SMT激光模板的切割

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1、 - 1 - SMT 激光模板的切割工艺研究 摘摘 要要：本文简要介绍了 SMT 工艺流程及模板的作用，探讨了激光切割 SMT 模板的优势，从激光参数、切割速度、辅助气体参数、机构电控和软件部分分析了 SMT 模板的切割质量，并结合深圳市木森科技有限公司所生产的 StencilCut 系列激光模板切割机做了详细的研究，最终通过实验验证了分析结果。1 关键词关键词：SMT；激光模板； 激光切割； 切割质量 Abstract: This paper introduces the process of SMT and the function of stencil, discusses the ad

2、vantage of the SMT stencil by laser cutting. Then we analyze the cutting quality from the laser parameter, cutting speed, assistant gas, machine parts and software aspect, study this problem with StencilCut series of Shenzhen Musen Technologies, confirm the theory by the experiment in the end. Key w

3、ords: SMT; laser stencil; laser cutting; cutting quality 1.前言 SMT 是 Surfaced Mounting Technology 的缩写，即表面贴装技术，是相对于传统的 THT（Through-hole technology）技术而发展起来的一种新的组装技术，诞生于上世纪 60 年代。它实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本和生产的自动化。SMT 技术组装密度高、产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的 1/10 左右，采用 SMT 之后，电子产品体积缩小 40%60%，重量减轻 60%80%；可靠性

4、高、抗振能力强，焊点缺陷率低，高频特性好，减少了电磁和射频干扰；易于实现自动化，提高生产效率，降低成本达 30%50%，节省材料、能源、设备、人力、时间等。目前，先进的电子产品，特别是在计算机及通讯类电子产品，已普遍采用 SMT 技术。 由于组装工艺类型的不同，具体的 SMT 工艺流程也会有所不同，目前 SMT 工艺流程大致分为如下几个步骤： 生产准备 丝网印刷锡膏/点胶 贴装 SMD/插装原件 回流焊/波峰焊 清洗 检验测试 返修/包装 其中丝网印刷是利用模板将印料印到承印物上的工艺过程，在 SMT 工艺中它是使用金属漏板将焊锡膏转移到印制板焊盘上。SMT 模板（Stencil）又称钢网，是

5、丝印用印刷模板，由网框、丝网和掩膜图形构成。它是根据印制板设计成的金属漏板，通过印刷机准确定位并覆盖于印制板之上，用刮刀将焊锡膏刮过模板，锡膏就会通过模板上的开孔印刷到焊盘上。 在 SMT 生产中，虽然我们将贴片胶、锡膏、钢网称为辅助材料，但其重要性却不能忽视，其中模板是整个工艺的第一环节，它的好坏直接影响印刷的质量。据统计在 SMT 工艺中， 印刷引起的 SMT 缺陷超过 60%， 其中仅由模板的不良而引起的缺陷占到 35%， 另外 60%的组装缺陷和 87%的回流焊接缺陷都是由于模板不良而造成的。因此模板对 SMT 的品质、生产效率起着致关重要的作用，选择优质的模板可以提高 SMT 工艺的

6、质量。 影响模板质量的因素可以分为三类， 首先是材料质量， 即钢片本身的质量、 硬度、 弹性。其次模板的设计，包括钢片厚度的选择、孔的开口尺寸和开口形状。其中厚度与开口尺寸决定了焊膏的涂覆量和准确程度， 是整个生产过程中非常重要的一个环节， 开口的形状则对下锡质量有影响。第三是模板的制造方法，包括尺寸精度、切边平直度、开口孔壁的粗糙度及形状。尺寸精度是使用的基本要求，开口孔壁的粗糙度及形状决定了下锡质量。其中前两个 - 2 - 因素在钢片选好、设计完成之后便具有稳定性，但模板的制造方法却具有多变性，是对模板质量影响最大的因素。 目前模板的制造方法有三种，即化学刻蚀、激光切割、电铸成型。三种方法

7、各有优缺点，通过对生产工序、模板质量等方面的相比，通常采用的是激光模板，它具有以下优点， 质量好：非接触式加工，无应力不变形，绷网后张力分布均匀 。 通过调整激光聚焦位置使开口自动形成锥形，利于锡膏脱模。 切边光滑，可与电铸模板媲美。 速度快：成产工序少，操作简便、成产速度快、交货日期短。 成本低：工序少，因此耗材少，模板重复使用率高，可达 30 万次以上。 由机器自动化控制，操作简单方便，节约人力资源。 精度高：直接使用设计文档，没有摄影步骤，消除了位置不正的因素 。 孔的尺寸精度小，位置精度高，非常适合高密度设计。 功能强：唯一允许现有的模板进行返工的工艺，如增孔、补孔、扩孔。 无污染：生

