SMT激光模板的切割工藝研究

1 前言
smt是Surface Mount Technology的縮寫，即表面組裝技術(shù)，是相對于傳統(tǒng)的THT（Through-hole technology）技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的組裝技術(shù)，誕生于上世紀(jì)60年代。它實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本和生產(chǎn)的自動(dòng)化。smt技術(shù)組裝密度高、產(chǎn)品體積小、重量輕，貼片組件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝組件的1/10左右，采用smt之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%~60%，重量減輕60%~80%；可靠性高、抗振能力強(qiáng)、焊點(diǎn)缺陷率低、高頻特性好、減少了電磁和射頻干擾；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，降低成本達(dá)30%~50%，節(jié)省材料、能源、設(shè)備、人力、時(shí)間等。目前，先進(jìn)的電子產(chǎn)品，特別是在計(jì)算器及通訊類電子產(chǎn)品中，已普遍采用smt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工藝流程大致分為如下幾個(gè)步驟：
<1>生產(chǎn)準(zhǔn)備→<2> 絲網(wǎng)印刷錫膏/點(diǎn)膠→<3>貼裝SMD/插裝組件→<4>回流焊/波峰焊→ <5>清洗→<6>檢驗(yàn)測試→<7>返修/包裝
其中絲網(wǎng)印刷是使用模板將焊料印刷到承印物上的工藝過程，在smt工藝中它是使用金屬漏板將焊錫膏轉(zhuǎn)移到印制板焊盤上。smt模板（Stencil）又稱鋼網(wǎng)，是絲印用印刷工具，由網(wǎng)框、絲網(wǎng)和掩膜圖形構(gòu)成。它是根據(jù)印制板設(shè)計(jì)成的金屬漏板，通過印刷機(jī)準(zhǔn)確定位并覆蓋于印制板之上，在模板上將施加的焊錫膏用刮刀推刮，錫膏就會(huì)通過模板上的開孔漏印到焊盤上。

雖然，在smt生產(chǎn)中，我們將貼片膠、錫膏、鋼網(wǎng)稱為輔助材料，但其重要性卻不能忽視，其中模板是整個(gè)工藝的一環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響到印刷質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在smt工藝中，印刷引起的smt缺陷超過60%，其中僅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)效率起著至關(guān)重要的作用，選擇優(yōu)質(zhì)的模板可以提高smt工藝的質(zhì)量。

影響模板質(zhì)量的因素主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，首先是材料質(zhì)量，即鋼片本身的質(zhì)量、硬度、彈性。其次模板的設(shè)計(jì)，包括鋼片厚度的選擇、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，其是整個(gè)生產(chǎn)過程中非常重要的一環(huán)，開口的形狀則對施加錫的質(zhì)量有影響。三是模板的制造方法，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施錫質(zhì)量。其中前兩個(gè)因素在選好鋼片，設(shè)計(jì)完成后便具有穩(wěn)定性，但模板的制造方法卻具有多變性，是對模板質(zhì)量影響大的因素。
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，通常，采用的是激光模板，它具有以下優(yōu)點(diǎn)，
?質(zhì)量好：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。
?速度快：成產(chǎn)工序少、操作簡便、成產(chǎn)速度快、交貨日期短。
?成本低：工序少，因此耗材少，模板重復(fù)使用率高，可達(dá)30萬次以上。
實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化控制，操作簡便，節(jié)約人力資源。
?精度高：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 。
孔的尺寸精度小，位置精度高，非常適合高密度設(shè)計(jì)。
?功能強(qiáng)：唯一實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有模板進(jìn)行返工的工藝，如增孔、補(bǔ)孔、擴(kuò)孔。
?無污染：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。
基于模板對smt工藝的重要性及激光模板所具有的優(yōu)點(diǎn)，我們將對smt激光模板的切割質(zhì)量做一個(gè)深入而詳細(xì)的探討，這對實(shí)際應(yīng)用中工藝的改進(jìn)及一些問題的克服有積極且重要的意義。

