Joseph Fjelstad—Verdant Electronics
本文介绍一种新的组装工艺，它不使用焊料（无焊料），简化了制造过程，完全改变了电子产品的制造方法，因而极具发展前景。
一种新型的无焊料电子产品组装工艺已经孕育并正在发展，它的概念灵感来自于14世纪英格兰 哲学家和逻辑学家Occam（奥克姆），因而命名为“Occam工艺”。与此前的无焊料工艺（如：使用导电胶代替焊膏进行组装），以及传统的焊料组装工艺相比，此工艺生产的产品预计将更加可靠。
电子组装面临的严峻挑战
·强制法规（如：RoHS）规定电子产品必须实施无铅化生产，但无铅焊料要求这些产品经受更高的温度，而表面处理广泛采用镀纯锡的方式，进而带来了可靠性问题。
·封装尺寸和成本的持续降低给元件贴装的可靠性带来挑战
·全球采购及供应链的扩张意味着会有更多的远程印刷电路板供应商，这就减少了国内技术发展的资源和支持
采用Verdant公司发明的倒序互连工艺方案进行组装设计与制造将不会使用焊料，因此完全避免了以下相关问题：
·无铅焊接所经历的高温
·细间距条件下不易清除的助焊剂残留
·焊料互连位置的机械冲击与热循环可靠性
该组装结构经过全面测试，其中烧结封装的IC元件是经过预包封的，这样可以完全避免元件引脚上锡须生长的可能性，同时也消除了使用保形涂层完全覆盖带来的问题（因为该工艺完全不需要保形涂层）。
尽管这项技术制造的一些实物可以与传统的电路板用在一起，但它更吸引人的优点在于并不需要另行制作印刷电路板。因此，它彻底避开了供应链管理、库存管理和修改设计带来的相关问题。
相反，在这项技术中，元件引脚的互连是通过在上一层包封模块表面的引脚阵列上电镀铜来实现的，而电路层可以采用共层压方式，或者采用以往用在某些裸片多芯片和微处理器模块上的加成法形成电路的方式。
互连可随时进行重新设计，甚至可以在制造它们的时候才进行。层间的连接可在共层压或加成法制造期间同时完成，因此没有高径深比的通孔。这种组装预计成本很低，并且能同时解决原位的热量增加、电磁屏蔽、嵌入式光电元件，等等。
过程概述
Occam工艺是一种倒序互连工艺，在其工序中采用了许多成熟、低风险和常见的核心处理技术。元件被安装到它们的最终位置之后，通过电镀铜进行互连。如图1所示，这种工艺不需要传统的电路板技术，也不使用焊膏。
图1：传统SMT工艺与Occam工艺的比较，可发现供应链与制造周期明显缩短
相比较而言，传统的电子组装是将元件贴在板卡上，并通过焊膏的粘力暂时固定，最后通过回流形成焊点永久固定。
在Occam工艺中，首先将元件贴在可揭去的粘结胶带上，胶带固定在一块临时或永久的基板上，然后注胶实现永久粘合。胶带和基板用于暂时固定元件，并在整个结构被密封后拆掉。因此，已测试的或密封的元件阵列将组成一块单片的组装电路，每个元件都被固定在其中。引线端可通过除去临时基板和胶带而露出来，或在永久基板上制造通孔来完成；通孔可使用机械切削、高压喷水钻孔或激光打孔的方法加工。
组装板随后进行铜金属化的过程，可使用标准的电路板增厚工艺（加成法），制作的电路图案可实现所有元件引脚之间的互连，但大多数情况下需要制造多层板，因此在镀铜层上铺上绝缘层，然后重复这些过程直至所要求的互连全部完成（如图3-1、3-2）。
图3-1：最初的工艺演示模块，它使用了各种类型包含/不包含引脚的元件（左下角的放大显示了待连接的铜引脚）
图3-2：组装板的背面嵌入了金属网，可作为屏蔽或其它目的
最终的电路层可以连接到各种用户界面、显示和电源接口，然后包覆一层相同形状的或刚性的绝缘保护层。如需要制造两层元件，可以将它们堆叠起来，在一个中心支撑板上进行背靠背的连接，并可以附带各种传热结构。
讨论
Verdant Electronics公司的创新概念彻底摒弃了组装工艺中的焊料。无焊料的概念并不新鲜，但此前提出的方法（如：以导电胶代替）并没有为市场所接受，推测其原因是操作困难或可靠性上有问题。
