网板技术的现状及未来展望

　　在表面贴装装配领域，网板是实现精确和可重复焊膏涂敷的关键所在。由于焊膏透过网板穿孔印刷，形成固定元件位置的焊膏和胶点，然后在回流焊期间将元件牢固粘接在基底上。网板设计 — 其组成成份和厚度及其穿孔的大小和形状 — 最终会决定胶点的大小、形状和定位，这是实现最少缺陷的高良率工艺的关键，缺陷可以包括焊膏不足或错位等。

　　自80年代以来，表面贴装成为主流装配技术，网板技术也出现显著的进步。今天，供应商可利用多种材料和制造技术设计网板，以满足最具挑战性的装配技术趋势：精密间距技术、元件小型化和密集型线路板。

　　此外，网板技术现应用于全系列批量挤压印刷材料。由于网板设计人员已深入了解穿孔尺寸和形状对于材料沉积的影响，促使新技术的涌现 (并将继续涌现)，使印刷平台和网板技术进入各式各样的应用领域，如贴片胶涂敷和晶圆凸起。

　　无论使用何种材料或制造工艺，网板主要有两项功能。第一是确保涂敷材料精确置放在基底上，如焊膏、助焊剂或密封剂；第二是确保形成大小和形状适合的胶点。

　　网板材料和制造

　　广泛使用的网板材料是金属，主要为不锈钢和镍。近年来，多种塑料材料也渐为人所接受。网板制造技术包括化学蚀刻、激光切割和电铸技术。简要探讨这些材料和工艺，便会发现制造商可从种类广泛的网板中选择，以满足特定的应用需求。

　　以往，常用的低成本网板制造方法是化学蚀刻，这是一项减成工艺，使用光刻技术确定穿孔图样，然后同时在网板两边使用蚀刻剂形成穿孔。为了获得具有梯形面壁的穿孔以提高焊膏脱模性能，可进行特别设计，在朝向基底的网板一侧生成稍大的穿孔。

　　这项制造技术具有某些固有缺陷——双面蚀刻会形成刀缘穿孔轮廓，以及“欠蚀刻”和“过蚀刻”情况。为了克服这些缺陷，可以进行电解抛光，在蚀刻后除去刀缘，使穿孔墙壁变得光滑。化学蚀刻适用于大型穿孔/粗间距应用，但无法满足今天0.5mm以下间距应用的要求。

　　为了满足细间距和提高元件密度的需求，激光切割成为更广泛应用的网板制造工艺。激光切割网板可直接从Gerber数据 (或其它格式数据) 生成，无需进行多个光刻工艺步骤。这可显著减少图像错位的机会。CNC (计算机数控) 激光切割则直接由Gerber数据驱动，生成高度精确的可重复网板穿孔。这种精确技术可使穿孔尺寸精度达到 ±5 微米，即使在大印刷面积下亦然。

　　激光本身是独特的灵活工具，通过在制造过程中调整激光的强度，可以在网板表面生成高对比度基准，而无需进行充填。而且，这项特性有助于提高制造工艺的精度。利用这项工艺的固有特性，可生成具有梯形横截面的穿孔，改善焊膏脱模。但有人担忧激光会在穿孔墙壁上留下特有的“细条纹”表面 (图1)。

　　图1：激光切割穿孔具有特别的条纹标记

　　新的激光切割技术已将此条纹减至最少，但是，如果特定应用需要光滑的孔壁表面，可以使用电子抛光方法，甚至在切割工序后电镀激光切割的穿孔。

　　与化学蚀刻和激光切割制造技术相反，电铸方法是加成工艺，电铸网板通过电镀材料在心轴上电解沉积而“生长”。电镀材料通常为镍，心轴带有穿孔图案的负性、光刻胶图像。这项工艺可生成非常精密的、孔壁光滑的穿孔，带有自然的锥度，无需附加的精整工艺。这种非常精密的工艺可生成适用于超精密间距应用的电铸网板。

　　在过去五年中，以塑料作为网板材料已引起相当的关注。同时，已经证明可以使用聚合物箔片制造标准的SMT网板，并已应用于贴片胶印刷，这类材料并获得人们的接纳。使用塑料的主要优势在于可以制成厚度至少为8mm的网板，实现新的工艺技术。

