模板設(shè)計(jì)指南

1、SMT 模板設(shè)計(jì)指南本文窺視一個(gè)工業(yè)小組委員會涉及工藝工程師對模板設(shè)計(jì)的幾 個(gè)共同關(guān)注的文件。表面貼裝工藝工程師在對表面貼裝印刷 / 裝配不熟悉和 / 或 他們有新的表面貼裝印刷 / 裝配要求時(shí)，經(jīng)常面對類似的設(shè)計(jì)問 題。新的工藝工程師在指定用于印刷錫膏或膠水的模板 (stencil) 時(shí)會喜歡一些基本的模板設(shè)計(jì)指南。 經(jīng)驗(yàn)豐富的表面貼裝工藝工 程師在面對一種新的表面貼裝印刷 / 裝配要求時(shí)會寧愿在他人的 經(jīng)驗(yàn)上來學(xué)習(xí)。幾年前， 對一個(gè)正規(guī)的、 容易理解的模板設(shè)計(jì)指南的需求是 所公認(rèn)的。在 1998 年中，成立了一個(gè)小組委員會，包括了來自 模板制造商、錫膏制造商、表面貼裝裝配制造商、印刷機(jī)制造

2、商 和裝配設(shè)備制造商的代表。該小組委員會的目標(biāo)是要提供IPC：電子工業(yè)聯(lián)合會模板設(shè)計(jì)指南文件。 該文件將包括： 名詞與定義、 參考資料、模板設(shè)計(jì)、模板制造、模板安裝、文件處理 / 編輯和 模板訂購、模板檢查 / 確認(rèn)、模板清洗、和模板壽命。最終文件，IPC7525 ，現(xiàn)已發(fā)布。工藝工程師對模板設(shè)計(jì)的一些最普遍的關(guān)注列出如下模板設(shè)計(jì)指南應(yīng)該詳細(xì)地探討每一個(gè)這些問題：開孔尺寸：長與寬 / 從電路板焊盤的縮減模板厚度使用的模板技術(shù)： 化學(xué)腐蝕 (chem-etch) 、激光切割 (laser-cut) 、 混合式 (hybrid) 、電鑄 (electroformed) 臺階 /釋放 (step/r

3、elease) 模板設(shè)計(jì)膠的模板開孔設(shè)計(jì)混合技術(shù)：通孔 / 表面貼裝模板設(shè)計(jì) 片狀元件的免洗開孔設(shè)計(jì) 塑料球柵陣列 (PBGA) 的模板設(shè)計(jì) 陶瓷球柵陣列 (CBGA) 的模板設(shè)計(jì) 微型BGA/芯片級包裝(CSP)的模板設(shè)計(jì) 混合技術(shù)：表面貼裝 / 倒裝芯片 (flipchip) 的模板設(shè)計(jì) 錫膏釋放與錫磚的理論體積 (長 X 寬 X 厚)的比例模板開孔的設(shè)計(jì)IPC 的模板設(shè)計(jì)指南將要談到的一個(gè)普遍詢問的關(guān)于模板 的問題是， 開孔設(shè)計(jì)怎樣影響印刷性能。 圖一顯示錫膏印刷的三個(gè)主要性能問題。開孔尺寸寬(W)和長(L)與模板金屬箔厚度(T) 決定錫膏印刷于 PCB 的體積。在印刷周期，隨著刮刀在模

4、板上 走過，錫膏充滿模板的開孔。然后，在電路板 / 模板分開期間， 錫膏釋放到板的焊盤上。 理想地， 所有充滿開孔的錫膏從孔壁釋 放，并附著于板的焊盤上，形成完整的錫磚。錫膏從內(nèi)孔壁釋放 的能力主要決定于三個(gè)因素：模板設(shè)計(jì)的面積比/寬深比 (aspectratio) 、開孔側(cè)壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度。圖二中定義了面積比 / 寬深比。對于可接受的錫膏釋放的一 般接受的設(shè)計(jì)指引是，寬深比大于 1.5 、面積比大于 0.66 。寬深 比是面積比的一維簡化。 當(dāng)長度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)， 面積比與寬深比 相同。當(dāng)模板從電路板分離時(shí)，錫膏釋放遭遇一個(gè)競爭過程：錫 膏將轉(zhuǎn)移到焊盤或者粘附在側(cè)孔壁上？當(dāng)焊盤面積

5、大于內(nèi)孔壁 面積的 2/3 時(shí)，可達(dá)到 85% 或更好的錫膏釋放能力。模板技術(shù)對錫膏釋放的百分比也起一個(gè)主要作用。 開孔側(cè)壁 的幾何形狀和孔壁光潔度直接與模板技術(shù)有關(guān)。 經(jīng)過電解拋光的 激光切割模板得到比非電解拋光的激光切割模板更光滑的內(nèi)孔 壁。在一個(gè)給定面積比上，前者比后者釋放更高百分比的錫膏。對于接近 1.5 的寬深比和接近 0.66 的面積比，一些模板技術(shù)比/ 面積比舉例其它的更好地達(dá)到較高百分比的錫膏釋放。表一 ,各種表面貼裝元件的寬深比例子開孔設(shè)計(jì)寬深比面積比錫膏釋放1QFP 間距 2010x50x52.00.83+2QFP 間距 167x50x51.40.61+BGA 間距 50