虽然早期看来Verdant的解决方案有些不切实际，因为焊料工艺已经是电子组装业事实上的标准，但是那些非常熟悉电子组装领域的人们将会从以前的工作认识到，在使用裸芯片构建更加复杂和具有挑战性的多芯片模块与IC封装的过程中，Verdant的技术既是可能又可行的。今天，完成Occam方法的所有材料、设备和工艺都是可以得到和运行 的。组装工厂的最大变化只不过是引进成熟的加成法制板技术。
因为该工艺无需使组装板暴露在回流焊的高温中，所以元件的潮敏等级（MSL）——用以衡量元件吸收湿气而在焊接中发生排气爆炸的风险——可以不予考虑。所有元件都可认为是MSL-1级，这意味着它们不要求进行干燥贮存、特殊处理或记录。 该工艺还允许使用那些不能承受无铅焊接温度的元件（如铝电容、光电器件、连接器等）。
至于标准的印刷电路板，其互连结构仍须设计和制造，但解除了某些限制。例如，该工艺无需为大元件的焊接提供大尺寸的焊盘，简化了布线（如图5-1，5-2）。这样，该工艺支持更高的电路密度并减少了所需的层数。同样，当需要制造特殊结构时，没有必要让所有高径深比的通孔穿过组装层。
图5-1：由于不存在线路穿越焊盘的问题，将有利于面陈列器件布线，并显著减小电容
图5-2：QFN和其他类似的外围引脚器件的布线优势
同时，停用印刷线路板避免了很多不太被注意到的成本开支，例如：供应链管理（供应商资格认证、交付周期、引入QC管理等）、测试、库存管理、防护贮存、烘烤、装卸搬运等。由于互连直到组装之后才形成，其设计可以按照需要修改，而不必考虑钻孔、填充和跳线的要求。预计成品将会由坚韧的、热膨胀系数匹配的环氧树脂或其它材料来密封，因而非常结实。
总之，这种改进的组装方法给OEM提供了一个新的选择，可以进行高可靠性和低成本的电子组装制造，同时，更为有利的是，产品不仅符合RoHS的要求，而且与焊料组装产品相比更加环保。
表1是Occam工艺和产品优势的总结表
研发，认证和采用
目前的工作是从头至尾地研发Occam工艺。例如，一些技术工艺和材料问题、加工属性、检验规程等，结合互连方案的优化增减，需要给出解决方案，具体包括：
·明确规定密封材料及其属性，特别是其收缩率和热膨胀系数
· 规范制造的准备步骤：平整化、金属 化、预处理、清洗等
·仔细化置放/定位工艺，确定基准和实际位置的反馈
·确立密封后露出引线端的工艺
·构建加成互连步骤，包括材料和工艺的
调整
认证全部的工艺和产品显然是必要的，但是预计会有一部分参与者是军用产品开发商。 军方的供应商和用户已经深受无铅电子发展的冲击，虽然军用产品开发商可以享受豁免待遇，但是他们逐渐发现越来越难以采购到可靠性很好的锡 铅镀层元件。
众所周知，焊点是电子组装的“阿喀琉斯脚跟”之一（最弱的点），通过改进制造技术而取消焊点，将会引来高可靠性电子产品开发商对它进行迅速评估。如果此工艺在可靠性方面超过了传统的组装方法，他们将会迅速采纳这种方法。
商业上的考虑与优势
Occam工艺具有深远的影响。电子制造的三个部分——印刷电路板制造、元件制造和组装——将被两个部分所取代（如图1和图6），这是因为印刷电路板制造和组装从根本上融入到一个连续的制造过程中。这种方法将大大增强控制能力，减少目前供应链管理中的收入流失，同时通过将管理项目最少化而极大地简化了供应链管理。
图6：Occam工艺减少了工业的分散度，并缩短了供应链和制造周期
这项新技术可以解决电子组装工业宏观层面上的问题，并且有可能处理所有应用领域的问题。如果为OEM广泛采纳来生产更加便宜、可靠和环保的电子产品，将会对某些业务带来显著的冲击，比如：
·电子焊料工业，与之相关的助焊剂、清洗剂、钢网等 供应商，将会感受需求的降低
·EMS工业将采用技术以适应OEM的要求
·随着时间的推移，传统的印刷电路板制造业和覆铜板供应商会逐渐淡出舞台，因为传统的印刷电路板 需求会被新的组装原料所代替
·全球地表采矿企业所建立的锡工业，将会由于电子产品用锡量的降低而遭受负面影响，但在许多具有远见的环境学家看来，减少电子产品中锡焊料的使用是值得的，因为它减少了采矿、精炼消耗，以及焊接所需的能源消耗。基于此，环境将会受益，高性能电子产品的供应商和消费者也将受益，特别是那些寻求制造和购买耐用的、可靠的、环保的产品及应用的人们。