在表面貼裝裝配領(lǐng)域，網(wǎng)板是實現(xiàn)精確和可重復焊膏涂敷的關(guān)鍵所在。由于焊膏透過網(wǎng)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(wǎng)板設(shè)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(xiàn)最少缺陷的高良率工藝的關(guān)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(shù)，網(wǎng)板技術(shù)也出現(xiàn)顯著的進步。今天，供應(yīng)商可利用多種材料和制造技術(shù)設(shè)計網(wǎng)板，以滿足最具挑戰(zhàn)性的裝配技術(shù)趨勢：精密間距技術(shù)、元件小型化和密集型線路板。

　　此外，網(wǎng)板技術(shù)現(xiàn)應(yīng)用于全系列批量擠壓印刷材料。由于網(wǎng)板設(shè)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(shù)的涌現(xiàn) (并將繼續(xù)涌現(xiàn))，使印刷平臺和網(wǎng)板技術(shù)進入各式各樣的應(yīng)用領(lǐng)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(wǎng)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(wǎng)板材料和制造

　　廣泛使用的網(wǎng)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(wǎng)板制造技術(shù)包括化學蝕刻、激光切割和電鑄技術(shù)。簡要探討這些材料和工藝，便會發(fā)現(xiàn)制造商可從種類廣泛的網(wǎng)板中選擇，以滿足特定的應(yīng)用需求。

　　以往，常用的低成本網(wǎng)板制造方法是化學蝕刻，這是一項減成工藝，使用光刻技術(shù)確定穿孔圖樣，然后同時在網(wǎng)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(shè)計，在朝向基底的網(wǎng)板一側(cè)生成稍大的穿孔。

　　這項制造技術(shù)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。化學蝕刻適用于大型穿孔/粗間距應(yīng)用，但無法滿足今天0.5mm以下間距應(yīng)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(yīng)用的網(wǎng)板制造工藝。激光切割網(wǎng)板可直接從Gerber數(shù)據(jù) (或其它格式數(shù)據(jù)) 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(shù)控) 激光切割則直接由Gerber數(shù)據(jù)驅(qū)動，生成高度精確的可重復網(wǎng)板穿孔。這種精確技術(shù)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(diào)整激光的強度，可以在網(wǎng)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(shù)已將此條紋減至最少，但是，如果特定應(yīng)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(shù)相反，電鑄方法是加成工藝，電鑄網(wǎng)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(yīng)用的電鑄網(wǎng)板。

　　在過去五年中，以塑料作為網(wǎng)板材料已引起相當?shù)年P(guān)注。同時，已經(jīng)證明可以使用聚合物箔片制造標準的SMT網(wǎng)板，并已應(yīng)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(yōu)勢在于可以制成厚度至少為8mm的網(wǎng)板，實現(xiàn)新的工藝技術(shù)。

　　使用標準CNC加工技術(shù)制造這類網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)板底側(cè)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(wǎng)板生成一系列貼片膠膠點

　　圖3：塑料網(wǎng)板的底側(cè)具有挖切形狀，可配合線路板上的元件。

　　設(shè)計準則和能力

　　網(wǎng)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(zhì)量對于網(wǎng)板設(shè)計的成功至關(guān)重要，尤其是細間距和超細間距應(yīng)用，需要非常精密地涂敷很少量的材料。可使用面墻比 (開孔面積除以開孔墻壁面積) 以及寬高比 (開孔寬度除以網(wǎng)板厚度) 等參數(shù)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(yīng)當大于0.66，而寬高比應(yīng)大于1.5。根據(jù)此項準則設(shè)計穿孔時，需要考慮各種網(wǎng)板制造技術(shù)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(wǎng)板。

　　面墻比對于網(wǎng)板設(shè)計人員更為重要，這與最終的焊膏脫模直接相關(guān)。在印刷過程中，當網(wǎng)板與基底分離時，反方向的表面張力會發(fā)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(wǎng)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(xiàn)有效焊膏轉(zhuǎn)移的可能性將會提高。隨著比例降低至66%以下，焊膏轉(zhuǎn)移效率將同時下降且印刷質(zhì)量也變得不穩(wěn)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(jīng)證實能提高焊膏轉(zhuǎn)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(shù)的考慮因素。對于間距小于0.5mm的應(yīng)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(yōu)缺點，但都可生成高質(zhì)量、高精度的精密網(wǎng)板。

