金屬模板概述

　     杭州PCB抄板公司-緯亞電子：本文介紹，在為一個印刷工藝訂購模板(stencil)時，有一個明確的經(jīng)驗曲線。當(dāng)對其技術(shù)的熟悉幫助產(chǎn)生所希望結(jié)果的時候，模板變成在一個另外可變的裝配運作中的常量。
　　“好的模板得到好的印刷結(jié)果，然后自動化幫助使其結(jié)果可以重復(fù)。”

　　模板的采購不僅是裝配工藝的一步，它也是重要的一步。模板的主要功能是幫助錫膏的沉積(deposition)。目的是將準(zhǔn)確數(shù)量的材料轉(zhuǎn)移到光板(bare PCB)上準(zhǔn)確的位置。錫膏阻塞在模板上越少，沉積在電路板上就越多。因此，當(dāng)在印刷過程中某個東西出錯的時候，一個反應(yīng)是去責(zé)備模板。可是，應(yīng)該記住，還有比模板更重要的參數(shù)，可影響其性能。這些變量包括印刷機、錫膏的顆粒大小和黏度、刮刀的類型、材料、硬度、速度和壓力、模板從PCB的分離(密封效果)、阻焊層的平面度、和元件的平面性。

　　模板制造技術(shù)
　　模板制造的三個主要技術(shù)是，化學(xué)蝕刻(etch)、激光(laser)切割和電鑄成形(electroform)。每個都有獨特的優(yōu)點與缺點?；瘜W(xué)蝕刻和激光切割是遞減(substractive)的工藝、電鑄成形是一個遞增的工藝。因此，某些參數(shù)比較，如價格，可能是屬于蘋果與橘子 的比較。但，主要的考慮應(yīng)該是與成本和周轉(zhuǎn)時間相適應(yīng)的性能。

　　通常，當(dāng)用于緊的間距為0.025"以上的應(yīng)用時，化學(xué)腐蝕(chem-etched)模板和其它技術(shù)同樣有效。相反，當(dāng)處理0.020"以下的間距時，應(yīng)該考慮激光切割和電鑄成形的模板。雖然后面類型的模板對0.025"以上的間距也很好，但對其價格和周期時間可能就難說了。杭州PCB|杭州smt

　　化學(xué)蝕刻的模板
　　化學(xué)蝕刻的模板是模板世界的主要類型。它們成本低，周轉(zhuǎn)快?；瘜W(xué)蝕刻的不銹鋼模板的制作是通過在金屬箔上涂抗蝕保護劑、用銷釘定位感光工具將圖形曝光在金屬箔兩面、然后使用雙面工藝同時從兩面腐蝕金屬箔。由于工藝是雙面的，腐蝕劑穿過金屬所產(chǎn)生的孔，或開口，不僅從頂面和底面，而且也水平地腐蝕。該技術(shù)的固有特性是形成刀鋒、或沙漏形狀(圖一)。當(dāng)在0.020"以下間距時，這種形狀產(chǎn)生一個阻礙錫膏的機會，這個缺陷可以用叫做電拋光(electropolishing)的增強工藝來減小。

　　電拋光是一種電解后端工藝，“拋光”孔壁，結(jié)果表面摩擦力減少、錫膏釋放良好和空洞減少。它也可大大減少模板底面的清潔。電拋光是通過將金屬箔接到電極上并把它浸入酸浴中來達(dá)到的。電流使腐蝕劑首先侵蝕孔的較粗糙表面，對孔壁的作用大于對金屬箔頂面和底面的作用，結(jié)果得到“拋光”的效果(圖二)。然后，在腐蝕劑對頂面和底面作用之前，將金屬箔移走。這樣，孔壁表面被拋光，因此錫膏將被刮刀有效地在模板表面上滾動(而不是推動)，并填滿孔洞。

　　對于0.020"以下間距的改進錫膏釋放的另一個技術(shù)是梯形截面孔(TSA, trapezoidal section apertures)。

　　梯形截面孔(TSA)是在模板的接觸面(或底面)比刮刀面(或頂面)尺寸大0.001~0.002"的開孔(圖三)。梯形截面孔可用兩種方法來完成：通過選擇性修飾特殊元件，即雙面顯影工具的接觸面尺寸做得比刮刀面大；或者全部梯形截面孔的模板，它可以通過改變腐蝕劑噴霧的頂面與底面的壓力設(shè)定來產(chǎn)生。當(dāng)通過電拋光后，孔壁的幾何形狀可允許0.020"以下間距的錫膏釋放。另外，得到的錫膏沉積是一個梯形“磚”的形狀，它促進元件的穩(wěn)定貼裝和較少的錫橋。

