阶梯模板技术与它对SMT印刷工艺的影响

阶梯模板技术与它对SMT印刷工艺的影响
SMTA深圳市致远佳科技有限公司 actSMTC 2020-5-28


四方扁平无引脚封装(QFN)、栅格阵列封装(LGA)、微型球栅阵列封装(微型BGA)、0201元件和01005元件,这些元件正在不断促使制造商使用更薄的模板箔片,把适合的焊膏体积涂布到他们的电路板上,但是,像边缘连接器这类尺寸比较大的元件仍然需要体积比较大的焊膏。许多年来,这类元件的焊膏涂布一直使用阶梯模板来完成。从历史上看,用来生产这些阶梯模板的主要方法是光化学蚀刻工艺。但近期出现了两种制造阶梯模板的新方法,即激光焊接法和微型机加工法。

光化学蚀刻是一门成熟的工艺,已经使用了几十年。这种工艺能够去掉覆盖层,与用来蚀刻印刷线路板(PWB)的工艺非常相似。在不锈钢模板箔片上涂一层光致抗阻膜,使用照相工艺成像形成阶梯图案,涂有光致抗阻膜可以保护其他区域在进行蚀刻时厚度不会减少。把不锈钢箔片放到蚀刻机内,然后,把化学蚀刻剂喷到模板上,溶解不锈钢箔片,直至达到合适的厚度为止。一旦达到需要的模板厚度,再把光致抗阻膜清除掉。使用这项工艺蚀刻的深度或形成的阶梯面积取决于模板接触化学蚀刻剂的时间。图1是化学蚀刻工艺。

 

图1、形成阶梯模板的化学蚀刻工艺。

 

激光焊接工艺使用不同厚度的模板箔片,将它们焊接在一起。这种方法不使用化学蚀刻,只用激光切割和激光焊接。第一步是切割出第一块模板箔片。然后,从所需厚度的第二块模板箔片中切割出相应的阶梯区域。把这块阶梯箔片放在第一块模板箔片上。然后,用激光将这些箔片焊接到对应的位置上。阶梯区域的厚度取决于所用的钢箔厚度。图2是激光焊接工艺。

图2、形成阶梯模板的激光焊接工艺。

 

微型机加工工艺和蚀刻工艺很相似,也是一种去掉覆盖层的工艺,但它不使用化学物质。微型机加工工艺使用一台非常专业的计算机数控(CNC)铣床一次性去除非常少量的材料。图3是微加工工艺。

 


图3、形成阶梯模板的微机加工艺。

 

这三种形成阶梯模板的工艺得到的阶梯区域的纹理不同。阶梯模板的纹理如图4所示。

 


蚀刻的模板、焊接的模板、机加工的模板

图4、三种模板技术形成的阶梯区域的纹理。

 

实验方法

用不同厚度逐步减少的袋口形成阶梯模板的设计。模板的基础厚度是4.0密尔(101.6微米),逐步减少的阶梯厚度分别是为3.5密尔(88.9微米)、3.0微米(76.2微米)、2.5密尔(63.5微米)和2.0密尔(50.8微米)。每个阶梯的面积都是1平方英寸(边长25.4 毫米),阶梯设计如图5所示。

图5、逐步缩小面积的口袋设计。


我们可以用FARO臂设备来测量每个阶梯袋口的厚度。把各种阶梯技术的测量结果拿来比较和对比分析。

针对以下元件形成孔的图案:公制03015元件、公制01005元件、0.3毫米的BGA、0.4毫米的BGA封装、0.5毫米间距的QFN封装。按照与阶梯边缘不同的距离——10、20、30、40和50密尔,切割各种元件的孔。这样做的目的是确定各种阶梯模板技术能够把焊膏印刷到距离阶梯模板的边缘多近的位置。此外,还要把孔切割到各个阶梯区域的中心,用于对比分析。图6是孔的布局。

图6、阶梯模板的孔设计。

 

