消費者期待著產品尺寸的不斷減小和功能的持續增加,這不僅給可制造性設計（DFM）帶來麻煩,制造商也需要始終面對小型化與大器件共存所帶來的挑戰.
對大部分具備一定工藝能力的單板制造商而言,單純地縮小尺寸、增加復雜性,或布置大器件都不是太大的難事,但要求兩者兼備,則需要較高的技術水平.本文試圖通過對近期一項優化“標準”印刷工藝試驗結果的分析,從而確定可以調整和控制的工藝變量,找到確定和指導工藝優化的解決方案.
混裝與鋼網開孔面積比混合裝配中印刷工藝潛在的首要問題如圖1中左圖標出的鋼網開孔面積比,它的計算公式是開孔面積除以孔壁面積.面積比對印刷工藝的重大意義是圖1中右圖所顯示的對錫膏轉移率的影響.
圖2是較厚和較薄鋼網被用于同時印刷大小不一焊盤的情形.
兩種尺寸的焊盤（一小一大）被成功地用較薄的鋼網印刷,但大的元器件回流焊后會存在少錫的缺陷,因為印刷時轉移的錫膏量不足.應用較厚的鋼網對大的器件而言會獲得滿意的錫膏量,但同樣會導致小焊盤在印刷時轉移的錫膏量不足,因為錫膏會被粘在具有較大表面積的孔壁上,從而在回流焊接后造成少錫或空焊.
譬如鋼網的厚度是100微米,方形開孔大小是250微米,因此面積比為：0.625= (250×250)÷(100×250×4).如果鋼網厚度減小到75微米,孔壁面積也會隨之降低,其面積比將變成0.833.
我們可以通過調整鋼網的幾何設計來達到期望的面積比.但是開孔并不是可以被任意控制的一個變量,它完全由基板上與不同元件類型相匹配的焊盤尺寸來決定.表1列出了一些常見SMT元器件和其典型的面積比.
在表1中,CSP器件對應較低的面積比,而且隨著間距的變小面積比也變小.
現在問題是——
從圖1 中的右圖可以看出,在面積比0.66以下時錫膏轉移率和面積比呈線性關系,這一面積比對應的轉移率約75%.這一點以后曲線為非線性,并顯示轉移率非常明顯的低于 75%,這被認為是不能接受的,因為在回流焊接過程中不能形成可靠的焊點.這就是為什么作為經驗值將面積比定在0.66或以上（IPC-7525）.
如果只考慮板上某一種元件,很好,你可以很簡單地利用規則確定鋼網的厚度使面積比在0.66臨界點以上,獲得可接受的轉移率.但是,當要兼容混合裝配的器件時,你將會遇到麻煩.這里,任務是增加面積比在0.66以下的開孔的轉移率,應用較厚的鋼網成功地在基板上較小的焊盤表面上印刷,同時滿足混合裝配中大的元器件對錫膏量的要求.
試驗試驗的目的是應用不同的工藝參數設置（變量）獲取系列轉移率數據.
一臺全自動印刷設備通過一張標準100微米厚的激光切割不銹鋼鋼網,被用來印刷錫膏.印刷設備、鋼網、刮刀、夾具、錫膏和操作員都在整個研究中保持一致,以減少變數.
為獲取必需的數據,鋼網被設計含有全部范圍的器件,為了充分觀察每個試驗的工藝能力,采用一個遞減的開孔陣列,表2顯示的是開孔尺寸和對應的面積比.
在印刷工藝中有許多因素對結果產生影響,包括刮刀速度、壓力和角度,甚至還有刮刀的寬度.本試驗所用的有印刷角度45度/寬6mm,印刷角度60度/寬度6mm,和印刷角度60度/寬15mm的三種刮刀.可以預期,寬15mm的刮刀將會有不穩定的結果,因為印刷角度隨壓力而改變,目的在于和寬度6mm的刮刀相比較.
為了保證整個研究過程遵循同樣的“標準”設置,研究過程中使用表3列出的物料.
在試驗中只有以下工藝設置可以改變：刮刀速度、壓力和角度.所印刷在板上的錫膏用3D系統來量測,用電子表格分析采集到的數據.
表4列出了整個研究過程中的印刷參數,所有其它的參數未做調整.
試驗結果
從試驗結果可以看出,工藝設置和轉移率的分布之間有著非常顯著的相互關系.
采用60度/寬6mm的刮刀使用5種工藝設置獲得的試驗結果顯示,所有開孔的結果都非常接近,與工藝設置沒有相關性.使用高的印刷壓力/低的印刷速度和使用低的印刷壓力/高的印刷速度所得結果的平均差異小于3%.這一系列試驗得到的轉移率結果顯示75%這一臨界點對應最小尺寸225um的開孔仍然可以獲得滿意的印刷效果.
使用45度/寬6mm的刮刀獲得的試驗數據分布很窄,呈現和工藝設置弱相關性. 這些數據顯示轉移率曲線已經受到影響,臨界點75%已對應到200um直徑的開孔,這意味著面積比為0.5的開孔能獲得滿意的印刷效果.
使用60 度/寬 15mm的刮刀所獲得的轉移率結果,可以幫助弄清楚具有較好韌性的刀片對工藝的影響.以這種設置工藝參數的影響對轉移率的影響達15%的差異.在較高壓力和較低印刷速度的條件下,錫膏轉移率可以得到顯著的改善.在這些工藝條件下,直徑175um的開孔其轉移率在75%的臨界點以上,這就意味著這種工藝設置可以印刷面積比為0.438的開孔.
結論
當前 SMT 制造商的要求是在同一工藝中生產出既有極端細小的元件又裝配大的器件的產品.本文介紹的雖然是一個較難的工藝,但是已經有了解決方案.
印刷角度為60度和45度而寬度較窄的刮刀證明其能提供穩健的印刷工藝,即使外部工藝參數有較大的調整,也不會影響錫膏轉移率結果.這種情況最適合“固定式”的制造方案,因為工藝可以被有效地鎖定.
由此獲得另一個結論,較窄的刮刀寬度最適合印刷角度為45度的刮刀,因為從試驗結果來看,使用這種刮刀不同面積比對應的錫膏轉移率會增加.
印刷角度60度寬15mm的“異型”刮刀與上述刮刀所獲得的結果趨勢一致,但是如前面一節中所介紹的,工藝參數對轉移率有非常顯著的影響,因此,這種方案需要相當的工藝水平來對印刷工藝進行完全的優化.
