消費者對更小、更輕且功能更強大的通信產品的需求正以空前的速度增長。雖然制造商持續獲得越來越多的微型化元器件，但組裝業面臨的挑戰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。

 

　　消實際生產中，回流焊后板上鉭電容周邊的小元件經常會產生移位、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展的主要驅動力。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變，智能手機正成為信息處理終端產品的首選。

 

　　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、內置Wi-Fi熱點和車載eCall(歐盟首創配置于汽車的，在車禍發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)之后微型化發展顯著進步的代表。今天，0.4mm芯片尺寸封裝(CSPs)已經普及，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。

 

　　這些挑戰意味著電子制造商要為不斷出現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?對于高密度產品，我們能將元器件貼放得多緊密?此外，我們如何通過整個供應鏈和改進生產工藝來減少一些成本壓力?

 

　　為什么網板設計是關鍵?

 

　　縮小網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，但對于已經在接近表面貼裝技術能力極限條件下運作的組裝業者來說，它的確是一個巨大的挑戰。

 

　　網板開孔面積比決定著印刷的涂敷尺寸。面積比規則是網板開孔和孔表面面積之間的關系，它對組成網板開孔的要素，如網板厚度、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，目前的面積比規則必須被打破，而打破這一規則需要新的工藝和工具。

 

　　盡管微型化給網板印刷工藝帶來了相當多的困擾，但研究發現，絲網印刷技術能夠解決其中的一些挑戰;例如，DEK的ProActiv動能刮刀已經能夠將傳統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，它能夠使用傳統印刷工藝和單一厚度網板，在最大和最復雜的組件旁邊印刷最小的元器件。

 

　　然而，印刷系統中一個日益重要但常被忽視的環節是網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，正確的網板設計也是電子制造商能否實現微小元器件組裝，并由此持續獲得經濟收益的關鍵所在。

 

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

 

　　結果顯示：方形開孔設計的焊膏轉移效率更高，而且動能刮刀工藝效果更好。

 

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

 

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

 

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

 

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

 

　　雖然其中的一些技術進展已經在最新的IPC-7525B標準中有所體現，但很顯然，我們仍在現有面積比規則的邊界內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，可以實現超細間距元器件的穩定工藝制程。未來，當嘗試將0.3mm間距CSP導入現有工藝時，將會需要面積比約為0.4的網板開孔，這將是一個超出當今的印刷規則的挑戰(參見圖2);因此，任何有利于或可優化小于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，并均使用了行業標準的4型和4.5型的無鉛焊膏，使用一臺DEKHorizon 01自動絲網印刷機，還使用了行業標準的100μm厚的激光切割不銹鋼網板。

 

　　使用CyberOptics 的SE500搭配微型平面傳感器測量印刷涂敷量;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，數據顯示，使用4.5型焊膏，轉移效率只比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移效率，這一結果也得到了許多其他發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，上述結果告訴我們，將有效的網板設計與動能刮刀工藝相結合，在大規模應用0.3mm CSP和其他超細間距元器件時，可實現行業所要求的高精度和可重復性。

 

　　今后的研究方向

 

　　在DEK，我們聚焦行業的長期發展趨勢和客戶面臨的挑戰，并開發相應技術。

 

　　客戶已經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。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計劃繼續對具有重要意義的網板設計問題進行研究，不斷優化微型化元器件的印刷工藝。