SMT钢网设计指南

SMT钢网设计指南 面贴装工艺工程师在对表面贴装印刷/装配不熟悉和/或他们有新的表面贴装印刷/装配要求时,经常面对类似的设计问题。新的工艺工程师在指定用于印刷锡膏或胶水的钢网(stencil)时会喜欢一些基本的钢网设计指南。经验丰富的表面贴装工艺工程师在面对一种新的表面贴装印刷/装配要求时会宁愿在他人的经验上来学习。 几年前,对一个正规的、容易理解的钢网设计指南的需求是所公认的。在1998年中,成立了一个小组委员会,包括了来自钢网制造商、锡膏制造商、表面贴装装配制造商、印刷机制造商和装配设备制造商的代表。该小组委员会的目标是要提供IPC:电子工业联合会钢网设计指南文件。该文件将包括:名词与定义、参考资料、钢网设计、钢网制造、钢网安装、文件处理/编辑和钢网订购、钢网检查/确认、钢网清洗、和钢网寿命。最终文件,IPC 7525,现已发布。 工艺工程师对钢网设计的一些最普遍的关注列出如下。钢网设计指南应该详细地探讨每一个这些问题: 开孔尺寸:长与宽/从电路板焊盘的缩减 钢网厚度 使用的钢网技术:化学腐蚀(chem-etch)、激光切割(laser-cut)、混合式(hybrid)、电铸(electroformed) 台阶/释放(step/release)钢网设计 胶的钢网开孔设计 混合技术:通孔/表面贴装钢网设计 片状元件的免洗开孔设计 塑料球栅阵列(PBGA)的钢网设计 陶瓷球栅阵列(CBGA)的钢网设计 微型BGA/芯片级包装(CSP)的钢网设计 混合技术:表面贴装/倒装芯片(flip chip)的钢网设计 锡膏释放与锡砖的理论体积(长 X 宽 X 厚)的比例 钢网开孔的设计 IPC的钢网设计指南将要谈到的一个普遍询问的关于钢网的问题是,开孔设计怎样影响印刷性能。锡膏印刷的三个主要性能问题。开孔尺寸[宽(W)和长(L)]与钢网金属箔厚度(T)决定锡膏印刷于PCB的体积。在印刷周期,随着刮刀在钢网上走过,锡膏充满钢网的开孔。然后,在电路板/钢网分开期间,锡膏释放到板的焊盘上。理想地,所有充满开孔的锡膏从孔壁释放,并附着于板的焊盘上,形成完整的锡砖。锡膏从内孔壁释放的能力主要决定于三个因素:钢网设计的面积比/宽深比(aspect ratio)、开孔侧壁的几何形状、和孔壁的光洁度。 对于可接受的锡膏释放的一般接受的设计指引是,宽深比大于1.5、面积比大于0.66。宽深比是面积比的一维简化。当长度远大于宽度时,面积比与宽深比相同。当钢网从电路板分离时,锡膏释放遭遇一个竞争过程:锡膏将转移到焊盘或者粘附在侧孔壁上?当焊盘面积大于内孔壁面积的2/3时,可达到85%或更好的锡膏释放能力。 钢网技术对锡膏释放的百分比也起一个主要作用。开孔侧壁的几何形状和孔壁光洁度直接与钢网技术有关。经过电解抛光的激光切割钢网得到比非电解抛光的激光切割钢网更光滑的内孔壁。在一个给定面积比上,前者比后者释放更高百分比的锡膏。对于接近1.5的宽深比和接近0.66的面积比,一些钢网技术比其它的更好地达到较高百分比的锡膏释放。 表一,各种表面贴装元件的宽深比/面积比举例 例子 开孔设计宽深比面积比锡膏释放 + 表示难度. 1 QFP 间距20 10x50x5 2.0 0.83 + 2 QFP 间距16 7x50x5 1.4 0.61 +++ 3 BGA 间距50 圆形25 厚度6 4.2 1.0 4 + 4 BGA 间距40 圆形1 5 厚度5 3.0 0.75 ++ 5 微型BGA 间距30 方形11 厚度5 2.2 0.55 +++ 6 微型BGA 间距30 方形13 厚度5 2.6 0.65 ++ 表一列出对典型表面贴装元件(SMD)的开孔设计的一些实际例子中的宽深比/面积比。