　　使用标准CNC加工技术制造这类网板，在塑料基底上钻制不同尺寸的穿孔，可以使用单一厚度的网板在单次印刷行程中，印刷高度不同的贴片胶胶点 (图2)。极高的厚度还允许在网板底侧挖切并布置，以配合先前置放的元件和弯曲引线 (图3)。

　　　　图2：可使用单一厚度的塑料网板生成一系列贴片胶胶点

　　图3：塑料网板的底侧具有挖切形状，可配合线路板上的元件。

　　设计准则和能力

　　网板穿孔的大小和形状决定着涂敷到基底上材料的体积、一致性和形状。因此，严格控制穿孔质量对于网板设计的成功至关重要，尤其是细间距和超细间距应用，需要非常精密地涂敷很少量的材料。可使用面墙比 (开孔面积除以开孔墙壁面积) 以及宽高比 (开孔宽度除以网板厚度) 等参数确定合适的穿孔尺寸。

　　对于合格的焊膏脱模性能，一般准则是面墙比应当大于0.66，而宽高比应大于1.5。根据此项准则设计穿孔时，需要考虑各种网板制造技术的特点，例如，对于化学蚀刻工艺，宽高比难以达到1.5以下；而激光切割和电铸工艺可以制造穿孔宽高比为1:1的网板。

　　面墙比对于网板设计人员更为重要，这与最终的焊膏脱模直接相关。在印刷过程中，当网板与基底分离时，反方向的表面张力会发生作用。这些力量决定焊膏是进入所印至的焊垫，还是仍旧粘在网板穿孔的墙壁上。

　　如果焊垫面积超过穿孔墙壁表面积的66%，实现有效焊膏转移的可能性将会提高。随着比例降低至66%以下，焊膏转移效率将同时下降且印刷质量也变得不稳定。自然地，穿孔墙壁的光洁度会影响这些效率水平。在制造过程对激光切割穿孔进行电解抛光和/或电镀，已经证实能提高焊膏转移效率。同样地，电铸工艺形成的光滑穿孔墙壁也可提高焊膏脱模效率。

　　元件间距和穿孔密度也是挑选合适制造技术的考虑因素。对于间距小于0.5mm的应用，选择范围局限于激光切割或电铸。虽然两种方法各有其优缺点，但都可生成高质量、高精度的精密网板。

　　激光工艺无需图纸，因而减少了失配准问题。虽然库存网板的厚度有限，激光工艺的切割厚度范围可为50至500微米。相对而言，电铸网板的厚度增量可控制为2.5微米，总体厚度范围为25至300微米。电铸穿孔方法可以准确地复制芯轴的光刻胶表层，而无需进一步加工。然而，对于超精密应用，激光切割穿孔可能需要进一步处理以使穿孔墙壁变得光滑。

　　最后，穿孔数目也是一个决定性因素。激光切割是串行工艺，所以穿孔数目增加，制造时间也随之延长，这会影响网板的最终成本。电铸加工则可在一次工艺过程中形成全部穿孔，所以穿孔数目对于成本的影响不大。这使得电铸工艺成为晶圆凸起等高密度应用的当然技术，而目前，晶圆凸起应用的穿孔数目即将超过200万！

　　扩展功能

　　塑料网板材料的应用进一步增加网板设计人员可用的工具种类，能在网板顶面制造步进穿孔并在网板底面安排凹窝，这是扩展基本网板印刷工艺功能的最新进步。根据材料的不同性质，即其粘性和流动特性，可以生成不同尺寸和形状的穿孔，用于生产不同体积的胶点。

　　第二项扩展是封闭印刷头，可将多种材料通过网板印制到基底上。因为材料完全封闭在印刷系统中，所以无需考虑材料运送、变干、湿气吸收及浪费等问题。

　　这两项进步使得网板印刷工艺可在需要时加到装配工艺中，置于贴装不同类型元件之前或之后。结果，几乎所有电子装配材料均可使用正确设计的网板，涂敷到裸基底或置放部分元件的基底上，速度大大高于最先进的点胶设备。印刷头在网板上进行一次横向运动，即可填充任何数量的穿孔，即使最高I/O数目也不会在高速、大批量装配生产线上造成瓶颈问题。

　　这项工艺本身具有固有的灵活性，因为基本的设备平台相同。只需改变网板，或者使用封闭印刷头，网板印刷机就可以根据需要，用于涂敷焊膏、贴片胶、助焊剂、密封剂或热界面材料。

