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SMT模板的分類及特點詳解2011年09月07日

“好的SMT模板獲得好的印刷結果,然后自動化幫助使其結果可以重復。”
  模板的采購不僅是裝配工藝的第一步,它也是重要的一步。模板的主要功能是幫助錫膏的沉積(deposition)。目的是將準確數量的材料轉移到光板(bare PCB)上準確的位置。錫膏阻塞在模板上越少,沉積在SMT加工電路板上就越多。 模板制造技術
  模板制造的三個主要技術是,化學蝕刻(etch)、激光(laser)切割和電鑄成形(electroform)。每個都有獨特的優點與缺點。化學蝕刻和激光切割是遞減(substractive)的工藝、電鑄成形是一個遞增的工藝。因此,某些參數比較,如價格,可能是屬于蘋果與橘子的比較。但,主要的考慮應該是與成本和周轉時間相適應的性能。
  通常,當用于間距為0.025"以上的應用時,化學腐蝕(chem-etched)模板和其它技術同樣有效。相反,當處理0.020"以下的間距時,應該考慮激光切割和電鑄成形的模板。雖然后面類型的模板對0.025"以上的間距也很好,但對其價格和周期時間可能就難說了。
  化學蝕刻的模板
  化學蝕刻的SMT加工模板是模板世界的主要類型。它們成本更低,周轉更快。化學蝕刻的不銹鋼模板的制作是通過在金屬箔上涂抗蝕保護劑、用銷釘定位感光工具將圖形曝光在金屬箔兩面、然后使用雙面工藝同時從兩面腐蝕金屬箔。由于工藝是雙面的,腐蝕劑穿過金屬所產生的孔,或開口,不僅從頂面和底面,而且也水平地腐蝕。該技術的固有特性是形成刀鋒、或沙漏形狀。當在0.020"以下間距時,這種形狀產生一個阻礙錫膏的機會,這個缺陷可以用叫做電拋光(electropolishing)的增強工藝來減小。
  電拋光是一種電解后端工藝,“拋光”孔壁,結果表面摩擦力減少、錫膏釋放良好和空洞減少。它也可大大減少模板底面的清潔。電拋光是通過將金屬箔接到電極上并把它浸入酸浴中來達到的。電流使腐蝕劑首先侵蝕孔的較粗糙表面,對孔壁的作用大于對金屬箔頂面和底面的作用,結果獲得“拋光”的效果。然后,在腐蝕劑對頂面和底面作用之前,將金屬箔移走。這樣,孔壁表面被拋光,因此錫膏將被刮刀有效地在模板表面上滾動(而不是推動),并填滿孔洞。
  對于0.020"以下間距的改進錫膏釋放的另一個技術是梯形截面孔(TSA, trapezoidal section apertures)。
  梯形截面孔(TSA)是在模板的接觸面(或底面)比刮刀面(或頂面)尺寸大0.001~0.002"的開孔。梯形截面孔可用兩種方法來完成:通過選擇性修飾特殊組件,即雙面顯影工具的接觸面尺寸做得比刮刀面大;或者全部梯形截面孔的模板,它可以通過改變腐蝕劑噴霧的頂面與底面的壓力設定來產生。當通過電拋光后,孔壁的幾何形狀可允許0.020"以下間距的錫膏釋放。另外,獲得的錫膏沉積是一個梯形“磚”的形狀,它促進組件的穩定貼裝和較少的錫橋。
  向下臺階(stepdown),或雙層面(dual-level)模板,可以容易地通過化學蝕刻技術產生。該工藝通過形成向下臺階的孔來減少所選擇的組件的錫量。例如,在同一設計中,多數0.050"~0.025"間距的組件(通常要求0.007"厚度的模板)和幾個 0.020"間距的QFP(quad flat pack)在一起,為了減少QFP的錫膏量,這個0.007"厚度的模板可制出一個0.005"厚度的向下臺階區域。向下臺階應該總是在模板的刮刀面,因為模板的接觸面必須在整個板上水平的。盡管如此,推薦在QFP與周圍組件之間提供至少0.100"的間隔,以允許刮刀在模板兩個水平上完全地分配錫膏。
  化學蝕刻的模板對于產生半蝕刻(half-etched)基準點(fiducial)和字幕名稱也是好的。用于印刷機視覺系統對中的基準點可以半蝕刻,然后填充黑色樹脂,提供視覺系統容易識別的、與光滑的金屬背景的對比度。包含零件編號、制作日期和其它有關信息的字幕塊也可以在模板上半蝕刻出來,用作標識用途。兩個工藝都是通過只顯影雙面的一半來完成的。
  化學蝕刻的局限。除了刀鋒形邊緣的缺陷之外,化學腐蝕的模板有另外一個局限:縱橫比(aspect ratio)。簡單地說,該比率限制按照手邊的金屬厚度可蝕刻的最小孔開口。典型地,對于化學蝕刻的模板,縱橫比定義為1.5 : 1。因此,對于0.006"厚度的模板,最小的孔開口將是0.009"(0.006"x1.5=0.009")。相比之下,對于電鑄成形的和激光切割的模板,縱橫比為1 : 1,即通過任何一種工藝可在0.006"厚度的模板上產生0.006"的開口。
  電鑄成形(Electroforming)
  電鑄成形,一種遞增而不是遞減的工藝,制作出一個鎳金屬模板,具有獨特的密封(gasketing)特性,減少錫橋和對模板底面清潔的需要。該工藝提供近乎完美的定位,沒有幾何形狀的限制,具有內在梯形的光滑孔壁和低表面張力,改進錫膏釋放。
