周峻霖，臧子昂，盧劍寒，李金寶，段元明

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

隨著微電子技術(shù)向小型化、高集成化方向發(fā)展，在國(guó)防高端應(yīng)用領(lǐng)域及微波、毫米波通信領(lǐng)域，錫焊微電子組件以大功率、散熱好等優(yōu)勢(shì)不斷獲得市場(chǎng)的青睞。

在表面貼裝工藝技術(shù)中，一般使用絲網(wǎng)印刷的方法進(jìn)行焊膏沉積。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，采用絲網(wǎng)印刷機(jī)，利用光繪底片等制作絲網(wǎng)掩模、金屬箔掩?；蚴峭ㄟ^(guò)AutoCAD版圖文件直接加工的激光不銹鋼掩模版來(lái)印刷焊膏圖形，一直是批量生產(chǎn)首選的方式。

焊膏接點(diǎn)的重要功能在于保證所有錫焊組裝基板的最終質(zhì)量。除了可提供強(qiáng)大的電氣聯(lián)接之外，它還能保證可靠的機(jī)械互聯(lián)。焊料的應(yīng)用是保證高質(zhì)量焊接點(diǎn)的關(guān)鍵所在，但它受到很多因素的影響。當(dāng)前印刷問(wèn)題是表面組裝工藝中最常見(jiàn)的問(wèn)題，約占到所有錫焊問(wèn)題的70%，其中大部分問(wèn)題為焊料圖形開(kāi)路、焊料不足和橋聯(lián)。工業(yè)大生產(chǎn)的趨勢(shì)使得這種焊料問(wèn)題更加充滿挑戰(zhàn)性。當(dāng)今電路板日益向高密度方向發(fā)展，使用更小尺寸及更細(xì)節(jié)距的元件進(jìn)行組裝，這就要求大、小元件都可以被緊密地組裝在一起?，F(xiàn)代生產(chǎn)者面臨著更復(fù)雜的生產(chǎn)問(wèn)題，更高質(zhì)量要求及生產(chǎn)最大程度自動(dòng)化，從而不僅提高工藝效率，同時(shí)使價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)性。在目前競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，不允許出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。

2 傳統(tǒng)焊膏絲網(wǎng)印刷技術(shù)及特點(diǎn)

使用橡膠刮板頭和金屬箔掩模版進(jìn)行焊料網(wǎng)印，是表面組裝技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)焊料沉積方法。不管自動(dòng)化技術(shù)如何發(fā)展，日趨復(fù)雜的掩模版焊料印刷技術(shù)仍然為大家所關(guān)注。引起這種關(guān)注的原因主要是印刷的靈敏度，同時(shí)事實(shí)上很多參數(shù)都對(duì)最終的結(jié)果有影響。這些參數(shù)包括：印刷速度、刮板頭類型、印刷角度和壓力，掩模版和待印刷PCB之間的距離，印后PCB板與掩模版脫開(kāi)的速度，從掩模版的底面進(jìn)行擦拭，對(duì)PCB板的支撐（特別是有雙面印刷的），以及掩模版的厚度和通孔的設(shè)計(jì)。為了保證印刷的質(zhì)量，這些參數(shù)中的每一個(gè)都必須仔細(xì)優(yōu)化。同時(shí)，在執(zhí)行一種新的印刷任務(wù)時(shí)，由于PCB板厚度不一，要使用一整套新參數(shù)。

使用掩模版進(jìn)行網(wǎng)印操作的局限之一是：焊料沉積的量很大程度上是由掩模版的厚度控制的。我們可以通過(guò)帶有臺(tái)階的掩模版來(lái)緩解這一問(wèn)題，但這種解決方案會(huì)加大額外的生產(chǎn)成本，同時(shí)增加技術(shù)的復(fù)雜程度。同時(shí)，一些限制條件也會(huì)附加于PCB板的設(shè)計(jì)，如“keep-out distances”（臺(tái)階區(qū)域的通孔和正常區(qū)域最近處通孔間的距離）參數(shù)比較難控制。然而，當(dāng)前生產(chǎn)商最常用的生產(chǎn)方式還是使用金屬箔掩模版生產(chǎn)。