　　晶圆凸起

　　在具吸引力的先进网板印刷应用中，晶圆凸起也是要求最严格的应用之一。在这项工艺中，使用了标准网板印刷技术在硅晶圆上直接印刷焊膏 (图4)。为了获得所需的凸起高度，焊膏需要加印到晶圆粘结焊垫上。在后续的回流焊过程中，焊膏拉回至可润湿的焊垫表面，形成坚固的焊料凸起结构。

　　图4：使用110平方微米穿孔，以150微米间距在晶圆上

　　直接印刷焊膏胶点，在后续的回流焊工艺中，焊膏将拉回至晶圆粘结焊垫，形成单个焊料凸起。

 　　虽然这项技术或许看起来简单，但是，要实施超精密的工艺需要极严格的控制。正确的网板设计是整项工艺的关键。然而，制作设计优良的网板穿孔，获得无缺陷印刷结果，回流焊后凸起的高度分布符合严格的要求，这决不是琐碎的工作，尤其对于间距小于250微米的全阵列焊垫布置。

　　对于晶圆凸起网板，切割技术必须能够生成数以千计很小的、紧密排列的穿孔，符合极为严格的尺寸和定位误差要求。最佳设计穿孔的微小偏移会引起很大的凸起高度变化，在极端情况下，这会造成装配芯片的开路。

　　使穿孔位置的精度尽量接近计算机生成设计图样的要求，也是极为重要。因为晶圆上的整个焊垫必须进行加印，以获得合格的回流焊凸起尺寸，在细间距焊垫上进行加印时，使穿孔准确定位并在相互之间留有足够空间是非常重要的，并不会产生桥接缺陷。根据经验法则，穿孔宽度不应小于网板厚度，以减少桥接缺陷。

　　有时，穿孔的开孔需要偏移，不与焊垫直接对中。视网板特定区域穿孔密度的不同，可能需要仅仅印刷焊垫的一部分。当考虑到晶圆上的焊垫尺寸可能小于100微米时，网板切割技术能够精密定位穿孔开孔非常重要，偏移量只可偏向某一方面几微米。

　　在设计网板穿孔时，常用方法是从晶圆凸起规格进行逆向设计。根据这些信息，可以计算出所需焊膏的体积，而后用于设计穿孔的尺寸。在这个阶段，必需全面了解穿孔的面墙比效果。在理想状况下，最薄网板的最大穿孔并具有最大的穿孔间距，可实现最佳工艺，但无可避免地要作出一些折衷。

　　根据广泛的研究，焊膏传移效率曲线的生成可为网板设计人员提供协助。图5所示为相对于穿孔面墙比和回流焊凸起共面性结果的焊膏转移效率。这个图表清楚显示穿孔的面墙比必须超过0.6，以实现工艺的可重复性。随着面墙比增加，整个工艺将变得更加稳定。

　　图5：焊膏转移效率与穿孔的面墙比有关，并影响回流焊凸起的共面性。

　　设计晶圆凸起网板是高技能的工作，涉及多个相互影响的参数，如网板厚度、穿孔尺寸、形状及其它因素，包括会影响工艺的定向和定位。设计人员需要全面了解这项工艺的各个方面，以提供最佳的网板产品。随着行业转向使用300mm晶圆，间距减小至120微米，晶圆凸起工艺将进一步给网板技术带来挑战。(图6和7)

　　图6：用于300mm晶圆的最新晶圆凸起网板可容纳200多万个穿孔！

　　图7：图6所示网板的特写，穿孔面积为110平方微米，间距为150微米。

　　展望未来

　　目前，网板设计和制造技术已经发展至能够满足标准和精密SMT装配两方面的要求，而这趋势将于可见的未来延续。SMT领域的一项挑战是更广泛混合元件的使用不断增加，因此需要进行大型和小型材料涂敷。针对这个趋势，网板供应商需要探索新的方法，突破目前的面墙比准则。

　　然而，晶圆凸起工艺将于来年对网板技术提出最大的挑战。現在，已有一些网板具有超过200万个穿孔！而且今天先进的应用是在300mm晶圆上采用150微米间距，据国际半导体技术蓝图指出，到2017年间距将降至80微米。

　　要满足这个需求所涉及的因素包括制造能力、图样对位精度和图样稳定性。目前的材料很可能已经达到极限。为了实现低于100微米间距，目光远大的制造商可能需要开发全新的网板材料和制造技术，换句话说，网板技术的最新发展篇章还有待撰写，请大家拭目以待。