隨著元件尺寸越做越小,電子產品的形體也越來越小.元件的混合程度和密度也在不斷提高,表面貼裝工藝將面臨更大的挑戰.
現時已開發出一項新的印刷技術,可以使用傳統印刷方法,在同一厚度的鋼網上,同時印刷新一代的細間距（例如0.3毫米間距CSP器件和01005無源元件）和標準的SMT元器件.
研究結果表明,新技術能將現時掌控焊膏轉移效率的鋼網面積比規則,和鋼網印刷工藝的處理能力,大大擴展至面積比低達0.4的鋼網開孔.這一突破使混合裝配工藝能應對目前和未來混合技術的需要.
表面貼裝技術（SMT）行業現在正面臨這個難題.即將推出的0.3毫米CSP元件尺寸小于200微米,但是同時仍然需要組裝大型射頻（RF）屏蔽罩和連接器,因此,如何應對混合裝配成為迫在眉睫的一個問題.
在處理混合組裝時,圍繞鋼網印刷工藝的主要問題是面積比（鋼網的開孔面積與孔壁面積之比）.按照傳統的設計規則,面積比應大于0.66,因此,要設計一套同時印刷細間距元器件和大間距元件的工藝幾乎是不可能的.
本文作者先前做過的研究已深入地分析了如何優化標準印刷工藝,試圖解決圍繞混合裝配1的一些問題.本研究對鋼網印刷工藝展開了更深入的挖掘.試驗和研究結果表明,現時的面積比規則是絕對可以被突破的,以期能用傳統SMT工藝來印刷0.3毫米間距的CSP元件.本文詳細介紹這些新的研究進展和相關的焊膏轉移效率的數據.
鋼網印刷規則
面積比：鋼網印刷工藝需要考慮的因素很多,但是,鋼網開孔的面積比才是決定哪些元件可以印刷,哪些不能印刷的關鍵.如圖1所示,這是一個簡單的比例規則來表示孔壁面積和開孔面積之間的關系（開孔面積是指落在焊盤上用于印刷焊膏的有效面積）.
如果孔壁的面積超過開孔面積,那么,“附著” 在孔壁上的焊膏將比落在焊盤上的多,導致開孔受到污染并且使焊膏涂敷不完整.反之,如果開孔面積比較大,那么,焊膏更容易落到焊盤上,使“粘”在焊盤上的焊膏比“附著”在孔壁上的焊膏多,從而令焊膏印刷涂敷更完整.由此推斷,鋼網開孔面積越小,實現完整涂敷的有效印刷的可能性越低.圖2是典型的焊膏轉移效率曲線.
一旦確定了開孔的尺寸,我們可以通過減少鋼網厚度達到比較理想的面積比.但是,必須仔細分析改變鋼網厚度和減少開孔容積所帶來的后果；圖3是可能出現的問題.
如圖3a所示,如果試圖把細間距元件納入標準工藝,會因為鋼網過厚,無法保證適合小元件印刷的面積比開孔,結果造成干焊點.如圖3b所示,減小鋼網的厚度也許能夠保證小元件的正確印刷,但是,由于印刷的焊膏體積減少,雖然它的面積比更方便了印刷,但最終可能造成回流焊焊膏不足.這就是混合裝配面臨的根本問題；另外,各種不同元件在尺寸上的巨大差別使問題變得更加突出,因此,SMT組裝行業將不可避免地面臨巨大的挑戰.
焊膏轉移效率
目前的情況：多年來,在設計鋼網開孔時,都是根據最初的IPC7525規范2設計,該規范建議,開孔面積比大于0.66的鋼網印刷工藝,是可以接受的范圍.（即焊膏轉移效率達到70-75%以上）.
如圖4所示,“歷史”轉移效率曲線被普遍接受,在上個世紀90年代,開始作為SMT行業的參考指標,現在仍然被廣泛采納,作為建立印刷工藝的基準.
最近幾年,為了改善焊膏轉移效率,對焊膏材料、鋼網技術和工藝改進展開了大量的研究.Ashmore1、Mohanty3和Babka4做了大量的工作,提出刮刀角度對焊膏轉移效率的重要性.另外,大量的研究資金用在考察鋼網制造技術、鋼網材料和鋼網涂層上5,6,7,8,9.最新納米涂層鋼網10,11現今開始流行.上世紀90年代初期/中期,Erdmann12的研究工作使得機械振動刮刀問世.這個系統利用氣動式滾筒,以低頻率驅動刮刀刀片在鋼網上來回運動（從鋼網的一端到另一端）,讓刮刀通過鋼網時產生振動.隨后的研究13證明,這一技術在印刷過程中有利于填充開孔.
