CN108747010A - Smt阶梯模板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及SMT阶梯模板及其制作方法。所述制作方法包括：在基材上去除一部分材料以形成具有设定深度的凹槽，所述凹槽的设定深度小于所述基材的厚度；将料片放置于所述凹槽中，所述料片的厚度大于所述凹槽的设定深度；对所述料片的边缘与所述凹槽的边缘的拼接处进行激光焊接以使所述料片固定在所述基材上。所述SMT阶梯模板包括基材和料片，所述基材具有第一表面和第二表面，所述料片具有第一部分和第二部分；所述料片埋在所述基材中，所述料片的第一部分位于所述第一表面之下且位于所述第二表面之上，所述料片的第二部分位于所述第一表面之上。本发明可减少材料在焊接过程产生的热形变，从而提高SMT阶梯模板的机械强度。
Description
技术领域
本发明涉及制造技术领域，特别涉及局部加厚的SMT阶梯模板及其制作方法。
背景技术
在SMT(Surface Mounting Technology，表面组装技术)领域，用于PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)上的钢模板有普通模板(模板厚度相同)和阶梯模板(包括局部加厚模板和局部减薄模板)，这两者可统称为SMT模板。它们的区别在于普通模板采用的是同一种厚度的钢片，而阶梯模板采用的是在一张钢片上局部产生两种或两种以上不同厚度的钢片。阶梯模板可以分为局部加厚(STEP-UP)模板或局部减薄(STEP-DOWN)模板。在各种实际的阶梯模板中，局部加厚阶梯模板数量占了阶梯模板总数量的80％左右，而且，目前局部加厚模板比局部减薄模板制作难度大，成本更高，研究意义更大。
目前，市场上的阶梯模板的制作一般有三种方法：
一是采用化学刻蚀方法，也就是通过在金属钢片上涂抗蚀保护剂，定位感光图案并将图形曝光在钢片表面，然后使用蚀刻工艺从表面腐蚀钢片达到一定深度而完成。由于需要腐蚀加工的面积大，制作局部加厚模板消耗的腐蚀液很多。另外，化学刻蚀方法必然会产生大量的高浓度蚀刻废液和较低浓度的洗涤废水，这些废液和废水包含HCl、H3PO4、HNO3和HF等腐蚀性物质，会对环境造成污染。该方法还需要制作掩膜，且需要使用光绘菲林作为图形转移的工具，因而加工效率低、浪费材料、成本较高、时间周期较长，对环境污染大，严重制约了局部加厚SMT模板的制作。
二是中国专利申请号为201310625767.9(SMT阶梯模板制造工艺)公开的一种增材制造方式，采用对粉末选择性熔覆技术(激光熔覆)，是指以不同的添加方法在被加工的SMT模板基体上放置选择的涂层材料，经激光照射后，使粉料和基体表面熔化，经快速凝固形成与基体呈冶金结合的表面涂层。粉末熔覆技术从原理上可以克服腐蚀制造法的加工污染，但常规铺粉熔覆需要对整个增厚区域扫描加热，对于厚度为微米级别的SMT模板来说，很容易发生热形变，并且最小熔覆高度往往通常达到20μm，而局部增厚的高度最小低至10μm，难于满足增厚高度分辨率的需要，因此该项技术在尚未在生产中推广应用。
德国某公司采用补材拼焊的方式探索激光阶梯模板的焊接方式，其方法是用激光切割机将需要增厚的区域切下，再从较厚的钢片上切割相同大小的料片，将料片拼合在SMT模板切下的区域，再用激光将料片与SMT模板基材(后文简述为“基材”)焊接到一起。因为SMT模板厚度通常为微米级别，焊接过程很容易发生热变形。由于SMT模板正反两个面均需要做焊接处理，所以德国某公司的方法为了减小SMT模板在焊接过程的热形变，只能将料片的正反表面分别与基材焊接在一起，无法将料片与基材焊透，这样制造的SMT阶梯模板的机械强度较弱。当然，为了减小SMT模板在焊接过程产生的热形变，也可采用点焊的方式来使正反表面的焊点错开，但其效果也不是很理想，而且使得加工工艺变得复杂。
发明内容