3 全自動(dòng)焊膏噴印技術(shù)及其特點(diǎn)

全自動(dòng)焊膏噴印技術(shù)是一種相對(duì)較新的技術(shù)，它使用一種獨(dú)特的噴射機(jī)理將焊膏高速淀積到印刷電路板上。這種非接觸的印刷技術(shù)對(duì)PCB板不施加任何外力，卻能在PCB板上生成三維焊膏淀積結(jié)構(gòu)（比如說(shuō)焊料的小液滴可以相互疊加）。這種工藝是完全由軟件控制的，默認(rèn)的設(shè)置由CAD/計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)供給每一個(gè)加工元件。同時(shí)，用戶可以對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，比如焊膏的淀積量，焊膏覆蓋的區(qū)域，每一個(gè)焊盤、元件或封裝上焊膏淀積的高度和層數(shù)。

圖1 焊膏噴印機(jī)實(shí)物照片

這種無(wú)掩模版的焊膏涂布技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)可提供更快的回應(yīng)時(shí)間。焊膏噴印加工中，不需要耗費(fèi)時(shí)間進(jìn)行排序、等待掩模版清洗，因?yàn)樗械膰娪〕绦蚓鶠殡x線制備，調(diào)整設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)和備件更換時(shí)間也將最小化。同時(shí)，版圖更換和印刷調(diào)整的時(shí)間將變得非?？旖?、簡(jiǎn)單易行。

全自動(dòng)焊膏噴印技術(shù)由瑞典MYDATA automation AB自動(dòng)化公司研發(fā)，首臺(tái)噴印機(jī)（MY500型）于2007年投入使用，圖1為MY500型焊膏噴印機(jī)實(shí)物照片。

4 兩種焊膏印刷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中需要驗(yàn)證，與焊膏網(wǎng)印技術(shù)相比，使用焊膏噴印技術(shù)能否保證加工的結(jié)果耐久、可靠。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以客觀比較兩種加工方式的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。歐洲某大型微電子公司使用試驗(yàn)PCB板，對(duì)兩種焊膏加工方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。圖2是用于對(duì)比試驗(yàn)的用戶PCB板版圖示例。

圖2 對(duì)比試驗(yàn)的用戶PCB板版圖

此項(xiàng)研究進(jìn)行了約一周時(shí)間，對(duì)該公司按標(biāo)準(zhǔn)工藝加工的PCB板涂覆的焊膏量進(jìn)行測(cè)量。該研究總共包括12批產(chǎn)品，每批產(chǎn)品約14個(gè)PCB板。每一批中約有一半使用絲網(wǎng)印刷機(jī)加工，另一半采用焊膏噴印機(jī)完成加工（有兩批電路只使用了焊膏噴印工藝）。

這里使用到3種不同型號(hào)的絲網(wǎng)印刷機(jī)，以及3種不同厚度的掩模版。

表1 焊膏噴印技術(shù)與掩模版印刷技術(shù)試驗(yàn)對(duì)比

研究樣品生產(chǎn)中，使用了Koh Young技術(shù)公司三維焊膏體積測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，所有的測(cè)量工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成，測(cè)量之后PCB板被放入生產(chǎn)線繼續(xù)進(jìn)行加工。生產(chǎn)商同時(shí)還在元件組裝前/后，根據(jù)內(nèi)部嚴(yán)格的質(zhì)控程序，完成通常的產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)。Koh Young技術(shù)公司在三維測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)方面在國(guó)際上處于領(lǐng)導(dǎo)地位，使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)陰影測(cè)量技術(shù)，可完成100%三維漿料測(cè)量工作。

圖3 三維焊膏印刷質(zhì)量測(cè)量圖

該研究成果來(lái)自對(duì)100000處焊膏噴印的測(cè)量；通過(guò)對(duì)工藝加工結(jié)果進(jìn)行分析，在焊膏噴印中的5個(gè)主要影響因素為：整體噴印質(zhì)量、體積、可重復(fù)性、可預(yù)見(jiàn)性和加工精度。

