作者：William E. Coleman博士、Michael R. Burgess
     最新的趋势表明，针对0.4mm的礏GA和0201芯片的无铅印刷和超微间距印刷，需要一种精确的模板。模板的作用是把焊膏、导电聚合物、导电胶或者助焊剂印刷到基板上。在一般情况下，基板大都是印刷电路板，但是，也经常会是硅芯片。把焊膏印刷到芯片上焊盘的表面，形成凸点。虽然人们不把置球工具看作是模板，但是属于模板的范畴。它不是把焊膏通过模板上的开孔转移到基板上，而是让焊球穿过模板上的孔放置到芯片或者BGA基片上。就焊膏印刷而言，模板印刷工艺可以分成三类：孔填充工艺、焊膏转移工艺和印刷焊膏的位置定位。这三种工艺在达到预期结果方面都扮演着非常重要的角色——把数量准确的焊膏放到基片的正确位置上。

图1激光切割、没有经过表面处理的孔壁。

     印刷焊膏的第一步是将焊膏填充模板的开孔，用金属刮刀来做到这一点。有几个因素会影响孔的填充工艺。孔相对刮刀的方向，会影响填充工艺。长轴与刮刀行进同方向的开孔的填充效果不如短轴与刮刀行进同方向开孔的填充效果。刮刀的速度也会影响孔的填充。在孔的长轴与刮刀行进方向平行的情况下，必须降低刮刀的速度才能把孔填满。刮刀的缘也会影响焊膏填充效果的好坏。经验表明，印刷时刮刀的压力要小，同时，要把模板表面上的焊膏清理干净。如果刮刀压力太大，可能会损坏刮刀和模板。过大的刮刀压力还可能会使模板下表面粘上焊膏。如过刮刀压力太小，可能会出现以下两种情况中的一种。对于小孔，由于焊膏留在刮刀上，防碍焊膏释放到印刷电路板焊盘上，因而焊膏数量不足。对于大孔，留在刮刀上的焊膏会被拉到孔上，造成焊膏过多。正确的刮刀压力是干净地把焊膏抹上去的最小压力。刮刀类型决定最小压力。最新的研究表明，对一种刮刀*来说，最小刮刀压力大约是用于无铅焊膏、表面涂有特氟纶/镍的刀片的压力的40%。试验证明，在一般情况下，无铅焊膏需要的压力大约要比锡铅焊膏高25%。

图2激光切割、经过电抛光的孔壁。

     就焊膏释放而言，有两个主要问题需要考虑：模板设计的面积比/宽高比和模板的类型。前者决定于模板设计，后者与孔壁的光滑程度和孔壁形状有关。宽高比是指孔的宽度与模板的厚度之比。一般认为，宽高比为1.5或者更高时能够妥善地将焊膏转移。当孔的长度（L）大于孔的宽度（W）时（例如长度是宽度的五倍），宽高比是一个有用的参数。对于BGA、礏GA和0201元件，孔的长度和宽度接近。这些孔是圆形或者方形的，或者是带有弧形角的长方形和方形的。在所有例子中，长度都在宽度的五倍以内。把面积比作为焊膏转移效率的参照是一种比较常见的办法。面积比是模板开孔下面的面积与开孔内壁的面积之比。对矩形孔来说，面积比=[(L×W)/2(L+W)T]]，在这个式子中，L和W分别是孔的长度和宽度，T是模板的厚度。对方形孔来说，面积比= S/4T，在这个式子中，S是方形孔的边长。对圆形孔来说，面积比= D/4T，其中，D是圆形孔的直径。一般公认的规则是，适合焊膏转移的面积比要大于0.66。这种情况一直持续到出现了电铸成型模板。用这种技术时，按面积比低于0.50来设计开孔是常见的。有一种电铸成型模板**的孔壁较直，表面像镜子那样光滑，它释放焊膏的性能较好。随着元件尺寸和间距缩小，这种模板变的很有用。

图3激光切割、经过电解抛光的镀镍孔壁。

      这个行业主要使用两种模板制造技术：电铸成型和激光切割。还可以用化学蚀刻制造分步制作阶梯型模板；但是最终的模板开孔通常采用激光切割法。在需要某些特定步骤的情况下，还可以用三维（3D）电铸成型模板，适合微间距印刷使用。
      激光切割是一种减成工艺。把传统的Gerber文件转换成激光能够读懂的CNC型语言文件。孔的最终形状和光滑度将受到激光切割机、切割速度、激光功率、光束尺寸和光束强度等因素的影响。一些激光切割机是国产的，一些激光切割机很好，还有一些是微切割激光机。我们还用电抛光技术和镀镍技术使孔壁变得更光滑，改善了焊膏的释放。图1到图3说明，一步步的表面处理能够将表面壁做得更光滑，从而改善焊膏的释放。模板供应商至少需要对激光切割模板进行电抛光。

