SMT錫膏印刷工藝--鋼網(wǎng)開孔設(shè)計(jì)指南
- 2019-06-14 15:10:00
- 電路闆貼片加工 轉(zhuǎn)貼
- 9870
模闆設(shè)計(jì)指南
模闆(stencil)又稱SMT漏闆、SMT網(wǎng)版、SMT鋼網(wǎng)，牠是用來定量分配焊膏或 貼片膠的，是保證印刷焊膏/貼片紅膠質(zhì)量的關(guān)鍵工裝。
模闆厚度與開口尺寸、開口形狀、開口內(nèi)壁的狀態(tài)等就決 定瞭焊膏的印刷量，因此模闆的質(zhì)量又直接影響焊膏的印 刷量。 隨著SMT曏高密度和超高密度組裝髮展，模闆設(shè)計(jì)更加顯得 重要瞭。
模闆設(shè)計(jì)屬於SMT可製造性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一
模闆設(shè)計(jì)內(nèi)容
模闆厚度
模闆開口設(shè)計(jì)
模闆加工方法的選擇
颱階/釋放(step/release)模闆設(shè)計(jì)
混閤技術(shù)：通孔/錶麵貼裝模闆設(shè)計(jì)
免洗開孔設(shè)計(jì)
儠饘球柵陣列(PBGA)的模闆設(shè)計(jì)
瘠瓷球柵陣列(CBGA)的模闆設(shè)計(jì)
微型BGA/芯片級(jí)包裝(CSP)的模闆設(shè)計(jì)
混閤技術(shù)：錶麵貼裝/倒裝芯片(flip chip)的模闆設(shè)計(jì)
膠的模闆開孔設(shè)計(jì)
匠MT不鏽鋼激光模闆製作外協(xié)程序及工藝要求
1. 模闆厚度設(shè)計(jì)
模闆印刷是接觸印刷，模闆厚度是決定焊膏量的關(guān)鍵蔘數(shù)。
模闆厚度應(yīng)根據(jù)印製闆組裝密度、元器件大小、引腳（或焊球）之間的間距進(jìn)行確定。
通常使用0.1mm～0.3mm厚度的鋼片。高密度組裝時(shí)，可選擇0.1mm以下厚度。
通常在衕一塊PCB上旣有1.27mm以上一般間距的元器件，也有窄間距元器件，1.27mm以上間距的元器件需要0.2mm厚，窄間距的元器件需要0.15～0.1mm厚，這種情況下可根據(jù)PCB上多數(shù)元器件的的情況決定不鏽鋼闆厚度，然後通過對(duì)箇彆元器件焊盤開口尺寸的擴(kuò)大或縮小進(jìn)行調(diào)整焊膏的漏印量。
脠求焊膏量懸殊比較大時(shí)，可以對(duì)窄間距元器件處的模闆進(jìn)行局部減薄處理。
2. 模闆開口設(shè)計(jì)
模闆開口設(shè)計(jì)包含兩箇內(nèi)容：開口尺寸和開口形狀
口尺寸和開口形狀都會(huì)影響焊膏的填充、釋放（脫膜），最終影響焊膏的漏印量。
模闆開口是根據(jù)印製電路闆焊盤圖形來設(shè)計(jì)的，有時(shí)需要適當(dāng)修改（放大、縮小或修改形狀），因爲(wèi)不衕元器件引腳的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸，需要的焊膏量是不一樣。
衕一塊PCB上元器件尺寸懸殊越大、組裝密度越高，模闆設(shè)計(jì)的難度也越大。
⑴ 模闆開口設(shè)計(jì)最基本的要求
寬厚比＝開口寬度(W)/模闆厚度(T)
戠積比＝開口麵積/孔壁麵積
矩形開口的寬厚比/麵積比：
寬厚比：W/T＞1.5
麵積比：L×W/2(L+W)×T＞0.66
研究證明：
戠積比＞0.66，焊膏釋放體積百分比＞80%
戠積比＜0.5，焊膏釋放體積百分比＜ 60%
影響焊膏脫膜能力的三箇因素
麵積比/寬厚比、開孔側(cè)壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度
呟尺寸[寬(W)和長(zhǎng)(L)]與模闆厚度(T)決定焊膏的體積
理想的情況下，焊膏從孔壁釋放（脫膜）後，在焊盤上形成完整的錫磚（焊膏圖形）
各種錶麵貼裝元件的寬厚比/麵積比舉例
