消費(fèi)者對(duì)更小、更輕且功能更強(qiáng)大的通信產(chǎn)品的需求正以空前的速度增長(zhǎng)。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(shí)，微型化需求也需要與那些“標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)相平衡，以達(dá)成混合組裝。

 

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

 

　　消費(fèi)趨勢(shì)是推動(dòng)微型化發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。如今，全球智能手機(jī)的銷售正超過電腦市場(chǎng)的總和，這預(yù)示著消費(fèi)者偏好的重大轉(zhuǎn)變，智能手機(jī)正成為信息處理終端產(chǎn)品的首選。

 

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

 

　　微型化當(dāng)然不是什么新概念。20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的1.27mm間距的球柵陣列(BGA)封裝，被認(rèn)為是四周扁平封裝(QFP)之后微型化發(fā)展顯著進(jìn)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(shí)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(rèn)為是屬于半導(dǎo)體范疇。

 

　　更大的挑戰(zhàn)在于，小的組件也非常復(fù)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(xì)間距半導(dǎo)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(duì)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(duì)于高混合技術(shù)組件，我們能否在大的膠點(diǎn)旁印刷小的膠點(diǎn)?對(duì)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(gè)供應(yīng)鏈和改進(jìn)生產(chǎn)工藝來減少一些成本壓力?

 

　　為什么網(wǎng)板設(shè)計(jì)是關(guān)鍵?

 

　　縮小網(wǎng)板開孔尺寸以應(yīng)對(duì)不斷減小的元器件焊盤尺寸看起來不是個(gè)大問題，但對(duì)于已經(jīng)在接近表面貼裝技術(shù)能力極限條件下運(yùn)作的組裝業(yè)者來說，它的確是一個(gè)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(guān)系，它對(duì)組成網(wǎng)板開孔的要素，如網(wǎng)板厚度、孔徑、寬度和長(zhǎng)度都有重要影響。為提供下一代的微型化表面貼裝技術(shù)設(shè)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(dāng)多的困擾，但研究發(fā)現(xiàn)，絲網(wǎng)印刷技術(shù)能夠解決其中的一些挑戰(zhàn);例如，DEK的ProActiv動(dòng)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(jí)封裝(CSPs)這樣下一代超細(xì)間距器件的印刷問題。因此，對(duì)于混合裝配來說，ProActiv動(dòng)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(fù)雜的組件旁邊印刷最小的元器件。

 

　　然而，印刷系統(tǒng)中一個(gè)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)也是電子制造商能否實(shí)現(xiàn)微小元器件組裝，并由此持續(xù)獲得經(jīng)濟(jì)收益的關(guān)鍵所在。

 

　　正是基于上述考慮，DEK最近完成了一個(gè)關(guān)于網(wǎng)板開孔設(shè)計(jì)對(duì)超細(xì)間距印刷影響的項(xiàng)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(shè)計(jì)的焊膏轉(zhuǎn)移效率更高，而且動(dòng)能刮刀工藝效果更好。

 

　　多年來，網(wǎng)板開孔設(shè)計(jì)一直基于IPC-7525 標(biāo)準(zhǔn)，它建議：在合格的網(wǎng)板印刷中，開孔面積比應(yīng)大于0.66(以達(dá)到70-75%的轉(zhuǎn)移效率)。

 

　　圖1中藍(lán)色的是一條被普遍接受的“歷史的”轉(zhuǎn)移效率基準(zhǔn)曲線，而行業(yè)在二十世紀(jì)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(shè)立一個(gè)工藝的基準(zhǔn)。

 

　　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(shù)和工藝改善方面進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，很多研究經(jīng)費(fèi)被用于研究對(duì)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(shù)、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(shí)地反映了SMT印刷體系的現(xiàn)狀。

 

　　雖然其中的一些技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)在最新的IPC-7525B標(biāo)準(zhǔn)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(gè)別的操作員能夠通過對(duì)材料極其小心的控制，可以實(shí)現(xiàn)超細(xì)間距元器件的穩(wěn)定工藝制程。未來，當(dāng)嘗試將0.3mm間距CSP導(dǎo)入現(xiàn)有工藝時(shí)，將會(huì)需要面積比約為0.4的網(wǎng)板開孔，這將是一個(gè)超出當(dāng)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(shí)驗(yàn)研究

 

　　DEK的項(xiàng)目通過研究開孔設(shè)計(jì)、焊膏以及刮刀組件各種組合之間的相互影響，尋找移動(dòng)面積比曲線的機(jī)會(huì)。我們進(jìn)行了30塊印制板的印刷實(shí)驗(yàn)，使用的測(cè)試圖形包括圓形和方形開孔，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)采用或不用動(dòng)能刮刀，并均使用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4型和4.5型的無鉛焊膏，使用一臺(tái)DEKHorizon 01自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)，還使用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量印刷涂敷量;在整個(gè)研究中使用的測(cè)試基板是一套編號(hào)的、厚度為1.6mm的FR4板;在印刷周期中，測(cè)試基板被專用的真空夾具固定。

 

　　相同的刮刀組件，加上170mm長(zhǎng)的金屬刀片(懸伸15mm)都被使用在所有標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)能印刷測(cè)試模式中;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的印刷工藝，只需簡(jiǎn)單地關(guān)閉超聲波功能即可。在每次測(cè)試前，均對(duì)刮刀進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。

 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

　　理論上，對(duì)于一個(gè)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(shí)驗(yàn)顯示，這也是實(shí)際操作中的情況，方形孔的印刷量高于圓形孔23%。對(duì)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(cè)試中均被觀測(cè)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?yàn)楫?dāng)使用低于0.5mm面積比的開孔時(shí)，每個(gè)可被印刷的焊料顆粒將更加重要。

 

　　關(guān)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(diǎn)點(diǎn)，凈增加極為有限，僅在2-3%之間;但是，請(qǐng)注意，我們只測(cè)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(biāo)準(zhǔn)工藝相比，使用超聲動(dòng)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(bào)告的支持。這些增加在低于0.5 的開孔面積比時(shí)最為明顯，導(dǎo)致有機(jī)會(huì)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(shí)上，在個(gè)別試驗(yàn)中，使用方形孔設(shè)計(jì)以及4.5型焊膏的情況下，動(dòng)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(shè)計(jì)與動(dòng)能刮刀工藝相結(jié)合，在大規(guī)模應(yīng)用0.3mm CSP和其他超細(xì)間距元器件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)行業(yè)所要求的高精度和可重復(fù)性。

 

　　今后的研究方向

 

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

 

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