2 smt激光模板切割

激光經(jīng)過聚焦后照射到材料上，光能轉(zhuǎn)化為熱能，使被切割材料溫度急速升高，然后，使之熔化或汽化。與此同時(shí)，與光束同軸的氣流從噴嘴噴出，將熔化或汽化了的材料由切口的底部吹走。隨著激光與被切割材料的相對運(yùn)動(dòng)，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。如果吹出的氣體和被切割材料產(chǎn)生放熱反應(yīng)，則此反應(yīng)將提供切割所需的附加熱源。氣流還有冷卻已切割表面、減少熱影響區(qū)和保證聚焦透鏡不受污染的作用，如圖1所示。


從切割的精密度來看，激光切割大致可分為大功率切割和精密切割。激光的精密切割主要應(yīng)用于精密機(jī)械以及電子工業(yè)中，應(yīng)用的重點(diǎn)為小于0.5mm的薄板，一般具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尺寸小于200μm[1]，smt激光模板正是其典型的應(yīng)用之一。常用的smt模板的材質(zhì)為不銹鋼，輔助氣體通常采用工業(yè)氧氣或者壓縮空氣。

3 切割質(zhì)量分析
分析切割質(zhì)量應(yīng)當(dāng)從切割過程和設(shè)備即激光切割機(jī)入手，長期以來，激光精密切割一直被外壟斷，內(nèi)依賴進(jìn)口，直到2006年，由深圳市木森科技有限公司研制出內(nèi)一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精密激光模板切割機(jī)之后才打破際壟斷，并通過家驗(yàn)證，性能已達(dá)到際同等水平，已經(jīng)投入生產(chǎn)使用和對外銷售，在激光切割和smt行業(yè)具有劃時(shí)代的意義，因此，我們以木森的StencilCut系列激光模板切割機(jī)為例來分析smt激光模板切割質(zhì)量。
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，下面將依次從這三大方面討論其對切割質(zhì)量的影響。圖2所示為光路圖。

3.1 激光參數(shù)對切割質(zhì)量的影響
在切割中，“刀”是關(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，下面做逐一分析。

3.1.1 光斑直徑的影響
激光切割的精密度同光束模式和聚焦后光斑直徑有很大關(guān)系。在切割中激光采用基模模式的激光，基模光束在任意截面內(nèi)的光強(qiáng)按高斯函數(shù)分布，稱為高斯光束。由光強(qiáng)降落到中心值的1/e2的點(diǎn)所確定的范圍為光斑半徑，在這個(gè)圓內(nèi)包含了光束能量的86.5%。光斑直徑對切縫寬度的影響大，光斑直徑越小則切縫越小，則切割的精度越高。

光路中的兩個(gè)重要光學(xué)鏡組是擴(kuò)束鏡和聚焦鏡。擴(kuò)束鏡是為了降低激光發(fā)散角，獲得盡量接近平行光的光束。聚焦鏡是用來減小光斑尺寸增大光束能量密度，提高加工的精密度及效率。設(shè)激光的束腰半徑為ω0，光束質(zhì)量因子為M2，激光波長為λ，聚焦鏡焦距為f，擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直倍率為A，由激光原理[2]可得，當(dāng)物高斯光束束腰在透鏡的物方焦平面上時(shí)，像方高斯光束束腰亦處在像方焦平面上，此時(shí)，經(jīng)過聚焦鏡后激光的

束腰半徑

焦深
激光的波長λ和光束質(zhì)量M2由激光器決定，可以通過減小激光波長和選擇高質(zhì)量的激光器即較小M2得到較小的光斑尺寸，鏡組方面可以通過減小聚焦鏡的焦距和增大擴(kuò)束鏡倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)較小的光斑尺寸，但在減小光斑直徑的同時(shí)，焦深會(huì)縮短，能切割的板厚也變小，因此，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的焦距和擴(kuò)束倍數(shù)。

焦點(diǎn)與鋼片的相對位置對切縫寬度和切邊形狀有較大影響，聚焦后焦點(diǎn)一般位于鋼片的表面，這樣，在切割時(shí)切邊會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)一定的錐度，利于錫膏脫模，如圖3所示。

另外，激光聚焦到鋼片上會(huì)有較強(qiáng)的反射，這些反射光會(huì)沿原光路返回激光器。當(dāng)反射光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)造成激光器無法穩(wěn)定工作甚至損壞激光器，因此，必須對反射光加以抑制，在激光器出口處加光隔離器[3]可以解決此問題。

