微型化印刷的系統(tǒng)解決方案

　　消費者對更小、更輕且功能更強大的通信產(chǎn)品的需求正以空前的速度增長。雖然制造商持續(xù)獲得越來越多的微型化元器件，但組裝業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是以更低的成本和高良率，同時，微型化需求也需要與那些“標準”技術相平衡，以達成混合組裝。

 

　　消實際生產(chǎn)中，回流焊后板上鉭電容周邊的小元件經(jīng)常會產(chǎn)生移位、少件和立碑等缺陷(如圖1、圖2所示)。

 

　　消費趨勢是推動微型化發(fā)展的主要驅(qū)動力。如今，全球智能手機的銷售正超過電腦市場的總和，這預示著消費者偏好的重大轉(zhuǎn)變，智能手機正成為信息處理終端產(chǎn)品的首選。

 

　　其他連接技術也有很大的進展，如智能電視和大型家用電器、內(nèi)置Wi-Fi熱點和車載eCall(歐盟首創(chuàng)配置于汽車的，在車禍發(fā)生時自動呼叫緊急服務的技術)等等，都拉動了對更加微型化smt裝置的需求。

 

　　微型化當然不是什么新概念。20世紀90年代中期出現(xiàn)的1.27mm間距的球柵陣列(BGA)封裝，被認為是四周扁平封裝(QFP)之后微型化發(fā)展顯著進步的代表。今天，0.4mm芯片尺寸封裝(CSPs)已經(jīng)普及，而0.3mm間距封裝的時代即將來臨。新的一波微型化所涉及的特征尺寸為小于200微米，而僅在十年前，這一尺寸還被認為是屬于半導體范疇。

 

　　更大的挑戰(zhàn)在于，小的組件也非常復雜。典型新型組件的電路板上通常包含有微小無源元件、超細間距半導體芯片和大尺寸元器件(如RF屏蔽罩、插座和顯示器)等，而所有這些元器件都集成在單一的高密度PCB中。因此，對高混裝組件的良率要求一直在提高。

 

　　這些挑戰(zhàn)意味著電子制造商要為不斷出現(xiàn)的問題尋求解決方案，例如：我們最小可以印刷到什么尺寸?最密的間距是多少?對于高混合技術組件，我們能否在大的膠點旁印刷小的膠點?對于高密度產(chǎn)品，我們能將元器件貼放得多緊密?此外，我們?nèi)绾瓮ㄟ^整個供應鏈和改進生產(chǎn)工藝來減少一些成本壓力?

 

　　為什么網(wǎng)板設計是關鍵?

 

　　縮小網(wǎng)板開孔尺寸以應對不斷減小的元器件焊盤尺寸看起來不是個大問題，但對于已經(jīng)在接近表面貼裝技術能力極限條件下運作的組裝業(yè)者來說，它的確是一個巨大的挑戰(zhàn)。

 

　　網(wǎng)板開孔面積比決定著印刷的涂敷尺寸。面積比規(guī)則是網(wǎng)板開孔和孔表面面積之間的關系，它對組成網(wǎng)板開孔的要素，如網(wǎng)板厚度、孔徑、寬度和長度都有重要影響。為提供下一代的微型化表面貼裝技術設備，目前的面積比規(guī)則必須被打破，而打破這一規(guī)則需要新的工藝和工具。

 

　　盡管微型化給網(wǎng)板印刷工藝帶來了相當多的困擾，但研究發(fā)現(xiàn)，絲網(wǎng)印刷技術能夠解決其中的一些挑戰(zhàn);例如，DEK的ProActiv動能刮刀已經(jīng)能夠?qū)�傳統(tǒng)面積比的極限尺寸推向新的邊界，可以解決像0.3mm芯片級封裝(CSPs)這樣下一代超細間距器件的印刷問題。因此，對于混合裝配來說，ProActiv動能刮刀是非常有用的工具，它能夠使用傳統(tǒng)印刷工藝和單一厚度網(wǎng)板，在最大和最復雜的組件旁邊印刷最小的元器件。

 

　　然而，印刷系統(tǒng)中一個日益重要但常被忽視的環(huán)節(jié)是網(wǎng)板的開孔形狀和設計。隨著特征尺寸的日益縮小，可被印刷的每立方微米焊膏正顯得日益重要;而且，正確的網(wǎng)板設計也是電子制造商能否實現(xiàn)微小元器件組裝，并由此持續(xù)獲得經(jīng)濟收益的關鍵所在。

 

　　正是基于上述考慮，DEK最近完成了一個關于網(wǎng)板開孔設計對超細間距印刷影響的項目，以期改善焊膏轉(zhuǎn)移效率并為今后網(wǎng)板開孔策略的研究提供指引。

 

　　結(jié)果顯示：方形開孔設計的焊膏轉(zhuǎn)移效率更高，而且動能刮刀工藝效果更好。

 

　　多年來，網(wǎng)板開孔設計一直基于IPC-7525 標準，它建議：在合格的網(wǎng)板印刷中，開孔面積比應大于0.66(以達到70-75%的轉(zhuǎn)移效率)。

 

　　圖1中藍色的是一條被普遍接受的“歷史的”轉(zhuǎn)移效率基準曲線，而行業(yè)在二十世紀90年代后期又向其回歸;直到現(xiàn)在，它仍然被廣泛采用作為設立一個工藝的基準。