本发明的目的是为了弥补上述现有技术中的至少一项不足，提出一种SMT阶梯模板及其制作方法，可减少SMT模板在焊接过程产生的热形变，从而提高制作的SMT阶梯模板的机械强度。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
SMT阶梯模板的制作方法包括：
在基材上去除一部分材料以形成具有设定深度的凹槽，所述凹槽的设定深度小于所述基材的厚度；
将料片放置于所述凹槽中，所述料片的厚度大于所述凹槽的设定深度；
对所述料片的边缘与所述凹槽的边缘的拼接处进行激光焊接以使所述料片固定在所述基材上。
在一些优选的实施方式中，还包括：通过激光焊接使所述料片的下表面与所述凹槽的底面焊接在一起。
在一些优选的实施方式中，所述料片的外围尺寸满足：将料片放置于所述凹槽中，所述凹槽的侧壁可将所述料片卡住。
在一些优选的实施方式中，所述在基材上去除一部分材料的方式为雕刻，所述雕刻的方式包括脉冲激光雕刻、连续激光雕刻、机械精雕雕刻、化学腐蚀雕刻；所述脉冲激光雕刻为脉冲激光扫描雕刻；所述脉冲激光的类型包括纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光、飞秒脉冲激光。
在一些优选的实施方式中，所述基材的厚度为50μm至100μm，所述凹槽的设定深度为20μm至50μm，所述料片的厚度为30μm至150μm。
在一些优选的实施方式中，还包括：在薄片上制作出所述料片。
在另一方面，本发明提供一种SMT阶梯模板，包括基材和料片，所述基材具有第一表面和第二表面，所述料片具有第一部分和第二部分；所述料片埋在所述基材中，所述料片的第一部分位于所述第一表面之下且位于所述第二表面之上，所述料片的第二部分位于所述第一表面之上；所述料片的边缘与所述第一表面的交界处设有焊缝。
在一些优选的实施方式中，所述料片的第一部分的底面与所述基材焊接在一起。
在一些优选的实施方式中，所述基材的厚度为10μm至200μm。
在一些优选的实施方式中，所述基材的厚度为50μm至100μm，所述料片埋在所述基材中的深度为20μm至50μm；所述料片的厚度为30μm至150μm；所述基材为钢片；所述料片为金属片。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
在基材上加工出用于放置料片的凹槽，将料片放置在凹槽中之后，在料片的边缘与凹槽的边缘的拼接处，通过激光焊接将料片固定在基材上。由于是在基材一侧的拼接处进行激光焊接，有利于焊接过程中的散热，从而减少材料在焊接过程产生的热形变，可将料片与基材焊透。加之料片有一部分埋在基材中，增加了料片与基材的接触，在焊接完成之后，可提高制作的SMT阶梯模板的机械强度。
附图说明
图1为本发明的SMT阶梯模板的制作方法的流程示意图；
图2为本发明的制作方法的一种变型方式的流程示意图；
图3为本发明的基材的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明的料片的结构示意图；
图6为本发明的SMT阶梯模板的结构示意图；
图7为图6的局部放大图。
具体实施方式
下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
SMT阶梯模板是具有阶梯的SMT模板，其厚度为微米级别，阶梯的高度也为微米级别。通常以SMT模板基材(基材)作为原料，进行加工后得到SMT阶梯模板。基材一般是薄片，其材料是金属，比如微米级别的钢片，当然也不排除使用非金属材料的基材来制作SMT阶梯模板。微米级别的基材在受热后容易产生变形，这给SMT阶梯模板的制作带来了难度，进而会影响SMT阶梯模板的机械强度。
本发明针对SMT阶梯模板的制作方法可以有效解决上述问题。参考图1，本发明的SMT阶梯模板的制作方法包括步骤S100至步骤S300。
