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SMT钢板制造技术
日期:2009-10-29 19:39  点击:1140
  本文介绍,在为一个印刷制程订购钢板 (stencil) 时,有一个明确的经验曲线。当对其技术的熟悉帮助产生所希望结果的时候,钢板变成在一个另外可变的装配运作中的常量。

  “好的钢板得到好的印刷结果,然后自动化帮助使其结果可以重复。”

  钢板的采购不仅是装配制程的第一步,它也是最重要的一步。钢板的主要功能是帮助锡膏的沈积 (deposition) 。目的是将准确数量的材料转移到光板 (bare PCB) 上准确的位置。锡膏阻塞在钢板上越少,沈积在电路板上就越多。因此,当在印刷过程中某个东西出错的时候,第一个反应是去责备钢板。可是,应该记住,还有比钢板更重要的参数,可影响其性能。这些变量包括印刷机、锡膏的颗粒大小和黏度、刮刀的类型、材料、硬度、速度和压力、钢板从 PCB 的分离 ( 密封效果 ) 、阻焊层的平面度、和组件的平面性。

钢板制造技术
   钢板制造的三个主要技术是,化学蚀刻 (etch) 、激光 (laser) 切割和电铸成形 (electroform) 。每个都有独特的优点与缺点。化学蚀刻和激光切割是递减 (substractive) 的制程、电铸成形是一个递增的制程。因此,某些参数比较,如价格,可能是属于苹果与橘子的比较。但主要的考虑应该是与成本和周转时间相适应的性能。

  通常,当用于最紧的间距为 0.025" 以上的应用时,化学腐蚀 (chem-etched) 钢板和其它技术同样有效。相反,当处理 0.020" 以下的间距时,应该考虑激光切割和电铸成形的钢板。虽然后面类型的钢板对 0.025" 以上的间距也很好,但对其价格和周期时间可能就难说了。
 

化学蚀刻的钢板
   化学蚀刻的钢板是钢板世界的主要类型。它们成本最低,周转最快。化学蚀刻的不锈钢钢板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面制程同时从两面腐蚀金属箔。由于制程是双面的,腐蚀剂穿过金属所产生的孔,或开口,不仅从顶面和底面,而且也水平地腐蚀。该技术的固有特性是形成刀锋、或沙漏形状 ( 图一 ) 。当在 0.020" 以下间距时,这种形状产生一个阻碍锡膏的机会,这个缺陷可以用叫做电抛光 (electropolishing) 的增强制程来减小。

  电抛光是一种电解后端制程,“抛光”孔壁,结果表面摩擦力减少、锡膏释放良好和空洞减少。它也可大大减少钢板底面的清洁。电抛光是通过将金属箔接到电极上并把它浸入酸浴中来达到的。电流使腐蚀剂首先侵蚀孔的较粗糙表面,对孔壁的作用大于对金属箔顶面和底面的作用,结果得到“抛光”的效果 ( 图二 ) 。然后,在腐蚀剂对顶面和底面作用之前,将金属箔移走。这样,孔壁表面被抛光,因此锡膏将被刮刀有效地在钢板表面上滚动 ( 而不是推动 ) ,并填满孔洞。

  对于 0.020" 以下间距的改进锡膏释放的另一个技术是梯形截面孔 (TSA, trapezoidal section apertures) 。
梯形截面孔 (TSA) 是在钢板的接触面 ( 或底面 ) 比刮刀面 ( 或顶面 ) 尺寸大 0.001~0.002" 的开孔 ( 图三 ) 。梯形截面孔可用两种方法来完成 :通过选择性修饰特殊组件,即双面显影工具的接触面尺寸做得比刮刀面大;或者全部梯形截面孔的钢板,它可以通过改变腐蚀剂喷雾的顶面与底面的压力设定来产生。当通过电抛光后,孔壁的几何形状可允许 0.020" 以下间距的锡膏释放。另外,得到的锡膏沈积是一个梯形“砖”的形状,它促进组件的稳定贴装和较少的锡桥。

 

