网板技术的现状及未来展望.doc

网板技术的现状及未来展望网板技术的现状及未来展望 在表面贴装装配领域，网板是实现精确和可重复焊膏涂敷的关键所在。由于焊膏透过 网板穿孔印刷，形成固定元件位置的焊膏和胶点，然后在回流焊期间将元件牢固粘接在基 底上。网板设计 其组成成份和厚度及其穿孔的大小和形状 最终会决定胶点的大小、 形状和定位，这是实现最少缺陷的高良率工艺的关键，缺陷可以包括焊膏不足或错位等。 自 80 年代以来，表面贴装成为主流装配技术，网板技术也出现显著的进步。今天，供 应商可利用多种材料和制造技术设计网板，以满足最具挑战性的装配技术趋势：精密间距 技术、元件小型化和密集型线路板。 此外，网板技术现应用于全系列批量挤压印刷材料。由于网板设计人员已深入了解穿 孔尺寸和形状对于材料沉积的影响，促使新技术的涌现 (并将继续涌现)，使印刷平台和网 板技术进入各式各样的应用领域，如贴片胶涂敷和晶圆凸起。 无论使用何种材料或制造工艺，网板主要有两项功能。第一是确保涂敷材料精确置放 在基底上，如焊膏、助焊剂或密封剂；第二是确保形成大小和形状适合的胶点。 网板材料和制造网板材料和制造 最广泛使用的网板材料是金属，主要为不锈钢和镍。近年来，多种塑料材料也渐为人 所接受。网板制造技术包括化学蚀刻、激光切割和电铸技术。简要探讨这些材料和工艺， 便会发现制造商可从种类广泛的网板中选择，以满足特定的应用需求。 以往，最常用的低成本网板制造方法是化学蚀刻，这是一项减成工艺，使用光刻技术 确定穿孔图样，然后同时在网板两边使用蚀刻剂形成穿孔。为了获得具有梯形面壁的穿孔 以提高焊膏脱模性能，可进行特别设计，在朝向基底的网板一侧生成稍大的穿孔。 这项制造技术具有某些固有缺陷双面蚀刻会形成刀缘穿孔轮廓，以及“欠蚀刻” 和“过蚀刻”情况。为了克服这些缺陷，可以进行电解抛光，在蚀刻后除去刀缘，使穿孔 墙壁变得光滑。化学蚀刻适用于大型穿孔/粗间距应用，但无法满足今天 0.5mm 以下间距应 用的要求。 为了满足细间距和提高元件密度的需求，激光切割成为更广泛应用的网板制造工艺。 激光切割网板可直接从 Gerber 数据 (或其它格式数据) 生成，无需进行多个光刻工艺步骤。 这可显著减少图像错位的机会。CNC (计算机数控) 激光切割则直接由 Gerber 数据驱动， 生成高度精确的可重复网板穿孔。这种精确技术可使穿孔尺寸精度达到 5 微米，即使在 大印刷面积下亦然。 激光本身是独特的灵活工具，通过在制造过程中调整激光的强度，可以在网板表面生 成高对比度基准，而无需进行充填。而且，这项特性有助于提高制造工艺的精度。利用这 项工艺的固有特性，可生成具有梯形横截面的穿孔，改善焊膏脱模。但有人担忧激光会在 穿孔墙壁上留下特有的“细条纹”表面 (图 1)。 图图 1 1：激光切割穿孔具有特别的条纹标记：激光切割穿孔具有特别的条纹标记 最新的激光切割技术已将此条纹减至最少，但是，如果特定应用需要光滑的孔壁表面， 可以使用电子抛光方法，甚至在切割工序后电镀激光切割的穿孔。 与化学蚀刻和激光切割制造技术相反，电铸方法是加成工艺，电铸网板通过电镀材料 在心轴上电解沉积而“生长” 。电镀材料通常为镍，心轴带有穿孔图案的负性、光刻胶图像。 这项工艺可生成非常精密的、孔壁光滑的穿孔，带有自然的锥度，无需附加的精整工艺。 这种非常精密的工艺可生成适用于超精密间距应用的电铸网板。 在过去五年中，以塑料作为网板材料已引起相当的关注。同时，已经证明可以使用聚 合物箔片制造标准的 SMT 网板，并已应用于贴片胶印刷，这类材料并获得人们的接纳。使 用塑料的主要优势在于可以制成厚度至少为 8mm 的网板，实现新的工艺技术。 使用标准 CNC 加工技术制造这类网板，在塑料基底上钻制不同尺寸的穿孔，可以使用 单一厚度的网板在单次印刷行程中，印刷高度不同的贴片胶胶点 (图 2)。极高的厚度还允 许在网板底侧挖切并布置，以配合先前置放的元件和弯曲引线 (图 3)。 