解析激光切割工藝在SMT鋼網(wǎng)的應(yīng)用

1前言

在SMT的工藝流程中，其中一個(gè)重要的步驟是將錫膏準(zhǔn)確無誤地印刷在PCB焊盤上，并且具有準(zhǔn)確的開口位置和開口尺寸、精確的開口錐度大小、側(cè)壁光滑,無毛刺、材料厚度均勻,無應(yīng)力、模板張力分布均勻等要求。

隨著SMT朝著細(xì)間距元件的方向發(fā)展，SMD封裝引腳的間距越來越小，封裝尺寸縮小的趨勢對焊膏印刷形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這就對SMT印刷模板的精密性有了更高的質(zhì)量要求。下文我們將從多個(gè)方面分析和探討影響SMT模板的切割質(zhì)量的因素，促進(jìn)和提升激光模板的質(zhì)量，使得這種工藝技術(shù)得到充分的應(yīng)用，從而使SMT的品質(zhì)、生產(chǎn)效率得到更多的提升。

2SMT工藝流程簡述

SMT即表面組裝技術(shù)（表面貼裝技術(shù)），是相對于傳統(tǒng)的THT通孔插裝技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的組裝技術(shù)。由于組裝工藝類型的不同，具體的SMT工藝流程也有所不同，目前，SMT工藝流程通常按如下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

生產(chǎn)準(zhǔn)備→模板制作→絲網(wǎng)印刷錫膏/點(diǎn)膠→貼裝→回流焊→檢驗(yàn)測試→返修/包裝

其中絲網(wǎng)印刷是使用模板（鋼網(wǎng)）將焊料印刷到承印物上的工藝過程，在SMT工藝中它是將錫膏通過SMT模板印刷到電路板的連接焊盤上，是SMT裝配的首要和必須的工序。

模板的作用

在絲網(wǎng)印刷錫膏/點(diǎn)膠之前，涂覆錫膏需要用的一種平板式模具，即SMT或SMD焊膏漏印模版。 SMT激光模板技術(shù)，是SMT制造流程過程中關(guān)鍵的第一步，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生精確的絲網(wǎng)漏印焊膏模板，使焊膏漏印得以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

3激光切割工藝的原理

激光加工技術(shù)采用激光束照射到鋼板表面時(shí)釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發(fā)

SMT激光切割模板機(jī)一般由激光頭，移動(dòng)定位系統(tǒng)和軟件三部分組成。采用原始電子資料，通過計(jì)算機(jī)直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過透鏡和反射鏡將激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。被加工的片狀不銹鋼材料張?jiān)诠ぷ髋_(tái)的夾具上，移動(dòng)定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或激光頭，使得被切割材料在切割頭下高速運(yùn)動(dòng)。激光頭由光源部分和切割頭組成，光源部分產(chǎn)生波長很短的聚焦激光束，激光束通過切割頭，垂直聚焦在被切割的材料表面上，加熱、融化、蒸發(fā)被切割材料，形成切縫，閉合的切縫形成焊盤開孔。

由于激光的能量非常集中，所以僅有少量熱量會(huì)傳遞到鋼材的其它部分，因此造成的形變量很小或沒有變形。我們可以利用激光準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理。切割不銹鋼時(shí)由于焦點(diǎn)在鋼材的底部，因此可以產(chǎn)生符合SMT焊膏漏印的倒梯形開口。

4激光模板的優(yōu)點(diǎn)

目前，模板的制造方法有三種，即化學(xué)刻蝕、激光切割、電鑄成型。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過對生產(chǎn)工序、模板質(zhì)量等方面的比對，目前采用的激光模板具有以下優(yōu)點(diǎn)：

成本低

激光切割工序少，耗材少，模板重復(fù)使用率高，其使用率可達(dá)30萬次以上。激光切割可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化控制，操作簡便，節(jié)約人力資源。