  向下台阶 (stepdown) ,或双层面 (dual-level) 钢板,可以容易地通过化学蚀刻技术产生。该制程通过形成向下台阶的孔来减少所选择的组件的锡量。例如,在同一设计中,多数 0.050"~0.025" 间距的组件 ( 通常要求 0.007" 厚度的钢板 ) 和几个 0.020" 间距的 QFP(quad flat pack) 在一起,为了减少 QFP 的锡膏量,这个 0.007" 厚度的钢板可制出一个 0.005" 厚度的向下台阶区域。向下台阶应该总是在钢板的刮刀面,因为钢板的接触面必须在整个板上水平的 ( 图四 ) 。尽管如此,推荐在 QFP 与周围组件之间提供至少 0.100" 的间隔,以允许刮刀在钢板两个水平上完全地分配锡膏。
 化学蚀刻的钢板对于产生半蚀刻 (half-etched) 基准点 (fiducial) 和字幕名称也是最好的。用于印刷机视觉系统对中的基准点可以半蚀刻,然后填充黑色树脂,提供视觉系统容易识别的、与光滑的金属背景的对比度。包含零件编号、制作日期和其它有关信息的字幕块也可以在钢板上半蚀刻出来,用作标识用途。两个制程都是通过只显影双面的一半来完成的。

  化学蚀刻的局限。除了刀锋形边缘的缺陷之外,化学腐蚀的钢板有另外一个局限:纵横比 (aspect ratio) 。简单地说,该比率限制按照手边的金属厚度可蚀刻的最小孔开口。典型地,对于化学蚀刻的钢板,纵横比定义为 1.5 : 1 。因此,对于 0.006" 厚度的钢板,最小的孔开口将是 0.009"(0.006"x1.5=0.009") 。相比之下,对于电铸成形的和激光切割的钢板,纵横比为 1 : 1 ,即通过任何一种制程可在 0.006" 厚度的钢板上产生 0.006" 的开口。

电铸成形 (Electroforming)
   电铸成形,一种递增而不是递减的制程,制作出一个镍金属钢板,具有独特的密封 (gasketing) 特性,减少锡桥和对钢板底面清洁的需要。该制程提供近乎完美的定位,没有几何形状的限制,具有内在梯形的光滑孔壁和低表面张力,改进锡膏释放。
通过在一个要形成开孔的基板 ( 或芯模 ) 上显影光刻胶 (photoresist) ,然后逐个原子、逐层地在光刻胶周围电镀出钢板。正如图五中所看到的,镍原子被光刻胶偏转,产生一个梯形结构。然后,当钢板从基板取下,顶面变成接触面,产生密封效果。可选择 0.001 ~ 0.012" 范围的连续的镍厚度。该制程比较理想地适合超密间距 (ultra-fine-pitch) 要求 (0.008~0.016") 或者其它应用。它可达到 1 : 1 的纵横比。

  至于缺点,因为涉及一个感光工具 ( 虽然单面 ) 可能存在位置不正。如果电镀制程不均匀,会失去密封效果。还有,密封“块”可能会去掉,如果清洗过程太用力。

激光切割的钢板
   直接从客户的原始 Gerber 数据产生,激光切割不锈钢钢板的特点是没有摄影步骤。因此,消除了位置不正的机会。钢板制作有良好的位置精度和可再生产性。 Gerber 文件,在作必要修改后,传送到 ( 和直接驱动 ) 激光机。物理干涉少,意味着出错机会少。虽然有激光光束产生的金属熔渣 ( 蒸发的熔化金属 ) 的主要问题,但现在的激光切割器产生很少容易清除的熔渣。

