表面贴装技术工艺的印刷模板和印刷模板的涂层方法

摘要

本发明涉及一种用于SMT工艺的印刷模板(2)，所述印刷模板包含金属模板体(2a)，所述金属模板体具有预期的印刷结构和相应的空隙(3)。通过所述空隙(3)可将印刷材料布置在从所述印刷模板下方附着在所述印刷模板上的板上。为避免所述印刷材料附着在所述空隙(3)区域内，所述金属模板体(2a)配有用金属醇盐涂层材料制成的薄涂层(6)，所述薄涂层(6)的表面能通过至少一种有机成分的化学键合得到降低。所述涂层特别可通过溶胶凝胶法而实现。

说明书

本发明涉及一种用于SMT工艺的印刷模板，这种印刷模板在其金属模板体 中具有对应于预定印刷结构的空隙，通过这些空隙可将印刷材料施加到从印刷 模板下方附着在印刷模板上的板上。例如DE 44 38 281 C1中公开过一种相应的 金属模板。此外，本发明还涉及一种用于涂覆上述类型的印刷模板的方法。

相应的印刷模板优选用于SMT(Surface Mounted Technology，表面贴装技 术)工艺，SMT工艺用于为印制电路板安装电子组件。为此需先通过丝网印刷 技术(Schablonendrucktechnik)按预定印刷结构在印制电路板的特定位置上为其 配备印刷膏、焊膏或胶粘剂。其中，借助所谓刮刀经金属模板体上的与印刷结 构相对应的空隙将焊膏或胶粘剂膏体施加到各印制电路板上。在此情况下，在 印制电路板上得到焊膏沉积物或胶点，即所谓的衬垫(Pad)，通过例如装配机 将电子组件安装在这些衬垫上，随后加以固定。

开篇所提及的DE 44 38 281 C1中公开过一种相应的被称为“丝网印刷网 (Siebdruck-Sieb)”的印刷模板和这种印刷模板的制备方法。其中，有效的丝网 印刷网主要由一个形状稳定的框架构成，精细的金属丝网在预应力作用下粘附 在这个框架上。这个金属丝网的中部区域内固定有薄壁金属模板，这个金属模 板包含由空隙构成的印刷样本。

关于这种金属印刷模板的制备方法，另请参见US 2,421,607A。

随着电子组件的不断小型化，印刷模板上的空隙也相应地有所缩小。由此 产生的风险是，焊点或胶点或焊膏沉积物会附着在用作模板材料的金属的开口 边缘或开口壁(由各印刷样本确定)上，从而导致相应的空隙会逐步变大。而 这又会导致施加在印制电路板上的衬垫的外缘在提拉印刷模板时常发生拔出 (Ausreiβen)或扯破(Einreiβen)。也就是说，不再能满足在印制电路板上印刷所 需的轮廓锐利的印刷图像的要求。

由于这种风险，人们往往认为有必要通过特别的清洗循环来改善印刷质量。 但进行清洗也就意味着工艺中断，从而使工艺的生产率受到不利影响。另一种 减小误差的可行方法是通过电解抛光来对金属印刷模板的空隙区域进行精制。 但这会相应地增加模板的制备成本。人们还曾尝试通过选用其他模板材料(例 如玻璃，参见DE 101 05 329 A1)来解决上述难题。但这种材料只能实现相对较 大的空隙。

因此，本发明的目的是提供一种适用于SMT工艺(例如印制电路板装配或 模块制备)的印刷模板，借助于这种印刷模板至少减小上文所述的空隙变大或 受污染的风险。

这个目的通过权利要求1所述的措施而达成。据此，具有前序部分所述特 征的印刷模板建构为：印刷模板的金属模板体配有用金属醇盐涂层材料制成的 薄涂层，涂层的表面能通过化学键合至少一种有机成分而减小。

已经表明，用纯金属氧化物材料来制备金属模板体的涂层只能取得较小成 效。现在已知的是，通过在金属醇盐材料中目的明确地化学键合有机成分(基 团或分子链)，即借助于有机金属醇盐化合物可显著减小表面能(相对于未改性 金属氧化物涂层材料而言)。其结果是，通过印刷模板的空隙被施加到位于印刷 模板下方的印制电路板上的通常呈膏状焊料或胶粘材料在模板体，特别是在模 板体的空隙的壁上的粘附性也相应有所减小。因此，在印刷工艺(即施加印刷 材料)中通过低能量涂层材料可改善金属模板体的空隙的所谓脱离性能。由此 而产生的优点是，可以使用尺寸很小的空隙，且不会出现间隙增大的风险。