3.1.2 激光功率與激光重復(fù)頻率的影響
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。

當(dāng)激光功率一定時(shí)，照射的時(shí)間越長，鋼片獲得的能量就越多，熱量會(huì)傳導(dǎo)到非加工區(qū)，且鋼片本身熱容量小，因此，會(huì)使鋼片溫度急速升高而導(dǎo)致熱變形。因此，激光精密切割與傳統(tǒng)的大功率切割的區(qū)別在于采用脈沖工作模式。脈沖優(yōu)勢在于金屬熔化所需的能量在極短的時(shí)間內(nèi)被帶入，零件的整體加熱較低，不會(huì)發(fā)生連續(xù)激光加工過程中的過熱現(xiàn)象以及不希望出現(xiàn)的熔化現(xiàn)象。
激光以脈沖方式工作，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，相鄰激光光斑的重程度即光斑的重率是關(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)。如圖4所示，它對切邊的光滑度和切縫寬度都有較大的影響，重率越高則切邊越平滑質(zhì)量就越好。

在其它參數(shù)不變時(shí)，重復(fù)頻率越高，單脈沖與材料作用的時(shí)間就越短，則熱效應(yīng)越小，切縫寬度也就越小。同時(shí)重復(fù)頻率越大，光斑的重率就越高，切邊效果也越好。因此，提高激光的重復(fù)頻率可以提高切割質(zhì)量。早期外的模板切割機(jī)均采用YAG激光器，而StencilCut則采用光纖激光器，主要原因是光纖激光器有諸多優(yōu)點(diǎn)，一，切割質(zhì)量高：激光重復(fù)頻率高，因此，切邊連續(xù)性佳，切割側(cè)壁光滑；二，使用成本低：不須更換燈管、去離子水及濾芯，可節(jié)約耗材成本；三，產(chǎn)品性能好：功率低可節(jié)約電力成本，使用壽命長；四，使用時(shí)方便：體積輕巧，組裝方便，光路校正簡單。

3.2 切割速度的影響
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)，切割就變成打孔。

3.3 輔助氣體的影響
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。

3.3.1 氣體種類的影響
在切割鐵及其合金時(shí)，通常采用O2作輔助氣體，鐵與氧氣可以發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，給切割提供額外的熱量，因此，與惰性氣體或氮?dú)獗容^，使用氧氣能有效地提高切割速度。smt模板通常采用不銹鋼片，使用氧氣切割可以獲得非常好的效果。
StencilCut系列切割機(jī)采用工業(yè)氧氣作為輔助氣體，反應(yīng)充分，而外設(shè)備使用的是壓縮空氣，其中只有五分之一是氧氣。相比之下，采用工業(yè)氧氣的優(yōu)點(diǎn)有：較少的氣體消耗量、較小的氣壓、較小的激光功率和較快的反應(yīng)速度；在同樣的激光功率情況下，工業(yè)氧氣可以達(dá)到較大的切割深度；在同樣的板厚情況下，氧氣切割可以獲得較高的切割速度。

3.3.2 氣體壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴位置的影響
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。

在激光切割過程中，激光光束要穿過噴嘴產(chǎn)生氣體流場，噴嘴的形狀和噴嘴的位置對氣體的流速和流場的分布有很重要的影響。氣體折射率和密度有關(guān)，氣壓過大時(shí)會(huì)在流場中產(chǎn)生激波[4]，在激波處氣體的密度會(huì)發(fā)生突變，激光就會(huì)在不同層的氣流界面之間發(fā)生折射，從而導(dǎo)致焦點(diǎn)位置發(fā)生變化，對切割速度和切邊質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.4 機(jī)構(gòu)和電控部分的影響
高精密激光切割除了要有一把好“刀”之外，還要有一個(gè)高精密的平臺(tái)。激光切割的尺寸精度主要取決于切割設(shè)備的機(jī)械精度和控制精度。當(dāng)采用脈沖激光并使用高精度的切割設(shè)備與控制技術(shù)時(shí)，尺寸精度達(dá)到微米級。長期以來，內(nèi)無法掌握精確定位的技術(shù)，激光精密切割一直被外壟斷。