步骤S100、在基材1上去除一部分材料以形成具有设定深度d的凹槽10，凹槽10的设定深度小于基材1的厚度。
参考图3和图4，对于基材1上需要做局部加厚的部位，在该部位去除一部分材料，也就是对该部位进行雕刻，从而在基材1上形成具有设定深度d的凹槽10。凹槽10的出现，也就意味着在基材1上出现了台阶。凹槽10可以只有顶部是敞开的，比如在基材1的中间加工出凹槽10；也可以顶部和一个侧面是敞开的，比如在基材1的边缘加工出凹槽10。无论是什么样形式的凹槽10，其目的是用来放置料片2，从而在完成后续加工之后对基材1进行加厚。凹槽10的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个或者六个以上，具体根据需要加厚的部位有多少个来决定。参考图4，从基材1的正面看，也即从第一表面1A看，凹槽10的轮廓形状可以是多边形、圆形、或者不规则形状，多边形可以是三角形、矩形。
其中，对基材1进行雕刻的方式包括脉冲激光雕刻(Pulse laser engraving)、连续激光雕刻、机械精雕刻、化学腐蚀雕刻(Chemical etching carvings)。优选采用脉冲激光扫描雕刻，可以实现快速加工。脉冲激光的类型包括纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光，甚至是飞秒脉冲激光。
步骤S200、将料片2放置于凹槽10中，料片的厚度h大于凹槽10的设定深度d。
参考图5，料片2可事先选取或者加工。参考图7，料片2用于对基材1进行加厚，料片2的厚度h大于在基材1上做的凹槽10的深度d。比如需要做阶梯高度为Δ的局部加厚，根据公式Δ＝h-d来选取料片2，以及对基板1进行雕刻以使基板1具有设定深度d的凹槽10。
参考图6和图7，将事先加工的料片2放置于凹槽10中，由于料片2的厚度h大于凹槽10的设定深度d，可在需要加厚的部位上形成凸台。凹槽10也可对料片2起到定位的作用，方便后续加工。
步骤S300、对料片2的边缘与凹槽10的边缘的拼接处进行激光焊接以使料片2固定在基材1上。
参考图7，料片2放置在凹槽10中之后，料片2的边缘201与凹槽10的边缘101会拼在一起，当然，这两个边缘之间可能会有间隙。凹槽10的边缘101也可以理解为基材1上雕刻出凹槽10的区域的边缘。对料片2的边缘201与凹槽10的边缘101的拼接处100实施激光焊接处理，形成焊缝200，从而将料片2固定于基材1上，得到局部加厚的SMT阶梯模板。
根据上述可知，在基材1上加工出用于放置料片2的凹槽10，将料片2放置在凹槽10中之后，在料片2的边缘201与凹槽10的边缘101的拼接处100，通过激光焊接将料片2固定在基材1上。由于是仅需在基材1的一侧的拼接处100进行激光焊接，有利于焊接过程中的散热，从而减少材料在焊接过程产生的热形变，可将料片2与基材1焊透。加之料片2有一部分埋在基材1中，增加了料片2与基材1的接触。基材1上设有凹槽10的部位本身也留有设定厚度的材料。如此，可提高制作的SMT阶梯模板的机械强度。
采用本发明的制作方法制作局部加厚的SMT阶梯模板，能够按照实际需要仅在设置凸台的位置增加料片2，不涉及化学腐蚀的污染，不涉及光刻胶与曝光过程，能显著缩短制造周期、降低加工工艺复杂度，降低制造成本、提高材料利用率，可快速得到SMT阶梯模板。
根据料片2选材的不同，经上述制作方法加工后的凸台的表层硬度可灵活选取。
发明人也曾尝试在基材1上层叠料片2，然后做焊接处理，但得到的SMT阶梯模板的机械强度很弱。比如，制作10μm的凸台，需要叠的料片2的厚度也为10μm，10μm的钢片(料片)太薄，很难制作，即便能够制作，也很容易卷曲，且用此种厚度的钢片制作出来的SMT阶梯模板在印刷机刮刀的刮磨下也很容易损坏。而本发明的制作方法，对于10μm的凸台，通过雕刻使基材1下沉20μm形成凹槽10，在凹槽10中贴上30μm的料片2，再将料片2的边缘与凹槽10的边缘焊接即可，30μm的料片相比于10μm料片更易获取，且能提高SMT阶梯模板的机械强度。
