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        SMT激光模板的切割工藝研究服務

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        首頁  新聞動態  企業新聞SMT激光模板的切割工藝研究

        SMT激光模板的切割工藝研究

        發布時間:2016-09-26 08:01:23 分類:企業新聞

        1 前言
        smt是Surface Mount Technology的縮寫,即表面組裝技術,是相對于傳統的THT(Through-hole technology)技術而發展起來的一種新的組裝技術,誕生于上世紀60年代。它實現了電子產品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本和生產的自動化。smt技術組裝密度高、產品體積小、重量輕,貼片組件的體積和重量只有傳統插裝組件的1/10左右,采用smt之后,電子產品體積縮小40%~60%,重量減輕60%~80%;可靠性高、抗振能力強、焊點缺陷率低、高頻特性好、減少了電磁和射頻干擾;易于實現自動化,提高生產效率,降低成本達30%~50%,節省材料、能源、設備、人力、時間等。目前,先進的電子產品,特別是在計算器及通訊類電子產品中,已普遍采用smt技術。

        由于組裝工藝類型的不同,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步驟:
        <1>生產準備→<2> 絲網印刷錫膏/點膠→<3>貼裝SMD/插裝組件→<4>回流焊/波峰焊→ <5>清洗→<6>檢驗測試→<7>返修/包裝
        其中絲網印刷是使用模板將焊料印刷到承印物上的工藝過程,在smt工藝中它是使用金屬漏板將焊錫膏轉移到印制板焊盤上。smt模板(Stencil)又稱鋼網,是絲印用印刷工具,由網框、絲網和掩膜圖形構成。它是根據印制板設計成的金屬漏板,通過印刷機準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,錫膏就會通過模板上的開孔漏印到焊盤上。

        雖然,在smt生產中,我們將貼片膠、錫膏、鋼網稱為輔助材料,但其重要性卻不能忽視,其中模板是整個工藝的一環節,它的好壞直接影響到印刷質量。據統計,在smt工藝中,印刷引起的smt缺陷超過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smt的品質、生產效率起著至關重要的作用,選擇優質的模板可以提高smt工藝的質量。

        影響模板質量的因素主要體現在三個方面,首先是材料質量,即鋼片本身的質量、硬度、彈性。其次模板的設計,包括鋼片厚度的選擇、孔的開口尺寸和開口形狀。其中厚度與開口尺寸決定了焊膏的涂覆量和準確程度,其是整個生產過程中非常重要的一環,開口的形狀則對施加錫的質量有影響。三是模板的制造方法,包括尺寸精度、切邊平直度、開口孔壁的粗糙度及形狀。尺寸精度是使用的基本要求,開口孔壁的粗糙度及形狀決定了施錫質量。其中前兩個因素在選好鋼片,設計完成后便具有穩定性,但模板的制造方法卻具有多變性,是對模板質量影響大的因素。
        目前,模板的制造方法有三種,即化學刻蝕、激光切割、電鑄成型。三種方法各有優缺點,通過對生產工序、模板質量等方面的比對,通常,采用的是激光模板,它具有以下優點,
        ?質量好:非接觸式加工,無應力不變形,繃網后張力分布均勻。
        通過調整激光聚焦位置使開口自動形成錐形,利于錫膏脫模。
        切邊光滑,可與電鑄模板媲美。
        ?速度快:成產工序少、操作簡便、成產速度快、交貨日期短。
        ?成本低:工序少,因此耗材少,模板重復使用率高,可達30萬次以上。
        實現機器自動化控制,操作簡便,節約人力資源。
        ?精度高:直接使用設計文檔,沒有攝影步驟,消除了位置不正的因素 。
        孔的尺寸精度小,位置精度高,非常適合高密度設計。
        ?功能強:唯一實現了對現有模板進行返工的工藝,如增孔、補孔、擴孔。
        ?無污染:生產過程無化學藥液,對環境沒有污染,對操作人員身體健康無害。
        基于模板對smt工藝的重要性及激光模板所具有的優點,我們將對smt激光模板的切割質量做一個深入而詳細的探討,這對實際應用中工藝的改進及一些問題的克服有積極且重要的意義。

