01005元件纳米涂层模板的稳健印刷工艺研究

GSP_1501_Laser150313A作者:德国,纽伦堡,埃尔朗根-纽伦堡大学,工厂自动化和生产系统研究所:Stefan Härter, Jörg Franke, 德国,菲尔斯滕费尔德布鲁克,LaserJob GmbH公司:
Carmina LäntzschGSP_1501_Laser150313C

高度集成系统的发展是电子元件小型化的关键驱动力。传感器或医疗器械的多功能小型化往往要求高密度封装。在消费类电子产品的大规模生产中,如目前的高端智能手机,高度集成元件的应用也越来越多。

在无源元件领域,小型化导致了EIA 01005 (0402 mm)元件的引入,其尺寸为400 μm×200 μm,如图1所示。01005及其更小元件的贴装在很大程度上取决于制造工艺。

尽管在过去的几年里发表了大量的有关01005元件组装技术的文献[7-12],但是适合01005元件的组装工艺窗口的研究还有待进行。此外,也缺失主要变量对产品质量的综合评价。丝网印刷工艺是小型元件在印刷电路板上组装最关键的一步,工艺优化的潜力巨大。不同的焊膏类型、印刷参数、模板厚度和模板开孔尺寸的相互作用,是成功进行高成品率大规模生产的关键。三维锡膏检测系统(3D SPI)能够对印刷过程进行整体评价,根据定义的质量特性进行控制,并用于工艺链的闭环应用,如焊膏转移效率。

实验设计

在这项研究中,开发了一块双面FR4印刷电路板,它能够在本实验中对印刷工艺进行大量的实验。由于丝网印刷是电子产品生产过程中最关键的工序,本研究的重点将集中在这一工序。对各种模板的金属箔厚度和开孔几何形状进行研究。实验用模板为激光切割模板,涂有纳米涂层,对开孔的几何形状和纵横比进行了优化。在之前的印刷工艺研究中,锡膏类型被确定为一个重要的影响因素,因此将对不同的焊膏材料进行评估。焊膏为4型和5型无铅SAC305。

印刷电路板设计

用于研究的PCB是双面FR4 PCB,宽100.0 mm,长160.0 mm,厚0.8 mm。电路板金属化层是18 μm的铜,经化学NiAu镀饰。所有焊盘为非阻焊定义(NSMD)焊盘,通过80 μm导线相连接。通过剖面验证,焊料掩模的厚度大约40 μm。PCB的双面能够进行综合实验。顶面的重点是较大元件旁边的01005元件的组装和互连,研究焊盘设计的影响。底面设计主要用于对锡膏印刷工艺的研究。

在PCB上分块设计相对于印刷方向的三个不同角度的焊盘布局,如图2所示。通过使用的模板来实现印刷工艺的变化,金属化尺寸相当大,240 μm宽、320 μm长。本实验的PCB布局有12 000个元件或24 000个印刷焊盘。

印刷工艺的模板设计

通过特定的不同的开孔设计从A到K,对印刷工艺进行分析评估,如图3所示。A、B、C和D为矩形设计。E、F和G为椭圆形设计。H、I和K为本垒板形设计。

通过收缩开孔尺寸对相对于所使用的模板厚度和焊膏类型的工艺极限进行评估。不同的开孔尺寸见表1、表2和表3。

本实验没有使用阶梯模板。一方面阶梯模板适用的元件范围广。另一方面对阶梯模板的印刷行为认识不足,缺少一般设计准则和对PCB布局的限制。

仅研究涂有纳米涂层的模板,模板厚度分别为80 μm和100 μm。两种不同的模板厚度导致不同的面积比(AR),对应的开孔设计为从A到K。对于激光切割模板,IPC-7525 推荐面积比应不小于0.66[13]。以往的研究表明,使用纳米涂层的模板可使面积比小于0.66[14]。因此最终生成的面积比见表4。

焊膏材料研究

实验最初使用的焊膏为Heraeus公司开发的F645SA30C5。焊膏类型为4型和5型,是一种基于锡银铜的无铅合金。根据文献[15,16],4型焊膏至少90%的颗粒尺寸在20~38 μm之间。5型焊膏的颗粒尺寸分布在15~25 μm之间。由于焊膏被认定为有较大的影响,因此采用Senju公司生产的4型(M705-GRN360-K1V)和5型(M705-RGS800HF)焊膏对结果进行验证。此外,03015(mm)元件的印刷工艺将通过采用Indium公司生产的8.9HFA焊膏进行研究。

关键词:

模板设计;PCB布局;模板材料与制造;纳米涂层

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