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钢网开口设计教材 20131209


钢网开口设计和优化

标题
钢网的重要性 钢网设计和优化 钢网设计工艺规则检查 通孔回流焊钢网设计 印胶钢网开口的设计和优化 钢网制造技术 钢网检验

标题
◆ ◆钢网的重要性 钢网设计和优化 钢网设计工艺规则检查
通孔回流焊钢网设计 印胶钢网开口的设计和优化 钢网制造技术 钢网检验

在SMT生产中锡膏印刷是产生缺 陷的重要环节

钢网开口是保证锡膏量和锡膏位置均匀、一致的 主要因素之一。

高质量的印刷

(1)精确的锡膏量 (2)精确的印刷位置 (3)很好的重复性

无铅合金的扩展性不如锡铅合金

高锡合金有较大的表面张力

标题
钢网的重要性 ◆ ◆钢网设计和优化 钢网设计工艺规则检查
通孔回流焊钢网设计 印胶钢网开口的设计和优化 钢网制造技术 钢网检验

IPC-7525 Stencil Design Guidelines
由于影响钢网设计的变量很多, IPC7525 Stencil Design Guidelines文件 只是作为一个钢网设计指南,而不可能 作为钢网设计的认可标准。工程师根据 各自产品的特点,必须通过试验和累计 的经验确定自己的钢网设计标准。

钢网设计考虑的因素
开口尺寸:以PCB焊盘尺寸为基准,根据工艺要求做修改。如:消除连 锡,消除锡珠,增加锡膏量,消除锡膏“挖出”。 开口形状 钢片厚度:0.1mm,0.12mm,0.13mm,0.15mm,0.18mm,0.2mm 使用的钢网制作技术:化学蚀刻,激光切割,激光切割/电抛光,电铸成 型。 印刷对象:锡膏,SMT胶 混合组装技术:SMT/通孔钢网技术 BGA的考虑:塑料BGA,陶瓷BGA,CSP FLIP CHIP的考虑 钢网框架尺寸(根据印刷机) 二次过炉PCB收缩,钢网开口回缩。

钢网开口尺寸的设计
钢网设计的常见问题是开口设计和开口设计对印 刷性能的影响。要保证锡膏从开口的内壁顺利 地释放到PCB的焊盘上,通常转印率要达到85 %以上。影响转印率的因素有: (1)钢网开口设计的面积比/宽厚比 (2)开口侧壁的几何形状 (3)开口侧壁的光滑度

转印率定义
实际印刷体积
转印率 = ——————————

模板开口设计体积
从这个参数就不难理解宽厚比及面积比的重要性了。 另一个耸人听闻的数据就是元件越小,密度越大,转 印率就越小。1005的元件甚至低于50%,可见在器件 越小的情况下,宽厚比、面积比的重要性。

宽厚比/面积比定义

宽厚比 = W/T
面积比 = L× W/2(L+W)T

L

T

W

宽度 长度 宽厚比 面积比 体积

原始参数 8 50 1.35 0.58

修改1 8 54 1.35 0.59

修改2 9 50 1.52 0.65

修改3 9.5 50 1.61 0.68

钢网面积比

钢网开口设计的面积比/宽厚比

为了保证锡膏印刷时有很好的转印率, 通常要求面积比>0.66,宽厚比>1.5.

钢网开口设计的面积比/宽厚比

开口侧壁的几何形状
开口侧壁的几何形状同钢网制造工艺有直接的 联系。化学蚀刻工艺制造的钢网,其开口中间 窄;激光切割钢网,其开口是锥形;激光切割 后电抛光钢网开口侧壁比激光切割钢网平整光 滑。电铸钢网侧壁更光滑。在同样的面积比和 宽厚比的条件下,侧壁光滑的钢网有利于锡膏 脱模,即有更高的转印率。转印率同钢网制造 工艺的关系为: 电铸(优)>激光切割/电抛光>激光切割> 化学蚀刻

SMD钢网开口设计事例
例序 开口设计(单位:mil)
1

宽厚比

面积比 锡膏脱模 效果
0.83 好

QFP20间距,10×50×5(厚度) 2.0

2
3 4 5 6

QFP16间距,7×50×5(厚度)
BGA50间距,25圆形6(厚度) BGA40间距,15圆形5(厚度)

