微型化印刷的系统解决方案

　　消费者对更小、更轻且功能更强大的通信产品的需求正以空前的速度增长。虽然制造商持续获得越来越多的微型化元器件，但组装业面临的挑战是以更低的成本和高良率，同时，微型化需求也需要与那些“标准”技术相平衡，以达成混合组装。

 

　　消实际生产中，回流焊后板上钽电容周边的小元件经常会产生移位、少件和立碑等缺陷(如图1、图2所示)。

 

　　消费趋势是推动微型化发展的主要驱动力。如今，全球智能手机的销售正超过电脑市场的总和，这预示着消费者偏好的重大转变，智能手机正成为信息处理终端产品的首选。

 

　　其他连接技术也有很大的进展，如智能电视和大型家用电器、内置Wi-Fi热点和车载eCall(欧盟首创配置于汽车的，在车祸发生时自动呼叫紧急服务的技术)等等，都拉动了对更加微型化smt装置的需求。

 

　　微型化当然不是什么新概念。20世纪90年代中期出现的1.27mm间距的球栅阵列(BGA)封装，被认为是四周扁平封装(QFP)之后微型化发展显著进步的代表。今天，0.4mm芯片尺寸封装(CSPs)已经普及，而0.3mm间距封装的时代即将来临。新的一波微型化所涉及的特征尺寸为小于200微米，而仅在十年前，这一尺寸还被认为是属于半导体范畴。

 

　　更大的挑战在于，小的组件也非常复杂。典型新型组件的电路板上通常包含有微小无源元件、超细间距半导体芯片和大尺寸元器件(如RF屏蔽罩、插座和显示器)等，而所有这些元器件都集成在单一的高密度PCB中。因此，对高混装组件的良率要求一直在提高。

 

　　这些挑战意味着电子制造商要为不断出现的问题寻求解决方案，例如：我们最小可以印刷到什么尺寸?最密的间距是多少?对于高混合技术组件，我们能否在大的胶点旁印刷小的胶点?对于高密度产品，我们能将元器件贴放得多紧密?此外，我们如何通过整个供应链和改进生产工艺来减少一些成本压力?

 

　　为什么网板设计是关键?

 

　　缩小网板开孔尺寸以应对不断减小的元器件焊盘尺寸看起来不是个大问题，但对于已经在接近表面贴装技术能力极限条件下运作的组装业者来说，它的确是一个巨大的挑战。

 

　　网板开孔面积比决定着印刷的涂敷尺寸。面积比规则是网板开孔和孔表面面积之间的关系，它对组成网板开孔的要素，如网板厚度、孔径、宽度和长度都有重要影响。为提供下一代的微型化表面贴装技术设备，目前的面积比规则必须被打破，而打破这一规则需要新的工艺和工具。

 

　　尽管微型化给网板印刷工艺带来了相当多的困扰，但研究发现，丝网印刷技术能够解决其中的一些挑战;例如，DEK的ProActiv动能刮刀已经能够将传统面积比的极限尺寸推向新的边界，可以解决像0.3mm芯片级封装(CSPs)这样下一代超细间距器件的印刷问题。因此，对于混合装配来说，ProActiv动能刮刀是非常有用的工具，它能够使用传统印刷工艺和单一厚度网板，在最大和最复杂的组件旁边印刷最小的元器件。

 

　　然而，印刷系统中一个日益重要但常被忽视的环节是网板的开孔形状和设计。随着特征尺寸的日益缩小，可被印刷的每立方微米焊膏正显得日益重要;而且，正确的网板设计也是电子制造商能否实现微小元器件组装，并由此持续获得经济收益的关键所在。

 

　　正是基于上述考虑，DEK最近完成了一个关于网板开孔设计对超细间距印刷影响的项目，以期改善焊膏转移效率并为今后网板开孔策略的研究提供指引。

 

　　结果显示：方形开孔设计的焊膏转移效率更高，而且动能刮刀工艺效果更好。

 

　　多年来，网板开孔设计一直基于IPC-7525 标准，它建议：在合格的网板印刷中，开孔面积比应大于0.66(以达到70-75%的转移效率)。

 

　　图1中蓝色的是一条被普遍接受的“历史的”转移效率基准曲线，而行业在二十世纪90年代后期又向其回归;直到现在，它仍然被广泛采用作为设立一个工艺的基准。

 

