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(huì)涉及工藝工程師對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)一種新的表面貼裝印刷 /裝配要求時(shí)會(huì)寧愿在他人的經(jīng)驗(yàn)上來學(xué)習(xí)。幾年前，對(duì)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(huì)，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)制造商和裝配設(shè)備制造商的代表。該

2、小組委員會(huì)的目標(biāo)是要提供IPC：電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)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， IPC 7525，現(xiàn)已發(fā)布。工藝工程師對(duì)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(zhǎng)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1 / 7合式 (hybrid) 、電鑄 (electroformed)臺(tái)階 /釋放 (step/release)模板設(shè)計(jì)膠的模板開孔設(shè)計(jì)混合

3、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(jí)包裝 (CSP)的模板設(shè)計(jì)混合技術(shù)：表面貼裝 /倒裝芯片 (flip chip) 的模板設(shè)計(jì)錫膏釋放與錫磚的理論體積 (長(zhǎng) 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(zhǎng) (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，隨著刮刀在模板上走過，錫膏充滿模板的開孔。然后，在電路

4、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 (aspect ratio)、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(duì)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2 / 7比是面積比的一維簡(jiǎn)化。 當(dāng)長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)過程：錫膏將轉(zhuǎn)移到焊盤或者粘附在側(cè)孔壁上？當(dāng)焊盤面積大于內(nèi)孔壁面積的 2/3 時(shí)，可達(dá)到 85%或更好

5、的錫膏釋放能力。模板技術(shù)對(duì)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(duì)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 /面積比舉例例子開孔設(shè)計(jì)寬深比面積比錫膏釋放1QFP 間距 20 10x50x52.00.83+3 / 72QFP 間距 16 7x50x51.40.61+3BGA 間距 50 圓形 25 厚度 64.21.04+4BGA

6、 間距 40 圓形 15 厚度 53.00.75+5微型 BGA 間距 30 方形 11 厚度 52.20.554 / 7+6微型 BGA 間距 30 方形 13 厚度 52.60.65+ 表示難度 .表一列出對(duì)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 10 x 50-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 7 x 50-mil 的開孔，得到 1.4 的寬深比，這是一個(gè)錫膏釋放很困

7、難的情況，甚至對(duì)高技術(shù)的模板都一樣。 對(duì)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 (flash momery) 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5 / 7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，所以錫膏釋放不是問題?？墒?，如果

8、長(zhǎng)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(cè)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?？墒?，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(huì)發(fā)生阻焊層 (solder mask)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

9、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(tái)階與陷凹臺(tái)階 (relief step) 的模板設(shè)計(jì)在一些情況中，模板可能要求臺(tái)階。一種情況是對(duì)密間距 (fine-pitch) 元件的向下臺(tái)階區(qū)域。有一個(gè)例子是，對(duì)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(tái)階是模板中要求臺(tái)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(tái)階是所希望的。例子有條形碼、測(cè)試通路孔和增加性的蹤跡線。陷凹臺(tái)階的凹穴也用于兩次印刷(two-print)6 / 7模板，它主要用于混合技術(shù)要求

10、- 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(tái)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(tái)階防止通孔印刷期間抹掉表面貼裝錫膏。要求模板上臺(tái)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(zhǎng)度大于寬度的五倍時(shí)考慮寬深比，對(duì)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(duì)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