速度快

激光切割成操作簡便、成產(chǎn)速度快、交貨日期短 。

質(zhì)量好

激光切割采用非接觸式加工，無應(yīng)力不變形，繃網(wǎng)后張力分布均勻。通過調(diào)整激光聚焦位置使開口自動(dòng)形成錐形，利于錫膏脫模。切邊光滑，可與電鑄模板媲美。

精度高

激光切割直接使用設(shè)計(jì)文檔，沒有攝影步驟，消除了位置不正的因素 。激光切割后孔的位置精度高，非常適合高密度設(shè)計(jì)。

無污染

激光切割生產(chǎn)過程無化學(xué)藥液，對環(huán)境沒有污染，對操作人員身體健康無害。

5激光模板的質(zhì)量控制

切割質(zhì)量分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在SMT工藝中，印刷引起的SMT缺陷超過60%，其中由模板不良而引起的缺陷占35%，另外，60%的組裝缺陷和87%的回流焊接缺陷同樣也是由于模板不良造成的。因此，模板對SMT的品質(zhì)、生產(chǎn)效率有著至關(guān)重要的作用，優(yōu)質(zhì)的模板可以顯著提高SMT工藝的質(zhì)量。

影響模板質(zhì)量的主要因素

01模板的設(shè)計(jì)

模板的設(shè)計(jì)包括鋼板厚度的選擇、孔的開口尺寸和開口形狀。其中厚度與開口尺寸決定了焊膏的涂覆量和準(zhǔn)確程度，是整個(gè)生產(chǎn)過程中非常重要的一環(huán)，開口的形狀則對上錫的質(zhì)量有影響。

02材料的質(zhì)量

材料質(zhì)量因素相對穩(wěn)定，一般選擇進(jìn)口304不銹鋼，其硬度、彈性等指標(biāo)均能滿足要求。這是個(gè)相對穩(wěn)定的因素。

03模板的制作

模板的制作包括尺寸精度、切邊平直度、開口孔壁的粗糙度及形狀。尺寸精度是使用的基本要求，開口孔壁的粗糙度及形狀決定了上錫的質(zhì)量。

04激光的參數(shù)

激光切割機(jī)大致上可以分為激光、機(jī)構(gòu)電控和軟件三大部分，在切割中，“刀”是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，激光的參數(shù)是切割過程中的關(guān)鍵因素，包括光斑直徑、激光功率、重復(fù)頻率、焦點(diǎn)位置等，必須對以上參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試、校驗(yàn)，找到各參數(shù)的最佳控制點(diǎn)，最終得到最滿意的開口質(zhì)量。

05激光的功率與重復(fù)的頻率

能量E為功率P與時(shí)間t的乘積，當(dāng)切割速度不變時(shí)，即激光照射時(shí)間恒定，隨著激光輸出功率增大，單位時(shí)間內(nèi)材料獲得的能量增加，材料溫度升高，導(dǎo)致熱影響區(qū)變寬，形變增大，切縫寬度也隨之變大。

激光以脈沖方式工作，其原理是利用高能量密度在瞬間熔化和氣化材料，在鋼片上打一系列連續(xù)的孔得到連續(xù)的切縫，實(shí)現(xiàn)對鋼片的連續(xù)切割。在這個(gè)過程中，相鄰激光光斑的重復(fù)程度即光斑的重復(fù)精度是關(guān)鍵的參數(shù)，它是指相鄰光斑重面積占光斑面積的百分比，可由簡單的幾何關(guān)系得出（在切割過程中打在鋼片上的光斑變形小，可以認(rèn)為仍是圓形的），它與激光重復(fù)頻率、脈沖寬度和切割速度有關(guān)。它對切邊的光滑度和切縫寬度都有較大的影響，重復(fù)精度越高則切邊越平滑質(zhì)量就越好。

