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网板技术的现状及未来展望

返回列表 来源:美精微电子 浏览:495 发布日期:2017-05-24 15:41:45

  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

  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,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)。

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  图1:激光切割穿孔具有特别的条纹标记

  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)。

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    图2:可使用单一厚度的塑料网板生成一系列贴片胶胶点

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  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。

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  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。

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  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)

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  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!

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  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2017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。




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