以下对本发明作进一步的说明：
参考图2，本发明的制作方法还可包括步骤400。
步骤400、通过激光焊接使料片2的下表面202与凹槽10的底面102焊接在一起。
为了加强料片2与基材1的焊接强度，可在料片2区域内部增加焊点。参考图7，也就是在基材1的正面或者反面，通过激光焊接使料片2的下表面202与凹槽10的底面102焊接在一起，具体可采用点焊的方式，从而使下表面202与底面102之间存在焊点300。
对于料片2，可在薄片上制作出。薄片可以是金属片，甚至是非金属片。在金属片上加工出与需要做加厚部位大小相同的料片2，也就是加工出与凹槽10的大小接近相同的料片2，但料片2要能放置于凹槽10中。
为方便后续的制作，料片2的外围尺寸满足：将料片2放置于凹槽10中，凹槽10的侧壁或者说四壁可将料片2卡住。也就是说，料片2的外围尺寸比凹槽10的外围尺寸小，具体的，可以使料片2的外围尺寸比凹槽10的外围尺寸小10μm或者10μm以下。如此，可对料片2做良好的位置固定，可防止料片2受到扰动时发生位置变动，并且在需要加厚的部位上形成凸台。
基材1的厚度为50μm至100μm，凹槽10的设定深度d为20μm至50μm，料片2的厚度为30μm至150μm。这样的好处在于：相比于上述德国某公司采用的补材拼焊方法，本发明采用更薄的料片2，可以用较小的激光功率进行焊接，较小的激光功率对基材1产生的热变形较小。而料片2较薄、较软，与基材1贴合后，也不足以影响应变，从而可得到机械强度更高的SMT阶梯模板。其中，较小的激光功率主要指较小的激光单脉冲能量，因此优选用脉冲激光的方式进行焊接。比如，选用的脉冲激光的参数是脉冲峰值为100W，单脉冲持续时间在ms(毫秒)量级，可实现较小的激光功率或者说指定的激光功率。又比如，还可以变更脉冲峰值，比如脉冲峰值达到10kW，而脉冲持续时间在ns(纳秒)量级，从而用更小的单脉冲能量对料片2和基材2进行焊接，产生的热形变会更小。也就是说，通过对脉冲激光的脉冲峰值进行选择以及对单脉冲持续时间进行控制，可得到较小的激光功率或者说指定的激光功率。
下表为本发明的制作方法与现有的加工制作方法的比较表。
| 生产效率 | 加工难度 | 凸台表层硬度 | 对环境的影响 | |
| 化学刻蚀 | 低 | 简单 | 300HV | 有较严重污染 |
| 激光熔覆 | 中 | 难 | 350～550HV | 无污染 |
| 补材拼焊 | 较高 | 较难 | 灵活选取 | 无污染 |
| 本发明 | 较高 | 中等 | 灵活选取 | 无污染 |
由上表可见，本发明的制作方法制作SMT阶梯模板时，具有效率高、表层硬度选取范围灵活、成本低以及对环境污染小等优点，加工难度低，可降低加工成本及制造周期。也能把多种不同材料的料片2集成到同一SMT阶梯模板上，满足SMT阶梯模板不同部位的不同性能的需要。
本发明还提供一种SMT阶梯模板，该SMT阶梯模板可以通过本发明的上述制作方法得到，也可通过其它制作方法制作得到。本发明的SMT阶梯模板也具有本发明上述制作方法的优点。
本发明的SMT阶梯模板包括基材1和料片2，如前所述，基材1可为钢片，料片2可为金属片。
参考图3，基材1具有第一表面1A和第二表面1B，第一表面1A可以为基材1的正面，第二表面1B则可为基材1的反面。
参考图5，料片2具有第一部分2A和第二部分2B，第一部分2A也就是料片2的下部，第二部分2B也就是料片2的上部。
参考图7，料片2是埋在基材1中的，料片2的第一部分2A位于第一表面1A之下且位于第二表面1B之上，料片2的第二部分2B位于第一表面1A之上。也就是说，基材1上设有具有设定深度d的凹槽10，料片2置于凹槽10中，料片2的第一部分2A的厚度等于凹槽10的设定深度d；也可以认为料片2的第一部分2A和第二部分2B是以第一表面1A为划界的，第一表面1A之下的则为料片2的第一部分2A，第一表面1A之上的则为料片2的第二部分2B。
