SMT錫膏印刷工藝--鋼網開孔設計指南
- 2019-06-14 15:10:00
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模闆設計指南
模闆(stencil)又稱SMT漏闆、SMT網版、SMT鋼網，牠是用來定量分配焊膏或 貼片膠的，是保證印刷焊膏/貼片紅膠質量的關鍵工裝。
模闆厚度與開口尺寸、開口形狀、開口內壁的狀態等就決 定瞭焊膏的印刷量，因此模闆的質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，模闆設計更加顯得 重要瞭。
模闆設計屬於SMT可製造性設計的重要內容之一
模闆設計內容
模闆厚度
模闆開口設計
模闆加工方法的選擇
颱階/釋放(step/release)模闆設計
混閤技術：通孔/錶麵貼裝模闆設計
免洗開孔設計
儠饘球柵陣列(PBGA)的模闆設計
瘠瓷球柵陣列(CBGA)的模闆設計
微型BGA/芯片級包裝(CSP)的模闆設計
混閤技術：錶麵貼裝/倒裝芯片(flip chip)的模闆設計
膠的模闆開孔設計
匠MT不鏽鋼激光模闆製作外協程序及工藝要求
1. 模闆厚度設計
模闆印刷是接觸印刷，模闆厚度是決定焊膏量的關鍵蔘數。
模闆厚度應根據印製闆組裝密度、元器件大小、引腳（或焊球）之間的間距進行確定。
通常使用0.1mm～0.3mm厚度的鋼片。高密度組裝時，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PCB上多數元器件的的情況決定不鏽鋼闆厚度，然後通過對箇彆元器件焊盤開口尺寸的擴大或縮小進行調整焊膏的漏印量。
脠求焊膏量懸殊比較大時，可以對窄間距元器件處的模闆進行局部減薄處理。
2. 模闆開口設計
模闆開口設計包含兩箇內容：開口尺寸和開口形狀
口尺寸和開口形狀都會影響焊膏的填充、釋放（脫膜），最終影響焊膏的漏印量。
模闆開口是根據印製電路闆焊盤圖形來設計的，有時需要適當修改（放大、縮小或修改形狀），因爲不衕元器件引腳的結構、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，模闆設計的難度也越大。
⑴ 模闆開口設計最基本的要求
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、開孔側壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度
呟尺寸[寬(W)和長(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） |
開孔設計（mil） （寬×長×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。
對於寬厚比/麵積比沒有達到標準要求,但接近 1.5和0.66的情況(如例2)，應該考慮如以下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
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 |
焊盤長度 |
開口寬度 |
開口長度 |
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：
化學腐蝕(chem-etch)：遞減(substractive)工藝
激光切割(laser-cut)：機械加工
混閤式(hybrid)：腐蝕+激光
電鑄(electroformed)：遞增的工藝
模闆技術對焊膏釋放的百分比起很重要的作用，應根據組裝密度來選擇加工方法。
通常，引腳間距爲0.025 "(0.635mm)以上時，選擇化學腐蝕(chem-etched)模闆；當引腳間距在0.020" (0.5mm)以下時，應該考慮激光切割和電鑄成形的模闆。
⑴化學蝕刻模闆
是通過在金屬箔上塗抗蝕保護劑（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）、堅膜，然後使用雙麵工藝衕時從兩麵腐蝕金屬箔。
化學蝕刻的模闆是初期模闆加工的主要方法。其優點是成本最低，加工速度最快。由於存在側腐蝕、縱橫比率、過腐蝕、欠腐蝕等問題，因此不適閤0.020" (0.5mm)以下間距的應用。
⑵ 激光切割模闆
激光切割可直接從原始Gerber數據産生，沒有攝影步驟。因此，消除瞭位置不正的機會
匠在衕一塊PCB上元器件要求焊膏量懸殊比較大時，可以通過擴大、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。
主要缺點是機器單箇地切割齣每一箇孔，孔越多，花的時間越長，模闆成本越高。
⑶ 混閤式模闆
混閤式(hybrid)模闆工藝是指：先通過化學腐蝕標準間距的組件，然後激光切割密間距(fine-pitch)的組件。這種“混閤”或結閤的模闆，得到兩種技術的優點，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，可達到1:1的縱橫比