通過(guò)以上分析及數(shù)據(jù)，可以判定加工的整體焊膏噴印質(zhì)量滿足要求。

既然可從可信任的可靠生產(chǎn)商處完成加工，所有生產(chǎn)的PCB板都應(yīng)保證質(zhì)量完好。生產(chǎn)者嚴(yán)格的質(zhì)控工藝，加工嚴(yán)格依照IPC的標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)加工中均加以施行，因此任何小錯(cuò)誤都會(huì)被挑出并修正。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)控和生產(chǎn)，所有PCB板在質(zhì)量檢驗(yàn)合格后會(huì)運(yùn)送給相應(yīng)的客戶使用。在滿足所有PCB板質(zhì)量均合格的前提下，再討論兩種焊膏印刷方法的區(qū)別。

5 兩種焊膏印刷技術(shù)的區(qū)別和特點(diǎn)

5.1 焊膏量的區(qū)別

兩種焊膏印刷技術(shù)的不同，在于在待印刷區(qū)域淀積的焊膏量不同。使用標(biāo)準(zhǔn)的掩模板印刷需要考慮到小面積元件需要少印些焊膏，而大面積元件需要多印些焊膏，兩者需要綜合考慮來(lái)設(shè)定印刷的參數(shù)。一般加工中傾向于根據(jù)重要的元件需要來(lái)確定焊膏印刷掩模版的厚度。同時(shí)有必要保證PCB板上每一個(gè)焊盤都充分淀積焊膏，以避免焊料不足或開(kāi)路問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，采用此種掩模加工方法，淀積的焊膏量都多于必需的量。

而使用焊膏噴印技術(shù)可以對(duì)加工的每一個(gè)焊盤進(jìn)行個(gè)性化淀積量設(shè)定。因此，每一個(gè)元件上的焊膏印刷都會(huì)優(yōu)化，而不需要再去印刷超過(guò)必需量的焊膏。

圖4是使用掩模板印刷技術(shù)和焊膏噴印技術(shù)的焊膏淀積量對(duì)比圖，通常來(lái)講，使用焊膏噴印機(jī)相比較絲網(wǎng)印刷機(jī)只使用了后者65%的焊膏量。

圖4 兩種技術(shù)焊膏淀積量對(duì)比圖

通過(guò)試驗(yàn)，我們了解到使用焊膏噴印機(jī)加工的所有批次電路焊膏量都較少。以某電路板為例，使用焊膏噴印機(jī)只需淀積原網(wǎng)印淀積量的55%即可。我們比較了10個(gè)不同的PCB板使用的焊膏淀積量平均值，焊膏噴印機(jī)只需淀積網(wǎng)印機(jī)淀積量的65%焊膏量即可。圖5為使用焊膏噴印機(jī)加工的三角形焊膏圖形。

圖5 使用焊膏噴印技術(shù)加工的三角形焊膏圖形

使用焊膏噴印技術(shù)，不僅可以控制焊膏淀積量，同時(shí)可以為每一焊盤設(shè)計(jì)個(gè)性化的焊膏印刷圖形。焊膏噴印機(jī)使用者還可以靈活調(diào)整加工的尺寸、位置、焊膏圖形和高度。這意味著淀積工藝可進(jìn)一步優(yōu)化，以消除焊點(diǎn)缺陷，同時(shí)加強(qiáng)焊接點(diǎn)的功效。例如，我們可以自由使用各種熱沉/散熱片設(shè)計(jì)，保證焊盤上適宜的焊膏覆蓋率和良好浸潤(rùn)性，或加工三角形的焊膏圖形，以避免中間的“船形”焊球問(wèn)題。

試驗(yàn)中使用兩種工藝方法加工70只PCB板，運(yùn)用絲網(wǎng)印刷機(jī)方式使用的焊膏總量為83g，而應(yīng)用焊膏噴印機(jī)使用的焊膏總量?jī)H為54g。而且，最終計(jì)算網(wǎng)印使用量時(shí)尚未將網(wǎng)印加工中需要的額外焊膏量考慮進(jìn)去，比如溢出及清洗掉的焊膏；但焊膏噴印機(jī)可以避免使用這些額外焊膏，因?yàn)樗鼞?yīng)用了焊膏噴印盒，可以瞬間完成加工區(qū)域的焊膏涂覆。