|
例子（mil） |
開孔設(shè)計(jì)（mil） （寬×長(zhǎng)×模闆厚度） |
寬厚比 |
麵積比 |
焊膏釋放 |
|
1： QFP 間距20 |
10×50×5 |
2.0 |
0.83 |
+ |
|
2： QFP 間距16 |
7×50×5 |
1.4 |
0.61 |
+++ |
|
3: BGA 間距50 |
圓形25厚度6 |
4.2 |
1.04 |
+ |
|
4: BGA 間距40 |
圓形15厚度5 |
3.0 |
0.75 |
++ |
|
5: μBGA 間距30 |
方形11厚度5 |
2.2 |
0.55 |
+++ |
|
6: μBGA 間距30 |
方形13厚度5 |
2.6 |
0.65 |
++ |
|
註：+ 錶示難度 |
||||
μBGA （CSP）的模闆印刷推薦帶有輕微圓角的方形模闆開孔。
這種形狀的開孔比圓形開孔的焊膏釋放效果更好一些。
對(duì)於寬厚比/麵積比沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,但接近 1.5和0.66的情況(如例2)，應(yīng)該考慮如以下1~3箇選擇：
–增加開孔寬度
增加寬度到 8 mil(0.2mm) 將寬厚比增加到 1.6
–減少厚度
減少模闆厚度到 4.4 mil(0.11mm) 將寬厚比增加到 1.6
–選擇一種有非常光潔孔壁的模闆技術(shù)
激光切割+電拋光或電鑄
一般印焊膏模闆開口尺寸及厚度
|
元件類型 |
PITCH |
焊盤寬度 |
焊盤長(zhǎng)度 |
開口寬度 |
開口長(zhǎng)度 |
模闆厚度 |
寬度比 |
麵積比 |
|
PLCC |
1.27mm |
0.65mm |
2.0mm |
0.60mm |
1.95mm |
0.15-0.25mm |
2.3-3.8 |
0.88-1.48 |
|
(50mil) |
(25.6mil) |
(78.7mil) |
(23.6mil) |
(76.8mil) |
(5.91-9.84mil) |
|||
|
QFP |
0.635mm |
0.635mm |
0.635mm |
0.635mm |
0.635mm |
0.635mm |
1.7-2.0 |
0.71-2.0 |
|
(25mil) |
(13.8mil) |
(59.1mil) |
(11.8mil) |
(57.1mil) |
(5.91-7.5mil) |
|||
|
QFP |
0.50mm |
0.254-0.33mm |
1.25mm |
0.22-0.25mm |
1.2mm |
0.125-0.15mm |
1.7-2.0 |
0.69-0.83 |
|
(20mil) |
(10-13mil) |
(49.2mil) |
(9-10mil) |
(47.2mil) |
(4.92-5.91mil) |
|||
|
QFP |
0.40mm |
0.25mm |
1.25mm |
0.2mm |
1.2mm |
0.10-0.125mm |
1.6-2.0 |
0.68-0.86 |
|
(15.7mil) |
(9.84mil) |
(49.2mil) |
(7.87mil) |
(47.2mil) |
(3.94-4.92mil) |
|||
|
QFP |
0.30mm |
0.20mm |
1.00mm |
0.15mm |
0.95mm |
0.075-0.125mm |
1.50-2.0 |
0.65-0.86 |
|
(11.8mil) |
(7.87mil) |
(39.4mil) |
(5.91mil) |
(37.4mil) |
(2.95-3.94mil) |
|||
|
0402 |
|
0.50mm |
0.65mm |
0.45mm |
0.6mm |
0.125-0.15mm |
|
0.84-1.00 |
|
|
(19.7mil) |
(25.6mil) |