图图 2 2：可使用单一厚度的塑料网板生成一系列贴片胶胶点：可使用单一厚度的塑料网板生成一系列贴片胶胶点 图图 3 3：塑料网板的底侧具有挖切形状，可配合线路板上的元件。：塑料网板的底侧具有挖切形状，可配合线路板上的元件。 设计准则和能力设计准则和能力 网板穿孔的大小和形状决定着涂敷到基底上材料的体积、一致性和形状。因此，严格 控制穿孔质量对于网板设计的成功至关重要，尤其是细间距和超细间距应用，需要非常精 密地涂敷很少量的材料。可使用面墙比 (开孔面积除以开孔墙壁面积) 以及宽高比 (开孔 宽度除以网板厚度) 等参数确定合适的穿孔尺寸。 对于合格的焊膏脱模性能，一般准则是面墙比应当大于 0.66，而宽高比应大于 1.5。 根据此项准则设计穿孔时，需要考虑各种网板制造技术的特点，例如，对于化学蚀刻工艺， 宽高比难以达到 1.5 以下；而激光切割和电铸工艺可以制造穿孔宽高比为 1:1 的网板。 面墙比对于网板设计人员更为重要，这与最终的焊膏脱模直接相关。在印刷过程中， 当网板与基底分离时，反方向的表面张力会发生作用。这些力量决定焊膏是进入所印至的 焊垫，还是仍旧粘在网板穿孔的墙壁上。 如果焊垫面积超过穿孔墙壁表面积的 66%，实现有效焊膏转移的可能性将会提高。随 着比例降低至 66%以下，焊膏转移效率将同时下降且印刷质量也变得不稳定。自然地，穿 孔墙壁的光洁度会影响这些效率水平。在制造过程对激光切割穿孔进行电解抛光和/或电镀， 已经证实能提高焊膏转移效率。同样地，电铸工艺形成的光滑穿孔墙壁也可提高焊膏脱模 效率。 元件间距和穿孔密度也是挑选合适制造技术的考虑因素。对于间距小于 0.5mm 的应用， 选择范围局限于激光切割或电铸。虽然两种方法各有其优缺点，但都可生成高质量、高精 度的精密网板。 激光工艺无需图纸，因而减少了失配准问题。虽然库存网板的厚度有限，激光工艺的 切割厚度范围可为 50 至 500 微米。相对而言，电铸网板的厚度增量可控制为 2.5 微米，总 体厚度范围为 25 至 300 微米。电铸穿孔方法可以准确地复制芯轴的光刻胶表层，而无需进 一步加工。然而，对于超精密应用，激光切割穿孔可能需要进一步处理以使穿孔墙壁变得 光滑。 最后，穿孔数目也是一个决定性因素。激光切割是串行工艺，所以穿孔数目增加，制 造时间也随之延长，这会影响网板的最终成本。电铸加工则可在一次工艺过程中形成全部 穿孔，所以穿孔数目对于成本的影响不大。这使得电铸工艺成为晶圆凸起等高密度应用的 当然技术，而目前，晶圆凸起应用的穿孔数目即将超过 200 万！ 扩展功能扩展功能 塑料网板材料的应用进一步增加网板设计人员可用的工具种类，能在网板顶面制造步 进穿孔并在网板底面安排凹窝，这是扩展基本网板印刷工艺功能的最新进步。根据材料的 不同性质，即其粘性和流动特性，可以生成不同尺寸和形状的穿孔，用于生产不同体积的 胶点。 第二项扩展是封闭印刷头，可将多种材料通过网板印制到基底上。因为材料完全封闭 在印刷系统中，所以无需考虑材料运送、变干、湿气吸收及浪费等问题。 这两项进步使得网板印刷工艺可在需要时加到装配工艺中，置于贴装不同类型元件之 前或之后。结果，几乎所有电子装配材料均可使用正确设计的网板，涂敷到裸基底或置放 部分元件的基底上，速度大大高于最先进的点胶设备。印刷头在网板上进行一次横向运动， 即可填充任何数量的穿孔，即使最高 I/O 数目也不会在高速、大批量装配生产线上造成瓶 颈问题。 这项工艺本身具有固有的灵活性，因为基本的设备平台相同。只需改变网板，或者使 用封闭印刷头，网板印刷机就可以根据需要，用于涂敷焊膏、贴片胶、助焊剂、密封剂或 热界面材料。 晶圆凸起晶圆凸起 在最具吸引力的先进网板印刷应用中，晶圆凸起也是要求最严格的应用之一。在这项 工艺中，使用了标准网板印刷技术在硅晶圆上直接印刷焊膏 (图 4)。为了获得所需的凸起 高度，焊膏需要加印到晶圆粘结焊垫上。