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混合裝配技術中錫膏印刷工藝的優化
2010-06-08
DEK公司

DEK公司
Clive Ashmore,Mark Whitmore, Simon Clasper

 

引言

 
  和消費者一樣,都期待在給定的實際尺寸的產品上增加功能,當前,對於產品功能的永不停止的要求延伸到了可製造性設計(DFM)規則方面。

 


  單純的不管是製造複雜程度不斷增加和尺寸不斷減小的產品,還是製造板上有大型元器件的產品都不是問題,但是,如果要求這兩者兼有,便是讓人左右為難的挑戰。

 


  這一瓶頸已出現在表面貼裝領域(SMT),0.3mm CSP的出現正將引腳間距縮小到200微米以下,但是,要求裝配較大的遮罩和連接器,或者以其他方式裝配。複雜的高混合裝配的課題正橫亙在我們面前。
這是一系列提供複雜混合裝配解決方案技術文章中的第一篇,作者試圖在這裏進行討論。

 


  本文將研究如何通過優化“標準的”印刷工藝開始搭建可以解決圍繞複雜混合裝配問題的橋樑。

 


左右為難的挑戰


  在處理複雜高混合裝配時,圍繞印刷工藝的主要問題是面積比。圖1所示是與面積比相關的印刷問題。如圖1所示,成功地使用均一厚度的鋼網印刷的兩種元器件(一小一大),但大型元器件的回流焊點會遇到少錫的缺陷,因為印刷時沉積的錫膏量不足。為了克服這個問題,可以應用更厚的鋼網,但是,這將導致較小的元器件不能得到充分印刷而出現回流焊點少錫的現象。

 

 

 

 

圖1 複雜混合裝配印刷問題

 


  面積比模型的原理如圖2a和2b所示。面積比原理的各因素也如圖2a所示。從圖中可以看到,開孔面積與孔壁面積之比定義了面積比,譬如:鋼網的厚度是100微米,開孔大小是250微米,因此,面積比就是0.625,如果鋼網厚度降到75微米,孔壁面積也會隨之降低,其面積比將變成0.833。從這個簡單的例子中,我們可以看到怎樣通過調整鋼網的幾何設計來影響面積比。

 

 

 

 

圖2a和2b 面積比計算,傳輸效率結果

 


  面積比本身是沒有意義的一個數值,圖2b顯示出面積比如何影響錫膏的釋放,從這一點上講,它對於印刷工藝有重大意義。

 


  從圖2b我們可以看到,面積比在0.66以下時,錫膏傳輸效率和面積比呈線性關係,這一點以後的曲線為非線性曲線,並顯示傳輸效率上升趨勢明顯減弱;因此,現在我們能夠理解當設計鋼網時,為什麼作為經驗值將面積比設定在0.66或以上(IPC7525)。  

 


挑戰


  因此,此技術競爭焦點是要提升面積比在0.66以下時孔的傳輸效率,也就是在較厚的鋼網上讓較小的孔實現成功的印刷並完全滿足混合裝配的要求。

 


設置
 

  一台全自動印刷設備通過一塊標準100微米厚的激光切割的不銹鋼鋼網,用於印刷錫膏,鋼網的開孔設計見圖3a和3b所示。鋼網設計可以分析標準的表面貼裝元件(遵循IPC7525A)和不同的傳輸效率範圍。在整個研究中基板採用的是一套編好號的鋁板,其表面塗成了黑色,在印刷過程中基板按編號順序印刷。

 

 

 

 

 

圖3a 所印刷的器件及其位置

 

 

圖3b 傳輸效率設計陣列

 


  印刷設備、鋼網、刮刀、夾具、錫膏和操作員在整個研究中都保持一致,以減少變數。 


鋼網設計

 


  為獲取必須的數據,鋼網的設計涉及到應用所有類型的器件,表1a所列是器件類型和對應的面積比。為了充分觀察每個試驗的工藝能力,而應用了一個遞減的開孔陣列,表1b列出了開孔尺寸和對應的面積比。
這就是鋼網設計的意圖,可以獲得相應試驗所對應的一系列傳輸效率。

 

 

 

 

表1a 鋼網設計(SMT)

 

表1b 鋼網設計 (開孔遞減陣列


  試驗在印刷工藝中有許多顯著的因素影響到工藝結果。在本次研究中這些影響因素包括印刷速度、印刷壓力和刮刀角度。

 

  本次研究中使用的刮刀為45度刀片,寬度為6mm(伸出刀夾部分),60度刀片寬度為6mm(伸出刀夾部分)和60度刀片寬度為15mm(伸出刀夾部分)。15mm的刮刀寬度會帶來不一致的結果,刮刀角度依賴於印刷壓力。通過將6mm寬的刮刀與15mm寬的刮刀進行比較,可獲得其結果。

 


  表2列出了整個研究過程中的印刷參數,所有其他的參數未做調整。

 

 

 

表2 試驗概述

 


  其他的工藝參數根據先前的準備工作來設定。

 

研究活動步驟

 


  為了保證在同等條件下實施印刷工藝,因此,須遵循下面的步驟。

 


  每次印刷前準備同一批次的錫膏,並保證施加到鋼網上的錫膏量一致。印刷機處於溫度可控的房間內,在研究過程中,環境條件保持一致。所有印刷中使用相同的刮刀片(容許刀夾不同以變換印刷角度),並在印刷之前校正刮刀。為了保證整個研究過程以同樣的“標準”設置,研究過程中使用表3列出的儲存物料。印刷在板上的錫膏用3D系統和試算表來測量和分析大量的數據。

 

 

 

 

表3 整個研究中所使用的物料

 


  校正刮刀。為了保證整個研究過程以同樣的“標準”設置,研究過程中使用表3列出的儲存物料。印刷在板上的錫膏用3D系統和試算表來測量和分析大量的數據。

 


  為了確認印刷工藝處於穩定狀態,先印刷第一到第四塊板,並撤掉這四塊板,只測量隨後連續印刷的10塊板。只改變印刷速度,印刷壓力和印刷角度,遵循上述方法進行研究。

 


  圖3a顯示的是在本次研究中所印刷的器件及其位置;圖3b顯示的是傳輸效率陣列設計。這種分佈技術可以幫助弄清楚前面所提及的面積/傳輸效率之間的關系,在分析研究結果之前,回顧一下歷史的傳輸效率曲線有一定幫助,可以將本次研究所獲得的數據和其進行比較。

 


  圖4顯示的是早期的傳輸效率曲線。可以看到其中包括要求最低的傳輸效率曲線,一般的經驗規則是傳輸效率要高於75%,如果低於此值則表示工藝較差或者失控。

 

 

 

 

圖4 早期的傳輸效率曲線

 


  從歷史數據中我們可以看出傳輸效率為75%的孔的尺寸是225微米。觀察到的這個數據將用於下面的結果分析中。

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