20-mil 间距的QFP,在 5-mil 厚的钢网上10 x 50-mil 的开孔,得到 2.0 的宽深比。使用一种光滑孔壁的钢网技术将产生很好的锡膏释放和连续的印刷性能。16-mil 间距的QFP,在 5-mil 厚的钢网上7 x 50-mil 的开孔,得到 1.4 的宽深比,这是一个锡膏释放很困难的情况,甚至对高技术的钢网都一样。对于这种情况应该考虑一个或者全部三个选择: 增加开孔宽度(增加宽度到 8-mil 将宽深比增加到 1.6)。 减少厚度(减少金属箔厚度到 4.4-mil 将宽深比增加到 1.6) 选择一种有非常光洁孔壁的钢网技术。 闪存(flash momery)微型BGA正变得很普遍。通常,这些元件在板上有 12-mil 的圆形焊盘、15-mil 的阻焊层开口。最佳的焊盘设计是铜箔限定的而不是阻焊层限定的。表一中的例5说明一个 11-mil 的圆形开孔。宽深比是2.2。有人可能错误地认为,因为宽深比远大于1.5,所以锡膏释放不是问题。可是,如果长度没有达到宽度的五倍,那么应该用面积比(二维模式)来预测锡膏释放。这种情况下面积比是0.55,这是一种很困难的锡膏释放情况。通常,钢网开孔应该略小于电路板焊盘。例5遵照这个规则,为 12-mil 的焊盘制作 11-mil 的钢网开孔。 可是,微型BGA是一个例外,特别是在铜箔限定的焊盘这种情况。如果钢网开孔增加到 13-mil ,表一中例6所示,将不会发生阻焊层(solder mask)与锡膏干涉。注意现在面积比是0.65。甚至在0.65的面积比,都还应该选择提供镜亮的内孔壁的钢网技术。Tessera 和 Intel 两个公司都为微型BGA的钢网印刷推荐带有轻微圆角的方形模板开孔。来自顾客的所有反馈肯定这种形状的开孔比圆形开孔提供较好的锡膏释放。 台阶与陷凹台阶(relief step)的钢网设计 在一些情况中,钢网可能要求台阶。一种情况是对密间距(fine-pitch)元件的向下台阶区域。有一个例子是,对所有元件为 8-mil 厚度的钢网,20-mil 间距的除外,它要求 6-mil 的厚度。 在钢网上朝电路板这一面的陷凹台阶是钢网中要求台阶的另一个例子。在板上有凸起或高点妨碍钢网在印刷过程中的密封作用的时候,陷凹台阶是所希望的。例子有条形码、测试通路孔和增加性的踪迹线。陷凹台阶的凹穴也用于两次印刷(two-print)钢网,它主要用于混合技术要求 - 或者通孔技术/表面贴装或者表面贴装/倒装芯片。在通孔技术/表面贴装的情况,第一个钢网用正常厚度的钢网(6-mil)印刷所有的表面贴装锡膏。第二个钢网印刷所有通孔元件的锡膏。这个模板通常是 15~25-mil 厚,为通孔元件提供足够的锡膏。陷凹台阶(通常 10-mil 深)是在这个第二次印刷模板的朝板面上,在第一次印刷所有表面贴装锡膏的位置上。这个台阶防止通孔印刷期间抹掉表面贴装锡膏。 要求钢网上台阶的第三个例子是向上凸起的钢网。一个例子是,一块钢网在所有位置都是 6-mil 的厚度,除了CBGA区域的钢网厚度为 8-mil。另一个例子是,一块钢网是 6-mil 的厚度,除了一个边缘通孔连接器的厚度为 8-mil。6-mil 厚区域的宽度应该至少和刮刀宽度一样。 结论 当设计钢网开孔时,在长度大于宽度的五倍时考虑宽深比,对所有其它情况考虑面积比。随着这些比率的减少并分别接近1.5或0.66,对钢网孔壁的光洁度就要求更严厉,以保证良好的锡膏释放。在选择提供光滑孔壁的钢网技术时应该小心。作为一般规则,将钢网开孔尺寸比焊盘尺寸减少 1~2-mil,特别是如果焊盘开口是阻焊层界定的。当焊盘是铜箔界定时,与多数微型BGA一样,将钢网开孔做得比焊盘大 1~2-mil 可能是所希望的。这个方法将增加面积比,有助于微型BGA的锡膏释放。