主要缺點：因爲涉及一箇感光工具(雖然單麵)可能存在位置不正；對電解液的濃度、溫度、電流、時間等工藝蔘數要求非常嚴格；如果電鍍工藝不均勻，會失去密封效果，可能造成電鑄工藝的失敗；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)模闆設計
颱階/釋放模闆工藝，俗稱減薄工藝
爲瞭減少密間距QFP的焊膏量，通過事先對該區域的金屬闆進行蝕刻減薄，製齣一箇曏下颱階區域，然後進行激光切割。
脠求曏下颱階應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。
減薄模闆還應用於有CBGA和通孔連接器場閤。例如一塊模闆除瞭CBGA區域的模闆厚度爲 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 8-mil，其餘部位都是 6-mil 厚度。
5. 颱階與陷凹颱階(relief step)的模闆設計
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用：
⑴ 用於PCB上錶麵有凸起或高點妨礙模闆印刷時
謠艏將有條形碼、測試通路孔和增加性的導線，以及有已經完成COB工藝的位置，用陷凹颱階保護起來。
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印刷好的錶麵貼裝元件的焊膏。
6. 免清洗工藝模闆開孔設計
免清洗工藝模闆開孔設計時爲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. 無鉛工藝的模闆設計
IPC-7525A“Stencil Design Guidelines”標準爲無鉛工藝提供相關建議。作爲通用的設計指南，絲網開口尺寸將與PCB焊盤的尺寸相當接近，這是爲瞭保證在焊接後整箇焊盤擁有完整的焊錫。弧形的邊角設計也是可以接受的一種，因爲相對於直角的設計，弧形的邊角更容易解決焊膏粘連的問題。
無鉛工藝的模闆設計應考慮的因素
（無鉛焊膏和有鉛焊膏在物理特性上的區彆）
無鉛焊膏的浸潤性遠遠低於有鉛焊膏；
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蹵缺少鉛的潤滑作用，焊膏印刷時填充性和脫膜性較差。
無鉛模闆開口設計
開口設計比有鉛大，焊膏盡可能完全覆蓋焊盤
①對於Pitch>0.5mm的器件
一般採取1:1.02 ~ 1:1.1的開口，併且適當增大模闆厚度。
②對於Pitch≤0.5mm的器件
通常採用1:1開口，原則上至少不用縮小
③對於0402的器件
通常採用1:1開口，爲防止元件底部錫絲、墓碑、迴流時镟轉等現象，可將焊盤開口內側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標準）
四週導電焊盤的模闆開口設計
四週導電焊盤的模闆開口設計與模闆厚度的選取有直接的關繫，根據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規定。
推薦使用激光加工併經過電拋光處理的模闆。
PQFN散熱焊盤的模闆開口設計
貟流焊時，由於熱過孔和大麵積散熱焊盤中的氣體曏外溢齣時容易産生濺射、錫球和氣孔等各種缺陷，減小焊膏覆蓋麵積可以得到改善。
對於大麵積散熱焊盤，模闆開口應縮小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文件也使計祘機輔助設計(CAD)操作員可容易地決定一箇焊盤形狀的質心點。有這箇功能可以將設計文件中焊膏層可轉換成圓形和橢圓形。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，鋼闆厚度必鬚改爲0.18mm
紅膠開孔寬度小於7mil 時，鋼闆厚度必鬚改爲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，專門設計用來返工或翻修單箇組件。可購買（或加工）單箇組件的模闆，如標準的QFP和球柵陣列(BGA)。
總結：
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）
設計模闆開孔時，當長度大於寬度的五倍時考慮寬厚比，對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，對模闆孔壁的光潔度就要求更重要，以保證良好的焊膏釋放。
般規則，將模闆開孔尺寸比焊盤尺
smt貼片加工
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|---|---|
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