綠光激光切割不銹鋼印刷模板可行性研究

劉 剛，張 孔，王運龍

（中國電子科技集團公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088）

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向高集成和小型化方向發(fā)展，印制板和陶瓷基板組件上的元件密度越來越高，以回流焊接為主的表面貼裝工藝成為更為主流的組裝工藝[1]。焊膏和粘結(jié)劑的涂覆是表面貼裝工藝中的重要組成部分，它會對貼裝元件的性能甚至可靠性產(chǎn)生直接影響，研究表明有60%～70%的質(zhì)量問題與焊膏和粘結(jié)劑的印刷有關(guān)[2]。早期表面貼裝中的焊膏和粘結(jié)劑的印刷是通過絲網(wǎng)印刷實現(xiàn)的，但在印刷過程中會存在焊膏沉積量不一致的問題，因而后期金屬模板被更為廣泛地采用[3]。金屬模板的制造方法主要有化學腐蝕、電化學成型和激光切割3 種。其中激光切割由于工序簡單、加工誤差小和可重復性強等優(yōu)點被廣泛應用于模板制造中[4]。

激光切割的本質(zhì)是利用材料吸收的激光能量來改變材料物理化學結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)一定熱處理的目的[5]。不銹鋼板對激光的吸收和其熱處理的質(zhì)量有直接影響，相關(guān)文獻表明不銹鋼板對激光的吸收率與波長成反比[5-6]。隨著波長的增加，不銹鋼板對激光的吸收率減弱，會造成激光照射在鋼板表面的熱量集聚，導致激光對鋼板的熱沖擊增強，從而產(chǎn)生較大的熱變形[7]。與紫外激光相比（小于400 nm），模板對綠光激光（500～560 nm）吸收率低，因而在加工過程中更容易產(chǎn)生熱應力使其發(fā)生扭曲變形。本文嘗試通過相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，緩解綠光切割過程中熱效應的負面影響，從而得到模板平整度和切口粗糙度滿足焊膏印刷需求的不銹鋼模板。

2 實驗條件

實驗用的不銹鋼板厚度為0.2 mm，加工網(wǎng)版用的激光器為德中技術(shù)公司生產(chǎn)的功率為40 W 的綠光激光器，使用激光干涉儀測量網(wǎng)版表面的平整度。切割過程中激光的其他參數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)標刻速度（即切割速度）和激光功率來探討綠光激光器切割不銹鋼印刷模板的可行性。

3 實驗結(jié)果和討論

實驗過程中的加工圖形如圖1 所示。在長和寬分別為19.168 mm 和9.409 mm 的方形區(qū)域內(nèi)切割4 個長寬范圍在1.363～3.437 mm 的方形焊盤印刷孔，在切割前后分別對切割區(qū)域的平整度進行測量，測試位置為上方焊盤印刷孔和下方中間焊盤印刷孔之間的中部位置，以達到控制變量的目的，并且該位置由于靠近2 個切割口，熱效應集中，所產(chǎn)生的負面影響更為凸顯。

圖1 用于激光切割的切口圖形

標刻速度為200 mm/s 的條件下，使用功率百分比為10%～40%的激光對不銹鋼板進行切割，前后的平整性對比如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，在切割前不銹鋼板的平整性區(qū)別不大，有著比較好的均一性，僅在1～2 μm的范圍內(nèi)波動，適合作為印刷模板的材料，并且作為實驗的對照組也有著較強的參考性。而在切割后，不同功率下切割的不銹鋼板均發(fā)生了比較明顯的變形，平整性增至3～7 μm 的范圍內(nèi)波動，而且隨著切割功率的增大，鋼板的變形程度趨于明顯。整體而言，在10%～40%功率百分比的范圍內(nèi)，激光功率的改變對不銹鋼板平整性的影響沒有本質(zhì)上的區(qū)別。

標刻速度為1000 mm/s 的條件下，使用功率百分比為10%～40%的激光對不銹鋼板進行切割，前后的平整性對比如圖3 所示。同樣，不銹鋼板在切割前的平整性均一良好，波動幅度小。而在切割之后，與標刻速度200 mm/s 的切割條件相比，切割后不銹鋼模板平整性的變化發(fā)生了非常明顯的改善，平整性僅在±3 μm的范圍內(nèi)波動，其中功率百分比為10%的激光切割不銹鋼板的平整性最佳，其平整性波動范圍為-1.86～+1.85 μm，與切割前相比，正負方向的平整性變化均不超過1 μm。