機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性和平臺(tái)的機(jī)械精度是保證模板準(zhǔn)確的開口位置和開口尺寸的基本要求，在設(shè)計(jì)和安裝StencilCut的機(jī)構(gòu)部分時(shí)都有嚴(yán)格要求[5]，控制部分采用死循環(huán)控制系統(tǒng)，即裝有位置檢測反饋的伺服系統(tǒng)，其精度主要取決于測量組件的精度和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度，其中測量組件即光學(xué)尺的小刻度是0.5μm，組裝之后經(jīng)過激光干涉校正，利用激光干涉儀測定平臺(tái)移動(dòng)距離，與實(shí)際給定距離比較后，以運(yùn)動(dòng)控制器對移動(dòng)誤差給予補(bǔ)償，使移動(dòng)距離達(dá)到所設(shè)定之目標(biāo)。這樣可使整機(jī)的定位精度達(dá)3μm，重復(fù)精度達(dá)±1μm。
3.5 軟件部分的影響

操作軟件除了具備穩(wěn)定性高、功能齊全、操作簡便及界面友好四個(gè)基本要求外，還要對激光切割中的一些特殊問題應(yīng)具有處理能力，以此彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)檔過程中的缺陷和不足。

3.5.1 圖形轉(zhuǎn)文件
在印刷過程中，smt模板上90°的轉(zhuǎn)角部分在使用過程中會(huì)產(chǎn)生滯留錫膏的現(xiàn)象，這對此模板的后續(xù)使用和清潔造成影響，同時(shí)也會(huì)對焊錫效果造成焊錫不足、拉尖、崩塌等現(xiàn)象。對此問題，在設(shè)計(jì)smt模板開口時(shí)，若把直角換為圓弧導(dǎo)角則會(huì)有所改善，但是，由于軟件的差異及操作人員的作業(yè)水平參差不齊，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)換CNC文檔過程中，圓弧導(dǎo)角部分會(huì)變?yōu)橛梢欢我欢味讨本€或短圓弧組成的不規(guī)則曲線，這樣，在很大程度上降低了smt模板的生產(chǎn)效率及品質(zhì)，因此，各公司都在努力尋求此問題的解決方案，但此前的方案都較為繁瑣而且并不完善。木森科技經(jīng)過多年的努力，在自主開發(fā)StencilCut的軟件中解決了這個(gè)問題，并且實(shí)施簡單，操作方便，效果良好，轉(zhuǎn)檔時(shí)可以將源文檔中的圓弧完美的轉(zhuǎn)出。如圖5所示，圖中的黑色方塊即線段的兩個(gè)端點(diǎn)，可以看到不良的轉(zhuǎn)檔會(huì)將圓弧變成很多短直線，而StencilCut可以將圓弧完美的轉(zhuǎn)出。

3.5.2 路徑優(yōu)化
由于設(shè)計(jì)軟件和繪圖人員等差異，轉(zhuǎn)出的圖文件在切割時(shí)切割路徑會(huì)顯示出很大的隨意性，這樣無疑會(huì)增加切割時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，因此，切割前必須對路徑進(jìn)行優(yōu)化，目前，路徑優(yōu)化的算法種類繁多，研究人員亦不少，但終要看的效果有兩方面：一是路徑的優(yōu)化率；二是優(yōu)化時(shí)間的長短。StencilCut所配套的套裝軟件中集成了路徑優(yōu)化的功能，運(yùn)算速度快，路徑優(yōu)化率高，可達(dá)60%以上，就是說在相同的切割速度下，只需要原來40%的時(shí)間。其效果如圖6所示。

4 結(jié)束語
盡管在工藝參數(shù)方面做了合理的配置及優(yōu)化，但是仍不可避免地形成金屬熔渣而造成孔壁粗糙，有毛刺的產(chǎn)生，增大了開口孔壁的摩擦力，使錫膏的脫模質(zhì)量變差，也影響組件的印刷效果。為了改善激光模板的這個(gè)缺點(diǎn)，可以通過電拋光達(dá)到此目的。激光模板通過電拋光后可以去除毛刺提供光滑的孔壁，提高了模板的下錫能力。圖7所示是拋光前后的對比。之后經(jīng)過繃網(wǎng)、加框之后就成為模板，可以在印刷機(jī)上使用了。