(17.7mil) |
(23.6mil) |
(4.92-5.91mil) |
|||
|
0201 |
|
0.25mm |
0.40mm |
0.23mm |
0.35mm |
0.075-0.125mm |
|
0.66-0.89 |
|
|
(9.84mil) |
(15.7mil) |
(9.06mil) |
(13.8mil) |
(2.95-3.94mil) |
|||
|
BGA |
1.27mm |
φ0.80mm |
|
φ0.75mm |
|
0.15-0.20mm |
|
0.93-1.25 |
|
(50mil) |
(31.5mil) |
|
(29.5mil) |
|
(5.91-7.87mil) |
|||
|
U BGA |
1.00mm |
φ0.38mm |
|
φ0.35mm |
0.35mm |
0.115-0.135mm |
|
0.67-0.78 |
|
(39.4mil) |
(15.0mm) |
|
(13.8mil) |
(13.8mil) |
(4.53-5.31mil) |
|
||
|
U BGA |
0.50mm |
φ0.30mm |
|
φ0.28mm |
0.28mm |
0.075-0.125mm |
|
0.69-0.92 |
|
(19.7mil) |
(11.8mm) |
|
(11.0mil) |
(11.0mil) |
(2.95-3.94mil) |
|||
|
Flip Chip |
0.25mm |
0.12mm |
0.12mm |
0.12mm |
0.12mm |
0.08-0.10mm |
|
1.0 |
|
(10mil) |
(5mil) |
(5mil) |
(5mil) |
(5mil) |
(3-4mil) |
|||
|
Flip Chip |
0.20mm |
0.10mm |
0.10mm |
0.10mm |
0.10mm |
0.05-0.10mm |
|
1.0 |
|
(8mil) |
(4mil) |
(4mil) |
(4mil) |
(4mil) |
(2-4mil) |
|||
|
Flip |
0.15mm |
0.08mm |
0.08mm |
0.08mm |
0.08mm |
0.025-0.08mm |
|
1.0 |
|
(6mil) |
(3mil) |
(3mil) |
(3mil) |
(3mil) |
|
3. 模闆加工方法的選擇
模闆加工方法：
化學(xué)腐蝕(chem-etch)：遞減(substractive)工藝
激光切割(laser-cut)：機(jī)械加工
混閤式(hybrid)：腐蝕+激光
電鑄(electroformed)：遞增的工藝
模闆技術(shù)對(duì)焊膏釋放的百分比起很重要的作用，應(yīng)根據(jù)組裝密度來選擇加工方法。
通常，引腳間距爲(wèi)0.025 "(0.635mm)以上時(shí)，選擇化學(xué)腐蝕(chem-etched)模闆；當(dāng)引腳間距在0.020" (0.5mm)以下時(shí)，應(yīng)該考慮激光切割和電鑄成形的模闆。
⑴化學(xué)蝕刻模闆
是通過在金屬箔上塗抗蝕保護(hù)劑（感光膠）、在金屬箔兩麵曝光、顯影（將開口圖形上的感光膠去除）、堅(jiān)膜，然後使用雙麵工藝衕時(shí)從兩麵腐蝕金屬箔。
化學(xué)蝕刻的模闆是初期模闆加工的主要方法。其優(yōu)點(diǎn)是成本最低，加工速度最快。由於存在側(cè)腐蝕、縱橫比率、過腐蝕、欠腐蝕等問題，因此不適閤0.020" (0.5mm)以下間距的應(yīng)用。
⑵ 激光切割模闆
激光切割可直接從原始Gerber數(shù)據(jù)産生，沒有攝影步驟。因此，消除瞭位置不正的機(jī)會(huì)
匠在衕一塊PCB上元器件要求焊膏量懸殊比較大時(shí)，可以通過擴(kuò)大、縮小開口、修改開口形狀來增加或減少焊膏量
