網板技術的現狀及未來展望

　　在表面貼裝裝配領域，網板是實現精確和可重復焊膏涂敷的關鍵所在。由于焊膏透過網板穿孔印刷，形成固定元件位置的焊膏和膠點，然后在回流焊期間將元件牢固粘接在基底上。網板設計 — 其組成成份和厚度及其穿孔的大小和形狀 — 最終會決定膠點的大小、形狀和定位，這是實現最少缺陷的高良率工藝的關鍵，缺陷可以包括焊膏不足或錯位等。

　　自80年代以來，表面貼裝成為主流裝配技術，網板技術也出現顯著的進步。今天，供應商可利用多種材料和制造技術設計網板，以滿足最具挑戰性的裝配技術趨勢：精密間距技術、元件小型化和密集型線路板。

　　此外，網板技術現應用于全系列批量擠壓印刷材料。由于網板設計人員已深入了解穿孔尺寸和形狀對于材料沉積的影響，促使新技術的涌現 (并將繼續涌現)，使印刷平臺和網板技術進入各式各樣的應用領域，如貼片膠涂敷和晶圓凸起。

　　無論使用何種材料或制造工藝，網板主要有兩項功能。第一是確保涂敷材料精確置放在基底上，如焊膏、助焊劑或密封劑；第二是確保形成大小和形狀適合的膠點。

　　網板材料和制造

　　廣泛使用的網板材料是金屬，主要為不銹鋼和鎳。近年來，多種塑料材料也漸為人所接受。網板制造技術包括化學蝕刻、激光切割和電鑄技術。簡要探討這些材料和工藝，便會發現制造商可從種類廣泛的網板中選擇，以滿足特定的應用需求。

　　以往，常用的低成本網板制造方法是化學蝕刻，這是一項減成工藝，使用光刻技術確定穿孔圖樣，然后同時在網板兩邊使用蝕刻劑形成穿孔。為了獲得具有梯形面壁的穿孔以提高焊膏脫模性能，可進行特別設計，在朝向基底的網板一側生成稍大的穿孔。

　　這項制造技術具有某些固有缺陷——雙面蝕刻會形成刀緣穿孔輪廓，以及“欠蝕刻”和“過蝕刻”情況。為了克服這些缺陷，可以進行電解拋光，在蝕刻后除去刀緣，使穿孔墻壁變得光滑?；瘜W蝕刻適用于大型穿孔/粗間距應用，但無法滿足今天0.5mm以下間距應用的要求。

　　為了滿足細間距和提高元件密度的需求，激光切割成為更廣泛應用的網板制造工藝。激光切割網板可直接從Gerber數據 (或其它格式數據) 生成，無需進行多個光刻工藝步驟。這可顯著減少圖像錯位的機會。CNC (計算機數控) 激光切割則直接由Gerber數據驅動，生成高度精確的可重復網板穿孔。這種精確技術可使穿孔尺寸精度達到 ±5 微米，即使在大印刷面積下亦然。

　　激光本身是獨特的靈活工具，通過在制造過程中調整激光的強度，可以在網板表面生成高對比度基準，而無需進行充填。而且，這項特性有助于提高制造工藝的精度。利用這項工藝的固有特性，可生成具有梯形橫截面的穿孔，改善焊膏脫模。但有人擔憂激光會在穿孔墻壁上留下特有的“細條紋”表面 (圖1)。

　　圖1：激光切割穿孔具有特別的條紋標記

　　新的激光切割技術已將此條紋減至最少，但是，如果特定應用需要光滑的孔壁表面，可以使用電子拋光方法，甚至在切割工序后電鍍激光切割的穿孔。

　　與化學蝕刻和激光切割制造技術相反，電鑄方法是加成工藝，電鑄網板通過電鍍材料在心軸上電解沉積而“生長”。電鍍材料通常為鎳，心軸帶有穿孔圖案的負性、光刻膠圖像。這項工藝可生成非常精密的、孔壁光滑的穿孔，帶有自然的錐度，無需附加的精整工藝。這種非常精密的工藝可生成適用于超精密間距應用的電鑄網板。

　　在過去五年中，以塑料作為網板材料已引起相當的關注。同時，已經證明可以使用聚合物箔片制造標準的SMT網板，并已應用于貼片膠印刷，這類材料并獲得人們的接納。使用塑料的主要優勢在于可以制成厚度至少為8mm的網板，實現新的工藝技術。