模板空隙区域内的这种涂层将两种有利特性集于一身：空隙保持其尺寸， 因为只需要薄涂层，特别是纳米范围内的涂层。其次，涂层材料一定程度上具 有平整空隙壁的作用，或者具有相同的积极作用，从而使其具有规则结构。

本发明的印刷模板的有利实施方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。

金属醇盐涂层材料可有利地至少包含一种或多种下列元素的至少一种醇 盐：铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)或钇(Y)。借 助相应的金属醇盐可实现形式为所谓杂化聚合物(具有醇盐和有机网络)的特 别合适的热稳定性涂层材料。

其中，这类杂化聚合物中的有机成分优选可由烷基、芳基或硅氧烷基团构 成。此外，通过对涂层材料进行特别选择，可避免或强烈减低空隙因涂层材料 具有排斥膏状材料的特性而增大或增加。

如果使用金属醇盐涂层材料，并且在涂层材料中额外添加形式例如为氟芳 基的含氟部分，就可进一步增强涂层的疏水和/疏油特性。

如果印刷模板的涂层的表面能小于20mN/m(毫牛顿每米)，优选小于15 mN/m，则任何情况下均能确保这种斥液特性。

借助于本发明的涂层可有利地使至少一个空隙具有低达200μm和500μm 的最大尺寸。

此外，印刷模板的涂层厚度有利地小于10μm，优选小于5μm。较小厚度 相应降低了膏状印刷材料残余物附着的风险。

待施加印刷材料优选可以是膏状焊料或胶粘材料。

印刷模板的涂层可特别有利地通过溶胶凝胶法而制成，其中，通过湿化学 法将涂层材料的前体材料(Vormaterial)施加在金属模板体上，随后对前体材料 进行热固化处理。其中，特别可通过喷雾、浸渍、流涂、辊涂或涂抹等方法来 施加前体材料。

印刷模板的另一种有利的涂覆方法的特征在于，在低压或大气压条件下采 用等离子体辅助CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)工艺。

通过这两种涂覆方法均可有利地实现实际上不会附着在空隙壁上的涂层。 通过在金属醇盐材料中添加含氟部分，可有利地进一步促进涂层的疏水和/或疏 油作用。

下面借助附图所示的优选实施例对本发明作进一步说明。其中图1非常示 意性的不是按照真实比例示出了按照本发明进行涂层的印刷模板的构造；以及 图2为所述模板的某个区域的局部放大部分。各附图中的相应部件用相同的附 图标记表示。

在附图以剖面图形式加以显示的总体上用2标识的印刷模板采用的是这类 模板的已知实施方式。印刷模板2的金属模板体2a优选用钢(特别是优质钢， 例如铬镍钢)、或者由镍或其他镍合金制成。金属模板体2a的厚度D通常介于 100μm至5000μm之间。模板体2a中以已知方式(例如通过激光技术或电镀 法)加工成有空隙3或其他类型的穿孔(孔口)。这些空隙的最大尺寸a通常介 于200μm至500μm之间，例如约为400μm。尺寸a取决于需要施加到位于模 板体下方的印制电路板5上的衬垫(接触面)的预期尺寸，这些衬垫由已知的 印刷材料(如已知的焊膏或胶粘膏)构成。为此需将印刷模板2压印在印制电 路板5上。随后，从间隙3的开口侧，借助沿着印刷模板的自由表面涂抹的刮 刀将焊膏或胶粘膏施加在印制电路板上。

根据本发明，为了使焊膏或胶粘剂可以在这个印刷工艺之后的从印制电路 板5上提拉印刷模板2时很好地脱离印刷模板，特别是脱离印刷模板的空隙3 的壁(即所谓的脱离性能)，印刷模板配有特别功能化的涂层。其原因在于，通 过用涂层材料对相关表面进行涂覆，可抑制模板空隙3的壁7上的断裂行为， 从而将表面能减小到20mN/m以下，优选减小到15mN/m以下。与有机基团化 学结合的热稳定性金属醇盐材料(即所谓的有机金属醇盐化合物)(参见例如 《Chemie Lexikon》，1989年第9版，德国斯图加特C.Thieme出版社，第 115、106页)适合用作涂层材料。举例而言，这些材料可通过溶胶凝胶法或反 应性等离子体沉积法在使用低压或大气压等离子体条件下制备。