        2 smt激光模板切割

        激光經過聚焦后照射到材料上,光能轉化為熱能,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,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運動,在切割材料上形成切縫從而達到切割的目的。如果吹出的氣體和被切割材料產生放熱反應,則此反應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用于精密機械以及電子工業中,應用的重點為小于0.5mm的薄板,一般具有復雜的結構,尺寸小于200μm[1],smt激光模板正是其典型的應用之一。常用的smt模板的材質為不銹鋼,輔助氣體通常采用工業氧氣或者壓縮空氣。

        3 切割質量分析
        分析切割質量應當從切割過程和設備即激光切割機入手,長期以來,激光精密切割一直被外壟斷,內依賴進口,直到2006年,由深圳市木森科技有限公司研制出內一臺擁有自主知識產權的高精密激光模板切割機之后才打破際壟斷,并通過家驗證,性能已達到際同等水平,已經投入生產使用和對外銷售,在激光切割和smt行業具有劃時代的意義,因此,我們以木森的StencilCut系列激光模板切割機為例來分析smt激光模板切割質量。
        激光切割機大致上可以分為激光、機構電控和軟件三大部分,下面將依次從這三大方面討論其對切割質量的影響。圖2所示為光路圖。

        3.1 激光參數對切割質量的影響
        在切割中,“刀”是關鍵的環節,因此,激光的參數是切割過程中的關鍵因素,包括光斑直徑、激光功率、重復頻率、焦點位置等,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的光強按高斯函數分布,稱為高斯光束。由光強降落到中心值的1/e2的點所確定的范圍為光斑半徑,在這個圓內包含了光束能量的86.5%。光斑直徑對切縫寬度的影響大,光斑直徑越小則切縫越小,則切割的精度越高。

        光路中的兩個重要光學鏡組是擴束鏡和聚焦鏡。擴束鏡是為了降低激光發散角,獲得盡量接近平行光的光束。聚焦鏡是用來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。設激光的束腰半徑為ω0,光束質量因子為M2,激光波長為λ,聚焦鏡焦距為f,擴束鏡準直倍率為A,由激光原理[2]可得,當物高斯光束束腰在透鏡的物方焦平面上時,像方高斯光束束腰亦處在像方焦平面上,此時,經過聚焦鏡后激光的

        束腰半徑

        焦深
        激光的波長λ和光束質量M2由激光器決定,可以通過減小激光波長和選擇高質量的激光器即較小M2得到較小的光斑尺寸,鏡組方面可以通過減小聚焦鏡的焦距和增大擴束鏡倍數來實現較小的光斑尺寸,但在減小光斑直徑的同時,焦深會縮短,能切割的板厚也變小,因此,要根據實際情況選擇合理的焦距和擴束倍數。

        焦點與鋼片的相對位置對切縫寬度和切邊形狀有較大影響,聚焦后焦點一般位于鋼片的表面,這樣,在切割時切邊會自動出現一定的錐度,利于錫膏脫模,如圖3所示。

        另外,激光聚焦到鋼片上會有較強的反射,這些反射光會沿原光路返回激光器。當反射光達到一定強度時會造成激光器無法穩定工作甚至損壞激光器,因此,必須對反射光加以抑制,在激光器出口處加光隔離器[3]可以解決此問題。

        3.1.2 激光功率與激光重復頻率的影響
        能量E為功率P與時間t的乘積,當切割速度不變時,即激光照射時間恒定,隨著激光輸出功率增大,單位時間內材料獲得的能量增加,材料溫度升高,導致熱影響區變寬,形變增大,切縫寬度也隨之變大。

