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PCB
模板
- 摘要：模板的主要性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)確的地方。
本文介紹，在為一個(gè)印刷工藝訂購(gòu)模板(stencil)時(shí)，有一個(gè)確認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)曲線。當(dāng)對(duì)其技術(shù)的熟悉幫助產(chǎn)生所希望結(jié)果的時(shí)候，模板變成在一個(gè)另外可變的裝置運(yùn)作中的常量。“好的模板得到好的印刷結(jié)果，然后自動(dòng)化幫助使其結(jié)果可以重復(fù)。”
模板的采購(gòu)不僅是裝置工藝的第一步，它也是最重要的一步。模板的主要性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)確的地方。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(gè)東西出錯(cuò)的時(shí)候，第一個(gè)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)，可影響其功能。這些變量包含印刷機(jī)、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(gè)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(gè)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。化學(xué)蝕刻和激光切割是遞減(substractive)的工藝、電鑄成形是一個(gè)遞增的工藝。因此，某些參數(shù)比較，如價(jià)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(shí)間相適應(yīng)的功能。 www.pcbdown.com
通常，當(dāng)用于最緊的間距為0.025"以上的應(yīng)用時(shí)，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(shí)，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(duì)0.025"以上的間距也很好，但對(duì)其價(jià)格和周期時(shí)間可能就難說了。
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。它們成本最低，周轉(zhuǎn)最快。PCB抄板化學(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(hù)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步從兩面腐蝕金屬箔。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)的固有特征是形成刀鋒、或沙漏形狀。當(dāng)在0.020"以下間距時(shí)，這種形狀產(chǎn)生一個(gè)阻礙錫膏的機(jī)會(huì)，這個(gè)缺陷可以用叫做電拋光(electropolishing)的增強(qiáng)工藝來減少。
電拋光是一種電解后端工藝，“拋光”孔壁，結(jié)果表面摩擦力減小、錫膏釋放良好和空洞減小。它也可大大減小模板底面的清潔。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(duì)孔壁的效用大于對(duì)金屬箔頂面和底面的效用，結(jié)果得到“拋光”的效果。然后，在腐蝕劑對(duì)頂面和底面效用之前，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(dòng)(而不是推動(dòng))，并填滿孔洞。
對(duì)于0.020"以下間距的改進(jìn)錫膏釋放的另一個(gè)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。梯形截面孔可用兩種方式來完成：通過采用性修飾特殊元件，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(gè)梯形“磚”的形狀，它促進(jìn)元件的穩(wěn)定貼裝和較少的錫橋。
向下臺(tái)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(tái)階的孔來減小所采用的元件的錫量。例如，在同一設(shè)計(jì)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(gè) 0.020"間距的QFP(quad flat pack)在一起，為了減小QFP的錫膏量，這個(gè)0.007"厚度的模板可制出一個(gè)0.005"厚度的向下臺(tái)階區(qū)域。向下臺(tái)階應(yīng)該總是在模板的刮刀面，因?yàn)槟０宓慕佑|面務(wù)必在整個(gè)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(gè)水平上完全地分配錫膏。
化學(xué)蝕刻的模板對(duì)于產(chǎn)生半蝕刻(half-etched)基準(zhǔn)點(diǎn)(fiducial)和字幕名稱也是最好的。用于印刷機(jī)視覺系統(tǒng)對(duì)中的基準(zhǔn)點(diǎn)可以半蝕刻，然后填充黑色樹脂，提供視覺系統(tǒng)容易識(shí)別的、與光滑的金屬背景的對(duì)比度。包括零件編號(hào)、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(shí)用途。兩個(gè)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(gè)局限：縱橫比(aspect ratio)。簡(jiǎn)單地說，該比率限制按照手邊的金屬厚度可蝕刻的最小孔開口。典型地，對(duì)于化學(xué)蝕刻的模板，縱橫比定義為1.5 : 1。因此，對(duì)于0.006"厚度的模板，最小的孔開口將是0.009"(0.006"x1.5=0.009")。相比之下，對(duì)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(gè)鎳金屬模板，具有獨(dú)特的密封(gasketing)特征，減小錫橋和對(duì)模板底面清潔的需求。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(jìn)錫膏釋放。
通過在一個(gè)要形成開孔的基板(或芯模)上顯影光刻膠(photoresist)，然后逐個(gè)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(gè)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。可采用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(diǎn)，因?yàn)樯婕耙粋€(gè)感光工具(雖然單面)可能存在地方不正。如果電鍍工藝不均勻，會(huì)失去密封效果。還有，密封“塊”可能會(huì)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(diǎn)是沒有攝影步驟。因此，排除了地方不正的機(jī)會(huì)。模板制作有良好的地方精度和可再生產(chǎn)性。Gerber文件，在作必要修改后，傳送到(和直接驅(qū)動(dòng))激光機(jī)。物理干涉少，意味著出錯(cuò)機(jī)會(huì)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。PCBA OEM代工代料雖然這會(huì)增加表面摩擦力，但粗糙都是在垂直面的。可是，最近的激光機(jī)器有里面視覺系統(tǒng)，它允許金屬箔以無邊框的條件切割。這是很有意義的，因?yàn)槟０宓闹谱骺梢韵韧ㄟ^化學(xué)腐蝕準(zhǔn)則間距的元件，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(diǎn)，下降成本和更快的周轉(zhuǎn)。另外，整個(gè)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(diǎn)是機(jī)器單個(gè)地切割出每一個(gè)孔。自然，孔越多，花的時(shí)間越長(zhǎng)，模板成本越高。盡管如此，如果設(shè)計(jì)允許，可以通過利用混合模板工藝來下降成本。按照激光光束的焦點(diǎn)，梯形孔自動(dòng)產(chǎn)生。孔的開口實(shí)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(jìn)行返工的工藝，如增強(qiáng)孔、放大現(xiàn)有的孔或增強(qiáng)基準(zhǔn)點(diǎn)。
