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金属模板概述

本文介绍,在为一个印刷工艺订购模板(stencil)时,有一个明确的经验曲线。当对其技术的熟悉帮助产生所希望结果的时候,模板变成在一个另外可变的装配运作中的常量。
  “好的模板得到好的印刷结果,然后自动化帮助使其结果可以重复。”

  模板的采购不仅是装配工艺的第一步,它也是最重要的一步。模板的主要功能是帮助锡膏的沉积(deposition)。目的是将准确数量的材料转移到光板(bare PCB)上准确的位置。锡膏阻塞在模板上越少,沉积在电路板上就越多。因此,当在印刷过程中某个东西出错的时候,第一个反应是去责备模板。可是,应该记住,还有比模板更重要的参数,可影响其性能。这些变量包括印刷机、锡膏的颗粒大小和黏度、刮刀的类型、材料、硬度、速度和压力、模板从PCB的分离(密封效果)、阻焊层的平面度、和元件的平面性。

  模板制造技术
  模板制造的三个主要技术是,化学蚀刻(etch)、激光(laser)切割和电铸成形(electroform)。每个都有独特的优点与缺点。化学蚀刻和激光切割是递减(substractive)的工艺、电铸成形是一个递增的工艺。因此,某些参数比较,如价格,可能是属于苹果与橘子 的比较。但,主要的考虑应该是与成本和周转时间相适应的性能。

  通常,当用于最紧的间距为0.025"以上的应用时,化学腐蚀(chem-etched)模板和其它技术同样有效。相反,当处理0.020"以下的间距时,应该考虑激光切割和电铸成形的模板。虽然后面类型的模板对0.025"以上的间距也很好,但对其价格和周期时间可能就难说了。

  化学蚀刻的模板
  化学蚀刻的模板是模板世界的主要类型。它们成本最低,周转最快。化学蚀刻的不锈钢模板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属箔。由于工艺是双面的,腐蚀剂穿过金属所产生的孔,或开口,不仅从顶面和底面,而且也水平地腐蚀。该技术的固有特性是形成刀锋、或沙漏形状(图一)。当在0.020"以下间距时,这种形状产生一个阻碍锡膏的机会,这个缺陷可以用叫做电抛光(electropolishing)的增强工艺来减小。

  电抛光是一种电解后端工艺,“抛光”孔壁,结果表面摩擦力减少、锡膏释放良好和空洞减少。它也可大大减少模板底面的清洁。电抛光是通过将金属箔接到电极上并把它浸入酸浴中来达到的。电流使腐蚀剂首先侵蚀孔的较粗糙表面,对孔壁的作用大于对金属箔顶面和底面的作用,结果得到“抛光”的效果(图二)。然后,在腐蚀剂对顶面和底面作用之前,将金属箔移走。这样,孔壁表面被抛光,因此锡膏将被刮刀有效地在模板表面上滚动(而不是推动),并填满孔洞。

  对于0.020"以下间距的改进锡膏释放的另一个技术是梯形截面孔(TSA, trapezoidal section apertures)。

  梯形截面孔(TSA)是在模板的接触面(或底面)比刮刀面(或顶面)尺寸大0.001~0.002"的开孔(图三)。梯形截面孔可用两种方法来完成:通过选择性修饰特殊元件,即双面显影工具的接触面尺寸做得比刮刀面大;或者全部梯形截面孔的模板,它可以通过改变腐蚀剂喷雾的顶面与底面的压力设定来产生。当通过电抛光后,孔壁的几何形状可允许0.020"以下间距的锡膏释放。另外,得到的锡膏沉积是一个梯形“砖”的形状,它促进元件的稳定贴装和较少的锡桥。

  向下台阶(stepdown),或双层面(dual-level)模板,可以容易地通过化学蚀刻技术产生。该工艺通过形成向下台阶的孔来减少所选择的元件的锡量。例如,在同一设计中,多数0.050"~0.025"间距的元件(通常要求0.007"厚度的模板)和几个 0.020"间距的QFP(quad flat pack)在一起,为了减少QFP的锡膏量,这个0.007"厚度的模板可制出一个0.005"厚度的向下台阶区域。向下台阶应该总是在模板的刮刀面,因为模板的接触面必须在整个板上水平的(图四)。尽管如此,推荐在QFP与周围元件之间提供至少0.100"的间隔,以允许刮刀在模板两个水平上完全地分配锡膏。

  化学蚀刻的模板对于产生半蚀刻(half-etched)基准点(fiducial)和字幕名称也是最好的。用于印刷机视觉系统对中的基准点可以半蚀刻,然后填充黑色树脂,提供视觉系统容易识别的、与光滑的金属背景的对比度。包含零件编号、制作日期和其它有关信息的字幕块也可以在模板上半蚀刻出来,用作标识用途。两个工艺都是通过只显影双面的一半来完成的。

  化学蚀刻的局限。除了刀锋形边缘的缺陷之外,化学腐蚀的模板有另外一个局限:纵横比(aspect ratio)。简单地说,该比率限制按照手边的金属厚度可蚀刻的最小孔开口。典型地,对于化学蚀刻的模板,纵横比定义为1.5 : 1。因此,对于0.006"厚度的模板,最小的孔开口将是0.009"(0.006"x1.5=0.009")。相比之下,对于电铸成形的和激光切割的模板,纵横比为1 : 1,即通过任何一种工艺可在0.006"厚度的模板上产生0.006"的开口。