每块模板都有两组阶梯和孔。一组阶梯和孔涂布氟聚合物纳米(FPN)涂层(图7)。

图7、FPN纳米涂层的阶梯模板的接触面

 

比较模板有FPN涂层的部分与模板没有涂层部份对焊膏印刷的影响。针对各种阶梯模板,使用通用的免清洗SAC305四型焊膏,进行10组印刷的研究。电路板采用厚度为0.062英寸(1.57毫米)的裸铜箔材料。使用DEK Horizon 02i印刷机印刷焊膏。印刷机参数见表1。

表1、焊膏印刷机的参数。

使用焊膏检测系统(SPI)来测量印刷的焊膏体积。本文使用统计分析软件对焊膏体积数据进行分析,并且得出结果。

 

结果:阶梯模板的厚度测量

测量每一种阶梯模板技术得到的各阶梯区域。由于测量数据的问题,测量结果不包括厚度为3.5密尔的阶梯区域的焊膏体积。厚度测量数据见表2。


表2、各种阶梯模板的逐步减少的厚度。

一般说来,化学蚀刻工艺得到的阶梯要比标称值深一些,焊接工艺和机加工工艺形成的阶梯深度更接近目标深度。阶梯深度的标准差是指在阶梯区域中的平面度或粗糙度。用化学蚀刻工艺形成的表面比原来的要粗糙些(图4)。焊接工艺包括把模板的空白面固定到阶梯区域内,但是在焊接时空白面可能无法非常平整地固定住。因为切削工具会切削掉一些材料,所以机加工工艺会在表面上留下条纹。总的来说,各种技术的标准差都非常接近。

 

焊膏印刷数据:蚀刻的模板

图8、图9和图10是厚度分别为3.0密尔、2.5密尔和2.0 密尔的蚀刻阶梯模板的焊膏体积的箱形图。图中的焊膏体积大小不一,这是由于阶梯边缘、孔的尺寸和纳米涂层的距离造成的。

 

图8、3.0密尔蚀刻阶梯的焊膏体积。

图9、2.5密尔蚀刻阶梯的焊膏体积。

图10、2.0密尔蚀刻阶梯的焊膏体积。

一般说来,尺寸为9.8×35.4密尔的大孔会得到体积比较大的焊膏印刷体积。尺寸比较小的孔得到的焊膏体积会有一些差异。Tukey-Kramer的真实显着性差异(HSD)测试表明,从统计学的角度看,这些变化大部分都差不多。这意味着,距离阶梯边缘距离在10到50密尔之间的孔的印刷焊膏在体积上的差别很小。图11是唯一的例外。距离阶梯边缘10密尔和20密尔的孔印刷的焊膏体积比距离阶梯边缘50密尔的孔要大。这说明刮刀无法使焊膏都进入阶梯的孔中,刮刀把焊膏从模板表面上向阶梯边缘推。Tukey HSD分析也同样适用于这种没有涂层的阶梯和孔尺寸的模板。

 

图11、涂敷FPN的3.0密尔蚀刻阶梯和9.8×35.4的孔的Tukey-Kramer HSD分析

 


图12、在一次印刷后蚀刻的3.0密尔阶梯。

在印刷后,很容易看到残留在阶梯壁附近的焊膏。这种情况似乎在印刷体积比较大的焊膏时会出现。

 

焊膏印刷数据:焊接的模板

图13、图14和图15是厚度3.0 密尔、2.5密尔和2.0密尔的焊接阶梯的焊膏体积箱形图。箱型的大小不一致,这是由于距离阶梯边缘的距离、孔的尺寸和纳米涂层造成的。

图13、3.0密尔的焊接阶梯的焊膏体积。


图14、2.5密尔焊接阶梯的焊膏体积。


图15、2.0密尔焊接阶梯的焊膏体积。

孔和阶梯边缘的距离从10密尔到50密尔,印刷的焊膏体积变化不大,与焊接的阶梯厚度无关。这与蚀刻阶梯模板上看到的印刷结果非常相似。Tukey-Kramer HSD测试展示出一些有意思的结果(图16)。