　　使用標準CNC加工技術制造這類網板，在塑料基底上鉆制不同尺寸的穿孔，可以使用單一厚度的網板在單次印刷行程中，印刷高度不同的貼片膠膠點 (圖2)。極高的厚度還允許在網板底側挖切并布置，以配合先前置放的元件和彎曲引線 (圖3)。

　　　　圖2：可使用單一厚度的塑料網板生成一系列貼片膠膠點

　　圖3：塑料網板的底側具有挖切形狀，可配合線路板上的元件。

　　設計準則和能力

　　網板穿孔的大小和形狀決定著涂敷到基底上材料的體積、一致性和形狀。因此，嚴格控制穿孔質量對于網板設計的成功至關重要，尤其是細間距和超細間距應用，需要非常精密地涂敷很少量的材料?？墒褂妹鎵Ρ?(開孔面積除以開孔墻壁面積) 以及寬高比 (開孔寬度除以網板厚度) 等參數確定合適的穿孔尺寸。

　　對于合格的焊膏脫模性能，一般準則是面墻比應當大于0.66，而寬高比應大于1.5。根據此項準則設計穿孔時，需要考慮各種網板制造技術的特點，例如，對于化學蝕刻工藝，寬高比難以達到1.5以下；而激光切割和電鑄工藝可以制造穿孔寬高比為1:1的網板。

　　面墻比對于網板設計人員更為重要，這與最終的焊膏脫模直接相關。在印刷過程中，當網板與基底分離時，反方向的表面張力會發生作用。這些力量決定焊膏是進入所印至的焊墊，還是仍舊粘在網板穿孔的墻壁上。

　　如果焊墊面積超過穿孔墻壁表面積的66%，實現有效焊膏轉移的可能性將會提高。隨著比例降低至66%以下，焊膏轉移效率將同時下降且印刷質量也變得不穩定。自然地，穿孔墻壁的光潔度會影響這些效率水平。在制造過程對激光切割穿孔進行電解拋光和/或電鍍，已經證實能提高焊膏轉移效率。同樣地，電鑄工藝形成的光滑穿孔墻壁也可提高焊膏脫模效率。

　　元件間距和穿孔密度也是挑選合適制造技術的考慮因素。對于間距小于0.5mm的應用，選擇范圍局限于激光切割或電鑄。雖然兩種方法各有其優缺點，但都可生成高質量、高精度的精密網板。

　　激光工藝無需圖紙，因而減少了失配準問題。雖然庫存網板的厚度有限，激光工藝的切割厚度范圍可為50至500微米。相對而言，電鑄網板的厚度增量可控制為2.5微米，總體厚度范圍為25至300微米。電鑄穿孔方法可以準確地復制芯軸的光刻膠表層，而無需進一步加工。然而，對于超精密應用，激光切割穿孔可能需要進一步處理以使穿孔墻壁變得光滑。

　　最后，穿孔數目也是一個決定性因素。激光切割是串行工藝，所以穿孔數目增加，制造時間也隨之延長，這會影響網板的最終成本。電鑄加工則可在一次工藝過程中形成全部穿孔，所以穿孔數目對于成本的影響不大。這使得電鑄工藝成為晶圓凸起等高密度應用的當然技術，而目前，晶圓凸起應用的穿孔數目即將超過200萬！

　　擴展功能

　　塑料網板材料的應用進一步增加網板設計人員可用的工具種類，能在網板頂面制造步進穿孔并在網板底面安排凹窩，這是擴展基本網板印刷工藝功能的最新進步。根據材料的不同性質，即其粘性和流動特性，可以生成不同尺寸和形狀的穿孔，用于生產不同體積的膠點。

　　第二項擴展是封閉印刷頭，可將多種材料通過網板印制到基底上。因為材料完全封閉在印刷系統中，所以無需考慮材料運送、變干、濕氣吸收及浪費等問題。

　　這兩項進步使得網板印刷工藝可在需要時加到裝配工藝中，置于貼裝不同類型元件之前或之后。結果，幾乎所有電子裝配材料均可使用正確設計的網板，涂敷到裸基底或置放部分元件的基底上，速度大大高于最先進的點膠設備。印刷頭在網板上進行一次橫向運動，即可填充任何數量的穿孔，即使最高I/O數目也不會在高速、大批量裝配生產線上造成瓶頸問題。

　　這項工藝本身具有固有的靈活性，因為基本的設備平臺相同。只需改變網板，或者使用封閉印刷頭，網板印刷機就可以根據需要，用于涂敷焊膏、貼片膠、助焊劑、密封劑或熱界面材料。

