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PCBA技術

PCBA技術 - 網版在PCBA制程的作用

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PCBA技術 - 網版在PCBA制程的作用

網版在PCBA制程的作用
2023-04-03
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什麼是網版?

網版最大的作用就是幫助錫膏沉積,把錫膏或紅膠以準確數量轉移到空PCB上的準確位置。

網版是一種印刷手段,為了方便把錫膏印刷到PCB板上,有點類似於橡皮章或者印章的原理。 網版在成形之前需要經過一定的規則設計,利用鐳射切割製成網版。 所以網版是一種輔助工具。 網版就是一片很薄的鋼片,網版的規格尺寸一般是固定的以配合錫膏印刷機,但網板的薄厚從0.08毫米,0.10毫米,0.12毫米,0.15毫米,0.18毫米等。


SMT網版

SMT網版

網版的用途

我們常說的PCBA,就是在PCB上將具體的電效能元器件,依照設定的BOM、比特號等資料; 按規則貼裝,之後通過錫膏將元器件各端頭進行焊接,或者使用紅膠對元器件定位後,經過波峰焊進行焊接導通,形成設定的電路板,來達到初定的電路功能,讓產品具有一定效能並來提高生產力。

網版的主要用途是以便讓錫膏能够印刷於電路板上而設計的,囙此網版上邊會刻著很多的孔洞,印刷錫膏的時候,要塗擦錫膏在網板的上面,而電路板則會擺在網版的下邊,隨後用一隻刮板(一般是刮刀,是因為錫膏就相似牙膏狀的粘稠物)刷過放有錫膏的網版上邊, 錫膏遭受壓擠就會從網版的孔洞往下流並粘到電路板的上邊,拿開網版後就會看到錫膏己經被印刷於電路板上了。 簡易的說,網版好比在噴漆時,要提前準備的罩子,而錫膏就等同於漆,罩子上邊刻著你需要的圖案,把漆噴在罩子上就會顯示需要的圖案。

網版的採購不僅是裝配工藝的步,它也是重要的一步。 網版的主要功能是幫助錫膏的沉積(deposition)。 目的是將準確數量的資料轉移到光板(bare PCB)上準確的位置。 錫膏阻塞在網版上越少,沉積在電路板上就越多。 囙此,當在印刷過程中某個東西出錯的時候,個反應是去責備網版。 可是,應該記住,還有比網版更重要的參數,可影響其效能。 這些變數包括印刷機、錫膏的顆粒大小和黏度、刮刀的類型、資料、硬度、速度和壓力、網版從PCB的分離(密封效果)、阻焊層的平面度、和組件的平面性。


網版製造技術

網版製造的三個主要科技是,化學蝕刻(etch)、雷射(laser)切割和電鑄成形(electroform)。 每個都有獨特的優點與缺點。 化學蝕刻和鐳射切割是遞減(substractive)的工藝、電鑄成形是一個遞增的工藝。 囙此,某些參數比較,如價格,可能是屬於蘋果與橘子的比較。 但,主要的考慮應該是與成本和周轉時間相適應的效能。

通常,當用於緊的間距為0.025“以上的應用時,化學腐蝕(chem-etched)網版和其它科技同樣有效。相反,當處理0.020”以下的間距時,應該考慮鐳射切割和電鑄成形的網版。 雖然後面類型的網版對0.025“以上的間距也很好,但對其價格和週期時間可能就難說了。


化學蝕刻的網版

化學蝕刻的網版是網版世界的主要類型。 它們成本,周轉快。 化學蝕刻的不銹鋼網版的製作是通過在金屬箔上塗抗蝕保護劑、用銷釘定位感光工具將圖形曝光在金屬箔兩面、然後使用雙面工藝同時從兩面腐蝕金屬箔。 由於工藝是雙面的,腐蝕劑穿過金屬所產生的孔,或

開口,不僅從頂面和底面,而且也水准地腐蝕。 該科技的固有特性是形成刀鋒、或沙漏形狀(圖一)。 當在0.020“以下間距時,這種形狀產生一個阻礙錫膏的機會,這個缺陷可以用叫做電拋光(electropolishing)的增强工藝來减小。

