方面:
1.采(cai)取縮小(xiao)排版(ban)尺(chi)寸(cun),多數廠家制作多層板排版(ban)采(cai)取450×600或525×600(mm)。但對于(yu)加(jia)工導線寬度為0.10mm與盲孔孔徑為0.15mm的手機板,最(zui)好采(cai)用排版(ban)尺(chi)寸(cun)為350×450(mm)上限。
2.加大激光直(zhi)徑:目的(de)就是增加對(dui)銅窗口被罩(zhao)住的(de)范圍。其具體的(de)做法采取“光束(shu)直(zhi)徑=孔直(zhi)徑+90~100μm。能量密度(du)不足(zu)時可多(duo)打一兩槍(qiang)加以解決。
3.采取開(kai)大(da)銅窗(chuang)口工藝(yi)方法:這(zhe)時只是銅窗(chuang)口尺寸變大(da)而孔(kong)(kong)徑卻未改動,因此(ci)激光(guang)成孔(kong)(kong)的直(zhi)徑已不再完全由窗(chuang)口位置來決(jue)定,使得孔(kong)(kong)位可(ke)直(zhi)接(jie)根據芯(xin)板(ban)的上(shang)的底墊靶標位置去燒(shao)孔(kong)(kong)。
4.由(you)光(guang)化學成(cheng)(cheng)像與蝕刻(ke)開窗(chuang)(chuang)口改成(cheng)(cheng)YAG激(ji)光(guang)開窗(chuang)(chuang)法:就是采用(yong)YAG激(ji)光(guang)光(guang)點按芯板的基準孔首先(xian)開窗(chuang)(chuang)口,然后再(zai)用(yong)CO2激(ji)光(guang)就其(qi)窗(chuang)(chuang)位(wei)去燒出孔來(lai),解決成(cheng)(cheng)像所造(zao)成(cheng)(cheng)的誤(wu)差。
5.積(ji)(ji)層(ceng)(ceng)兩次再(zai)制作(zuo)二(er)(er)(er)階微(wei)盲(mang)孔(kong)(kong)(kong)法(fa):當芯(xin)板兩面各積(ji)(ji)層(ceng)(ceng)一(yi)(yi)層(ceng)(ceng)涂(tu)樹脂銅箔(RCC)后,若還需再(zai)積(ji)(ji)層(ceng)(ceng)一(yi)(yi)次RCC與(yu)制作(zuo)出(chu)二(er)(er)(er)階盲(mang)孔(kong)(kong)(kong)(即(ji)(ji)積(ji)(ji)二(er)(er)(er))者,其(qi)“積(ji)(ji)二(er)(er)(er)”的盲(mang)孔(kong)(kong)(kong)的對(dui)位(wei),就必須按照(zhao)瞄準“積(ji)(ji)一(yi)(yi)”去成孔(kong)(kong)(kong)。而無法(fa)再(zai)利用芯(xin)板的原始靶(ba)標。也就是當“積(ji)(ji)一(yi)(yi)”成孔(kong)(kong)(kong)與(yu)成墊時,其(qi)板邊也會(hui)制作(zuo)出(chu)靶(ba)標。所(suo)以,“積(ji)(ji)二(er)(er)(er)”的RCC壓貼上后,即(ji)(ji)可通(tong)過X射(she)線機對(dui)“積(ji)(ji)一(yi)(yi)”上的靶(ba)標而另鉆出(chu)“積(ji)(ji)二(er)(er)(er)”的四(si)個機械基準孔(kong)(kong)(kong),然后再(zai)成孔(kong)(kong)(kong)成線,采取此(ci)法(fa)可使“積(ji)(ji)二(er)(er)(er)”盡量對(dui)準“積(ji)(ji)一(yi)(yi)”。
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