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影响激光切割SMT模板质量的因素分析

更新时间:2015-12-17 15:11:47  点击次数:943次 打印
SMT技术组装密度高、产品体积小、重量轻,贴片组件的体积和重量只有传统插装组件的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。
1、引言
SMT技术组装密度高、产品体积小、重量轻,贴片组件的体积和重量只有传统插装组件的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,特别是在计算器及通讯类电子产品中,已普遍采用SMT技术。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模板的优点,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生产的StencilCut系列激光模板切割机做了详细的研究,最终经实验验证了分析结果。
由于组装工艺类型的不同,具体的SMT工艺流程也有所不同,目前,SMT工艺流程大致分为如下几个步骤:
<1>生产准备→<2> 丝网印刷锡膏/点胶→<3>贴装SMD/插装组件→<4>回流焊/波峰焊→ <5>清洗→<6>检验测试→<7>返修/包装
其中丝网印刷是使用模板将焊料印刷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,是丝印用印刷工具,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,在模板上将施加的焊锡膏用刮刀推刮,锡膏就会通过模板上的开孔漏印到焊盘上。
虽然,在SMT生产中,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,它的好坏直接影响到印刷质量。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%的回流焊接缺陷也是由于模板不良造成的。因此,模板对SMT的品质、生产效率起着至关重要的作用,选择优质的模板可以提高SMT工艺的质量。
影响模板质量的因素主要体现在三个方面,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,其是整个生产过程中非常重要的一环,开口的形状则对施加锡的质量有影响。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施锡质量。其中前两个因素在选好钢片,设计完成后便具有稳定性,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。三种方法各有优缺点,通过对生产工序、模板质量等方面的比对,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。
实现机器自动化控制,操作简便,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:唯一实现了对现有模板进行返工的工艺,如增孔、补孔、扩孔。
无污染:生产过程无化学药液,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所具有的优点,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、减少热影响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200μm[1],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,激光精密切割一直被国外垄断,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。
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关系。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。
光路中的两个重要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ω0,光束质量因子为M2,激光波长为λ,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。
焦深
激光的波长λ和光束质量M2由激光器决定,可以通过减小激光波长和选择高质量的激光器即较小M2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,但在减小光斑直径的同时,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出现一定的锥度。
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。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于采用脉冲工作模式。脉冲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,相邻激光光斑的重程度即光斑的重率是关键的参数,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,重率越高则切边越平滑质量就越好。
在其它参数不变时,重复频率越高,单脉冲与材料作用的时间就越短,则热效应越小,切缝宽度也就越小。同时重复频率越大,光斑的重率就越高,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。随着速度的提高,当达到一个合适的范围时,激光能量密度足够大,材料就会完全熔化或气化,在辅助气体的作用下去除材料,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。
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,使用氧气能有效地提高切割速度。SMT模板通常采用不锈钢片,使用氧气切割可以获得非常好的效果。
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;在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;在同样的板厚情况下,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,在工件表面形成涡流,降低了除渣效果,切缝宽度也会稍有增大。因此,选择合适的气体压力才能得到较为理想的切割质量。
在激光切割过程中,激光光束要穿过喷嘴产生气体流场,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时,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保证模板准确的开口位置和开口尺寸的基本要求,在设计和安装StencilCut的机构部分时都有严格要求[5],控制部分采用死循环控制系统,即装有位置检测反馈的伺服系统,其精度主要取决于测量组件的精度和数模转换器的精度,其中测量组件即光学尺的最小刻度是0.5μm,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3μm,重复精度达±1μm。
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要求外,还要对激光切割中的一些特殊问题应具有处理能力,以此弥补设计和转档过程中的缺陷和不足。
3.5.1 图形转文件
在印刷过程中,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SMT模板开口时,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,各公司都在努力寻求此问题的解决方案,但此前的方案都较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。
3.5.2 路径优化
由于设计软件和绘图人员等差异,转出的图文件在切割时切割路径会显示出很大的随意性,这样无疑会增加切割时间,降低生产效率,因此,切割前必须对路径进行优化,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所配套的套装软件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。
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