下面对这两种可以实现本发明的涂层的有利方法进行详细说明。其中所述 方法未详加说明的细节和步骤是普遍已知的：

I.根据溶胶凝胶法所进行的涂覆

图2中总体上用6表示的具有防粘特性的涂层特别在空隙3的侧壁7方面 具有含有涂层材料的有机和无机成分的网状结构。将用有机成分或侧链改性金 属醇盐用作前体材料或原料(即所谓的“前体”)来建构相应的涂层。此处特别 适用的是Al、Si、Ta、Ti、Zr、Hf、Y等元素的金属醇盐。根据相应的优选实 施例，选用具有下列结构的硅醇盐：Xn-Si-(OR)4-n。其中，

X＝醇盐的有机改性，

R＝烷基(例如甲基或乙基)或芳基(例如苯基)(参见《Chemie Lexikon》， 1989年第9版，德国斯图加特C.Thieme出版社，第115、260页)，

O＝氧。

X可以是反应性或非反应性侧链。通过对改性金属醇盐进行水解和缩合来 制备涂层。

金属醇盐的有机改性会对涂层特性产生重要影响。疏水侧链X(例如烷基 链、芳基、氟烷基链或硅氧烷基团)可极大减小涂层的表面能，并引起疏水和/ 或疏油效应。

当然，还可通过添加经表面处理的纳米级粒子或微米级粒子来对上述基于 溶胶凝胶的疏水型涂层材料进行进一步改性，以便改善例如机械耐磨性或耐蚀 性，或者取得特别的催化效果。举例而言，通过添加具有催化作用的成分(例 如纳米级催化剂粒子或微米级催化剂粒子)可使含碳沉积物发生热氧化降解(即 所谓的活性涂层)。

实施上文所述的溶胶凝胶涂层方法时，通过传统方法(特别是湿化学法) (例如喷雾、浸渍、流涂、辊涂或涂抹)将前体材料施加到金属模板体2上。随 后通常在室温至大约300℃的温度范围内对涂层进行热固化处理。一般情况下 (例如)超过400℃的较高的固化温度是不太合适的，因为在这种温度条件下往 往会产生附着作用较小的玻璃质被覆层。在高固化温度的情况下，热不稳定的 侧链X有可能发生分解。举例而言，含氟侧链对于高温应用就不具有足够大的 热稳定性。在此情况下，250℃或超过250℃的固化温度和/或使用温度会使侧链 分解，从而弱化涂层的疏水效果。而在低温应用中(这可例如在丝网印刷中有 利地提供)通过含氟侧链X可进一步增强疏水和疏油效果。另一方面，短链侧 基(例如X＝甲基或芳基)直到上述高温范围内则具有足够大的热稳定性。

对于疏油性涂层系统而言，所得涂层的层厚d例如有利地处于小于1μm的 范围内，而耐刮擦系统则可优选选用大于5μm的较大厚度d。一般情况下，1μm 至5μm范围内的所得层厚d是有利的，且是足够的。

II.按CVD工艺所进行的涂覆

也可通过等离子体辅助的反应性CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气 相沉积)工艺产生本发明的基于金属醇盐的防粘涂层6。为此可使用反应性硅 烷化合物，例如六甲基二硅氧烷(HMDSO)。通过添加适当的含氟硅烷化合物 可向涂层引入含氟成分。所述施加以已知方式例如在低压CVD装置中进行。也 可在装置内部通过大气压等离子体涂覆用作基材的金属模板体2a。与溶胶凝胶 涂覆法类似，由于受含氟基团的热不稳定性，具有含氟成分的CVD涂层的效果 稳定性(特别如疏水特性)在直到最高250℃得以实现。因而在高温应用中，可 优选使用不含氟的硅烷化合物。

在已知的模板体2a上实施根据上述方法获得的测试涂层6。通过各种工艺 (例如浸渍、喷雾、辊涂)施加涂层，并在低于200℃的温度条件下将其固化。 在施加过程中，在模板的上侧覆盖一层易于解下的薄膜。这层薄膜在浸渍工艺 中被稍微渗入(这是可容忍的)。通过喷雾或辊涂法而施加的材料相对较少；因 此，薄膜所受到的负荷也相应较小。有利的是，其上刮涂有焊料的表面在上述 工艺中不会受到污染或被涂覆。特别是空隙的壁7上不会被涂覆。

通过确定接触角验证防粘效果。这种效果在使用或不使用冲洗剂而实现的 多个清洗步骤后仍能保持稳定。本发明的涂层还能有利地导致减小表面粗糙度。 借此可解决存在于现有技术中的侧壁粗糙度问题，进而不再出现所用膏体的脱 离性能差的问题。