8、产过程无化学药液，对环境没有污染，对操作人员身体健康无害。 基于模板对 SMT 工艺的重要性及激光模板的优点，我们将对 SMT 激光模板的切割质量做一个深入而详细的探讨， 这对实际应用中工艺的改进及一些问题的克服有积极且重要的意义。 2.SMT 激光模板切割 激光经过聚焦后照射到材料上，光能转化为热能，使被切割材料温度急速升高，然后使之熔化或汽化。与此同时，与光束同轴的气流从喷嘴喷出，将熔化或汽化了的材料由切口的底部吹走。 随着激光与被切割材料的相对运动， 在切割材料上形成切缝从而达到切割的目的。如果吹出的气体和被切割材料产生放热反应，则此反应将提供切割所需的附加热源。气流还有冷却已切割表面、

9、减少热影区和保证聚焦透镜不受污染的作用。如图 1 所示： 从切割的精密度来看，激光切割大致可分为大功率切割和精密切割。激光的精密切割主要应用于精密机械以及电子工业中，应用的重点为小于 0.5mm 的薄板，一般具有复杂的结构，尺寸小于 200m1，SMT 激光模板正是其典型的应用之一。常用的 SMT 模板的材质为不锈钢，辅助气体通常采用工业氧气或者压缩空气。 3.切割质量分析 分析切割质量应当从切割过程和设备即激光切割机入手，长期以来激光精密切割一直 - 3 - 有国外垄断，国内依赖进口，直到 2006 年由深圳市木森科技有限公司研制出国内第一台拥有自主知识产权的高精密激光模板切割机之后才打破国

10、际垄断， 并通过国家验证， 性能已达到国际同等水平，已经投入生产使用和对外销售，在激光切割和 SMT 行业具有划时代的意义， 因此我们以木森的 StencilCut 系列激光模板切割机为例来分析 SMT 激光模板切割质量。 激光切割机大致上可以分为激光、机构电控和软件三大部分，下面将依次从这三大方面讨论其对切割质量的影响。光路图如图 2 所示： 3.1 激光参数对切割质量的影响 在切割中， “刀”是最关键的环节，因此激光的参数是切割过程中的关键因素，包括光斑直径、激光功率、重复频率、焦点位置等，下面做逐一分析。 3.1.1 光斑直径的影响 激光切割的精密度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系

11、。在切割中激光采用基模模式的激光，基模光束在任意截面内的光强按高斯函数分布，称为高斯光束。由光强降落到中心值的 1/e2的点所确定的范围为光斑半径，在这个圆内包含了光束能量的 86.5%。光斑直径对切缝宽度的影响最大，光斑直径越小则切缝越小，则切割的精度越高。 在光路中两个重要的光学镜组是扩束镜和聚焦镜。扩束镜是为了降低激光发散角，获得尽量接近平行光的光束。 聚焦镜是用来减小光斑尺寸增大光束能量密度， 提高加工的精密度及效率。设激光的束腰半径为 0，光束质量因子为 M2，激光波长为 ，聚焦镜焦距为 f，扩束镜准直倍率为 A，由激光原理2可得，当物高斯光束束腰在透镜的物方焦平面上时，像方高斯光束

12、束腰亦处在像方焦平面上，此时经过聚焦镜后激光的 束腰半径12Mf 焦深222Mz 激光的波长 和光束质量 M2由激光器来决定的，可以通过减小激光波长和选择高质量的激光器即较小 M2来得到较小的光斑尺寸，镜组方面可以通过减小聚焦镜的焦距和增大扩束镜倍数来实现较小的光斑尺寸， 但光斑直径减小的同时焦深会缩短， 能切割的板厚也变小，因此要根据实际情况选择合理的焦距和扩束倍数。 焦点与钢片的相对位置对切缝宽度和切边形状有较大影响， 聚焦后焦点一般位于钢片的表面，这样在切割时切边会自动的出现一定的锥度，利于锡膏脱模。如图 3 所示。 另外，激光聚焦到钢片上会有较强的反射，这些反射光会沿原光路返回激光器。

13、当反射光达到一定强度时会造成激光器无法稳定工作甚至损坏激光器， 因此必须对反射光加以抑 - 4 - 制，在激光器出口处加光隔离器3可以解决此问题。 3.1.2 激光功率与激光重复频率的影响 能量 E 为功率 P 与时间 t 的乘积， 当切割速度不变时即激光照射时间恒定， 随着激光输出功率增大，单位时间内材料获得的能量增加，材料温度升高，导致热影响区变宽，形变增大，切缝宽度也随之变大。 当激光功率一定时， 照射的时间越长， 钢片获得的能量就越多， 热量会传导到非加工区，且钢片本身热容量小， 因此会使钢片温度急速升高而导致热变形。 因此激光精密切割与传统的大功率切割的区别在采用脉冲工作模式。 脉冲

