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会员专属资料

SMT钢网模板设计指南

发布日期:2014/8/10 9:29

模板设计指南
顾霭云
模板(stencil)又称smt漏板、SMT钢网,它是用来定量分配焊膏或贴片胶的,是保证印刷焊膏/贴片胶质量的关键工装。
模板厚度与开口尺寸、开口形状、开口内壁的状态等就决定了焊膏的印刷量,因此模板的质量又直接影响焊膏的印刷量。随着SMT向高密度和超高密度组装发展,模板设计更加显得重要了。
模板设计属于SMT可制造性设计的重要内容之一
1998年IPC为模板设计制订了IPC 7525(模板设计指南),2004年修订为A版。IPC 7525A标准主要包含名词与定义、参考资料、模板设计、模板制造、模板安装、文件处理/编辑和模板订购、模板检查/确认、模板清洗、和模板寿命等内容。
模板设计内容
模板厚度
模板开口设计
模板加工方法的选择
台阶/释放(step/release)模板设计
混合技术:通孔/表面贴装模板设计
免洗开孔设计
塑料球栅阵列(PBGA)的模板设计
陶瓷球栅阵列(CBGA)的模板设计
微型BGA/芯片级包装(CSP)的模板设计
混合技术:表面贴装/倒装芯片(flip chip)的模板设计
胶的模板开孔设计
SMT不锈钢激光模板制作外协程序及工艺要求

1. 模板厚度设计
模板印刷是接触印刷,模板厚度是决定焊膏量的关键参数。
模板厚度应根据印制板组装密度、元器件大小、引脚(或焊球)之间的间距进行确定。
通常使用0.1mm~0.3mm厚度的钢片。高密度组装时,可选择0.1mm以下厚度。
通常在同一块PCB上既有1.27mm以上一般间距的元器件,也有窄间距元器件,1.27mm以上间距的元器件需要0.2mm厚,窄间距的元器件需要0.15~0.1mm厚,这种情况下可根据PCB上多数元器件的的情况决定不锈钢板厚度,然后通过对个别元器件焊盘开口尺寸的扩大或缩小进行调整焊膏的漏印量。
要求焊膏量悬殊比较大时,可以对窄间距元器件处的模板进行局部减薄处理,
2. 模板开口设计
模板开口设计包含两个内容:开口尺寸和开口形状
开口尺寸和开口形状都会影响焊膏的填充、释放(脱膜),最终影响焊膏的漏印量。
模板开口是根据印制电路板焊盘图形来设计的,有时需要适当修改(放大、缩小或修改形状),因为不同元器件引脚的结构、形状、尺寸,需要的焊膏量是不一样。
同一块PCB上元器件尺寸悬殊越大、组装密度越高,模板设计的难度也越大。
⑴ 模板开口设计最基本的要求

宽厚比=开口宽度(W)/模板厚度(T)
面积比=开口面积/孔壁面积
矩形开口的宽厚比/面积比:
宽厚比:W/T>1.5
面积比:L×W/2(L+W)×T>0.66
研究证明:
面积比>0.66,焊膏释放体积百分比>80%
面积比<0.5,焊膏释放体积百分比< 60%
影响焊膏脱膜能力的三个因素
面积比/宽厚比、开孔侧壁的几何形状、和孔壁的光洁度
开孔尺寸[宽(W)和长(L)]与模板厚度(T)决定焊膏的体积
理想的情况下,焊膏从孔壁释放(脱膜)后,在焊盘上形成完整的锡砖(焊膏图形)

各种表面贴装元件的宽厚比/面积比举例
例子(mil)
开孔设计(mil)
(宽×长×模板厚度)
宽厚比
面积比
焊膏释放
1: QFP 间距20
10×50×5
2.0
0.83
+
2: QFP 间距16
7×50×5
1.4
0.61
+++
3: BGA 间距50
圆形25 厚度6
4.2
1.04
+
4: BGA 间距40
圆形15 厚度5
3.0
0.75
++
5: μBGA 间距30
方形11 厚度5
2.2
0.55
+++
6: μBGA 间距30
方形13 厚度5
2.6
0.65
++
注:+ 表示难度

μBGA (CSP)的模板印刷推荐带有轻微圆角的方形模板开孔。
这种形状的开孔比圆形开孔的焊膏释放效果更好一些。
对于宽厚比/面积比没有达到标准要求,但接近 1.5和0.66的情况(如例2),应该考虑如以下1~3个选择:
–增加开孔宽度
增加宽度到 8 mil(0.2mm) 将宽厚比增加到 1.6
–减少厚度
减少模板厚度到 4.4 mil(0.11mm) 将宽厚比增加到 1.6
–选择一种有非常光洁孔壁的模板技术
激光切割+电抛光或电铸
一般印焊膏模板开口尺寸及厚度