  电铸成形(Electroforming)
  电铸成形,一种递增而不是递减的工艺,制作出一个镍金属模板,具有独特的密封(gasketing)特性,减少锡桥和对模板底面清洁的需要。该工艺提供近乎完美的定位,没有几何形状的限制,具有内在梯形的光滑孔壁和低表面张力,改进锡膏释放。

  通过在一个要形成开孔的基板(或芯模)上显影光刻胶(photoresist),然后逐个原子、逐层地在光刻胶周围电镀出模板。正如图五中所看到的,镍原子被光刻胶偏转,产生一个梯形结构。然后,当模板从基板取下,顶面变成接触面,产生密封效果。可选择0.001 ~ 0.012" 范围的连续的镍厚度。该工艺比较理想地适合超密间距(ultra-fine-pitch)要求(0.008~0.016")或者其它应用。它可达到1 : 1的纵横比。

  至于缺点,因为涉及一个感光工具(虽然单面)可能存在位置不正。如果电镀工艺不均匀,会失去密封效果。还有,密封“块”可能会去掉,如果清洗过程太用力。

  激光切割的模板
  直接从客户的原始Gerber数据产生,激光切割不锈钢模板的特点是没有摄影步骤。因此,消除了位置不正的机会。模板制作有良好的位置精度和可再生产性。Gerber文件,在作必要修改后,传送到(和直接驱动)激光机。物理干涉少,意味着出错机会少。虽然有激光光束产生的金属熔渣(蒸发的熔化金属)的主要问题,但现在的激光切割器产生很少容易清除的熔渣。

  也有问题出现,就是孔周围出现“扇贝状”的外形,造成孔壁粗糙。虽然这会增加表面摩擦力,但粗糙都是在垂直面的。可是,最近的激光机器有内部视觉系统,它允许金属箔以无边框的条件切割。这是很有意义的,因为模板的制作可以先通过化学腐蚀标准间距的元件,然后激光切割密间距(fine-pitch)的元件。这种“混合”或结合的模板,得到两种技术的优点,降低成本和更快的周转。另外,整个模板可以电抛光,以提供光滑的孔壁和良好的锡膏释放。激光切割工艺的主要缺点是机器单个地切割出每一个孔。自然,孔越多,花的时间越长,模板成本越高。尽管如此,如果设计允许,可以通过利用混合模板工艺来降低成本。按照激光光束的焦点,梯形孔自动产生。孔的开口实际上从模板的接触面切割;然后 模板翻转以刮刀面朝上安装。

  激光技术是唯一允许现有的模板进行返工的工艺,如增强孔、放大现有的孔或增强基准点。

  其它进步
  除了激光切割与电铸成形之外,模板制作中的最重要进步是电子数据转移。近如1995年,提供给模板制造商的多数图片都是胶片正片(film positive),一比一地配合光铜上的图形。元件开孔的修饰涉及重复的摄影技巧和手工操作。该工艺也决定于所提供胶片正片的质量。最后,分步重复图片是一项繁重的任务。

  今天,通过调制解调器(modem)和电子邮件的电子文件传送是即时提供图形数据的最常见方法。选择性修饰、分步重复图形、和几何形状转换可以容易而且精确地完成。还有,因为消除了胶片正片的邮寄,周转时间几乎可以削减一整天。

  有了Gerber文件的传送,焊盘(pad)的几何形状可以从正方形和矩形改变成“home plate”、“格子”、“拉链”等形状(图六),作为减少锡膏量的一种方法。通过修改几何形状来调节锡膏量,结合选择正确的金属板厚度,也可以消除台阶(stepdown)板的需要。单一厚度的模板,经过适当设计,从工艺的角度看总是比双级工具更好。

  胶剂模板(Adhesive Stencil)
  电子文件也使计算机辅助设计(CAD)操作员可容易地决定一个焊盘形状的质心点。有这个能力,设计文件中锡膏层可转换成圆形和椭圆形。示元件尺寸而定(图七)。因此,可制作一块模板来“印刷”,而不是滴胶。印刷比滴胶快,将这种设备让给其它工作上面。

  返工模板
  一个比较近期的创新发生在返修(rework)领域。现在有“小型的”模板,专门设计用来返工或翻修单个元件。可购买单个元件的模板,如标准的QFP和球栅阵列(BGA)。当然也有相应的刮板,或小型刮刀。

  价格比较

  化学腐蚀模板的价格是有框架尺寸驱使的。虽然金属箔是模板制作过程中的重点,但框架是单一的、最贵的固定成本。其尺寸很大程度上由印刷机类型决定。可是,大多数印刷机可接纳不止一个框架尺寸。(框架尺寸是工业标准)。多数模板供应商保持一定库存的标准框架,尺寸范围从5x5" ~ 29x29"。因为空的金属箔成本没有框架的那么多,金属厚度对价格没有影响。并且由于所有孔都是同时蚀刻的,其数量也是无关紧要的。
  电铸成形模板价格主要是由金属厚度驱使的。电镀到所希望的厚度是主要的考虑:厚的模板比薄的模板成本低。
  激光切割模板价格是按照设计的孔数。
  激光一次切割一个孔,即孔越多,成本越高。还要加上所要求的框架尺寸。一个用激光切割密间距和化学腐蚀标准间距元件的混合模板,当要求许多开孔时,可能是成本有效的方法。可是,对于少于2500个孔的设计,完全用激光切割整个模板也许更成本低。

  结论
  不管现代表面贴装装配的需求可能是什么,目前有一个模板技术满足这个需求。一些讨论过的创新,如梯形截面孔、混合模板和电子数据传送的优势,都在过去三或四年得到发展和改进。模板工业传统上已经不仅对新的要求快速反应,而且在这些行进中的发展中走在前面。
 

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