1.4
4.2 3.0

0.61
1.04 0.75 0.55 0.65


好 适中 差 适中

UBGA30间距,11方形5(厚度) 2.2 UBGA30间距,13方形5(厚度) 2.6

开口长度比宽度小五倍,要考虑面积比。

改善转印率(锡膏脱模效果的措施)
(1)增加开口宽度 (2)降低钢网厚度 增加了宽厚比/面积比 (3)选用钢网开口侧壁光滑的钢网 制造技术

钢网开口同锡粉尺寸的关系

钢网厚度:最好有4-5个锡粉颗粒直径。保证印刷锡膏 量的一致性。

SMD通用钢网开口设计指南
器件类型 引线间距 焊盘宽度 焊盘长度 开口宽度 开口长度 钢网厚度范围 宽厚比 面积比
PLCC 1.25mm 49.2mil 0.65mm 25.6mil 0.50mm 19.7mil 0.40mm 15.7mil 0.30mm 11.8mil 0.65mm 25.6mil 0.35mm 13.8mil 0.30mm 11.8mil 0.25mm 9.84mil 0.20mm 7.87mil 2.00mm 78.7mil 1.50mm 59.1mil 1.25mm 49.2mil 1.25mm 49.2mil 1.00mm 39.4mil 0.60mm 23.6mil 0.30mm 11.8mil 0.25mm 9.84mil 0.20mm 7.87mil 0.15mm 5.91mil 1.95mm 76.8mil 1.45mm 57.1mil1 1.20mm 47.2mil 1.20mm 47.2mil 0.95mm 37.4mil 0.15-0.25mm 5.91-9.84mil 0.15-0.175mm 5.91-6.89mil 0.125-0.15mm 4.92-5.91mil 0.10-0.125mm 3.94-4.92mil 0.075-0.125mm 2.95-3.94mil 2.3-3.8 0.88-1.48

QFP

1.7-2.0

0.71-0.83

QFP

1.7-2.0

0.69-0.83

QFP

1.6-2.0

0.68-0.86

QFP

1.5-2.0

0.65-0.86

0402

N/A

0.50mm 19.7mil
0.25mm 9.84mil 0.80mm 31.5mil(圆 形) 0.38mm 15.0mil (圆 形) 0.30mm 11.8mil (圆 形)

0.65mm 25.6mil
0.40mm 15.7mil 0.80mm 31.5mil (圆 形) 0.38mm 15.0mil (圆 形) 0.30mm 11.8mil (圆 形)

0.45mm 17.7mil
0.23mm 9.06mil 0.75mm 29.5mil(圆 形) 0.35mm 13.8mil(方 形) 0.28mm 11.0mil (方 形)

0.60mm 23.6mil
0.35mm 13.8mil 0.75mm 29.5mil(圆 形) 0.35mm 13.8mil (方 形) 0.28mm 11.0mil (方 形)

0.125-0.15mm 4.92-5.91mil
0.075-0.125mm 2.95-3.94mil 0.15-0.20mm 5.91-7.87mil 0.115-0.135mm 4.53-5.31mil 0.075-0.125mm 2.95-3.94mil

N/A

0.84-1.00

0201

N/A

N/A

0.66-0.89

BGA

1.25mm 49.2mil 1.00mm 39.4mil 0.50mm 19.7mil

N/A

0.93-1.25

UBGA

N/A

0.67-0.78

UBGA

N/A

0.69-0.92

钢网开口的回缩
钢网开口回缩的优点: (1)减少钢网开口与PCB板焊盘错位的 几率,也就减少了锡膏印到焊盘外产生 锡珠的几率。 (2)减少锡膏坍塌产生桥接的几率(翼 型引线常用)。 (3)片式元件钢网开口回缩,可减少贴 片后挤压出锡膏,产生锡珠的几率。