14、优势在于金属熔化所需的能量在极短的时间内被带入， 零件的整体加热较低， 不会发生连续激光加工过程中的过热现象以及不希望出现的熔化现象。 激光以脉冲方式工作，是利用高能量密度在瞬间熔化和气化材料，在钢片上打一系列连续的孔得到连续的切缝， 实现对钢片的连续切割。 在这个过程中相邻激光光斑的重叠程度即光斑的重叠率是关键的参数， 它是指相邻光斑重叠面积占光斑面积的百分比， 可由简单的几何关系得出（在切割过程中打在钢片上的光斑变形小，可以认为仍是圆形的） ，它与激光重复频率、脉冲宽度和切割速度有关。如图 4 所示，它对切边的光滑度和切缝宽度都有较大的影响，重叠率越高则切边越平滑质量越好。 其他参数不变时

15、，重复频率越高，单脉冲与材料作用的时间越短，则热效应越小，切缝宽度也就越小。同时重复频率越大，光斑的重叠率越高，切边效果也越好。因此，提高激光的重复频率可以提高切割质量。 早期国外的模板切割机均采用 YAG 激光器， 而 StencilCut则采用光纤激光器， 主要原因是光纤激光器有诸多优点， 第一切割质量高： 激光重复频率高，因此切边连续性佳，切割侧壁光滑。第二使用成本低：不须更换灯管、去离子水及滤芯，可节约耗材成本；第三产品性能好：功率低可节约电力成本，使用寿命长；第四使用时方便：体积轻巧，组装方便，光路校正简单。 3.2 切割速度的影响 切割速度决定了生产效率，在保证切割质量的前提下，尽

16、量提高生产率，降低加工成本，对现代企业的发展是一个不容忽略的问题。 当其他参数不变时，切割速度的变化意味着激光与材料的相互作用时间变化，即激光能量密度的改变，切割速度越快，激光能量密度越小。当切割速度较低时，激光能量密度过大，使得切缝周围的材料也被熔化或气化，导致熔渣多切缝粗糙，切割质量较差。随着速度的增加，当达到一个合适的范围时，激光能量密度足够大，使材料完全熔化或气化，在辅助气体的作用下去除材料，可以形成光滑均匀的切缝；速度增大到一个极限值时，材料获得的能量不足以使其完全熔化或者气化，就不能完全切割材料；另外当重复频率一定时，切割速度提高到一定程度就会使切缝由平直状态变成不连续的小孔， 因

17、此存在一个临界速度， 大于这个临界值时，切割就变成打孔。 3.3 辅助气体的影响 激光切割采用辅助气体是为了排除切口中的熔融物质，使切割过程得以顺利的持续进 - 5 - 行，同时保护镜头免于受到损伤，另外如果辅助气体和被切割材料发生放热反应的话，还可以为切割提供额外的能量，加速切割的进行。 3.3.1 气体种类的影响 在切割铁及其合金时，通常采用 O2作辅助气体，铁与氧气可以发生剧烈氧化反应，给切割提供额外的热量，因此与惰性气体或氮气比较，使用氧气能有效的提高切割速度。SMT模板通常采用不锈钢片，使用氧气切割可以得到非常好的效果。 StencilCut 系列切割机采用工业氧气作为辅助气体，反应

18、充分，而国外设备使用的是压缩空气，其中只有五分之一是氧气。相比之下采用工业氧气的优点有：较少的气体消耗量、较小的气压、较小的激光功率和较快的反应速度；同样的激光功率情况下，工业氧气可以达到较大的切割深度；同样的板厚情况下，氧气切割可以获得较高的切割速度。 3.3.2 气体压力、喷嘴结构和喷嘴位置的影响 激光切割对辅助气体的基本要求是进入切口的气流量大速度高， 以便有足够的动量将熔融材料喷出， 并有充足的气体与材料发生充分的放热反应。 气体压力和气体流量是重要的参数，氧气压力越大，流速越高，燃烧化学反应和材料除去速度也越快。同时，也可以使切缝出口处反应产物的快速冷却。在附近的非切割区域，气体作为