電拋光是一種電解後端工藝,“拋光”孔壁,結果表面摩擦力减少、錫膏釋放良好和空洞减少。 它也可大大减少網版底面的清潔。 電拋光是通過將金屬箔接到電極上並把它浸入酸浴中來達到的。 電流使腐蝕劑首先侵蝕孔的較粗糙表面,對孔壁的作用大於對金屬箔頂面和底面的作用,結果得到“拋光”的效果(圖二)。 然後,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,囙此錫膏將被刮刀有效地在網版表面上滾動(而不是推動),並填滿孔洞。

對於0.020“以下間距的改進錫膏釋放的另一個科技是梯形截面孔(TSA,trapezoidal section apertures)。


梯形截面孔(TSA)是在網版的接觸面(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組件,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網版,它可以通過改變腐蝕劑噴霧的頂面與底面的壓力設定來產生。 當通過電拋光後,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,它促進組件的穩定貼裝和較少的錫橋。

向下臺階(stepdown),或雙層面(dual-level)網版,可以容易地通過化學蝕刻科技產生。 該工藝通過形成向下臺階的孔來减少所選擇的組件的錫量。 例如,在同一設計中,多數0.050“~0.025”間距的組件(通常要求0.007“厚度的網版)和幾個0.020”間距的QFP(quad flat pack)在一起,為了减少QFP的錫膏量,這個0.007“厚度的網版可制出一個0.005”厚度的向下臺階區域。 向下臺階應該總是在網版的刮刀面,因為網版的接觸面必須在整個板上水准的(圖四)。 儘管如此,推薦在QFP與周圍組件之間提供至少0.100“的間隔,以允許刮刀在網版兩個水准上完全地分配錫膏。


化學蝕刻的網版對於產生半蝕刻(half-etched)基準點(fiducial)和字幕名稱也是的。 用於印刷機視覺系統對中的基準點可以半蝕刻,然後填充黑色樹脂,提供視覺系統容易識別的、與光滑的金屬背景的對比度。 包含零件編號、製作日期和其它有關資訊的字幕塊也可以在網版上半蝕刻出來,用作標識用途。 兩個工藝都是通過只顯影雙面的一半來完成的。

化學蝕刻的局限。 除了刀鋒形邊緣的缺陷之外,化學腐蝕的網版有另外一個局限: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孔開口。 典型地,對於化學蝕刻的網版,縱橫比定義為1.5:1。 囙此,對於0.006“厚度的網版,的孔開口將是0.009”(0.006“x1.5=0.009”)。 相比之下,對於電鑄成形的和鐳射切割的網版,縱橫比為1:1,即通過任何一種工藝可在0.006“厚度的網版上產生0.006”的開口。


網版

網版

電鑄成形(Electroforming)

電鑄成形,一種遞增而不是遞減的工藝,製作出一個鎳金屬網版,具有獨特的密封(gasketing)特性,减少錫橋和對網版底面清潔的需要。 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),然後逐個原子、逐層地在光刻膠周圍電鍍出網版。 正如圖五中所看到的,鎳原子被光刻膠偏轉,產生一個梯形結構。 然後,當網版從基板取下,頂面變成接觸面,產生密封效果。 可選擇0.001 ~ 0.012“範圍的連續的鎳厚度。該工藝比較理想地適合超密間距(ultra-fine-pitch)要求(0.008~0.016”)或者其它應用。 它可達到1:1的縱橫比。

至於缺點,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。 鐳射切割的網版

直接從客戶的原始Gerber數據產生,鐳射切割不銹鋼網版的特點是沒有攝影步驟。 囙此,消除了位置不正的機會。 網版製作有良好的位置精度和可再生產性。 Gerber檔案,在作必要修改後,傳送到(和直接驅動)鐳射機。 物理干涉少,意味著出錯機會少。 雖然有雷射光束產生的