5.2 兩種工藝可重復(fù)性比較

對(duì)于試驗(yàn)中各批次中某些元件涂覆的焊膏量來(lái)說(shuō)，使用兩種技術(shù)的區(qū)別很有趣。對(duì)于一些重要元件，如細(xì)間距的BGAs和QFPs（球柵陣列封裝和四腳扁平封裝）元件，兩種方式的工藝可重復(fù)性結(jié)果是相似的，如圖6。

當(dāng)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷時(shí)，有可能這些重要元件將決定加工掩模版的厚度，因而保證了加工結(jié)果的一致性。實(shí)際上，當(dāng)考慮所有元件加工時(shí)，兩種技術(shù)也取得了相對(duì)近似的結(jié)果——在總共12個(gè)試驗(yàn)批次總量中，使用焊膏噴印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)容差有10批偏差較低。

圖6 加工BGA元件焊膏噴印量、網(wǎng)印量比較圖

但當(dāng)我們加工到尺寸很小的元件時(shí)，使用網(wǎng)印機(jī)加工的一致性就會(huì)差一些，如圖7。對(duì)于0603元件涂覆的焊膏來(lái)說(shuō)，可以看到根據(jù)3個(gè)不同厚度掩模版獲得了清晰可見(jiàn)的3個(gè)不同峰值；同樣用絲網(wǎng)印刷方式加工的0805元件批次則有2個(gè)峰值，效果并不一致，對(duì)于這種現(xiàn)象的解釋只能是：這些元件是歸入不同批次的，使用的掩模版厚度不同，而這些元件涂覆的焊膏量是考慮到同一塊PCB板上其他元件需求量之后折衷的優(yōu)化量。

而使用焊膏噴印方式卻獲得了一致的加工結(jié)果。因?yàn)槭褂煤父鄧娪》绞讲挥脫?dān)心加工元件的多樣性，每一個(gè)元件區(qū)域焊膏噴印量都已經(jīng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化了。因此，即使是加工小尺寸元件時(shí)，應(yīng)用焊膏噴印的方法也可在所有批次上獲得一致性較好的工藝可重復(fù)性。

圖7 加工小尺寸元件時(shí)兩種工藝可重復(fù)性比較

5.3 兩種工藝可預(yù)測(cè)性比較

當(dāng)把實(shí)際焊膏噴印量與預(yù)計(jì)使用量相比較時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)印加工技術(shù)加工的精度只是一般而已，而且還未將很多印刷參數(shù)影響計(jì)算在內(nèi)。

而焊膏噴印機(jī)，由于實(shí)際在元件焊膏涂覆區(qū)域涂布量與設(shè)定值相當(dāng)接近，可以取得相當(dāng)一致的加工結(jié)果。有多個(gè)因素可以證明焊膏噴印機(jī)的加工高效，同時(shí)使用該方式時(shí)操作員人工干預(yù)較少。因?yàn)轭A(yù)先編程階段，焊膏的涂布量實(shí)際已經(jīng)設(shè)定好了，而此后的焊膏送給、加工過(guò)程全部由軟件控制。該設(shè)備同時(shí)還是一個(gè)閉合的系統(tǒng)，所有噴射的焊膏圖形在PCB上會(huì)按設(shè)定涂覆于相應(yīng)區(qū)域。同時(shí)，因噴印技術(shù)是非接觸式加工，PCB板即使有彎曲形變也不受影響。圖8為使用焊膏噴印技術(shù)加工時(shí)的實(shí)際焊膏量與預(yù)計(jì)的焊膏量標(biāo)稱值比較圖。

圖8 焊膏噴印工藝實(shí)際焊膏量與預(yù)計(jì)焊膏量標(biāo)稱值比較

從圖8中我們可以看出，預(yù)計(jì)焊膏噴印量與實(shí)際噴印機(jī)使用的焊膏量非常接近。

當(dāng)使用網(wǎng)印方式來(lái)印刷焊膏時(shí)，不管是操作員人為因素，還是技術(shù)方面的問(wèn)題，都會(huì)影響焊膏使用的總量。例如，掩模版的質(zhì)量，PCB印刷時(shí)的支撐物，刮板頭的壓力及焊膏模具等都可以影響到焊膏量。同時(shí)，焊膏一般在掩模版升起的時(shí)候，會(huì)傾向于粘附在掩模版小孔中，特別是在加工微細(xì)間距電路時(shí)尤為明顯。因此必須在掩模版升起之前頻繁地清潔、振動(dòng)掩模版，這樣也相應(yīng)地加入了很多人工干預(yù)及出錯(cuò)因素。