激光切割不銹鋼模板是將高能激光的焦點位置作用于其表面，使鋼板發(fā)生燒蝕和氣化，從而完成焊盤印刷孔的切割[8]。當激光焦點作用于不銹鋼板表面時，一部分能量被鋼板吸收，而另一部分則發(fā)生反射并在鋼板表面產(chǎn)生熱量集聚。當鋼板表面的熱量集聚過高時，鋼板會因熱應力過大而產(chǎn)生比較明顯的形變。綠光激光由于波長較長，其加工過程中的熱效應更為凸顯。結(jié)合圖2 和圖3 的結(jié)果進行討論，在可實現(xiàn)不銹鋼板切割的前提下，一方面，降低激光加工功率可減小激光焦點處的能量密度，直接降低加工時照射部位的熱效應；另一方面，增大標刻速度可降低單位時間內(nèi)照射在單個加工點的時間，以較短的作用時間避免激光熱量的過度聚集，并且有利于加工點的散熱，從而實現(xiàn)熱效應的緩解。但在增大標刻速度時，由于激光加工的單位行程內(nèi)作用在每個加工點的時間減少，為了保證單個加工點加工時間接近，需要增加加工次數(shù)以實現(xiàn)總加工時間的補償。因此，通過低功率和高速度的加工方式可切割出平整性更好的不銹鋼模板。

圖2 標刻速度為200 mm/s，不同功率百分比激光切割不銹鋼模板前后的平整性（左圖表示切割前，右圖表示切割后）

由于圖2 和圖3 中的切割圖形簡單，而且激光干涉儀的測量視場范圍有限，僅在2.53 μm×1.90 μm 的方形區(qū)域內(nèi)對平整性進行測量，難以反映印刷模板加工過程中的真實情況。為了了解實際加工過程中焊膏印刷模板的切割情況，現(xiàn)取某個產(chǎn)品中的焊盤排列圖形（焊盤的長寬均接近1 mm）對不銹鋼模板進行切割，并以圖2 和圖3 中分別代表“高功率，低速度”（P=40%，s=200 mm/s）和“低功率，高速度”（P=10%，s=1000 mm/s）的兩種切割條件進行整體加工情況的對比，不銹鋼板切割前后的外觀如圖4 所示?？梢允置黠@地看出，P=10%、s=1000 mm/s 條件下切割的不銹鋼模板整體上平整性更好，放置于桌面上時與桌面有著比較好的貼合性；而P=40%、s=200 mm/s 條件下切割的不銹鋼模板則發(fā)生了十分明顯的翹曲，表面甚至因為扭曲而導致反射光線的路徑變化，并且與桌面無法實現(xiàn)貼合。雖然兩種切割條件在小范圍的切割區(qū)域內(nèi)只有幾個微米的平整性差異，但在實際加工過程中，由于變形方向的隨機性，隨著加工焊盤孔的增加，累積的變形量也會變?yōu)槿庋壑庇^可見的差別。

圖3 標刻速度為1000 mm/s，不同功率百分比激光切割不銹鋼模板前后的平整性（左圖表示切割前，右圖表示切割后）

圖4 兩種條件下不銹鋼板切割前后的外觀比較

圖4 中兩種條件下切割的不銹鋼模板顯微成像如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與P=40%、s=200 mm/s 的切割條件相比，P=10%、s=1000 mm/s 條件下切割的焊盤孔形狀規(guī)整性更好，孔壁粗糙度更小。對印刷模板而言，越光滑的孔壁越有利于印刷過程中焊膏的釋放，進而完成更高質(zhì)量的焊膏印刷過程[9]。

圖5 兩種條件下不銹鋼板切割后的焊盤印刷孔顯微成像

4 結(jié)論

綠光激光雖然由于波長較長，在金屬模板的加工過程中容易產(chǎn)生熱應力從而造成模板的扭曲變形。但通過切割參數(shù)的合理優(yōu)化，利用“低功率，高速度”（P=10%，s=1000 mm/s）的加工思路，可以得到平整性在-1.86～+1.85 μm 范圍波動、切口孔壁粗糙度小的焊膏印刷模板。與切割前相比，模板正負方向的平整性變化不超過1 μm，綠光激光熱效應的負面影響顯著減小。切割出的模板可以滿足高質(zhì)量的焊膏印刷需求，進而提升表面貼裝元件的焊接質(zhì)量。