19、冷却剂，缩小热影响区。但气体的压力并非越大越好，当气体压力过低，切口处熔融材料排除不尽，会形成毛刺及减小切割速度；随着气体压力的增大，气体流动量增大，排渣能力提高，可获得较光滑的切边；但压力过高时，不仅增加了气体的消耗量，还会使气流紊乱，在工件表面形成涡流，降低了除渣效果，切缝宽度也会稍有增大。因而选择合适的气体压力才能得到较为理想的切割质量。 激光切割过程中，激光束要穿过喷嘴产生的气体流场，喷嘴的形状和喷嘴的位置对气体的流速和流场的分布有很重要的影响。 气体折射率和密度有关， 气压过大时会在流场中产生激波4，在激波处气体的密度会发生突变，激光就会在不同层的气流界面之间发生折射，从而导致焦点位

20、置发生变化，对切割速度和切边质量产生影响。 3.4 机构和电控部分的影响 高精密激光切割除了要有一把好“刀”之外，还要有一个高精密的平台。激光切割的尺寸精度主要取决于切割设备的机械精度和控制精度。 当采用脉冲激光并使用高精度的切割设备与控制技术，尺寸精度达到微米级。长期以来，国内无法掌握精确定位的技术，激光精密切割一直被国外垄断。 机台的稳定性和平台的机械精度是对模板准确的开口位置和开口尺寸的保证，StencilCut 的机构部分在设计和安装的时候都有严格的要求5，控制部分采用闭环控制系统，即带有位置检测反馈的伺服系统，其精度主要取决于测量元件的精度和数模转换器的精度，其中测量元件即光学尺的最

21、小刻度是 0.5m，组装之后经过激光干涉校正，利用激光干涉仪测定平台移动距离，与实际给定距离比较后，以运动控制器对移动误差给予补偿，使移动距离达到所设定之目标。这样可使整机的定位精度达 3m，重复精度达1m。 3.5 软件部分的影响 操作软件除了具备稳定性高、功能齐全、操作简便及界面友好四个基本的要求之外，还要对激光切割中的一些特殊问题具备处理能力，以此弥补设计和转档过程中的缺陷和不足。 3.5.1 图形转档 在印刷的过程中， SMT 模板上90的转角部分在使用过程中会产生滞留锡膏的现象，这对此模板的后续使用和清洁造成影响，同时也会对焊锡效果造成焊锡不足、拉尖、崩塌等现象。对此问题，在设计 S

22、MT 模板开口的时候若把直角换为圆弧导角则会有所改善，但是由于软件的差异及操作人员的作业水平参差不齐，导致在转换 CNC 文档过程中，圆弧导角部分会变为由一段一段短直线或短圆弧组成的不规则曲线，这样在很大程度上降低了 SMT模板的生产效率及品质， 因此各个公司都在努力寻求此问题的解决方案， 但此前的方案都较 - 6 - 为繁琐而且并不完善。木森科技经过多年的努力，在自主开发 StencilCut 的软件中解决了这个问题，并且实施简单，操作方便，效果良好，转档时可以将源文档中的圆弧完美的转出。如图 5 所示， 图中的黑色方块即线段的两个端点， 可以看到不良的转档会将圆弧变成很多短直线，而 Ste

23、ncilCut 可以将圆弧完美的转出。 3.5.2 路径优化 由于设计软件和绘图人员等差异，转出的图档在切割时切割路径会显示出很大的随意性，这样无疑是增加的切割时间，降低了生产的效率，因此切割前必须进行路径的优化，目前路径优化的算法种类繁多， 研究人员亦不少， 但最终要看的效果有两方面一是路径的优化率、二是优化时间的长短。StencilCut 所配套的软件包中集成了路径优化的功能，运算速度快，路径优化率高，可达 60%以上，就是说在相同的切割速度下，只需要原来 40%的时间。其效果如图 6 所示。 4.结语 尽管在工艺参数方面做了最合理的配置及优化，但是仍旧不可避免的会形成的金属熔渣造成孔壁粗

24、糙，有毛刺的产生，增大了开口孔壁的摩擦力，使锡膏的脱模质量变差，也影响元件的印刷效果。为了改善激光模板的这个缺点，可以通过电抛光来达到目的，激光模板 - 7 - 通过电抛光后可以去除毛刺提供光滑的孔壁， 提高了模板的下锡能力。 图 7 是抛光前后的对比。之后经过绷网、加框之后就成为模板，可以在印刷机上使用了。 参考文献参考文献 1Reinhart Poprawe激光制造工艺：基础、展望和创新应用实例M(张冬云译)北京：清华大学出版社，2008 2周炳琨，高以智，陈倜嵘，陈家骅激光原理M北京：国防工业出版社，2004 3廖健宏，蒙红云等光纤激光精密切割系统的研制及其应用J中国激光，2007，34(1):2832 4陈一坚，刘建华等，激光切割喷嘴及流场分析综述J宇航材料工艺，1999，(2) 5彭信翰高精密長行程定位運動系統之設計研究D台中：中興大學，1994