加工精度高，適用於0.020" (0.5mm)以下間距的較高密度的模闆。
主要缺點(diǎn)是機(jī)器單箇地切割齣每一箇孔，孔越多，花的時(shí)間越長(zhǎng)，模闆成本越高。
⑶ 混閤式模闆
混閤式(hybrid)模闆工藝是指：先通過化學(xué)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)間距的組件，然後激光切割密間距(fine-pitch)的組件。這種“混閤”或結(jié)閤的模闆，得到兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，降低成本和更快的加工週期。另外，整箇模闆可以電拋光，以提供光滑的孔壁和良好的焊膏釋放。
⑷ 電鑄成形
電鑄成形是一種遞增工藝
電鑄模闆的精度高，開口壁光滑，適用於超密間距産品，可達(dá)到1:1的縱橫比
主要缺點(diǎn)：因爲(wèi)涉及一箇感光工具(雖然單麵)可能存在位置不正；對(duì)電解液的濃度、溫度、電流、時(shí)間等工藝蔘數(shù)要求非常嚴(yán)格；如果電鍍工藝不均勻，會(huì)失去密封效果，可能造成電鑄工藝的失??；另外電鑄成形的速度很慢，因此成本比較高。
三種製造方法的比較
4. 颱階/釋放(step/release)模闆設(shè)計(jì)
颱階/釋放模闆工藝，俗稱減薄工藝
爲(wèi)瞭減少密間距QFP的焊膏量，通過事先對(duì)該區(qū)域的金屬闆進(jìn)行蝕刻減薄，製齣一箇曏下颱階區(qū)域，然後進(jìn)行激光切割。
脠求曏下颱階應(yīng)該總是在模闆的颳刀麵（凹麵曏上） ，在QFP與週圍組件之間至少0.100“(0.254mm)的間隔，併使用橡膠颳刀。
減薄模闆還應(yīng)用於有CBGA和通孔連接器場(chǎng)閤。例如一塊模闆除瞭CBGA區(qū)域的模闆厚度爲(wèi) 8-mil，其牠所有位置都是 6-mil 的厚度；又例如，一塊模闆除瞭一箇邊緣通孔連接器的厚度爲(wèi) 8-mil，其餘部位都是 6-mil 厚度。
5. 颱階與陷凹颱階(relief step)的模闆設(shè)計(jì)
颱階與陷凹颱階模闆是指在模闆底麵（朝PCB這一麵的陷凹颱階）
颱階與陷凹颱階模闆的應(yīng)用：
⑴ 用於PCB上錶麵有凸起或高點(diǎn)妨礙模闆印刷時(shí)
謠艏將有條形碼、測(cè)試通路孔和增加性的導(dǎo)線，以及有已經(jīng)完成COB工藝的位置，用陷凹颱階保護(hù)起來。
⑵ 用於通孔再流焊、或錶麵貼裝/倒裝芯片的混閤工藝中
謠艏在通孔再流焊中，第一箇模闆用6mil厚度的模闆印刷錶麵貼裝元件的焊膏。第二箇模闆印刷通孔元件的焊膏（通常 15～25-mil 厚），陷凹颱階通常 10mil深。凹麵曏下，這箇颱階防止通孔印刷期間抹掉已經(jīng)印刷好的錶麵貼裝元件的焊膏。
6. 免清洗工藝模闆開孔設(shè)計(jì)
免清洗工藝模闆開孔設(shè)計(jì)時(shí)爲(wèi)瞭避免焊膏汙染焊膏以外的部分、減少焊錫球；另外，免清洗焊膏中的助焊劑比例較普通焊膏少一些，因此，一般要求模闆開口尺寸比焊盤縮小5～10％。
7. 無鉛工藝的模闆設(shè)計(jì)
IPC-7525A“Stencil Design Guidelines”標(biāo)準(zhǔn)爲(wèi)無鉛工藝提供相關(guān)建議。作爲(wèi)通用的設(shè)計(jì)指南，絲網(wǎng)開口尺寸將與PCB焊盤的尺寸相當(dāng)接近，這是爲(wèi)瞭保證在焊接後整箇焊盤擁有完整的焊錫?；⌒蔚倪吔窃O(shè)計(jì)也是可以接受的一種，因爲(wèi)相對(duì)於直角的設(shè)計(jì)，弧形的邊角更容易解決焊膏粘連的問題。
無鉛工藝的模闆設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素
（無鉛焊膏和有鉛焊膏在物理特性上的區(qū)彆）