钢网开口的回缩

翼型引线钢网开口回缩,减少锡膏坍 塌产生桥接的几率。

钢网开口的回缩

钢网开口要压在焊盘上

钢网开口的回缩

钢网开口的回缩

片式元件钢网开口回缩,可减少贴片后挤 压出锡膏,产生锡珠的几率。

钢网开口的回缩

MELF和MINI-MELF元件的开口设计,

可以减少元件移动。

片式电阻、电容开口形状图例

大焊盘钢网开口网格状分割

屏蔽框钢网开口架桥

钢网开口的扩大
钢网开口扩大的主要目的是为了加大锡膏量。 (1)CBGA、CCGA的锡球和锡柱采用的是高温焊料, 回流焊接时不熔化,这一点不同于塑封BGA,因此, 要加大锡膏量。 (2)小的球间距塑封BGA(UBGA)。虽然锡球可熔 化,但是锡球太小,PCB有小的变形,就会造成开路, 因此,要加大锡膏量,扩大开口也有利于锡膏脱模。 (3)一些特殊元器件的钢网开口,例如,读卡器的卡 座(CF、4 in 1)。 (4)屏蔽框开口外延。

方形开口:在小的区域内印刷大量锡膏

修改后的钢网开口

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钢网设计工艺规则检查
(Process Rule Check)

SMT钢网规范IPC-7525在2000年正式发布, 提出了最重要的两个参数---宽厚比和面积比。 在钢网设计和制造时针对不同元件、不同的 修改方案及不同的钢网厚度,对钢网开口回 缩或扩展,并进行钢网制造前的实时检测。 可以提高钢网设计的合理性,减少盲目性, 从而提高SMT直通率及生产效率有着非常重 要的现实意义。 这就是钢网设计制造的 工艺规则检查 PRC(Process Rule Check)。

PRC的重要性
在钢网制造前,设计钢网开口修改方案 的过程中,及时排除违反工艺规则的开 口尺寸,以及尽量在工艺规则允许的范 围内放宽设计门限,有利于后续生产。

PRC的复杂性
为了改善印刷工艺,绝大多数SMT制造商都毫 不例外地对由设计端获得的Gerber文件针对 不同的器件进行开口尺寸及形状的修改,就形 状而言,各公司都有自己经过多次实验而得出 的经验数据,可谓五花八门。形状种类越多, 越复杂,对开口面积及侧壁面积的计算就越复 杂。靠人工或计算器来准确核算出这两个面积 几乎是不可能的。借助于计算机,由专门的 CAM软件来计算应该是唯一的出路。

PRC的预见性
对于不同难度的产品,预计其生产复杂性, 从而可以给出不同模板制造方法的指导。对 于难度高的产品一定要采用激光加抛光处理 甚至于要采用电铸模板,而对难度低的产品 便可以采用价格相对便宜的蚀刻模板,从而 在理论上指导了模板制造方法的选择 在由CAM软件工具得到了各个离散的元件开 口的PRC结果后,如何利用这些资源进行分 析、统计,来预见产品的可制造性或再次优 化开口的设计,

从这个分布图中,我们可以看到,如果能做 到下述几点,我们的工艺设计才是更加完善 并且有效的。 1、尽量让本产品的最小值远离IPC-7525的 标准; 2、尽量使峰值(实际上代表本产品元件开 口 宽 厚 比 或 面 积 比 的 平 均 值 ) 远 离 IPC7525的最小标准; 3、尽量使正态分布图归一化,即越陡越好, 这样宽厚比或面积比的离散性越小,也就是 尽量使大、小器件的宽厚比及面积比差距缩 小,这样对印刷的效果无疑是有帮助的。

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插装元器件的通孔回流焊定义

插装元器件的通孔回流焊接钢网
通孔回流焊接是替代波峰焊的一种方法,适合 有大量SMD,而只有少量插装元器件。这些插 装元器件通常是连接器、开关。焊点要符合波 峰焊的焊点要求。

通孔回流焊接焊点要求

通孔回流焊的考虑
通孔回流焊毕竟不同于波峰焊,在狭小的区域 施加足够量的锡膏有一定难度,应此,尽可能 使环绕通孔的环形焊盘小一些。 为了形成好的焊点,还应使元器件引线和通孔 之间的容差及引线的长度尽量小一些。

通孔回流焊接的典型工艺参数

通孔回流焊锡膏量的计算
V=Ts× (Lo×Wo) =1/s{Tb(Ah-Ap)+(Ft +Fb) +Vp} -Vh

通孔回流焊锡膏量的计算

通孔回流焊锡膏量的计算
V:要求的锡膏量 Ts:钢网厚度 Lo:开口长度 Wo:开口宽度 S:锡膏收缩因子 Tb:PCB厚度 Ah:通孔的横截面积 Ap:元器件引线的横截面积 Ft+Fb:润湿整个引线表面的焊料量 Vp:在PCB板上的顶面和底面焊盘上的锡膏量 Vh:锡膏填孔的量 Wp:焊盘宽度 Lp:焊盘长度

