【干货】制作SMT激光钢网常见切割问题分析

1 前言

SMT 作为新一代电子装联技术已广泛地应用于各个领域的电子产品组装中,有60％是由于焊锡膏丝印质量差造成的【1】；在SMT工艺缺陷中，由于模板的不良而引起的缺陷占到35％，其中60％的组装缺陷和87％的回流焊接缺陷都是由于模板的不良造成的【2】，可见模板是SMT组装制造过程中的一个重要环节，模板的好坏直接影响到SMT的生产效率和质量。

现有的模板制作工艺有三种：化学蚀刻、激光切割和电铸成型。与其它两种工艺相比，激光切割以其加工速度快、切割质量好、操作简单方便、加工工艺环节少、成本低、环保无污染、可增孔扩孔等优点，在模板市场上占据了绝对主导的地位。在珠三角、长三角、环渤海的厂商共增加近70台激光模板切割机，基本接近饱和状态。

综上可见，对激光模板切割质量进行分析，对制作过程中常见的问题进行改进，找到合适的解决方案，已成为SMT生产中不可忽视的问题。

2 切割质量分析

激光模板的切割质量主要包括尺寸精度、切边平直度、切边挂渣程度。影响切割质量的诸多因素如下图所示：

在实际的切割过程中，经常遇到的问题有：切割偏位；漏孔；切边不直，产生锯齿状；切不透；切割面有溅射；非切割面熔渣过多；以及使用时遇到的下锡不良等。下面以市面上销量最大，占市场份额最大的深圳木森科技有限公司生产的StencilCut激光模板切割机为例，分析找出原因，在理论的基础上结合实际的切割经验，给出相应的解决方案以供参考。切割机的技术参数如下所示：

激光波长：1070 nm

最大功率：50 W

加工幅面：600 mm×600 mm

切割厚度：<0.5 mm

定位精度：±3 μm

重复精度：±1 μm

2.1 切边不直，产生波浪状或锯齿状

切边不直，如图2所示，通常为控制系统问题，如运动控制器的PID（比例-积分-微分）参数设置不佳、驱动器参数设置、接线有干扰、接地不良等引起，其他可能原因还有地面震动幅度大、机台水平不佳、脚垫弹性问题、Z轴光路固定不稳、夹治具不良、吹气吸气问题等。

以最关键的PID参数调节为例，a：若是X轴不直，则是由于X轴移动时引起Y轴振动，造成X轴有波浪状产生；b：若是Y轴不直，则是由于Y轴移动时引起X轴振动，造成Y轴有波浪状产生；c：若是Z轴马达的PID参数没有调节好，Z轴移动时造成聚焦透镜振动，这种情况下会出现X轴、Y轴都不直的问题（如果振动较小，出现的就是锯齿状）。所以要调节PID参数，把跟随误差调到尽可能小，另外保证平台在移动时不会产生共振。

另外，切割过程中吹气和吸风管吸力过大，造成的钢片振动也会产生切边不直或是锯齿状，当然这是不分 X轴Y轴的。此时，可以通过适当降低吸风管吸力、减小吹气、张紧钢片来改善。

图2 切割中遇到的锯齿状(200×)

2.2 切割面有溅射物

切割面出现方向一致的溅射物是SMT模板切割中经常碰到的问题（如图3所示），基本上都是由于聚焦后的激光与喷嘴中气流没有同轴，或者说激光没有从喷嘴的中心射出。随着切割的进行，喷嘴沿着切缝移动，切口处的金属熔融物被压力不均的气流吹到上表面，于是切割面出现方向一致的溅射物。

当钢片未加紧或者平整度不好时，切割过程中切割口处的熔融物流向较低的那边，在辅助吹气的作用下，切割面也会出现方向一致的溅射物。

2.3 切不透或者部分漏切

功率太小，速度过快，都会造成照射到切割面的能量密度不足，出现切不透的现象。实际切割时，要根据材料的种类、厚度和表面粗糙度（影响对激光的吸收率），来选择合适的输出功率和切割速度。

切割前要准确聚焦，并检查钢片是否加紧及钢片平整度，保证切割过程中不会出现离焦的情况，某处离焦就会造成该点处漏切或者切不透。在整个切割过程中，确保焦点与工件相对位置恒定是获得好的切割质量的重要条件。大多数情况下，切割时焦点位置刚好处于工件表面，或者稍微在表面以下，具体尺寸由试验确定。

2.4 切口粗糙，有熔渣

当激光功率较小时，光束所提供的全部能量不足以使切割前沿的金属在很短的时间内快速熔化，辅助气体不足，金属在切口处的熔融金属不能及时地被清除，造成熔融金属在切口表面的粘附，使切割表面粗糙度增大。

切割速度较慢时，激光能量和氧化反应放的热量在切口处作用时间延长，板材的熔化量也随着增大，但由于熔化物流动性差，致使熔渣不能及时排出，从而引起切口表面质量的下降【3】。

在切割过程中有时还会出现切割出的孔壁发黄的现象，多是由于透镜受到污染所致，镜片上的杂物影响了光束质量，使得切割能量不足所致。此外，污染物吸收激光能量而使透镜温度升高，时间长了也可能会把透镜烧坏。所以出现这种情况要及时处理，把透镜擦拭干净或者更换透镜，就不会再有此状况产生。

2.5 下表面有挂渣，热影响区较大

激光切割不锈钢板时产生熔渣过多的影响因素很多，主要有激光参数（激光器供应商、激光输出功率、重复频率、占空比、脉宽）、气体参数（气体种类、喷嘴形状、气压大小、流场分布）、工艺参数（是否聚焦、切割速度、喷嘴到钢片距离、吸气方式）三方面。

辅助气体一方面能吹走切口处的熔融金属，另一方面还起到冷却金属表面减小热影响区的作用。在切割不锈钢时一般用氧气作为辅助气体，铁与氧气的氧化反应可以提供切割所需的能量，但由于反应产生的氧化物的粘性较大，在吹气气压不足时容易在下表面形成挂渣（如图4所示），利用惰性气体作为辅助气体切割不锈钢可获得较好的切割边，并且不易产生挂渣，但其所需的切割功率要提高很多，切割速度也要比用氧气作为辅助气体有所下降。

离焦切割时，激光束与工件的接触面增大，由于热量不能及时散去，也会造成大的热影响区（如图5所示）。过分的离焦将使被加工点的能量密度大大下降，则必然导致孔壁产生强烈的熔化，影响打孔的质量。

由图5可以看出，对间距为100um孔径为40um的微孔，切割完成后，因为是离焦打微孔，周边热影响区较大，可以通过电抛光来减小这一缺陷。

3 小结

本文主要对SMT激光模板切割过程中经常遇到的问题进行了列举，并从理论和实践经验两方面进行了分析解释，对以后的SMT加工中模板切割具有借鉴价值。需要说明的是，在实际的生产中，某一问题的出现并不只涉及一个工艺参数或者硬件设计，应根据具体的切割精度和加工条件，调整切割工艺参数和选择辅助设施，以达到最佳的切割效果。

随着激光精密加工的优势逐渐显现和技术领域的扩展，在SMT行业中激光切割工艺几乎已取代了传统的化学蚀刻工艺。在切割设备等硬件设施已逐渐成熟之时，研究切割工艺参数对切割质量的影响，并通过实际测试对其优化配置具有积极的意义。

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