图4电铸成型模板的孔壁。

      电铸成型模板是用加成工艺来制造的。把含有镍离子和镍硬化添加剂的镍电解液镀到导电芯板上，形成模板。这个工艺的第一步是把光阻材料涂到导电芯板表面上。第二步是在光模板上形成图形，并且把它置于敷有光阻材料的导电芯板上。光阻材料曝光形成类似于焊膏块的光阻块。和所有的光刻工艺一样，为了制作高质量的电铸成型模板，要在颗粒大小和数量都得到严格控制的洁净室中进行，温度和湿度也要严格控制。在电镀槽中，镍离子是一个个地镀到芯板上没有覆盖保护膜的地方，直到达到需要的厚度。得到的模板孔壁是直的，表面光滑（图4），这些孔的位置准确，能够用于面积比为0.50的开孔。
      在模板设计方面，充分了解影响焊膏释放的各种因素是成功印刷所有焊膏的关键。转向无铅增加了另一个变数，在转向无铅的初期人们对它了解不够。事实证明，锡铅焊膏的转移效率高于无铅焊膏。因此，对于达到最佳焊膏释放和提高焊 膏转移效率，模板技术的选择将变得越来越重要。设计人员和工艺工程师可以通过计算面积比来选择正确的模板技术。当面积比大于0.66时，大部份激光切割模板都可以使用。然而，如果元件和焊盘的外形需要使用面积比在0.50和0.66之间的设计时，就应当考虑使用电铸成型模板。图5表明模板的推荐厚度为5密耳。图中的三条曲线分别为面积比为0.5、0.66和0.9。
     如果一个特殊的孔的面积比低于0.5，建议降低模板厚度，或者增大开孔尺寸，重新设计。如果孔的面积比在0.5和0.66之间，建议使用电铸成型模板。另一个有用的工具是面积比计算器***，只要输入孔的尺寸与模板厚度数据，就可以算出面积比。计算器还有一个输出，这就是推荐使用的模板技术。适合用于01005芯片印刷的模板设计就是一个很好的例子。圆形孔或者方形孔的周长为7密耳，模板厚度为3密耳，因此，面积比是0.583，建议使用电铸成型模板。

图5建议使用的模板技术的面积比。

孔的位置精度
     模板上开孔位置的精度决定了能否准确地把焊膏涂到印刷电路板焊盘上。这对锡铅工艺来说非常重要，对于无铅工艺，要求就更加严格了。印刷上去的焊膏超出焊盘可能会造成失效，例如：焊珠、元件立起、开路和短路。无铅焊膏在再流焊过程中不易湿润，不易均匀  地分布在焊盘表面。如果焊膏不能覆盖整个焊盘，焊膏一般都不会流到并且覆盖焊盘上没有焊膏的部分。
     模板上孔的位置精度与制造工艺有直接关系。在用激光工艺制造时，必须有效地控制切割光束在X轴或者Y轴上的移动。另一个因素是在模板切割过程中或者在一个框架里安装模板时图案的拉伸变形。对于有许多孔的薄模板（开孔与金属箔面积的比例很高）来说，这点尤其重要。电铸成型模板的制造工艺是不同的。用光学工具产生光阻块，当把镍镀在光阻块的周围就形成模板，把光阻块去掉就形成开孔。光学工具必须在温度和湿度受到严格控制的环境下进行处理和成像。在电铸或者安装的过程中，任何变形（拉伸或者收缩）都必须在光学工具生成过程中得到补偿。既适合激光切割模板又符合电铸成型模板的推荐技术规范，是在X轴和Y轴上每英寸孔的图案的变形（拉伸或者收缩）小于0.1密耳。在模板制造过程中只有采取好的工艺控制才能达到标准的要求。对模板销售商来说，同样重要的是用适当的高级光学测量设备来检验各个模板的开孔位置是否准确。可以通过测量模板，使它与电路板相配，从而达到位置精度的要求。模板制造商必须对电路板进行测量，负责这项工作并且形成新的模板Gerber文件与电路板相配。在通常情况下，使用无铅焊膏的大型电路板（尺寸约18英寸×24英寸），需要对模板进行测量，以便同电路板相配。

图6根据印刷性能给模板排队。

选择模板
     所有的电铸成型模板是不是都一样？激光切割出来的模板又怎么样？如何才能确定模板的真实性能？模板的最终用户是否能够对大量的模板进行内部性能评估，有没有一家独立的测试实验室来做这些事情？一个办法是让多家模板制造商用同一个Gerber文件来制作模板，比较各个模板的印刷性能。最近，独立测试实验室对五家模板制造商提供的12种模板进行一项测评研究。根据焊膏转移、焊膏体积的重复性和开孔位置精度来判断印刷性能。在这次测试中，有五块电铸成型模板和七块激光切割模板，编号为1、3、5、7、9的模板是电铸成型模板，编号为2、4、6、8、10、11、12的模板是激光切割模板。其中，激光切割的2号模板表面镀镍，而激光切割的11号模板是在电铸薄片上用激光切割而成的。对16 种不同的SMT元件来测量焊膏体积，其中包括0.4mm和0.5mm的礏GA、0201，以及间距为0.4mm和0.5mm的 QFP。既有锡铅焊膏，也有无铅焊膏。我们制定了一种评分系统，如果模板拥有适合具体元件的最高焊膏转移效率（如果在所有16种元件测试都得到满分，那么最多可以得到192分），那么这个模板就可以得到12分；如果焊膏转移效率最低，就只能得1分（如果在16种元件的测试中都只得到最低分，则只得16分）。如果一块模板的焊膏偏离标准最少，那将得到12分；如果焊膏偏离标准最大，那就只有1分。测试结果如图6所示。

图7位置精度。

位置的精度也是可以测出来的（图7）。模板1、2、6、7、11和12在变形为一英寸时的偏移都不到0.1密耳，因此位置精度是可以接受的。模板1的整体印刷性能最好，紧随其后的是模板2。

结论
电铸成型模板**具有光滑的孔壁，比一起评测的其他11块模板，它的焊膏转移能力较高，焊膏体积重复性较好。

*E-Blade 刮刀，Photo Stencil公司已取得这项技术的授权；
**E-FAB，施乐公司的专利工艺，Photo Stencil公司已取得这项技术的授权；
***面积比计算器：www.photostencil.com/arearatio。如需完整的参考资料，请与作者联系。

作者简介
William E. Coleman博士是Photo Stencil 公司技术副总裁，电话：（1）719535-8528；电邮： bcoleman@photostencil.com。Michael R. Burgess是Photo Stencil公司模板产品经理，电话：（1）719 535-8539；电邮；mburgess@photostencil.com。