　　晶圓凸起

　　在具吸引力的先進網板印刷應用中，晶圓凸起也是要求最嚴格的應用之一。在這項工藝中，使用了標準網板印刷技術在硅晶圓上直接印刷焊膏 (圖4)。為了獲得所需的凸起高度，焊膏需要加印到晶圓粘結焊墊上。在后續的回流焊過程中，焊膏拉回至可潤濕的焊墊表面，形成堅固的焊料凸起結構。

　　圖4：使用110平方微米穿孔，以150微米間距在晶圓上

　　直接印刷焊膏膠點，在后續的回流焊工藝中，焊膏將拉回至晶圓粘結焊墊，形成單個焊料凸起。

 　　雖然這項技術或許看起來簡單，但是，要實施超精密的工藝需要極嚴格的控制。正確的網板設計是整項工藝的關鍵。然而，制作設計優良的網板穿孔，獲得無缺陷印刷結果，回流焊后凸起的高度分布符合嚴格的要求，這決不是瑣碎的工作，尤其對于間距小于250微米的全陣列焊墊布置。

　　對于晶圓凸起網板，切割技術必須能夠生成數以千計很小的、緊密排列的穿孔，符合極為嚴格的尺寸和定位誤差要求。最佳設計穿孔的微小偏移會引起很大的凸起高度變化，在極端情況下，這會造成裝配芯片的開路。

　　使穿孔位置的精度盡量接近計算機生成設計圖樣的要求，也是極為重要。因為晶圓上的整個焊墊必須進行加印，以獲得合格的回流焊凸起尺寸，在細間距焊墊上進行加印時，使穿孔準確定位并在相互之間留有足夠空間是非常重要的，并不會產生橋接缺陷。根據經驗法則，穿孔寬度不應小于網板厚度，以減少橋接缺陷。

　　有時，穿孔的開孔需要偏移，不與焊墊直接對中。視網板特定區域穿孔密度的不同，可能需要僅僅印刷焊墊的一部分。當考慮到晶圓上的焊墊尺寸可能小于100微米時，網板切割技術能夠精密定位穿孔開孔非常重要，偏移量只可偏向某一方面幾微米。

　　在設計網板穿孔時，常用方法是從晶圓凸起規格進行逆向設計。根據這些信息，可以計算出所需焊膏的體積，而后用于設計穿孔的尺寸。在這個階段，必需全面了解穿孔的面墻比效果。在理想狀況下，最薄網板的最大穿孔并具有最大的穿孔間距，可實現最佳工藝，但無可避免地要作出一些折衷。

　　根據廣泛的研究，焊膏傳移效率曲線的生成可為網板設計人員提供協助。圖5所示為相對于穿孔面墻比和回流焊凸起共面性結果的焊膏轉移效率。這個圖表清楚顯示穿孔的面墻比必須超過0.6，以實現工藝的可重復性。隨著面墻比增加，整個工藝將變得更加穩定。

　　圖5：焊膏轉移效率與穿孔的面墻比有關，并影響回流焊凸起的共面性。

　　設計晶圓凸起網板是高技能的工作，涉及多個相互影響的參數，如網板厚度、穿孔尺寸、形狀及其它因素，包括會影響工藝的定向和定位。設計人員需要全面了解這項工藝的各個方面，以提供最佳的網板產品。隨著行業轉向使用300mm晶圓，間距減小至120微米，晶圓凸起工藝將進一步給網板技術帶來挑戰。(圖6和7)

　　圖6：用于300mm晶圓的最新晶圓凸起網板可容納200多萬個穿孔！

　　圖7：圖6所示網板的特寫，穿孔面積為110平方微米，間距為150微米。

　　展望未來

　　目前，網板設計和制造技術已經發展至能夠滿足標準和精密SMT裝配兩方面的要求，而這趨勢將于可見的未來延續。SMT領域的一項挑戰是更廣泛混合元件的使用不斷增加，因此需要進行大型和小型材料涂敷。針對這個趨勢，網板供應商需要探索新的方法，突破目前的面墻比準則。

　　然而，晶圓凸起工藝將于來年對網板技術提出最大的挑戰?，F在，已有一些網板具有超過200萬個穿孔！而且今天先進的應用是在300mm晶圓上采用150微米間距，據國際半導體技術藍圖指出，到2017年間距將降至80微米。

　　要滿足這個需求所涉及的因素包括制造能力、圖樣對位精度和圖樣穩定性。目前的材料很可能已經達到極限。為了實現低于100微米間距，目光遠大的制造商可能需要開發全新的網板材料和制造技術，換句話說，網板技術的最新發展篇章還有待撰寫，請大家拭目以待。