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1：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2：可使用单一厚度的塑料网板生成一系列贴片胶胶点图3：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4：使用110平方微米穿孔，以150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%0.30.40.50.60.70.80.91.01.1AreaRatio(OpeningArea/WallArea)TransferEfficiency0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%NormalizedStd.Dev.图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。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6：用于300mm晶圆的最新晶圆凸起网板可容纳200多万个穿孔！图7：图6所示网板的特写，穿孔面积为110平方微米，间距为150微米。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法，突破目前的面墙比准则。然而，晶圆凸起工艺将于来年对网板技术提出最大的挑战。現在，已有一些网板具有超过200万个穿孔！而且今天最先进的应用是在300mm晶圆上采用150微米间距，据国际半导体技术蓝图指出，到2007年间距将降至80微米。要满足这个需求所涉及的因素包括制造能力、图样对位精度和图样稳定性。目前的材料很可能已经达到极限。为了实现低于100微米间距，目光远大的制造商可能需要开发全新的网板材料和制造技术，换句话说，网板技术的最新发展篇章还有待撰写，请大家拭目以待。