元件类型

PITCH

焊盘宽度

焊盘长度

开口宽度

开口长度

模板厚度

宽度比

面积比

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
Chip

0.15mm

0.08mm

0.08mm

0.08mm

0.08mm

0.025-0.08mm

1.0

(6mil)

(3mil)

(3mil)

(3mil)

(3mil)

印焊膏模板开口特殊修改方案
Chip元件开口修改方案

IC开口修改方案

3. 模板加工方法的选择
模板加工方法:
化学腐蚀(chem-etch):递减(substractive)工艺
激光切割(laser-cut):机械加工
混合式(hybrid):腐蚀+激光
电铸(electroformed):递增的工艺
模板技术对焊膏释放的百分比起很重要的作用,应根据组装密度来选择加工方法。
通常,引脚间距为0.025 "(0.635mm)以上时,选择化学腐蚀(chem-etched)模板;当引脚间距在0.020" (0.5mm)以下时,应该考虑激光切割和电铸成形的模板。
⑴化学蚀刻模板
是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂(感光胶)、在金属箔两面曝光、显影(将开口图形上的感光胶去除)、坚膜,然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属箔。
化学蚀刻的模板是初期模板加工的主要方法。其优点是成本最低,加工速度最快。由于存在侧腐蚀、纵横比率、过腐蚀、欠腐蚀等问题,因此不适合0.020" (0.5mm)以下间距的应用。
化学蚀刻模板
(a) 喇叭口向下的梯形截面开口
(b) 梯形“砖”形状的焊膏沉积图形
⑵ 激光切割模板
激光切割可直接从原始Gerber数据产生,没有摄影步骤。因此,消除了位置不正的机会
当在同一块PCB上元器件要求焊膏量悬殊比较大时,可以通过扩大、缩小开口、修改开口形状来增加或减少焊膏量
加工精度高,适用于0.020" (0.5mm)以下间距的较高密度的模板。
主要缺点是机器单个地切割出每一个孔,孔越多,花的时间越长,模板成本越高。
⑶ 混合式模板
混合式(hybrid)模板工艺是指:先通过化学腐蚀标准间距的组件,然后激光切割密间距(fine-pitch)的组件。这种“混合”或结合的模板,得到两种技术的优点,降低成本和更快的加工周期。另外,整个模板可以电抛光,以提供光滑的孔壁和良好的焊膏释放。
⑷ 电铸成形
电铸成形是一种递增工艺
电铸模板的精度高,开口壁光滑,适用于超密间距产品,可达到1:1的纵横比
主要缺点:因为涉及一个感光工具(虽然单面)可能存在位置不正;对电解液的浓度、温度、电流、时间等工艺参数要求非常严格;如果电镀工艺不均匀,会失去密封效果,可能造成电铸工艺的失败;另外电铸成形的速度很慢,因此成本比较高。
三种制造方法的比较
4. 台阶/释放(step/release)模板设计
台阶/释放模板工艺,俗称减薄工艺
为了减少密间距QFP的焊膏量,通过事先对该区域的金属板进行蚀刻减薄,制出一个向下台阶区域,然后进行激光切割。
要求向下台阶应该总是在模板的刮刀面(凹面向上) ,在QFP与周围组件之间至少0.100“(0.254mm)的间隔,并使用橡胶刮刀。
减薄模板还应用于有CBGA和通孔连接器场合。例如一块模板除了CBGA区域的模板厚度为 8-mil,其它所有位置都是 6-mil 的厚度;又例如,一块模板除了一个边缘通孔连接器的厚度为 8-mil,其余部位都是 6-mil 厚度。
5. 台阶与陷凹台阶(relief step)的模板设计
台阶与陷凹台阶模板是指在模板底面(朝PCB这一面的陷凹台阶)
台阶与陷凹台阶模板的应用:
⑴ 用于PCB上表面有凸起或高点妨碍模板印刷时
例如将有条形码、测试通路孔和增加性的导线,以及有已经完成COB工艺的位置,用陷凹台阶保护起来。
⑵ 用于通孔再流焊、或表面贴装/倒装芯片的混合工艺中
例如在通孔再流焊中,第一个模板用6mil厚度的模板印刷表面贴装元件的焊膏。第二个模板印刷通孔元件的焊膏(通常 15~25-mil 厚),陷凹台阶通常 10mil深。凹面向下,这个台阶防止通孔印刷期间抹掉已经印刷好的表面贴装元件的焊膏。
6. 免清洗工艺模板开孔设计
免清洗工艺模板开孔设计时为了避免焊膏污染焊膏以外的部分、减少焊锡球;另外,免清洗焊膏中的助焊剂比例较普通焊膏少一些,因此,一般要求模板开口尺寸比焊盘缩小5~10%。
7. 无铅工艺的模板设计
IPC-7525A“Stencil Design Guidelines”标准为无铅工艺提供相关建议。作为通用的设计指南,丝网开口尺寸将与PCB焊盘的尺寸相当接近,这是为了保证在焊接后整个焊盘拥有完整的焊锡。弧形的边角设计也是可以接受的一种,因为相对于直角的设计,弧形的边角更容易解决焊膏粘连的问题。
无铅工艺的模板设计应考虑的因素
(无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别)
无铅焊膏的浸润性远远低于有铅焊膏;
无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏,无铅合金的比重较低;
由于缺少铅的润滑作用,焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。
无铅模板开口设计
开口设计比有铅大,焊膏尽可能完全覆盖焊盘
①对于Pitch>0.5mm的器件
一般采取1:1.02 ~ 1:1.1的开口,并且适当增大模板厚度。
②对于Pitch≤0.5mm的器件
通常采用1:1开口,原则上至少不用缩小
③对于0402的器件
通常采用1:1开口,为防止元件底部锡丝、墓碑、回流时旋转等现象,可将焊盘开口内侧修改成弓形或圆弧形;
无铅模板宽厚比和面积比
由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差,对模板开口孔壁光滑度和宽厚比/面积比要求更高,
无铅要求:宽厚比>1.6,面积比>0.71
开口宽度(W)/模板厚度(T)>1.5
开口面积(W×L)/孔壁面积[2×(L+W)×T] >0.66(IPC7525标准)
以上钢板厚度选择0.12mm-0.15mm