隨著工藝的全面完善,“今天”的焊膏轉移效率曲線（如圖4所示）更真實地反映SMT印刷行業的現狀.
盡管這些技術上的進步有一部分已經獲得最新的IPC-7525規范認可,但不可否認的是,我們正在現有的面積比規則的分界線處理最先進的元器件印刷問題（圖5）.雖有個別廠家可以建立穩定并可靠的工藝來處理這些細間距元器件,但是必須非常謹慎地加工和控制材料.在不久的將來,如果要把0.3毫米間距的CSP納入現有印刷工藝,那就需要面積比約為0.4的鋼網開孔,這個面積比遠遠超出現有印刷規則的范疇（圖5）.
開發
活化刮刀
在印刷時,活化刮刀的刀片被活化.這是一種正在申請專利的技術,可輔助改變焊膏卷的狀態,協助填充鋼網孔.
如有需要, 這種刮刀也可以在“傳統”模式下工作,不須活化.
實驗一：標準刮刀和活化刮刀及其材料的對比
該實驗采用得可Galaxy系列自動鋼網印刷機,配備ProActiv刮刀,使用行業標準100微米厚激光切割不銹鋼鋼網來印刷測試圖案.使用配備微焊盤傳感器的CyberOpticsSE300,測量印刷涂敷的焊膏體積和面積.在整個實驗中,使用的所有測試基板是一組經過編碼的1.4毫米厚、經過黑色陽極處理的鋁板.在印刷中,使用專用的真空固定夾具固定測試基板,確保位置正確.
在標準和活化印刷模式中,都使用相同的刮刀和170毫米長的刀片進行所有測試.在進行每項測試之前,自動校準刮刀.
所有印刷都使用符合行業標準的4號粉無鉛焊膏.
鋼網設計
圖7是在測試圖案中所使用的印刷樣本.基本設計包含各種行業標準元件,但是為達到實驗目的,重點考察的是四個漸進式縮小的面積陣列,目的是分辨在刮刀活化和非活化的情況下,所形成的焊膏轉移效率曲線,直接分析比較兩種工藝.
有趣的是,從轉移效率曲線上看,當面積比大于0.6,活化和非活化刮刀這兩種印刷模式在轉移效率上沒有區別.這個結果表明,刮刀的活化對比較大的“標準”孔沒有任何不良影響,不會導致焊膏體積過量.反之,根據圓形孔的Cp數據（表4）,它可能會帶來其他好處,例如,活化刮刀可大大改善面積比由0.375至0.625的Cp,這意味著它可應對目前所有最新型的元器件（圖5）.
實驗中觀察到的轉移效率的提高,是由于在印刷過程中,焊粉顆粒密度和焊粉顆粒間粘性變大的直接結果.粘力增加后的焊粉顆粒能夠更緊密地粘在一起,并粘在焊盤表面,在分離過程中保持一定的焊膏量,這些作用改善了填充工藝,使小面積比開孔的轉移效率達到理想狀態.圖14和15的百分比面積圖充分說明了使用活化式刮刀印刷可以實現接近100%的印刷面積.和轉移效率數據相似,印刷面積數據的直線特性也說明使用活化式刮刀并不會造成印刷過度.圖16中的光學圖像對比也說明,與方形孔有關的印刷面積和體積也會隨著刮刀的活化而增大.
實驗二：工藝參數的影響
繼第一個實驗之后,我們又進行了第二個實驗,目的是觀察傳統的工藝參數（刮刀壓力和印刷速度）對新活化式刮刀在使用效果上的影響.之前Ashmore 1的研究說明了使用標準刮刀壓力和速度間的關系,為了達到這項研究的目的,使用活化式刮刀完成相同的實驗.
實驗過程
低-中點DOE改變壓力和速度.首先,在非活化刮刀的情況下進行測試,得到基準點后,使用活化式刮刀重復整個測試.印刷壓力和速度見表5.
結果與討論
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.