 

图16、没有涂层的2.5密尔焊接阶梯和9.8 x 35.4的孔的Tukey-Kramer HSD分析。

在这种情况下,距离阶梯模板边缘10密尔的孔的印刷的焊膏体积要比距离阶梯模板边缘40密尔和50密尔的孔大得多。距离阶梯模板边缘20密尔的孔,印刷的焊膏体积要比距离阶梯边缘50密尔的孔大很多。此外,这表明在印刷过程中刮刀无法让模板表面上的焊膏都进入阶梯模板的孔中。使用FPN涂层的3.0密尔厚的焊接阶梯模板和同等尺寸的孔也是这种情况。

 

焊膏印刷数据:机制模板

3.0密尔、2.5密尔和2.0密尔厚的机制阶梯模板的焊膏体积箱形图如图17、图18和图19所示。这些箱形大小不一致是由于与阶梯模板边缘的距离、孔的尺寸和纳米涂层造成的。

 


图17、3.0密尔的机制阶梯的焊膏体积。


图18、2.5密尔的机制阶梯的焊膏体积。

图19、2.0密尔的机制阶梯的焊膏体积。

孔和阶梯边缘的距离在10密尔到50密尔之间变化时,印刷的焊膏体积变化不大,与机加工阶梯的厚度无关。这和蚀刻阶梯和焊接阶梯看到的结果非常相似。Tukey-Kramer HSD测试表明印刷结果的一些明显差异(图20)。

 

 


图20、没有涂层的机制2.0密尔阶梯和8 x 9孔的Tukey-Kramer HSD分析 。

这项Tukey HSD分析表明,距离边缘10密尔和20密尔的孔印刷的焊膏体积要比距离阶梯边缘30密尔、40密尔和50密尔的孔大很多。这也同2.0密尔和2.5密尔厚的机加工阶梯模板的9.8 x 35.4密尔的孔一样。

 

结论

化学蚀刻、激光焊接和微机加工都是用来生产阶梯模板的有效方法。三种工艺生产出不同的阶梯表面。无论采用哪种技术来形成阶梯模板,对于QFN封装的孔,距离边缘10密尔到20密尔的孔的焊膏体积都比距离边缘30密尔到50密尔的孔大。这些增加的焊膏体积可能会导致用来测试的QFN封装元件设计的孔设计出现短路。把这种尺寸规格的孔放在距离阶梯边缘30密尔的位置得到可接受的焊膏体积。尺寸比较小的8密尔、8 x 9密尔和10密尔的孔在距阶梯边缘10密尔到50密尔的位置上按照统计学的方法得到的焊膏体积都差不多。虽然还需要进行更深入的研究,但是数据表明,小孔元件可以放在尽可能靠近阶梯边缘10密尔的位置,依旧可以得到可接受的焊膏印刷体积。

FPN涂层显示,所有测量的孔,焊膏体积都稍有增大。在印刷这些小孔时,建议涂布FPN涂层。很显然,还需要对这些阶梯模板技术进行更深入的研究做进一步的区分。

 

下一步的工作

我们目前正在使用这三种阶梯模板技术展开测试。我们将比较在阶梯区域中心的焊膏体积和靠近阶梯边缘的焊膏体积。不仅要将与面积逐步减少的区域相同厚度的单层模板的锡膏体积与台阶蚀刻模板的体积进行比较和对比,还要比较孔的方向与刮刀呈水平时印刷的焊膏体积,和孔的方向与保持刮刀垂直时印刷的焊膏体积。改变刮刀的压力和速度,研究刮刀的压力和速度对焊膏体积的影响。最后,我们计划增加要印刷的电路板的数量,以获得更多的数据进一步验证这些成果。

 

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