　　近年来，为提高焊膏转移效率，业界在焊膏材料、网板技术和工艺改善方面进行了大量的研发工作，很多研究经费被用于研究对于焊膏转移效率极具重要性的刮刀角度问题、超声刮刀(ultrasonic squeegees)、网板制造技术、网板材料和网板表面处理等，包括最近大受欢迎的纳米涂层网板。

 

　　将所有这些变化、改善与整体优化后的工艺综合在一起，形成了图1中红色的“今天的”焊膏转移效率曲线，它真实地反映了SMT印刷体系的现状。

 

　　虽然其中的一些技术进展已经在最新的IPC-7525B标准中有所体现，但很显然，我们仍在现有面积比规则的边界内处理目前的尖端元器件(见图2)。一些个别的操作员能够通过对材料极其小心的控制，可以实现超细间距元器件的稳定工艺制程。未来，当尝试将0.3mm间距CSP导入现有工艺时，将会需要面积比约为0.4的网板开孔，这将是一个超出当今的印刷规则的挑战(参见图2);因此，任何有利于或可优化小于0.5面积比印刷工艺的做法，都将给电子组装工艺带来莫大的助益。

 

 

　　DEK的实验研究

 

　　DEK的项目通过研究开孔设计、焊膏以及刮刀组件各种组合之间的相互影响，寻找移动面积比曲线的机会。我们进行了30块印制板的印刷实验，使用的测试图形包括圆形和方形开孔，独立实验采用或不用动能刮刀，并均使用了行业标准的4型和4.5型的无铅焊膏，使用一台DEKHorizon 01自动丝网印刷机，还使用了行业标准的100μm厚的激光切割不锈钢网板。

 

　　使用CyberOptics 的SE500搭配微型平面传感器测量印刷涂敷量;在整个研究中使用的测试基板是一套编号的、厚度为1.6mm的FR4板;在印刷周期中，测试基板被专用的真空夹具固定。

 

　　相同的刮刀组件，加上170mm长的金属刀片(悬伸15mm)都被使用在所有标准和动能印刷测试模式中;对于标准的印刷工艺，只需简单地关闭超声波功能即可。在每次测试前，均对刮刀进行自动校准。

 

　　实验结果

 

　　理论上，对于一个给定的面积比，方形孔涂敷的焊膏体积要多于圆形孔21.5%。DEK的实验显示，这也是实际操作中的情况，方形孔的印刷量高于圆形孔23%。对于面积比在0.44mm与1.00mm之间的孔，这一焊膏沉积量的增加在所有印刷测试中均被观测到，无论所使用的刮刀或焊膏类型是什么。这些结果十分重要，因为当使用低于0.5mm面积比的开孔时，每个可被印刷的焊料颗粒将更加重要。

 

　　关于焊料颗粒尺寸的问题，数据显示，使用4.5型焊膏，转移效率只比4型提高了一点点，净增加极为有限，仅在2-3%之间;但是，请注意，我们只测试了一种焊膏配方，其他类型的4或4.5型焊膏的表现可能有所不同。

 

　　与标准工艺相比，使用超声动能刮刀也极大地提高焊膏转移效率，这一结果也得到了许多其他发表的研究报告的支持。这些增加在低于0.5 的开孔面积比时最为明显，导致有机会使用低至0.4的孔径比而仍然保持焊膏转移效率超过60%;事实上，在个别试验中，使用方形孔设计以及4.5型焊膏的情况下，动能刮刀工艺可使孔径比降至0.34。

 

　　总之，上述结果告诉我们，将有效的网板设计与动能刮刀工艺相结合，在大规模应用0.3mm CSP和其他超细间距元器件时，可实现行业所要求的高精度和可重复性。

 

　　今后的研究方向

 

　　在DEK，我们聚焦行业的长期发展趋势和客户面临的挑战，并开发相应技术。

 

　　客户已经在询问我们是否具备应对0.3mm CSP组件的印刷能力，而我们相信0.3mm间距CSP将很快进入主流生产。一旦0.3mm间距CSP逐步进入大批量应用阶段，我们有望看到0.25-0.2mm间距封装进入到 “顶级”公司的路线图中。出于这些原因，DEK计划继续对具有重要意义的网板设计问题进行研究，不断优化微型化元器件的印刷工艺。