金屬熔渣(蒸發的熔化金屬)的主要問題,但現在的雷射切割器產生很少容易清除的熔渣。

也有問題出現,就是孔周圍出現“扇貝狀”的外形,造成孔壁粗糙。 雖然這會新增表面摩擦力,但粗糙都是在垂直面的。 可是,近的雷射機器有內部視覺系統,它允許金屬箔以無邊框的條件切割。 這是很有意義的,因為網版的製作可以先通過化學腐蝕標準間距的組件,然後鐳射切割密間距(fine-pitch)的組件。 這種“混合”或結合的網版,得到兩種科技的優點,降低成本和更快的周轉。 另外,整個網版可以電拋光,以提供光滑的孔壁和良好的錫膏釋放。 鐳射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,網版成本越高。 儘管如此,如果設計允許,可以通過利用混合網版工藝來降低成本。 按照雷射光束的焦點,梯形孔自動產生。 孔的開口實際上從網版的接觸面切割; 然後網版翻轉以刮刀面朝上安裝。

雷射技術是允許現有的網版進行返工的工藝,如增强孔、放大現有的孔或增强基準點。


網版其它進步

除了鐳射切割與電鑄成形之外,網版製作中的重要進步是電子數據轉移。 近如1995年,提供給網版製造商的多數圖片都是膠片正片(film positive),一比一地配合光銅上的圖形。 組件開孔的修飾涉及重複的攝影技巧和手工操作。 該工藝也决定於所提供膠片正片的質量。, 分步重複圖片是一項繁重的任務。

今天,通過數據機(modem)和電子郵件的電子檔傳送是即時提供圖形數據的常見方法。 選擇性修飾、分步重複圖形、和幾何形狀轉換可以容易而且地完成。 還有,因為消除了膠片正片的郵寄,周轉時間幾乎可以削减一整天。

有了Gerber檔案的傳送,焊盤(pad)的幾何形狀可以從正方形和矩形改變成“home plate”、“格子”、“拉鍊”等形狀(圖六),作為减少錫膏量的一種方法。 通過修改幾何形狀來調節錫膏量,結合選擇正確的金屬板厚度,也可以消除臺階(stepdown)板的需要。 單一厚度的網版,

經過適當設計,從工藝的角度看總是比雙級工具更好。


膠劑網版(Adhesive Stencil)

電子檔也使電腦輔助設計(CAD)操作員可容易地决定一個焊盤形狀的質心點。 有這個能力,設計檔案中錫膏層可轉換成圓形和橢圓形。 示組件尺寸而定(圖七)。 囙此,可製作一塊網版來“印刷”,而不是滴膠。 印刷比滴膠快,將這種設備讓給其它工作上面。


返工網版

一個比較近期的創新發生在返修(rework)領域。 現在有“小型的”網版,專門設計用來返工或翻修單個組件。 可購買單個組件的網版,如標準的QFP和球栅陣列(BGA)。 當然也有相應的刮板,或小型刮刀。

網版

網版

網版價格比較

化學腐蝕網版的價格是有框架尺寸驅使的。 雖然金屬箔是網版製作過程中的重點,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决定。 可是,大多數印刷機可接納不止一個框架尺寸。 (框架尺寸是工業標準)。 多數網版供應商保持一定庫存的標準框架,尺寸範圍從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。 並且由於所有孔都是同時蝕刻的,其數量也是無關緊要的。

電鑄成形網版價格主要是由金屬厚度驅使的。 電鍍到所希望的厚度是主要的考慮:厚的網版比薄的網版成本低。

鐳射切割網版價格是按照設計的孔數。

鐳射切割一個孔,即孔越多,成本越高。 還要加上所要求的框架尺寸。 一個用鐳射切割密間距和化學腐蝕標準間距組件的混合網版,當要求許多開孔時,可能是成本有效的方法。 可是,對於少於2500個孔的設計,完全用鐳射切割整個網版也許更成本低。


總結以上,不管PCBA制程的需求可能是什么,目前有一個網版科技滿足這個需求。 一些討論過的創新,如梯形截面孔、混合網版和電子數據傳送的優勢,都在過去三或四年得到發展和改進。 網版工業傳統上已經不僅對新的要求快速反應,而且在這些行進中的發展中走在前面。