在后续的回流焊过程中，焊膏拉回至可润湿的焊 垫表面，形成坚固的焊料凸起结构。 图图 4 4：使用：使用 110110 平方微米穿孔，以平方微米穿孔，以 150150 微米间距在晶圆上微米间距在晶圆上 直接印刷焊膏胶点，在后续的回流焊工艺中，焊膏将拉回直接印刷焊膏胶点，在后续的回流焊工艺中，焊膏将拉回 至晶圆粘结焊垫，形成单个焊料凸起。至晶圆粘结焊垫，形成单个焊料凸起。 虽然这项技术或许看起来简单，但是，要实施超精密的工艺需要极严格的控制。正确 的网板设计是整项工艺的关键。然而，制作设计优良的网板穿孔，获得无缺陷印刷结果， 回流焊后凸起的高度分布符合严格的要求，这决不是琐碎的工作，尤其对于间距小于 250 微米的全阵列焊垫布置。 对于晶圆凸起网板，切割技术必须能够生成数以千计很小的、紧密排列的穿孔，符合 极为严格的尺寸和定位误差要求。最佳设计穿孔的微小偏移会引起很大的凸起高度变化， 在极端情况下，这会造成装配芯片的开路。 使穿孔位置的精度尽量接近计算机生成设计图样的要求，也是极为重要。因为晶圆上 的整个焊垫必须进行加印，以获得合格的回流焊凸起尺寸，在细间距焊垫上进行加印时， 使穿孔准确定位并在相互之间留有足够空间是非常重要的，并不会产生桥接缺陷。根据经 验法则，穿孔宽度不应小于网板厚度，以减少桥接缺陷。 有时，穿孔的开孔需要偏移，不与焊垫直接对中。视网板特定区域穿孔密度的不同， 可能需要仅仅印刷焊垫的一部分。当考虑到晶圆上的焊垫尺寸可能小于 100 微米时，网板 切割技术能够精密定位穿孔开孔非常重要，偏移量只可偏向某一方面几微米。 在设计网板穿孔时，常用方法是从晶圆凸起规格进行逆向设计。根据这些信息，可以 计算出所需焊膏的体积，而后用于设计穿孔的尺寸。在这个阶段，必需全面了解穿孔的面 墙比效果。在理想状况下，最薄网板的最大穿孔并具有最大的穿孔间距，可实现最佳工艺， 但无可避免地要作出一些折衷。 根据广泛的研究，焊膏传移效率曲线的生成可为网板设计人员提供协助。图 5 所示为 相对于穿孔面墙比和回流焊凸起共面性结果的焊膏转移效率。这个图表清楚显示穿孔的面 墙比必须超过 0.6，以实现工艺的可重复性。随着面墙比增加，整个工艺将变得更加稳定。 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0.30.4 0.50.6 0.70.8 0.91.0 1.1 Area Ratio (Opening Area / Wall Area) Transfer Efficiency 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% Normalized Std. Dev. 图图 5 5：焊膏转移效率与穿孔的面墙比有关，并影响回流焊凸起的共面性。：焊膏转移效率与穿孔的面墙比有关，并影响回流焊凸起的共面性。 设计晶圆凸起网板是高技能的工作，涉及多个相互影响的参数，如网板厚度、穿孔尺 寸、形状及其它因素，包括会影响工艺的定向和定位。设计人员需要全面了解这项工艺的 各个方面，以提供最佳的网板产品。随着行业转向使用 300mm 晶圆，间距减小至 120 微米， 晶圆凸起工艺将进一步给网板技术带来挑战。(图 6 和 7) 图图 6 6：用于：用于 300mm300mm 晶圆的最新晶圆凸起网板可容纳晶圆的最新晶圆凸起网板可容纳 200200 多万个穿孔！多万个穿孔！ 图图 7 7：图：图 6 6 所示网板的特写，穿孔面积为所示网板的特写，穿孔面积为 110110 平方微米，平方微米， 间距为间距为 150150 微米。微米。 展望未来展望未来 目前，网板设计和制造技术已经发展至能够满足标准和精密 SMT 装配两方面的要求， 而这趋势将于可见的未来延续。SMT 领域的一项挑战是更广泛混合元件的使用不断增加， 因此需要进行大型和小型材料涂敷。针对这个趋势，网板供应商需要探索新的方