随着元件尺寸越做越小,电子产品的形体也越来越小.元件的混合程度和密度也在不断提高,表面贴装工艺将面临更大的挑战.

现时已开发出一项新的印刷技术,可以使用传统印刷方法,在同一厚度的钢网上,同时印刷新一代的细间距（例如0.3毫米间距CSP器件和01005无源元件）和标准的SMT元器件.

研究结果表明,新技术能将现时掌控焊膏转移效率的钢网面积比规则,和钢网印刷工艺的处理能力,大大扩展至面积比低达0.4的钢网开孔.这一突破使混合装配工艺能应对目前和未来混合技术的需要.

表面贴装技术（SMT）行业现在正面临这个难题.即将推出的0.3毫米CSP元件尺寸小于200微米,但是同时仍然需要组装大型射频（RF）屏蔽罩和连接器,因此,如何应对混合装配成为迫在眉睫的一个问题.

在处理混合组装时,围绕钢网印刷工艺的主要问题是面积比（钢网的开孔面积与孔壁面积之比）.按照传统的设计规则,面积比应大于0.66,因此,要设计一套同时印刷细间距元器件和大间距元件的工艺几乎是不可能的.

本文作者先前做过的研究已深入地分析了如何优化标准印刷工艺,试图解决围绕混合装配1的一些问题.本研究对钢网印刷工艺展开了更深入的挖掘.试验和研究结果表明,现时的面积比规则是绝对可以被突破的,以期能用传统SMT工艺来印刷0.3毫米间距的CSP元件.本文详细介绍这些新的研究进展和相关的焊膏转移效率的数据.

钢网印刷规则

面积比：钢网印刷工艺需要考虑的因素很多,但是,钢网开孔的面积比才是决定哪些元件可以印刷,哪些不能印刷的关键.如图1所示,这是一个简单的比例规则来表示孔壁面积和开孔面积之间的关系（开孔面积是指落在焊盘上用于印刷焊膏的有效面积）.

如果孔壁的面积超过开孔面积,那么,“附着” 在孔壁上的焊膏将比落在焊盘上的多,导致开孔受到污染并且使焊膏涂敷不完整.反之,如果开孔面积比较大,那么,焊膏更容易落到焊盘上,使“粘”在焊盘上的焊膏比“附着”在孔壁上的焊膏多,从而令焊膏印刷涂敷更完整.由此推断,钢网开孔面积越小,实现完整涂敷的有效印刷的可能性越低.图2是典型的焊膏转移效率曲线.

一旦确定了开孔的尺寸,我们可以通过减少钢网厚度达到比较理想的面积比.但是,必须仔细分析改变钢网厚度和减少开孔容积所带来的后果；图3是可能出现的问题.

如图3a所示,如果试图把细间距元件纳入标准工艺,会因为钢网过厚,无法保证适合小元件印刷的面积比开孔,结果造成干焊点.如图3b所示,减小钢网的厚度也许能够保证小元件的正确印刷,但是,由于印刷的焊膏体积减少,虽然它的面积比更方便了印刷,但最终可能造成回流焊焊膏不足.这就是混合装配面临的根本问题；另外,各种不同元件在尺寸上的巨大差别使问题变得更加突出,因此,SMT组装行业将不可避免地面临巨大的挑战.

焊膏转移效率

目前的情况：多年来,在设计钢网开孔时,都是根据最初的IPC7525规范2设计,该规范建议,开孔面积比大于0.66的钢网印刷工艺,是可以接受的范围.（即焊膏转移效率达到70-75%以上）.

如图4所示,“历史”转移效率曲线被普遍接受,在上个世纪90年代,开始作为SMT行业的参考指标,现在仍然被广泛采纳,作为建立印刷工艺的基准.

最近几年,为了改善焊膏转移效率,对焊膏材料、钢网技术和工艺改进展开了大量的研究.Ashmore1、Mohanty3和Babka4做了大量的工作,提出刮刀角度对焊膏转移效率的重要性.另外,大量的研究资金用在考察钢网制造技术、钢网材料和钢网涂层上5,6,7,8,9.最新纳米涂层钢网10,11现今开始流行.上世纪90年代初期/中期,Erdmann12的研究工作使得机械振动刮刀问世.这个系统利用气动式滚筒,以低频率驱动刮刀刀片在钢网上来回运动（从钢网的一端到另一端）,让刮刀通过钢网时产生振动.随后的研究13证明,这一技术在印刷过程中有利于填充开孔.

随着工艺的全面完善,“今天”的焊膏转移效率曲线（如图4所示）更真实地反映SMT印刷行业的现状.

尽管这些技术上的进步有一部分已经获得最新的IPC-7525规范认可,但不可否认的是,我们正在现有的面积比规则的分界线处理最先进的元器件印刷问题（图5）.虽有个别厂家可以建立稳定并可靠的工艺来处理这些细间距元器件,但是必须非常谨慎地加工和控制材料.在不久的将来,如果要把0.3毫米间距的CSP纳入现有印刷工艺,那就需要面积比约为0.4的钢网开孔,这个面积比远远超出现有印刷规则的范畴（图5）.

