解析激光切割工艺在SMT钢网的应用

  在SMT的工艺流程中，其中一个重要的步骤是将锡膏准确无误地印刷在PCB焊盘上，并且具有准确的开口位置和开口尺寸、精确的开口锥度大小、侧壁光滑,无毛刺、材料厚度均匀,无应力、模板张力分布均匀等要求。

  随着SMT朝着细间距元件的方向发展，SMD封装引脚的间距越来越小，封装尺寸缩小的趋势对焊膏印刷形成了严峻挑战。这就对SMT印刷模板的精密性有了更高的质量发展要求。下文我们将从多个角度分析和探讨影响SMT模板的切割质量的因素，促进和提升激光模板的质量，使得这种工艺技术获得充分的应用，从而使SMT的品质、生产效率得到更多的提升。

  SMT即表面组装技术（表面贴装技术），是相对于传统的THT通孔插装技术而发展起来的一种新的组装技术。由于组装工艺类型的不同，具体的SMT工艺流程也不一样，目前，SMT工艺流程通常按如下几个步骤进行：

  生产准备→模板制作→丝网印刷锡膏/点胶→贴装→回流焊→检验测试→返修/包装

  其中丝网印刷是使用模板（钢网）将焊料印刷到承印物上的工艺过程，在SMT工艺中它是将锡膏通过SMT模板印刷到电路板的连接焊盘上，是SMT装配的首要和必须的工序。

  在丝网印刷锡膏/点胶之前，涂覆锡膏需要用的一种平板式模具，即SMT或SMD焊膏漏印模版。  SMT激光模板技术，是SMT制造流程过程中关键的第一步，这项技术的应用，产生精确的丝网漏印焊膏模板，使焊膏漏印得以准确实现。

  SMT激光切割模板机一般由激光头，移动定位系统和软件三部分所组成。采用原始电子资料，通过计算机直接驱动设备，通过透镜和反射镜将激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中可以有效的进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。被加工的片状不锈钢材料张在工作台的夹具上，移动定位系统驱动工作台或激光头，使得被切割材料在切割头下高速运动。激光头由光源部分和切割头组成，光源部分产生波长很短的聚焦激光束，激光束通过切割头，垂直聚焦在被切割的材料表面上，加热、融化、蒸发被切割材料，形成切缝，闭合的切缝形成焊盘开孔。

  由于激光的能量非常集中，所以仅有少量热量会传递到钢材的其它部分，因此造成的形变量很小或没有变形。我们大家可以利用激光准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。切割不锈钢时由于焦点在钢材的底部，因此能产生符合SMT焊膏漏印的倒梯形开口。

  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。三种方法各有优缺点，通过对生产工序、模板质量等方面的比对，目前采用的激光模板具有以下优点：

  激光切割工序少，耗材少，模板重复使用率高，其使用率可达30万次以上。激光切割能轻松实现机器自动化控制，操作简单便捷，节约人力资源。

  激光切割采用非接触式加工，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。

  激光切割直接用设计文档，没有摄影步骤，消除了位置不正的因素 。激光切割后孔的位置精度高，很适合高密度设计。

  据统计，在SMT工艺中，印刷引起的SMT缺陷超过60%，其中由模板不良而引起的缺陷占35%，另外，60%的组装缺陷和87%的回流焊接缺陷同样也是由于模板不良造成的。因此，模板对SMT的品质、生产效率有着至关重要的作用，优质的模板可以明显提高SMT工艺的质量。

  模板的设计包括钢板厚度的选择、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，是整个生产的全部过程中很重要的一环，开口的形状则对上锡的质量有影响。

  材料质量因素相对来说比较稳定，一般选择进口304不锈钢，其硬度、弹性等指标均能满足规定的要求。这是个相对来说比较稳定的因素。

  模板的制作包括尺寸精度、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础要求，开口孔壁的粗糙度及形状决定了上锡的质量。

  激光切割机大致上可大致分为激光、机构电控和软件三大部分，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重要的条件，包括光斑直径、激光功率、重复频率、焦点位置等，必须对以上参数进行多次调试、校验，找到各参数的最佳控制点，最终得到最满意的开口质量。

  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，材料温度上升，导致热影响区变宽，形变增大，切缝宽度也随之变大。

  激光以脉冲方式工作，其原理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。在这样的一个过程中，相邻激光光斑的重复程度即光斑的重复精度是关键的参数，它是指相邻光斑重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。它对切边的光滑度和切缝宽度都有较大的影响，重复精度越高则切边越平滑质量就越好。

  切割速度决定了生产效率，在保证切割质量的前提下，尽量提高生产率，降低加工成本，对现代企业的发展是一个不容忽略的问题

  当其它参数不变时，切割速度的变化意味着激光与材料的相互作用的时间变化，即激光单位体积内的包含的能量的改变，切割速度越快，激光单位体积内的包含的能量越小。当切割速度较低时，激光单位体积内的包含的能量过大，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。随着速度的提高，当达到一个合适的范围时，激光单位体积内的包含的能量足够大，材料就会完全熔化或气化，在辅助气体的作用下去除材料，能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，切割速度提高到某些特定的程度就会使切缝由平 直状态变成不连续的小孔，因此，存在一个临界速度，大于这个临界值时，切割就会变为打孔

  软件部分用于数据接收、开口设计、处理并控制和驱动激光头以及移动系统。其中开口设计及处理这部分，具有对激光切割中的一些特殊问题的解决能力，弥补设计和转档过程中的缺陷和不足。例如：某电路板上既有0402chip，0.5 mm pich QFP IC，也有大于0805chip，甚至边长超过2.0 mm的大焊盘, 而板厚是固定的，为了使所有焊盘的锡膏量达到最佳，就要在开口尺寸上找到平衡点。

  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行，同时，保护镜头免受损伤，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。

  激光切割对辅助气体的基础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，燃烧化学反应和除去材料的速度也就越快。

  同时，也可以使切缝出口处反应产物快速冷却。在附近的非切割区域，气体作为冷却剂，缩小热影响区。但气体的压力并非越大越好，当气体压力过低时，切口处熔融材料排除不尽，会形成毛刺及降低切割速度；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，在工件表明产生涡流，降低了除渣效果，切缝宽度也会稍有增大。因此，选择正真适合的气体压力才能得到较为理想的切割质量。

  激光除了能制作丝印焊膏的整张模板，也能够直接进行多个小型模板的制作，即在一张钢片材料上产生多个PCB的丝印焊膏小型模板，具有节省人力、物力，方便储存等优点。

  同时，在需要对产品做维修时还可以专门设计“返工小型模板”，用来返工或翻修单个元器件。如可制作针对某个元器件的模板，根据其在印制板上的位置，确定其需要的模板尺寸，以便进行后续的维修工作。