阶梯钢网
上表面有阶梯的钢网:用于锡膏量要求 不同的印刷。
下表面有凹槽的钢网:用于PCB板上有 吐出的区域。

上表面有阶梯的钢网

上表面有阶梯的钢网

K1:每0.025mm的阶梯差,需要保留0.9mm的距离。 K2:最小为0.65mm。

下表面有凹槽的钢网

钢网开口方向

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印胶钢网
(1)考虑元器件的托起高度(STANDOFF),确定钢网厚度。 (2)贴片后胶不允许上焊盘。 (3)为了保证对元器件的粘着力,贴片 后胶点的面积占PCB焊盘之间面积的80 %以上。

印胶钢网

印胶钢网

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钢网制造技术
化学蚀刻(减成法):目前产量最大。 激光切割(减成法):最快的制造方法。 激光切割/电抛光(减成法) 电铸成型(加成法):开口最好,成本最高的 制造法,主要用于高精度SMT、半导体封装 用的Wafer Bump Stencil、Lead Frame 、 OLED最示器的Mask等。 化学蚀刻+激光切割:主要用于制作阶梯 (Step Stencil)钢网。

化学蚀刻
通常化学蚀刻是对金属箔的两面同时进 行蚀刻。

化学蚀刻

化学蚀刻钢网通常用于引线间距≥0.635mm器件的PCB板

激光切割
激光切割的钢网,其开口形状一般都是锥型。

激光切割

激光钢网通常用于引线间距≥0.5mm器件的PCB板

加工激光切割钢网的能力(例)

激光切割+电抛光

电铸成型
光刻成像+电镀工艺
微垫

电铸成型

电铸成型钢网通常用在wafer和flip chip bumping

加工电铸成型钢网的能力(例)

激光切割和电铸成型的比较

混合制作
激光切割+化学蚀刻

MARK点制作
根据印刷机确定MARK点在印刷面还是 非印刷面,或两面。 有全刻透/封黑胶和全刻透/不封黑胶; 半刻/封黑胶和半刻/不封黑胶。 封黑胶是为了增加对比度,有利于机器 视觉系统识别。

MARK点制作

钢网片(钢片)
通常采用不锈钢(蚀刻/激光切割), 也用镍合金(电铸)。特殊场合也有 用塑料。 选用不同厚度的钢片。

网框
网框材料选用铝合金,尺寸根据 印刷机而定。

绷网
绷网采用不锈钢和聚酯。

钢片到网框的距离
为保证钢网有足够的张力和良好的 平整度,通常建议钢片距网框内侧 保留有20~30mm。

钢片涂胶边缘到钢网开口图像的距离
钢片涂胶边缘到钢网开口图形的距离最小要 保留50mm,有利于刮刀运动和锡膏滞留。

钢 网 订 单 事 例

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钢网的重要性 钢网设计和优化 钢网设计工艺规则检查
通孔回流焊钢网设计 印胶钢网开口的设计和优化 钢网制造技术 ◆ ◆钢网检验

钢网检验

钢网检验
钢片/钢网有无损坏 张力 钢网开口图形同PCB焊盘图形的匹配性(多孔/ 少孔) 开口尺寸 网框尺寸 钢片厚度 MARK点位置和数量 阶梯钢网的阶梯级数 产品编码、标识和版本号等

钢网的评估
钢网开口位置精度的CpK 钢网开口尺寸的CpK 绷网张力的一致性和均匀性

影响锡膏印刷位置精度的因素

影响锡膏印刷位置精度的因素
大尺寸PCB、PCB拼板 小PITCH元器件(0201、0.4mm PITCH) 双面回流焊(PCB尺寸的稳定性)

钢网清洗
清洗钢网用的清洗剂要考虑清洗剂同 绷网用的胶粘剂、锡膏和SMT胶的兼 容性。 通常清洗剂都是易燃/可燃物品,考虑 安全性。

钢网使用次数
印刷10万次


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