开发

活化刮刀

在印刷时,活化刮刀的刀片被活化.这是一种正在申请专利的技术,可辅助改变焊膏卷的状态,协助填充钢网孔.

如有需要, 这种刮刀也可以在“传统”模式下工作,不须活化.

实验一：标准刮刀和活化刮刀及其材料的对比

该实验采用得可Galaxy系列自动钢网印刷机,配备ProActiv刮刀,使用行业标准100微米厚激光切割不锈钢钢网来印刷测试图案.使用配备微焊盘传感器的CyberOpticsSE300,测量印刷涂敷的焊膏体积和面积.在整个实验中,使用的所有测试基板是一组经过编码的1.4毫米厚、经过黑色阳极处理的铝板.在印刷中,使用专用的真空固定夹具固定测试基板,确保位置正确.

在标准和活化印刷模式中,都使用相同的刮刀和170毫米长的刀片进行所有测试.在进行每项测试之前,自动校准刮刀.

所有印刷都使用符合行业标准的4号粉无铅焊膏.

钢网设计

图7是在测试图案中所使用的印刷样本.基本设计包含各种行业标准元件,但是为达到实验目的,重点考察的是四个渐进式缩小的面积阵列,目的是分辨在刮刀活化和非活化的情况下,所形成的焊膏转移效率曲线,直接分析比较两种工艺.

有趣的是,从转移效率曲线上看,当面积比大于0.6,活化和非活化刮刀这两种印刷模式在转移效率上没有区别.这个结果表明,刮刀的活化对比较大的“标准”孔没有任何不良影响,不会导致焊膏体积过量.反之,根据圆形孔的Cp数据（表4）,它可能会带来其他好处,例如,活化刮刀可大大改善面积比由0.375至0.625的Cp,这意味着它可应对目前所有最新型的元器件（图5）.

实验中观察到的转移效率的提高,是由于在印刷过程中,焊粉颗粒密度和焊粉颗粒间粘性变大的直接结果.粘力增加后的焊粉颗粒能够更紧密地粘在一起,并粘在焊盘表面,在分离过程中保持一定的焊膏量,这些作用改善了填充工艺,使小面积比开孔的转移效率达到理想状态.图14和15的百分比面积图充分说明了使用活化式刮刀印刷可以实现接近100%的印刷面积.和转移效率数据相似,印刷面积数据的直线特性也说明使用活化式刮刀并不会造成印刷过度.图16中的光学图像对比也说明,与方形孔有关的印刷面积和体积也会随着刮刀的活化而增大.

实验二：工艺参数的影响

继第一个实验之后,我们又进行了第二个实验,目的是观察传统的工艺参数（刮刀压力和印刷速度）对新活化式刮刀在使用效果上的影响.之前Ashmore 1的研究说明了使用标准刮刀压力和速度间的关系,为了达到这项研究的目的,使用活化式刮刀完成相同的实验.

实验过程

低-中点DOE改变压力和速度.首先,在非活化刮刀的情况下进行测试,得到基准点后,使用活化式刮刀重复整个测试.印刷压力和速度见表5.

结果与讨论

1. C. Ashmore, M. Whitmore, S. Clasper, “Optimising the Print Process for Mixed Technology,” Surface Mount Technology International, San Diego, CA, October 2009.

?. IPC-7525, Stencil Design Guidelines, IPC.

?. R. Mohanty, “What's in a Squeegee Blade?” Circuits Assembly, May 2009. >?. G Babka, S. Zerkle, F Andres, R Raut, W Bent, D. Connell, “A New Angle on Printing”, Global SMT & Packaging, February, 2009. 5. G Burkhalter, E. Leak, C. Shea, R. Tripp, G.Wade, “Transfer Efficiencies in Stencil Printing” SMT May 2007. 6. Fleck, I., Chouta, P., “A New Dimension in Stencil Print Optimization,” Surface Mount Technology International, Rosemont, Ill., September, 2002. ?. W. Coleman, “Stencil Technology and Design Guidelines for Print Performance,” Circuits Assembly, March, 2001. ?. W. Coleman, “Paste Release vs Print Area Ratio,” APEX 2001. 9. W. Coleman, M Burgess, “Stencil Performance Comparison / AMTX Electroform vs Laser-Cut Electroform Nickel Foil,” Surface Mount Technology International, October, 2006. >10. C. Lantzsch, “Nano coated SMT stencil with anti-adhesion effect,” www.epp-online.de, 17.09.2008. 11. D. Manessis, R. Patzelt, A. Ostmann, R. Aschenbrenner, H. Reichl, A. Axmann, G. Kleemann, “Evaluation of Innovatie Nano-Coated Stencils in Ultra-Fine Pitch Flip Chip Bumping Processes,” IMAPS 41st International Symposium on Microelectronics, November, 2008. 12. G. Erdmann, US Patent 5,522,929. June 4th, 1996. ?3. N. Ekere, D.He, “The Performance of Vibrating Squeegees in the Stencil Printing of Solder Pastes,” Journal of Electronics Manufacturing, Volume 6, Issue 4, pp261-270, 1996.