  也有问题出现,就是孔周围出现“扇贝状”的外形,造成孔壁粗糙。虽然这会增加表面摩擦力,但粗糙都是在垂直面的。可是,最近的激光机器有内部视觉系统,它允许金属箔以无边框的条件切割。这是很有意义的,因为钢板的制作可以先通过化学腐蚀标准间距的组件,然后激光切割密间距 (fine-pitch) 的组件。这种“混合”或结合的钢板,得到两种技术的优点,降低成本和更快的周转。另外,整个钢板可以电抛光,以提供光滑的孔壁和良好的锡膏释放。激光切割制程的主要缺点是机器单个地切割出每一个孔。自然,孔越多,花的时间越长,钢板成本越高。尽管如此,如果设计允许,可以通过利用混合钢板制程来降低成本。按照激光光束的焦点,梯形孔自动产生。孔的开口实际上从钢板的接触面切割;然后钢板翻转以刮刀面朝上安装。

  激光技术是唯一允许现有的钢板进行返工的制程,如增强孔、放大现有的孔或增强基准点。
 

其它进步
   除了激光切割与电铸成形之外,钢板制作中的最重要进步是电子数据转移。近如 1995 年,提供给钢板制造商的多数图片都是胶片正片 (film positive) ,一比一地配合光铜上的图形。组件开孔的修饰涉及重复的摄影技巧和手工操作。该制程也决定于所提供胶片正片的质量。最后,分步重复图片是一项繁重的任务。

  今天,通过调制解调器 (modem) 和电子邮件的电子文件传送是实时提供图形数据的最常见方法。选择性修饰、分步重复图形、和几何形状转换可以容易而且精确地完成。还有,因为消除了胶片正片的邮寄,周转时间几乎可以削减一整天。
 

  有了 Gerber 文件的传送,焊盘 (pad) 的几何形状可以从正方形和矩形改变成“ home plate ” 、“格子”、“拉链”等形状 ( 图六 ) ,作为减少锡膏量的一种方法。通过修改几何形状来调节锡膏量,结合选择正确的金属板厚度,也可以消除台阶 (stepdown) 板的需要。单一厚度的钢板,经过适当设计,从制程的角度看总是比双级工具更好。

胶剂钢板 (Adhesive Stencil)
   电子文件也使计算机辅助设计 (CAD) 可容易地决定一个焊盘形状的中心点。有这个能力,设计文件中锡膏层可转换成圆形和椭圆形。示组件尺寸而定 ( 图七 ) 。因此,可制作一块钢板来“印刷”,而不是滴胶。印刷比滴胶快,将这种设备让给其它工作上面。

返工钢板
   一个比较近期的创新发生在返修 (rework) 领域。现在有“小型的”钢板,专门设计用来返工或翻修单个组件。可购买单个组件的钢板,如标准的 QFP 和球栅数组 (BGA) 。当然也有相应的刮板,或小型刮刀。

价格比较

•  化学腐蚀钢板的价格是有框架尺寸驱使的。虽然金属箔是钢板制作过程中的重点,但框架是单一的、最贵的固定成本。其尺寸很大程度上由印刷机类型决定。可是,大多数印刷机可接纳不止一个框架尺寸。 ( 框架尺寸是工业标准 ) 。多数钢板供货商保持一定库存的标准框架,尺寸范围从 5x5" ~ 29x29" 。因为空的金属箔成本没有框架的那么多,金属厚度对价格没有影响。并且由于所有孔都是同时蚀刻的,其数量也是无关紧要的。

•  电铸成形钢板价格主要是由金属厚度驱使的。电镀到所希望的厚度是主要的考虑:厚的钢板比薄的钢板成本低。

•  激光切割钢板价格是按照设计的孔数。

  激光一次切割一个孔,即孔越多,成本越高。还要加上所要求的框架尺寸。一个用激光切割密间距和化学腐蚀标准间距组件的混合钢板,当要求许多开孔时,可能是成本有效的方法。可是,对于少于 2500 个孔的设计,完全用激光切割整个钢板也许更成本低。

结论
   不管现代表面贴装装配的需求可能是什么,目前有一个钢板技术满足这个需求。一些讨论过的创新,如梯形截面孔、混合钢板和电子数据传送的优势,都在过去三或四年得到发展和改进。钢板工业传统上已经不仅对新的要求快速反应,而且在这些行进中的发展中走在前面。

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