1 前言
smt是Surface Mount Technology的縮寫(xiě)，即表面組裝技術(shù)，是相對(duì)于傳統(tǒng)的THT（Through-hole technology）技術(shù)而發(fā)展起來(lái)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(lèi)電子產(chǎn)品中，已普遍采用smt技術(shù)。

由于組裝工藝類(lèi)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(cè)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(guò)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(pán)上。smt模板（Stencil）又稱(chēng)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(guò)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(guò)模板上的開(kāi)孔漏印到焊盤(pán)上。

雖然，在smt生產(chǎn)中，我們將貼片膠、錫膏、鋼網(wǎng)稱(chēng)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(guò)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(duì)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(kāi)口尺寸和開(kāi)口形狀。其中厚度與開(kāi)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(guò)程中非常重要的一環(huán)，開(kāi)口的形狀則對(duì)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(kāi)口孔壁的粗糙度及形狀。尺寸精度是使用的基本要求，開(kāi)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(duì)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(guò)對(duì)生產(chǎn)工序、模板質(zhì)量等方面的比對(duì)，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(wú)應(yīng)力不變形，繃網(wǎng)后張力分布均勻。
通過(guò)調(diào)整激光聚焦位置使開(kāi)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(jiǎn)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(wàn)次以上。
實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化控制，操作簡(jiǎn)便，節(jié)約人力資源。
?精度高：直接使用設(shè)計(jì)文檔，沒(méi)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(duì)現(xiàn)有模板進(jìn)行返工的工藝，如增孔、補(bǔ)孔、擴(kuò)孔。
?無(wú)污染：生產(chǎn)過(guò)程無(wú)化學(xué)藥液，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，對(duì)操作人員身體健康無(wú)害。
基于模板對(duì)smt工藝的重要性及激光模板所具有的優(yōu)點(diǎn)，我們將對(duì)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(duì)實(shí)際應(yīng)用中工藝的改進(jìn)及一些問(wèn)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(guò)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(duì)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(lái)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(guò)程和設(shè)備即激光切割機(jī)入手，長(zhǎng)期以來(lái)，激光精密切割一直被外壟斷，內(nèi)依賴(lài)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(guò)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(duì)外銷(xiāo)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(lái)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(duì)切割質(zhì)量的影響。圖2所示為光路圖。

3.1 激光參數(shù)對(duì)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(guò)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(chēng)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(duì)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(lái)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(zhǎng)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(guò)聚焦鏡后激光的

束腰半徑

焦深
激光的波長(zhǎng)λ和光束質(zhì)量M2由激光器決定，可以通過(guò)減小激光波長(zhǎng)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(guò)減小聚焦鏡的焦距和增大擴(kuò)束鏡倍數(shù)來(lái)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(duì)位置對(duì)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(wú)法穩(wěn)定工作甚至損壞激光器，因此，必須對(duì)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(wèn)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?cè)龃螅锌p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(zhǎng)，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(shì)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(guò)程中的過(guò)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(duì)鋼片的連續(xù)切割。在這個(gè)過(guò)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(jiǎn)單的幾何關(guān)系得出（在切割過(guò)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(duì)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(zhǎng)；四，使用時(shí)方便：體積輕巧，組裝方便，光路校正簡(jiǎn)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(duì)現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展是一個(gè)不容忽略的問(wèn)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(guò)大，使得切縫周?chē)牟牧弦脖蝗刍驓饣?，?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(guò)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(huà)，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(lèi)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程中，激光光束要穿過(guò)噴嘴產(chǎn)生氣體流場(chǎng)，噴嘴的形狀和噴嘴的位置對(duì)氣體的流速和流場(chǎng)的分布有很重要的影響。氣體折射率和密度有關(guān)，氣壓過(guò)大時(shí)會(huì)在流場(chǎng)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(duì)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(jí)。長(zhǎng)期以來(lái)，內(nèi)無(wú)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(kāi)口位置和開(kāi)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(cè)反饋的伺服系統(tǒng)，其精度主要取決于測(cè)量組件的精度和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度，其中測(cè)量組件即光學(xué)尺的小刻度是0.5μm，組裝之后經(jīng)過(guò)激光干涉校正，利用激光干涉儀測(cè)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(duì)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(jiǎn)便及界面友好四個(gè)基本要求外，還要對(duì)激光切割中的一些特殊問(wèn)題應(yīng)具有處理能力，以此彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)檔過(guò)程中的缺陷和不足。

3.5.1 圖形轉(zhuǎn)文件
在印刷過(guò)程中，smt模板上90°的轉(zhuǎn)角部分在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生滯留錫膏的現(xiàn)象，這對(duì)此模板的后續(xù)使用和清潔造成影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)焊錫效果造成焊錫不足、拉尖、崩塌等現(xiàn)象。對(duì)此問(wèn)題，在設(shè)計(jì)smt模板開(kāi)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(guò)程中，圓弧導(dǎo)角部分會(huì)變?yōu)橛梢欢我欢味讨本€(xiàn)或短圓弧組成的不規(guī)則曲線(xiàn)，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(wèn)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(guò)多年的努力，在自主開(kāi)發(fā)StencilCut的軟件中解決了這個(gè)問(wèn)題，并且實(shí)施簡(jiǎn)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(xiàn)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(xiàn)，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(wú)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(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，目前，路徑優(yōu)化的算法種類(lèi)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(zhǎng)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(shuō)在相同的切割速度下，只需要原來(lái)40%的時(shí)間。其效果如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
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(kāi)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(guò)電拋光達(dá)到此目的。激光模板通過(guò)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(duì)比。之后經(jīng)過(guò)繃網(wǎng)、加框之后就成為模板，可以在印刷機(jī)上使用了。