5.4 兩種工藝加工精度比較

在焊膏印刷過(guò)程中，印刷精度無(wú)疑是很重要的，這樣才能保證得到一個(gè)好的焊點(diǎn)。在試生產(chǎn)過(guò)程中，我們觀察到兩種加工方式獲得的結(jié)果非常相近。圖9為使用焊膏噴印機(jī)加工方式、網(wǎng)印加工方式獲得的焊膏圖形偏移對(duì)比圖。

圖9 使用焊膏噴印機(jī)加工方式、網(wǎng)印加工方式焊膏圖形偏移對(duì)比圖

根據(jù)焊膏噴印機(jī)非接觸式的工作原理，同時(shí)使用PCB板的對(duì)準(zhǔn)符（PCB板上的參考記號(hào)用于焊膏噴印機(jī)圖形識(shí)別），說(shuō)明運(yùn)用該加工方式時(shí)PCB板的質(zhì)量不會(huì)影響焊膏印刷的精確性。該方式加工精度是由設(shè)備軟件控制的X-Y軸運(yùn)動(dòng)的噴印原理確定的。

而網(wǎng)印精度直接受PCB板或整板的質(zhì)量影響，影響因素包括：PCB板如何切割，PCB板的拉伸、翹曲以及焊膏印刷模的質(zhì)量等。同時(shí)，掩模版的質(zhì)量及掩模版在加工中對(duì)準(zhǔn)的好壞也是決定網(wǎng)印加工精度的兩個(gè)重要額外因素。

6 結(jié)束語(yǔ)

每一個(gè)加工元件都有自己的特性，如導(dǎo)線的幾何結(jié)構(gòu)，焊區(qū)圖形及質(zhì)量等特性，會(huì)對(duì)焊區(qū)焊膏淀積量提出不同要求。而獲取正確的焊膏淀積量，并使每個(gè)焊盤獲得充分覆蓋，對(duì)于整個(gè)PCB板中加工高質(zhì)量的焊接點(diǎn)是至關(guān)重要的。

使用金屬箔做掩模，它仍然是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。正如本研究所示，我們可以使用絲網(wǎng)印刷方式來(lái)獲取高質(zhì)量的焊膏印刷結(jié)果，但加工中的參數(shù)必須有一些折中。同時(shí)，由于有很多網(wǎng)印參數(shù)綜合作用，要優(yōu)化某種產(chǎn)品的加工將耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，也需要操作員有豐富的經(jīng)驗(yàn)。不管是使用哪種加工工藝，如果涉及參數(shù)和加工步驟越多，越難以保證加工的一致性。同時(shí)，如操作員手工操作增加，也會(huì)提高加工錯(cuò)誤發(fā)生率。

比較而言，焊膏噴印機(jī)淀積焊膏是一種非接觸式、閉環(huán)的生產(chǎn)系統(tǒng)，它會(huì)大量縮減加工使用的參數(shù)。正如研究中試生產(chǎn)實(shí)例所示，使用焊膏噴印方式在所有技術(shù)層面都達(dá)到并超過(guò)了高品質(zhì)網(wǎng)印方式獲得的加工效果。

由于焊膏噴印機(jī)設(shè)備全部操作由軟件控制，因此在焊膏淀積優(yōu)化工作上有很大空間。操作員可以靈活地進(jìn)行PCB板上每個(gè)焊區(qū)、每個(gè)元件或封裝的焊膏噴印量、淀積區(qū)域、圖形、高度及淀積層數(shù)微調(diào)。

國(guó)內(nèi)微電子組裝業(yè)界正不斷向小型化、細(xì)間距電路加工及高密度復(fù)雜電路板方向發(fā)展，靈活易操控的工藝設(shè)備將日益受到生產(chǎn)商青睞。

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