07切割的速度

切割速度決定了生產(chǎn)效率，在保證切割質(zhì)量的前提下，盡量提高生產(chǎn)率，降低加工成本，對現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展是一個(gè)不容忽略的問題

當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，切割速度的變化意味著激光與材料的相互作用的時(shí)間變化，即激光能量密度的改變，切割速度越快，激光能量密度越小。當(dāng)切割速度較低時(shí)，激光能量密度過大，使得切縫周圍的材料也被熔化或氣化，導(dǎo)致熔渣多切縫粗糙，切割質(zhì)量較差。隨著速度的提高，當(dāng)達(dá)到一個(gè)合適的范圍時(shí)，激光能量密度足夠大，材料就會(huì)完全熔化或氣化，在輔助氣體的作用下去除材料，可以形成光滑均勻的切縫；速度增大到一個(gè)極限值時(shí)，材料獲得的能量不足以使其完全熔化或者氣化，就不能完全切割材料；另外，當(dāng)重復(fù)頻率一定時(shí)，切割速度提高到一定程度就會(huì)使切縫由平 直狀態(tài)變成不連續(xù)的小孔，因此，存在一個(gè)臨界速度，大于這個(gè)臨界值時(shí)，切割就會(huì)變?yōu)榇蚩?/p>

08開口尺寸的設(shè)計(jì)

軟件部分用于數(shù)據(jù)接收、開口設(shè)計(jì)、處理并控制和驅(qū)動(dòng)激光頭以及移動(dòng)系統(tǒng)。其中開口設(shè)計(jì)及處理這部分，具有對激光切割中的一些特殊問題的處理能力，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)檔過程中的缺陷和不足。例如：某電路板上既有0402chip，0.5 mm pich QFP IC，也有大于0805chip，甚至邊長超過2.0 mm的大焊盤, 而板厚是固定的，為了使所有焊盤的錫膏量達(dá)到最佳，就要在開口尺寸上找到平衡點(diǎn)。

09輔助氣體

激光切割采用輔助氣體是為了排除切口中的熔融物質(zhì)，使切割過程得以順利的持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)，保護(hù)鏡頭免受損傷，另外，如果輔助氣體和被切割材料發(fā)生放熱反應(yīng)的話，還可以為切割提供額外的能量，加速切割的進(jìn)行。

10氣體壓力

激光切割對輔助氣體的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量大、速度高，以便有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴出，并有充足的氣體與材料發(fā)生充分的放熱反應(yīng)。氣體壓力和氣體流量是重要的參數(shù)，氧氣壓力越大，流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)和除去材料的速度也就越快。

同時(shí)，也可以使切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻。在附近的非切割區(qū)域，氣體作為冷卻劑，縮小熱影響區(qū)。但氣體的壓力并非越大越好，當(dāng)氣體壓力過低時(shí)，切口處熔融材料排除不盡，會(huì)形成毛刺及降低切割速度；隨著氣體壓力的增大，氣體流動(dòng)量增大，排渣能力提高，可獲得較光滑的切邊；但壓力過高時(shí)，不僅增加了氣體的消耗量，還會(huì)使氣流紊亂，在工件表面形成渦流，降低了除渣效果，切縫寬度也會(huì)稍有增大。因此，選擇合適的氣體壓力才能得到較為理想的切割質(zhì)量。

6激光模板的擴(kuò)展應(yīng)用

激光除了可以制作絲印焊膏的整張模板，也可以進(jìn)行多個(gè)小型模板的制作，即在一張鋼片材料上產(chǎn)生多個(gè)PCB的絲印焊膏小型模板，具有節(jié)省人力、物力，方便儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，在需要對產(chǎn)品進(jìn)行維修時(shí)還可以專門設(shè)計(jì)“返工小型模板”，用來返工或翻修單個(gè)元器件。如可制作針對某個(gè)元器件的模板，根據(jù)其在印制板上的位置，確定其需要的模板尺寸，以便進(jìn)行后續(xù)的維修工作。