6、圓形 25 厚度 64.21.04+4BGA 間距 40 圓形 15 厚度 53.00.75+5微型 BGA 間距 30 方形 11 厚度 52.20.55+6微型 BGA 間距 30 方形 13 厚度 5 2.6 0.65+ + 表示難度 .表一列出對典型表面貼裝元件 （SMD） 的開孔設(shè)計(jì)的一些實(shí) 際例子中的寬深比/面積比。20-mil間距的QFP,在5-mil厚的 模板上 10x50-mil 的開孔， 得到 2.0 的寬深比。 使用一種光滑孔 壁的模板技術(shù)將產(chǎn)生很好的錫膏釋放和連續(xù)的印刷性能。 16-mil 間距的QFP，在5-mil厚的模板上7x50-mil的開孔，得到1.4 的寬深比

7、， 這是一個(gè)錫膏釋放很困難的情況， 甚至對高技術(shù)的模 板都一樣。對于這種情況應(yīng)該考慮一個(gè)或者全部三個(gè)選擇： 增加開孔寬度 （增加寬度到 8-mil 將寬深比增加到 1.6）。 減少厚度 （減少金屬箔厚度到 4.4-mil 將寬深比增加到 1.6） 選擇一種有非常光潔孔壁的模板技術(shù)。閃存 （flashmomery） 微型 BGA 正變得很普遍。通常，這些 元件在板上有 12-mil 的圓形焊盤、 15-mil 的阻焊層開口。最佳 的焊盤設(shè)計(jì)是銅箔限定的而不是阻焊層限定的。 表一中的例 5 說 明一個(gè) 11-mil 的圓形開孔。寬深比是 2.2 。有人可能錯(cuò)誤地認(rèn) 為，因?yàn)閷捝畋冗h(yuǎn)大于 1.5，所

8、以錫膏釋放不是問題。可是，如果長度沒有達(dá)到寬度的五倍，那么應(yīng)該用面積比 （二維模式 ）來預(yù)測錫膏釋放。這種情況下面積比是0.55 ，這是一種很困難的錫 膏釋放情況。 通常，模板開孔應(yīng)該略小于電路板焊盤。 例 5 遵照 這個(gè)規(guī)則，為 12-mil 的焊盤制作 11-mil 的模板開孔。可是，微型 BGA 是一個(gè)例外，特別是在銅箔限定的焊盤這 種情況。如果模板開孔增加到 13-mil ，表一中例 6 所示，將不 會發(fā)生阻焊層 (soldermask) 與錫膏干涉。注意現(xiàn)在面積比是 0.65 。甚至在 0.65 的面積比，都還應(yīng)該選擇提供鏡亮的內(nèi)孔壁 的模板技術(shù)。 Tessera 和 Intel 兩

9、個(gè)公司都為微型 BGA 的模板印 刷推薦帶有輕微圓角的方形模板開孔。 來自顧客的所有反饋肯定 這種形狀的開孔比圓形開孔提供較好的錫膏釋放。臺階與陷凹臺階 (reliefstep) 的模板設(shè)計(jì) 在一些情況中，模板可能要求臺階。一種情況是對密間距 (fine-pitch) 元件的向下臺階區(qū)域。有一個(gè)例子是，對所有元件 為 8-mil 厚度的模板， 20-mil 間距的除外，它要求 6-mil 的厚 度。在模板上朝電路板這一面的陷凹臺階是模板中要求臺階的 另一個(gè)例子。 在板上有凸起或高點(diǎn)妨礙模板在印刷過程中的密封 作用的時(shí)候，陷凹臺階是所希望的。例子有條形碼、測試通路孔 和增加性的蹤跡線。 陷凹臺階

10、的凹穴也用于兩次印刷 (two-print)模板，它主要用于混合技術(shù)要求 -或者通孔技術(shù) / 表面貼裝或者表 面貼裝 /倒裝芯片。在通孔技術(shù) /表面貼裝的情況，第一個(gè)模板用 正常厚度的模板 (6-mil) 印刷所有的表面貼裝錫膏。 第二個(gè)模板印 刷所有通孔元件的錫膏。這個(gè)模板通常是 1525-mil 厚，為通 孔元件提供足夠的錫膏。陷凹臺階 (通常 10-mil 深)是在這個(gè)第 二次印刷模板的朝板面上， 在第一次印刷所有表面貼裝錫膏的位 置上。這個(gè)臺階防止通孔印刷期間抹掉表面貼裝錫膏。要求模板上臺階的第三個(gè)例子是向上凸起的模板。 一個(gè)例子 是，一塊模板在所有位置都是 6-mil 的厚度，除了 CBGA 區(qū)域 的模板厚度為 8-mil 。另一個(gè)例子是， 一塊模板是 6-mil 的厚度， 除了一個(gè)邊緣通孔連接器的厚度為8-mil。6-mil厚區(qū)域的寬度應(yīng)該至少和刮刀寬度一樣。結(jié)論 當(dāng)設(shè)計(jì)模板開孔時(shí)，在長度大于寬度的五倍時(shí)考慮寬深比， 對所有其它情況考慮面積比。隨著這些比率的減少并分別接近 1.5 或 0.66 ，對模板孔壁的光潔度就要求更嚴(yán)厲，以保證良好的 錫膏釋放。 在選擇提供光滑孔壁的模板