無鉛焊膏的浸潤(rùn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低於有鉛焊膏；
無鉛焊膏的助焊劑含量通常要高於有鉛焊膏，無鉛閤金的比重較低；
ㄠ蹵缺少鉛的潤(rùn)滑作用，焊膏印刷時(shí)填充性和脫膜性較差。
無鉛模闆開口設(shè)計(jì)
開口設(shè)計(jì)比有鉛大，焊膏盡可能完全覆蓋焊盤
①對(duì)於Pitch>0.5mm的器件
一般採(cǎi)取1:1.02 ~ 1:1.1的開口，併且適當(dāng)增大模闆厚度。
②對(duì)於Pitch≤0.5mm的器件
通常採(cǎi)用1:1開口，原則上至少不用縮小
③對(duì)於0402的器件
通常採(cǎi)用1:1開口，爲(wèi)防止元件底部錫絲、墓碑、迴流時(shí)鏇轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，可將焊盤開口內(nèi)側(cè)修改成弓形或圓弧形；
無鉛模闆寬厚比和麵積比
由於無鉛焊膏填充和脫膜能力較差，對(duì)模闆開口孔壁光滑度和寬厚比/麵積比要求更高，
無鉛要求：寬厚比＞1.6，麵積比＞0.71
開口寬度(W)/模闆厚度(T)＞1.5
開口麵積(W×L)/孔壁麵積[2×(L+W)×T] ＞0.66（IPC7525標(biāo)準(zhǔn)）
四週導(dǎo)電焊盤的模闆開口設(shè)計(jì)
四週導(dǎo)電焊盤的模闆開口設(shè)計(jì)與模闆厚度的選取有直接的關(guān)繫，根據(jù)PCB具體情況可選擇100 ~ 150um
茠駿葓ⅶ罪可縮小開口尺寸
茠蒏蒅其罿g口尺寸1：1
戠積比要符閤IPC-7525規(guī)定。
推薦使用激光加工併經(jīng)過電拋光處理的模闆。
PQFN散熱焊盤的模闆開口設(shè)計(jì)
貟流焊時(shí)，由於熱過孔和大麵積散熱焊盤中的氣體曏外溢齣時(shí)容易産生濺射、錫球和氣孔等各種缺陷，減小焊膏覆蓋麵積可以得到改善。
對(duì)於大麵積散熱焊盤，模闆開口應(yīng)縮小20~50%。
焊膏覆蓋麵積50~80%較閤適。
8. 膠劑模闆(Adhesive Stencil)
膠劑模闆是指用於印刷貼片膠的模闆。
倠CB焊盤Gerber文件也使計(jì)祘機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)操作員可容易地決定一箇焊盤形狀的質(zhì)心點(diǎn)。有這箇功能可以將設(shè)計(jì)文件中焊膏層可轉(zhuǎn)換成圓形和橢圓形。因此，可製作一塊模闆來“印刷” 貼片膠，來替代滴膠。印刷比滴膠速度快、一緻性好。
紅膠鋼闆厚度
般紅膠鋼闆厚度在0.2mm 以上
紅膠開孔寬度小於8mil 時(shí)，鋼闆厚度必鬚改爲(wèi)0.18mm
紅膠開孔寬度小於7mil 時(shí)，鋼闆厚度必鬚改爲(wèi)0.15mm
保證開孔寬度≥鋼闆厚度
9. 返工模闆
返修(rework)工藝中“小型的”模闆，專門設(shè)計(jì)用來返工或翻修單箇組件?？少?gòu)買（或加工）單箇組件的模闆，如標(biāo)準(zhǔn)的QFP和球柵陣列(BGA)。
總結(jié)：
口寬度(W)/模闆厚度(T)＞1.5（無鉛＞1.6）
口麵積(W×L)/孔壁麵積＞0.66（無鉛＞0.71）
設(shè)計(jì)模闆開孔時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)度大於寬度的五倍時(shí)考慮寬厚比，對(duì)所有其牠情況考慮麵積比。
寬厚比和麵積比接近1.5和0.66時(shí)，對(duì)模闆孔壁的光潔度就要求更重要，以保證良好的焊膏釋放。
般規(guī)則，將模闆開孔尺寸比焊盤尺
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