　　向下臺階(stepdown)，或雙層面(dual-level)模板，可以容易地通過化學(xué)蝕刻技術(shù)產(chǎn)生。該工藝通過形成向下臺階的孔來減少所選擇的元件的錫量。例如，在同一設(shè)計中，多數(shù)0.050"~0.025"間距的元件(通常要求0.007"厚度的模板)和幾個 0.020"間距的QFP(quad flat pack)在一起，為了減少Q(mào)FP的錫膏量，這個0.007"厚度的模板可制出一個0.005"厚度的向下臺階區(qū)域。向下臺階應(yīng)該總是在模板的刮刀面，因為模板的接觸面必須在整個板上水平的(圖四)。盡管如此，推薦在QFP與周圍元件之間提供至少0.100"的間隔，以允許刮刀在模板兩個水平上完全地分配錫膏。

　　化學(xué)蝕刻的模板對于產(chǎn)生半蝕刻(half-etched)基準(zhǔn)點(fiducial)和字幕名稱也是好的。用于印刷機視覺系統(tǒng)對中的基準(zhǔn)點可以半蝕刻，然后填充黑色樹脂，提供視覺系統(tǒng)容易識別的、與光滑的金屬背景的對比度。包含零件編號、制作日期和其它有關(guān)信息的字幕塊也可以在模板上半蝕刻出來，用作標(biāo)識用途。兩個工藝都是通過只顯影雙面的一半來完成的。

　　化學(xué)蝕刻的局限。除了刀鋒形邊緣的缺陷之外，化學(xué)腐蝕的模板有另外一個局限：縱橫比(aspect ratio)。簡單地說，該比率限制按照手邊的金屬厚度可蝕刻的小孔開口。典型地，對于化學(xué)蝕刻的模板，縱橫比定義為1.5 : 1。因此，對于0.006"厚度的模板，小的孔開口將是0.009"(0.006"x1.5=0.009")。相比之下，對于電鑄成形的和激光切割的模板，縱橫比為1 : 1，即通過任何一種工藝可在0.006"厚度的模板上產(chǎn)生0.006"的開口。

　　電鑄成形(Electroforming)
　　電鑄成形，一種遞增而不是遞減的工藝，制作出一個鎳金屬模板，具有獨特的密封(gasketing)特性，減少錫橋和對模板底面清潔的需要。該工藝提供近乎完美的定位，沒有幾何形狀的限制，具有內(nèi)在梯形的光滑孔壁和低表面張力，改進錫膏釋放。

　　通過在一個要形成開孔的基板(或芯模)上顯影光刻膠(photoresist)，然后逐個原子、逐層地在光刻膠周圍電鍍出模板。正如圖五中所看到的，鎳原子被光刻膠偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個梯形結(jié)構(gòu)。然后，當(dāng)模板從基板取下，頂面變成接觸面，產(chǎn)生密封效果?？蛇x擇0.001 ~ 0.012" 范圍的連續(xù)的鎳厚度。該工藝比較理想地適合超密間距(ultra-fine-pitch)要求(0.008~0.016")或者其它應(yīng)用。它可達(dá)到1 : 1的縱橫比。

　　至于缺點，因為涉及一個感光工具(雖然單面)可能存在位置不正。如果電鍍工藝不均勻，會失去密封效果。還有，密封“塊”可能會去掉，如果清洗過程太用力。

　　激光切割的模板
　　直接從客戶的原始Gerber數(shù)據(jù)產(chǎn)生，激光切割不銹鋼模板的特點是沒有攝影步驟。因此，消除了位置不正的機會。模板制作有良好的位置精度和可再生產(chǎn)性。Gerber文件，在作必要修改后，傳送到(和直接驅(qū)動)激光機。物理干涉少，意味著出錯機會少。雖然有激光光束產(chǎn)生的金屬熔渣(蒸發(fā)的熔化金屬)的主要問題，但現(xiàn)在的激光切割器產(chǎn)生很少容易清除的熔渣。

　　也有問題出現(xiàn)，就是孔周圍出現(xiàn)“扇貝狀”的外形，造成孔壁粗糙。雖然這會增加表面摩擦力，但粗糙都是在垂直面的?？墒?，近的激光機器有內(nèi)部視覺系統(tǒng)，它允許金屬箔以無邊框的條件切割。這是很有意義的，因為模板的制作可以先通過化學(xué)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)間距的元件，然后激光切割密間距(fine-pitch)的元件。這種“混合”或結(jié)合的模板，得到兩種技術(shù)的優(yōu)點，降低成本和更快的周轉(zhuǎn)。另外，整個模板可以電拋光，以提供光滑的孔壁和良好的錫膏釋放。激光切割工藝的主要缺點是機器單個地切割出每一個孔。自然，孔越多，花的時間越長，模板成本越高。盡管如此，如果設(shè)計允許，可以通過利用混合模板工藝來降低成本。按照激光光束的焦點，梯形孔自動產(chǎn)生?？椎拈_口實際上從模板的接觸面切割；然后 模板翻轉(zhuǎn)以刮刀面朝上安裝。