        當激光功率一定時,照射的時間越長,鋼片獲得的能量就越多,熱量會傳導到非加工區,且鋼片本身熱容量小,因此,會使鋼片溫度急速升高而導致熱變形。因此,激光精密切割與傳統的大功率切割的區別在于采用脈沖工作模式。脈沖優勢在于金屬熔化所需的能量在極短的時間內被帶入,零件的整體加熱較低,不會發生連續激光加工過程中的過熱現象以及不希望出現的熔化現象。
        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的孔得到連續的切縫,實現對鋼片的連續切割。在這個過程中,相鄰激光光斑的重程度即光斑的重率是關鍵的參數,它是指相鄰光斑重面積占光斑面積的百分比,可由簡單的幾何關系得出(在切割過程中打在鋼片上的光斑變形小,可以認為仍是圓形的),它與激光重復頻率、脈沖寬度和切割速度有關。如圖4所示,它對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量就越好。

        在其它參數不變時,重復頻率越高,單脈沖與材料作用的時間就越短,則熱效應越小,切縫寬度也就越小。同時重復頻率越大,光斑的重率就越高,切邊效果也越好。因此,提高激光的重復頻率可以提高切割質量。早期外的模板切割機均采用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點,一,切割質量高:激光重復頻率高,因此,切邊連續性佳,切割側壁光滑;二,使用成本低:不須更換燈管、去離子水及濾芯,可節約耗材成本;三,產品性能好:功率低可節約電力成本,使用壽命長;四,使用時方便:體積輕巧,組裝方便,光路校正簡單。

        3.2 切割速度的影響
        切割速度決定了生產效率,在保證切割質量的前提下,盡量提高生產率,降低加工成本,對現代企業的發展是一個不容忽略的問題。
        當其它參數不變時,切割速度的變化意味著激光與材料的相互作用的時間變化,即激光能量密度的改變,切割速度越快,激光能量密度越小。當切割速度較低時,激光能量密度過大,使得切縫周圍的材料也被熔化或氣化,導致熔渣多切縫粗糙,切割質量較差。隨著速度的提高,當達到一個合適的范圍時,激光能量密度足夠大,材料就會完全熔化或氣化,在輔助氣體的作用下去除材料,可以形成光滑均勻的切縫;速度增大到一個極限值時,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,當重復頻率一定時,切割速度提高到一定程度就會使切縫由平直狀態變成不連續的小孔,因此,存在一個臨界速度,大于這個臨界值時,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,使切割過程得以順利的持續進行,同時,保護鏡頭免受損傷,另外,如果輔助氣體和被切割材料發生放熱反應的話,還可以為切割提供額外的能量,加速切割的進行。

        3.3.1 氣體種類的影響
        在切割鐵及其合金時,通常采用O2作輔助氣體,鐵與氧氣可以發生劇烈氧化反應,給切割提供額外的熱量,因此,與惰性氣體或氮氣比較,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系列切割機采用工業氧氣作為輔助氣體,反應充分,而外設備使用的是壓縮空氣,其中只有五分之一是氧氣。相比之下,采用工業氧氣的優點有: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速度;在同樣的激光功率情況下,工業氧氣可以達到較大的切割深度;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、噴嘴結構和噴嘴位置的影響
        激光切割對輔助氣體的基本要求是進入切口的氣流量大、速度高,以便有足夠的動量將熔融材料噴出,并有充足的氣體與材料發生充分的放熱反應。氣體壓力和氣體流量是重要的參數,氧氣壓力越大,流速越高,燃燒化學反應和除去材料的速度也就越快。同時,也可以使切縫出口處反應產物快速冷卻。在附近的非切割區域,氣體作為冷卻劑,縮小熱影響區。但氣體的壓力并非越大越好,當氣體壓力過低時,切口處熔融材料排除不盡,會形成毛刺及降低切割速度;隨著氣體壓力的增大,氣體流動量增大,排渣能力提高,可獲得較光滑的切邊;但壓力過高時,不僅增加了氣體的消耗量,還會使氣流紊亂,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量。