 

　　近年來，為提高焊膏轉(zhuǎn)移效率，業(yè)界在焊膏材料、網(wǎng)板技術和工藝改善方面進行了大量的研發(fā)工作，很多研究經(jīng)費被用于研究對于焊膏轉(zhuǎn)移效率極具重要性的刮刀角度問題、超聲刮刀(ultrasonic squeegees)、網(wǎng)板制造技術、網(wǎng)板材料和網(wǎng)板表面處理等，包括最近大受歡迎的納米涂層網(wǎng)板。

 

　　將所有這些變化、改善與整體優(yōu)化后的工藝綜合在一起，形成了圖1中紅色的“今天的”焊膏轉(zhuǎn)移效率曲線，它真實地反映了SMT印刷體系的現(xiàn)狀。

 

　　雖然其中的一些技術進展已經(jīng)在最新的IPC-7525B標準中有所體現(xiàn)，但很顯然，我們?nèi)栽诂F(xiàn)有面積比規(guī)則的邊界內(nèi)處理目前的尖端元器件(見圖2)。一些個別的操作員能夠通過對材料極其小心的控制，可以實現(xiàn)超細間距元器件的穩(wěn)定工藝制程。未來，當嘗試將0.3mm間距CSP導入現(xiàn)有工藝時，將會需要面積比約為0.4的網(wǎng)板開孔，這將是一個超出當今的印刷規(guī)則的挑戰(zhàn)(參見圖2);因此，任何有利于或可優(yōu)化小于0.5面積比印刷工藝的做法，都將給電子組裝工藝帶來莫大的助益。

 

 

　　DEK的實驗研究

 

　　DEK的項目通過研究開孔設計、焊膏以及刮刀組件各種組合之間的相互影響，尋找移動面積比曲線的機會。我們進行了30塊印制板的印刷實驗，使用的測試圖形包括圓形和方形開孔，獨立實驗采用或不用動能刮刀，并均使用了行業(yè)標準的4型和4.5型的無鉛焊膏，使用一臺DEKHorizon 01自動絲網(wǎng)印刷機，還使用了行業(yè)標準的100μm厚的激光切割不銹鋼網(wǎng)板。

 

　　使用CyberOptics 的SE500搭配微型平面?zhèn)鞲衅鳒y量印刷涂敷量;在整個研究中使用的測試基板是一套編號的、厚度為1.6mm的FR4板;在印刷周期中，測試基板被專用的真空夾具固定。

 

　　相同的刮刀組件，加上170mm長的金屬刀片(懸伸15mm)都被使用在所有標準和動能印刷測試模式中;對于標準的印刷工藝，只需簡單地關閉超聲波功能即可。在每次測試前，均對刮刀進行自動校準。

 

　　實驗結(jié)果

 

　　理論上，對于一個給定的面積比，方形孔涂敷的焊膏體積要多于圓形孔21.5%。DEK的實驗顯示，這也是實際操作中的情況，方形孔的印刷量高于圓形孔23%。對于面積比在0.44mm與1.00mm之間的孔，這一焊膏沉積量的增加在所有印刷測試中均被觀測到，無論所使用的刮刀或焊膏類型是什么。這些結(jié)果十分重要，因為當使用低于0.5mm面積比的開孔時，每個可被印刷的焊料顆粒將更加重要。

 

　　關于焊料顆粒尺寸的問題，數(shù)據(jù)顯示，使用4.5型焊膏，轉(zhuǎn)移效率只比4型提高了一點點，凈增加極為有限，僅在2-3%之間;但是，請注意，我們只測試了一種焊膏配方，其他類型的4或4.5型焊膏的表現(xiàn)可能有所不同。

 

　　與標準工藝相比，使用超聲動能刮刀也極大地提高焊膏轉(zhuǎn)移效率，這一結(jié)果也得到了許多其他發(fā)表的研究報告的支持。這些增加在低于0.5 的開孔面積比時最為明顯，導致有機會使用低至0.4的孔徑比而仍然保持焊膏轉(zhuǎn)移效率超過60%;事實上，在個別試驗中，使用方形孔設計以及4.5型焊膏的情況下，動能刮刀工藝可使孔徑比降至0.34。

 

　　總之，上述結(jié)果告訴我們，將有效的網(wǎng)板設計與動能刮刀工藝相結(jié)合，在大規(guī)模應用0.3mm CSP和其他超細間距元器件時，可實現(xiàn)行業(yè)所要求的高精度和可重復性。

 

　　今后的研究方向

 

　　在DEK，我們聚焦行業(yè)的長期發(fā)展趨勢和客戶面臨的挑戰(zhàn)，并開發(fā)相應技術。

 

　　客戶已經(jīng)在詢問我們是否具備應對0.3mm CSP組件的印刷能力，而我們相信0.3mm間距CSP將很快進入主流生產(chǎn)。一旦0.3mm間距CSP逐步進入大批量應用階段，我們有望看到0.25-0.2mm間距封裝進入到 “頂級”公司的路線圖中。出于這些原因，DEK計劃繼續(xù)對具有重要意義的網(wǎng)板設計問題進行研究，不斷優(yōu)化微型化元器件的印刷工藝。