　　激光技術(shù)是唯一允許現(xiàn)有的模板進行返工的工藝，如增強孔、放大現(xiàn)有的孔或增強基準(zhǔn)點。

　　其它進步
　　除了激光切割與電鑄成形之外，模板制作中的重要進步是電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。近如1995年，提供給模板制造商的多數(shù)圖片都是膠片正片(film positive)，一比一地配合光銅上的圖形。元件開孔的修飾涉及重復(fù)的攝影技巧和手工操作。該工藝也決定于所提供膠片正片的質(zhì)量。后，分步重復(fù)圖片是一項繁重的任務(wù)。

　　今天，通過調(diào)制解調(diào)器(modem)和電子郵件的電子文件傳送是即時提供圖形數(shù)據(jù)的常見方法。選擇性修飾、分步重復(fù)圖形、和幾何形狀轉(zhuǎn)換可以容易而且精確地完成。還有，因為消除了膠片正片的郵寄，周轉(zhuǎn)時間幾乎可以削減一整天。

　　有了Gerber文件的傳送，焊盤(pad)的幾何形狀可以從正方形和矩形改變成“home plate”、“格子”、“拉鏈”等形狀(圖六)，作為減少錫膏量的一種方法。通過修改幾何形狀來調(diào)節(jié)錫膏量，結(jié)合選擇正確的金屬板厚度，也可以消除臺階(stepdown)板的需要。單一厚度的模板，經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計，從工藝的角度看總是比雙級工具更好。

　　膠劑模板(Adhesive Stencil)
　　電子文件也使計算機輔助設(shè)計(CAD)操作員可容易地決定一個焊盤形狀的質(zhì)心點。有這個能力，設(shè)計文件中錫膏層可轉(zhuǎn)換成圓形和橢圓形。示元件尺寸而定(圖七)。因此，可制作一塊模板來“印刷”，而不是滴膠。印刷比滴膠快，將這種設(shè)備讓給其它工作上面。

　　返工模板
　　一個比較近期的創(chuàng)新發(fā)生在返修(rework)領(lǐng)域?，F(xiàn)在有“小型的”模板，專門設(shè)計用來返工或翻修單個元件?？少徺I單個元件的模板，如標(biāo)準(zhǔn)的QFP和球柵陣列(BGA)。當(dāng)然也有相應(yīng)的刮板，或小型刮刀。

　　價格比較

　　化學(xué)腐蝕模板的價格是有框架尺寸驅(qū)使的。雖然金屬箔是模板制作過程中的重點，但框架是單一的、貴的固定成本。其尺寸很大程度上由印刷機類型決定?？墒?，大多數(shù)印刷機可接納不止一個框架尺寸。(框架尺寸是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。多數(shù)模板供應(yīng)商保持一定庫存的標(biāo)準(zhǔn)框架，尺寸范圍從5x5" ~ 29x29"。因為空的金屬箔成本沒有框架的那么多，金屬厚度對價格沒有影響。并且由于所有孔都是同時蝕刻的，其數(shù)量也是無關(guān)緊要的。
　　電鑄成形模板價格主要是由金屬厚度驅(qū)使的。電鍍到所希望的厚度是主要的考慮：厚的模板比薄的模板成本低。
　　激光切割模板價格是按照設(shè)計的孔數(shù)。
　　激光一次切割一個孔，即孔越多，成本越高。還要加上所要求的框架尺寸。一個用激光切割密間距和化學(xué)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)間距元件的混合模板，當(dāng)要求許多開孔時，可能是成本有效的方法?？墒牵瑢τ谏儆?500個孔的設(shè)計，完全用激光切割整個模板也許更成本低。

　　結(jié)論
　　不管現(xiàn)代表面貼裝裝配的需求可能是什么，目前有一個模板技術(shù)滿足這個需求。一些討論過的創(chuàng)新，如梯形截面孔、混合模板和電子數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)勢，都在過去三或四年得到發(fā)展和改進。模板工業(yè)傳統(tǒng)上已經(jīng)不僅對新的要求快速反應(yīng)，而且在這些行進中的發(fā)展中走在前面。

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