        在激光切割過程中,激光光束要穿過噴嘴產生氣體流場,噴嘴的形狀和噴嘴的位置對氣體的流速和流場的分布有很重要的影響。氣體折射率和密度有關,氣壓過大時會在流場中產生激波[4],在激波處氣體的密度會發生突變,激光就會在不同層的氣流界面之間發生折射,從而導致焦點位置發生變化,對切割速度和切邊質量產生影響。

        3.4 機構和電控部分的影響
        高精密激光切割除了要有一把好“刀”之外,還要有一個高精密的平臺。激光切割的尺寸精度主要取決于切割設備的機械精度和控制精度。當采用脈沖激光并使用高精度的切割設備與控制技術時,尺寸精度達到微米級。長期以來,內無法掌握精確定位的技術,激光精密切割一直被外壟斷。

        機臺的穩定性和平臺的機械精度是保證模板準確的開口位置和開口尺寸的基本要求,在設計和安裝StencilCut的機構部分時都有嚴格要求[5],控制部分采用死循環控制系統,即裝有位置檢測反饋的伺服系統,其精度主要取決于測量組件的精度和數模轉換器的精度,其中測量組件即光學尺的小刻度是0.5μm,組裝之后經過激光干涉校正,利用激光干涉儀測定平臺移動距離,與實際給定距離比較后,以運動控制器對移動誤差給予補償,使移動距離達到所設定之目標。這樣可使整機的定位精度達3μm,重復精度達±1μm。
        3.5 軟件部分的影響

        操作軟件除了具備穩定性高、功能齊全、操作簡便及界面友好四個基本要求外,還要對激光切割中的一些特殊問題應具有處理能力,以此彌補設計和轉檔過程中的缺陷和不足。

        3.5.1 圖形轉文件
        在印刷過程中,smt模板上90°的轉角部分在使用過程中會產生滯留錫膏的現象,這對此模板的后續使用和清潔造成影響,同時也會對焊錫效果造成焊錫不足、拉尖、崩塌等現象。對此問題,在設計smt模板開口時,若把直角換為圓弧導角則會有所改善,但是,由于軟件的差異及操作人員的作業水平參差不齊,導致在轉換CNC文檔過程中,圓弧導角部分會變為由一段一段短直線或短圓弧組成的不規則曲線,這樣,在很大程度上降低了smt模板的生產效率及品質,因此,各公司都在努力尋求此問題的解決方案,但此前的方案都較為繁瑣而且并不完善。木森科技經過多年的努力,在自主開發StencilCut的軟件中解決了這個問題,并且實施簡單,操作方便,效果良好,轉檔時可以將源文檔中的圓弧完美的轉出。如圖5所示,圖中的黑色方塊即線段的兩個端點,可以看到不良的轉檔會將圓弧變成很多短直線,而StencilCut可以將圓弧完美的轉出。

        3.5.2 路徑優化
        由于設計軟件和繪圖人員等差異,轉出的圖文件在切割時切割路徑會顯示出很大的隨意性,這樣無疑會增加切割時間,降低生產效率,因此,切割前必須對路徑進行優化,目前,路徑優化的算法種類繁多,研究人員亦不少,但終要看的效果有兩方面:一是路徑的優化率;二是優化時間的長短。StencilCut所配套的套裝軟件中集成了路徑優化的功能,運算速度快,路徑優化率高,可達60%以上,就是說在相同的切割速度下,只需要原來40%的時間。其效果如圖6所示。

        4 結束語
        盡管在工藝參數方面做了合理的配置及優化,但是仍不可避免地形成金屬熔渣而造成孔壁粗糙,有毛刺的產生,增大了開口孔壁的摩擦力,使錫膏的脫模質量變差,也影響組件的印刷效果。為了改善激光模板的這個缺點,可以通過電拋光達到此目的。激光模板通過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比。之后經過繃網、加框之后就成為模板,可以在印刷機上使用了。

        來源:SMT激光模板的切割工藝研究

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