四周导电焊盘的模板开口设计
四周导电焊盘的模板开口设计与模板厚度的选取有直接的关系,根据PCB具体情况可选择100 ~ 150um
较厚的模板可缩小开口尺寸
较薄的网板开口尺寸1:1
面积比要符合IPC-7525规定。
推荐使用激光加工并经过电抛光处理的模板。
PQFN散热焊盘的模板开口设计
再流焊时,由于热过孔和大面积散热焊盘中的气体向外溢出时容易产生溅射、锡球和气孔等各种缺陷,减小焊膏覆盖面积可以得到改善。
对于大面积散热焊盘,模板开口应缩小20~50%。
焊膏覆盖面积50~80%较合适。
对于不同的热过孔设计需要不同的焊膏量
8. 胶剂模板(Adhesive Stencil)
胶剂模板是指用于印刷贴片胶的模板。
PCB焊盘Gerber文件也使计算机辅助设计(CAD)操作员可容易地决定一个焊盘形状的质心点。有这个功能可以将设计文件中焊膏层可转换成圆形和椭圆形。因此,可制作一块模板来“印刷” 贴片胶,来替代滴胶。印刷比滴胶速度快、一致性好。
红胶钢板厚度
一般红胶钢板厚度在0.2mm 以上
红胶开孔宽度小于8mil 时,钢板厚度必须改为0.18mm
红胶开孔宽度小于7mil 时,钢板厚度必须改为0.15mm
保证开孔宽度≥钢板厚度

9. 返工模板
返修(rework)工艺中“小型的”模板,专门设计用来返工或翻修单个组件。可购买(或加工)单个组件的模板,如标准的QFP和球栅阵列(BGA)。
总结:
开口宽度(W)/模板厚度(T)>1.5(无铅>1.6)
开口面积(W×L)/孔壁面积>0.66(无铅>0.71)
设计模板开孔时,当长度大于宽度的五倍时考虑宽厚比,对所有其它情况考虑面积比。
宽厚比和面积比接近1.5和0.66时,对模板孔壁的光洁度就要求更重要,以保证良好的焊膏释放。
一般规则,将模板开孔尺寸比焊盘尺寸减少 1~2mil
如果焊盘开口是阻焊层定义的,当焊盘是铜箔界定时,与多数μBGA一样,将模板开孔做得比焊盘大1~2-mil 可能是比较有效的。这个方法将增加面积比,有助于μBGA的焊膏释放。
金属模板加工一般要求
(1)模板表面平坦
(2)模板厚度误差<±10%
(3)开孔与PCB焊盘一一对准,错位<0.2mm,窄间距错位<0.1mm
(4)模板开孔切割面应垂直(或喇叭口向下),中间凸出部分不可超过金属板厚的15%
(5)开孔尺寸精度<±0.01mm
(6)钢网张力:一般35~50 N/cm,最小应>25 N/cm,各处张力之差不超过0.5N/cm


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