　　激光工藝無需圖紙，因而減少了失配準問題。雖然庫存網(wǎng)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(wǎng)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(yīng)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(shù)目也是一個決定性因素。激光切割是串行工藝，所以穿孔數(shù)目增加，制造時間也隨之延長，這會影響網(wǎng)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(shù)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(yīng)用的當然技術(shù)，而目前，晶圓凸起應(yīng)用的穿孔數(shù)目即將超過200萬！

　　擴展功能

　　塑料網(wǎng)板材料的應(yīng)用進一步增加網(wǎng)板設(shè)計人員可用的工具種類，能在網(wǎng)板頂面制造步進穿孔并在網(wǎng)板底面安排凹窩，這是擴展基本網(wǎng)板印刷工藝功能的最新進步。根據(jù)材料的不同性質(zhì)，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(chǎn)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(wǎng)板印制到基底上。因為材料完全封閉在印刷系統(tǒng)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(wǎng)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(jié)果，幾乎所有電子裝配材料均可使用正確設(shè)計的網(wǎng)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(shè)備。印刷頭在網(wǎng)板上進行一次橫向運動，即可填充任何數(shù)量的穿孔，即使最高I/O數(shù)目也不會在高速、大批量裝配生產(chǎn)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(shè)備平臺相同。只需改變網(wǎng)板，或者使用封閉印刷頭，網(wǎng)板印刷機就可以根據(jù)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(wǎng)板印刷應(yīng)用中，晶圓凸起也是要求最嚴格的應(yīng)用之一。在這項工藝中，使用了標準網(wǎng)板印刷技術(shù)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(jié)焊墊上。在后續(xù)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(jié)構(gòu)。

　　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(xù)的回流焊工藝中，焊膏將拉回至晶圓粘結(jié)焊墊，形成單個焊料凸起。

 　　雖然這項技術(shù)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(wǎng)板設(shè)計是整項工藝的關(guān)鍵。然而，制作設(shè)計優(yōu)良的網(wǎng)板穿孔，獲得無缺陷印刷結(jié)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(wǎng)板，切割技術(shù)必須能夠生成數(shù)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(shè)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(shè)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(chǎn)生橋接缺陷。根據(jù)經(jīng)驗法則，穿孔寬度不應(yīng)小于網(wǎng)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(wǎng)板特定區(qū)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(wǎng)板切割技術(shù)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(shè)計網(wǎng)板穿孔時，常用方法是從晶圓凸起規(guī)格進行逆向設(shè)計。根據(jù)這些信息，可以計算出所需焊膏的體積，而后用于設(shè)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(wǎng)板的最大穿孔并具有最大的穿孔間距，可實現(xiàn)最佳工藝，但無可避免地要作出一些折衷。

　　根據(jù)廣泛的研究，焊膏傳移效率曲線的生成可為網(wǎng)板設(shè)計人員提供協(xié)助。圖5所示為相對于穿孔面墻比和回流焊凸起共面性結(jié)果的焊膏轉(zhuǎn)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(xiàn)工藝的可重復性。隨著面墻比增加，整個工藝將變得更加穩(wěn)定。

　　圖5：焊膏轉(zhuǎn)移效率與穿孔的面墻比有關(guān)，并影響回流焊凸起的共面性。

　　設(shè)計晶圓凸起網(wǎng)板是高技能的工作，涉及多個相互影響的參數(shù)，如網(wǎng)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(shè)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(wǎng)板產(chǎn)品。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)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(wǎng)板技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。(圖6和7)

　　圖6：用于300mm晶圓的最新晶圓凸起網(wǎng)板可容納200多萬個穿孔！

　　圖7：圖6所示網(wǎng)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(wǎng)板設(shè)計和制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)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(xù)。SMT領(lǐng)域的一項挑戰(zhàn)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(wǎng)板供應(yīng)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(wǎng)板技術(shù)提出最大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，已有一些網(wǎng)板具有超過200萬個穿孔！而且今天先進的應(yīng)用是在300mm晶圓上采用150微米間距，據(jù)國際半導體技術(shù)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(wěn)定性。目前的材料很可能已經(jīng)達到極限。為了實現(xiàn)低于100微米間距，目光遠大的制造商可能需要開發(fā)全新的網(wǎng)板材料和制造技術(shù)，換句話說，網(wǎng)板技術(shù)的最新發(fā)展篇章還有待撰寫，請大家拭目以待。