  通過在一個要形成開孔的基板(或芯模)上顯影光刻膠(photoresist),然后逐個原子、逐層地在光刻膠周圍電鍍出模板。正如圖五中所看到的,鎳原子被光刻膠偏轉,產生一個梯形結構。然后,當模板從基板取下,頂面變成接觸面,產生密封效果。可選擇0.001 ~ 0.012" 范圍的連續的鎳厚度。該工藝比較理想地適合超密間距(ultra-fine-pitch)要求(0.008~0.016")或者其它應用。它可達到1 : 1的縱橫比。
  至于缺點,因為涉及一個感光工具(雖然單面)可能存在位置不正。如果電鍍工藝不均勻,會失去密封效果。還有,密封“塊”可能會去掉,如果清洗過程太用力。
  激光切割的模板
  直接從客戶的原始Gerber數據產生,激光切割不銹鋼模板的特點是沒有攝影步驟。因此,消除了位置不正的機會。模板制作有良好的位置精度和可再生產性。Gerber文件,在作必要修改后,傳送到(和直接驅動)激光機。物理干涉少,意味著出錯機會少。雖然有激光光束產生的金屬熔渣(蒸發的熔化金屬)的主要問題,但現在的激光切割器產生很少容易清除的熔渣。
  也有問題出現,就是孔周圍出現“扇貝狀”的外形,造成孔壁粗糙。雖然這會增加表面摩擦力,但粗糙都是在垂直面的。可是,近期的激光機器有內部視覺系統,它允許金屬箔以無邊框的條件切割。這是很有意義的,因為模板的制作可以先通過化學腐蝕標準間距的組件,然后激光切割密間距(fine-pitch)的組件。這種“混合”或結合的模板,獲得兩種技術的優點,降低成本和更快的周轉。另外,整個模板可以電拋光,以提供光滑的孔壁和良好的錫膏釋放。激光切割工藝的主要缺點是機器單個地切割出每一個孔。自然,孔越多,花的時間越長,模板成本越高。盡管如此,如果設計允許,可以通過利用混合模板工藝來降低成本。按照激光光束的焦點,梯形孔自動產生。孔的開口實際上從模板的接觸面切割;然后模板翻轉以刮刀面朝上安裝。
  激光技術是唯一允許現有的模板進行返工的工藝,如增強孔、放大現有的孔或增強基準點。
  其它進步
  除了激光切割與電鑄成形之外,模板制作中的重要進步是電子數據轉移。近如1995年,提供給模板制造商的多數圖片都是膠片正片(film positive),一比一地配合光銅上的圖形。組件開孔的修飾涉及重復的攝影技巧和手工操作。該工藝也決定于所提供膠片正片的質量。分步重復圖片是一項繁重的任務。
  今天,通過調制解調器(modem)和電子郵件的電子文件傳送是即時提供圖形數據的常見方法。選擇性修飾、分步重復圖形、和幾何形狀轉換可以容易而且精確地完成。還有,因為消除了膠片正片的郵寄,周轉時間幾乎可以削減一整天。
  有了Gerber文件的傳送,焊盤(pad)的幾何形狀可以從正方形和矩形改變成“home plate”、“格子”、“拉鏈”等形狀,作為減少錫膏量的一種方法。通過修改幾何形狀來調節錫膏量,結合選擇正確的金屬板厚度,也可以消除臺階(stepdown)板的需要。單一厚度的模板,經過適當設計,從工藝的角度看總是比雙級工具更好。
  膠劑模板(Adhesive Stencil)
  電子文件也使計算機輔助設計(CAD)操作員可容易地決定一個焊盤形狀的質心點。有這個能力,設計文件中錫膏層可轉換成圓形和橢圓形。示組件尺寸而定。因此,可制作一塊模板來“印刷”,而不是滴膠。印刷比滴膠快,將這種設備讓給其它工作上面。
  返工模板
  一個比較近期的創新發生在返修(rework)領域。現在有“小型的”模板,專門設計用來返工或翻修單個組件。可購買單個組件的模板,如標準的QFP和球柵陣列(BGA)。當然也有相應的刮板,或小型刮刀。
  價格比較
  化學腐蝕模板的價格是有框架尺寸驅使的。雖然金屬箔是模板制作過程中的重點,但框架是單一的、貴的固定成本。其尺寸很大程度上由印刷機類型決定。可是,大多數印刷機可接納不止一個框架尺寸。(框架尺寸是工業標準)。多數模板供應商保持一定庫存的標準框架,尺寸范圍從5x5" ~ 29x29"。因為空的金屬箔成本沒有框架的那幺多,金屬厚度對價格沒有影響。并且由于所有孔都是同時蝕刻的,其數量也是無關緊要的。
  電鑄成形模板價格主要是由金屬厚度驅使的。電鍍到所希望的厚度是主要的考慮:厚的模板比薄的模板成本低。
  激光切割模板價格是按照設計的孔數。
  激光一次切割一個孔,即孔越多,成本越高。還要加上所要求的框架尺寸。一個用激光切割密間距和化學腐蝕標準間距組件的混合模板,當要求許多開孔時,可能是成本有效的方法。可是,對于少于2500個孔的設計,完全用激光切割整個模板也許更成本低。
  結論
  不管現代表面貼裝裝配的需求可能是什幺,目前有一個模板技術滿足這個需求。一些討論過的創新,如梯形截面孔、混合模板和電子數據傳送的優勢,都在過去三或四年獲得發展和改進。模板工業傳統上已經不僅對新的要求快速反應,而且在這些行進中的發展中走在前面。

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