参考图6和图7，料片2的边缘201与第一表面1A的交界处也即拼接处100设有焊缝200。
根据上述可知，料片2有一部分埋在基材1中，增加了料片2与基材1的接触。料片2的第一部分2A位于第一表面1A之下且位于第二表面1B之上，也就是说基材1上设有料片2的部位本身也留有设定厚度的材料。这样的结构允许在基材1的某一侧将料片2和基材1焊透。如此，不仅便于加工，还可提高SMT阶梯模板的机械强度。
本发明的SMT阶梯模板还可以是这样的：料片2的第一部分2A的底面与基材1焊接在一起。也就是，料片2的下表面202与凹槽10的底面102焊接在一起。
根据实际需要，基材1的厚度可以为10μm至200μm。
本发明的SMT阶梯模板还可以是这样的：基材1的厚度为50μm至100μm，料片2埋在基材1中的深度为20μm至50μm(也即凹槽10的设定深度d为20μm至50μm)，料片2的厚度为30μm至150μm。这样的SMT阶梯模板不仅便于加工，还具有优异的机械强度。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.SMT阶梯模板的制作方法，其特征在于包括：
在基材上去除一部分材料以形成具有设定深度的凹槽，所述凹槽的设定深度小于所述基材的厚度；
将料片放置于所述凹槽中，所述料片的厚度大于所述凹槽的设定深度；
对所述料片的边缘与所述凹槽的边缘的拼接处进行激光焊接以使所述料片固定在所述基材上。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于还包括：通过激光焊接使所述料片的下表面与所述凹槽的底面焊接在一起。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述料片的外围尺寸满足：将料片放置于所述凹槽中，所述凹槽的侧壁可将所述料片卡住。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述在基材上去除一部分材料的方式为雕刻，所述雕刻的方式包括脉冲激光雕刻、连续激光雕刻、机械精雕刻、化学腐蚀雕刻；所述脉冲激光雕刻为脉冲激光扫描雕刻；所述脉冲激光的类型包括纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光、飞秒脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述基材的厚度为50μm至100μm，所述凹槽的设定深度为20μm至50μm，所述料片的厚度为30μm至150μm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的制作方法，其特征在于还包括：在薄片上制作出所述料片。
7.SMT阶梯模板，其特征在于包括：基材和料片，所述基材具有第一表面和第二表面，所述料片具有第一部分和第二部分；所述料片埋在所述基材中，所述料片的第一部分位于所述第一表面之下且位于所述第二表面之上，所述料片的第二部分位于所述第一表面之上；所述料片的边缘与所述第一表面的交界处设有焊缝。
8.根据权利要求7所述的SMT阶梯模板，其特征在于：所述料片的第一部分的底面与所述基材焊接在一起。
9.根据权利要求7所述的SMT阶梯模板，其特征在于：所述基材的厚度为10μm至200μm。
10.根据权利要求7至9任一项所述的SMT阶梯模板，其特征在于：所述基材的厚度为50μm至100μm，所述料片埋在所述基材中的深度为20μm至50μm；所述料片的厚度为30μm至150μm；所述基材为钢片；所述料片为金属片。
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