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钢网开口培训资料


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光宏电子(昆山)有限公司培训资料
1.Laser-Cut Stencil 工艺制造流程

客户资料e-mail

Gerber文件接收

客户资料及制做要求确认

网框选择

CAD/CAM

文件审核/IPQC1确认

激光切割

IQC检查开口尺寸

钢片后处理 Micro Etch or Electro-Polishing

粘贴钢片

绷网

终检IQC全检

包装/出货

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2.名词解释
2.1.Aperture:An opening in the stencil foil 开口:模板上的开口。 2.2.Aspect Ratio and Area Ratio: Figure: 宽深比和面积比。 W L T W
宽深比 Aspect Ratio= >1.5

T L*W

面积比 Area Ratio=

>0.66

2*(L+W)*T

Aspect Ratio :针对Fine-Pitch的QFP 、IC 等细长条装管脚类器件 Area Ratio:针对0402,0201,BGA,CSP之类的小管脚类器件 2.3.Border:边界,即钢片四周的丝网。 Polyester Screen 聚酯丝网 Stainless Steel不锈钢丝网 2.4.Frame: 铝框 Table:印刷机与网框、MARK点及定位方式对应表 网框大小 MARK点 机型 29"*29" 非印刷面半刻 DEK288 29"*29" 非印刷面半刻 DEK265GSX 29"*29" 非印刷面半刻 DEK265Lt 29"*29" 非印刷面半刻 MPM Ultraprint 2000Hi MPM Ultraprint 3000Hi 29"*29" 非印刷面半刻 29"*35" 非印刷面半刻 MPM Ultraprint 2500Hi 35.8"*27.16" 非印刷面半刻 FUJI GP-551E FUJI GP-641E 29"*29" 非印刷面半刻 39.4"*33.5" 印刷面半刻 PANASONIC SPP-V XL PANASONIC SP22P-M 21.65"*25.6" 非印刷面半刻 MINAMI NK 850 550mm*650mm 非印刷面半刻 YAMAHA 23"*23"(Max) 不需MARK点

定位方式 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中 居中

2.5.Foil: 模板制做的薄片。如钢片、镍合金、铜片、高分子骤合物(聚酰亚胺片材Kapton*) 厚度:0.08mm,0.1mm,0.12mm,0.15mm,0.18mm,0.20mm,0.25mm,0.30mm 2.6.Step stencil: step-down (局部减薄模板) Stencil step-up (局部增厚模板) Stencil 第 2 页

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2.7.Fiducials mark Squeegee Side half-Cut、Contact Side half-Cut、Double Side half-Cut

2.8.Squeegee刮刀 聚胺基甲酸乙酯(PolyUrethane PU材料) 金属刮刀(不锈钢)

3.模板类型(Stencil type)
模板制造的三个主要技术是:激光切割(Laser-Cut)、化学蚀刻(Chemically Etched)和电铸法成形(Electroform),每种方式都有自己的优缺点。激光切割和化 学蚀刻是减成法制造工艺,电铸法成形是加成法制造工艺。每种制造工艺都有它存 在的理由,在某些参数及价格上的比较,可能就象西瓜和芝麻的故事,通常是考虑 成本因素和生产周期来考虑选择不同的制造方式。 3.1.化学蚀刻模板 化学蚀刻的原理是在钢板上涂覆感光阻剂(Photoimage Resist)用销钉定位菲林 片,双面曝光,将图形转移到钢板上,再通过化学蚀刻液三氯化铁(FeCl3)两面同时 蚀刻金属钢片由於是蚀刻工艺,在生产过程中蚀刻不光是从顶面(Top Side)和底面 (Bot Side)而且水平方向也有蚀刻反应--侧蚀(Undercutting),再加上菲林受温度 、湿度造成收缩或拉伸,上下菲林人工对位的偏差,药水控制的浓度、温度、时间 之等等因数,故而该技术在开口的位置精度上没有绝对地保障。 2Fe3+ + Fe0 3Fe2+ Aperture C-Etch Stencil Figure:Chemically Etched 3.2.电铸感工艺模板 Stencil

该工艺是通过在一个要形成开孔的芯模(Substrate)上用菲林曝光形成图形感光层 (PhotoResist)然后在化学浴中化学沉积金属镍(Ni),当沉积至要求厚度后模板从芯板 上取下,即完成模板的制造。由於化学沉积镍的周期特别地慢(每小时几个微米),故 而它的价格也是几种模板中价位最高的。电铸模板的优点是开口光滑度非常好,加 上是镍(Ni)材质耐印率上的表现也特别地突出。 缺点,因为涉及到制作过程中会使用菲林(PHOTO-TOOL),考虑到菲林存在的变形 的可能性,所以可能存在位置精度不够。另外:因为在整个化学沉积的过程中在沉积 的顶面(Top Side)会形成一个凸形的“堤坝”。在欧洲SMT业界中的观点认为这

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个凸形"堤坝"可以防止锡膏在印刷过程中向四周扩散。但日本SMT界的观点则认为 接触面(Contact Side)中PCB与Stencil的接触必须非常紧密,故而会用整平研磨技 术,去除掉这个"堤坝",并保证Stencil整体厚度的均匀一致性。这可谓仁者见仁,智 者见智,大家也可以在此点上提出自已的看法。 Figure:Electroform Stencil
PHOTO-TOOL

PhotoResist Contact Side 凸“堤坝”

Substrate

PhotoResist Substrate Nickel Electroform Substrate Squeegee Side 3.3.激光器切割模板 从客户的原始Gerber数据,在经过必要的修改后,传送Gerber数据到激光 切割机上,用激光光束瞬间熔断金属形成开口图形。因为在激光切割过程中没有使 用菲林工具(PHOTO TOOL),因此消除了位置精度问题。 缺点:在激光光束熔断金属的同时,金属熔渣(蒸发的熔化金属)造成孔 壁粗糙,增加开口孔壁磨擦力,影响锡膏的脱模性。但是,电抛光技术的出 现,可以提供光滑的孔壁和良好的锡膏释放。 Figure:未经过任何处理的激光模板 LPKF Laser-Cut Head Laser Line Contact Side Stencil PhotoResist Nickel Electroform

Squeegee Side

毛刺、金属熔渣 第 4 页

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Figure:经过电抛光处理的激光模板 孔壁零毛刺 Squeegee Side

Contact Side Figure:Electro-polishing Laser-Cut Stencil 激光技术也是唯一允许对已制成模板进行返工(Re-work)的工艺,如增加 孔、扩大孔或对Fiducials MARK修补。 激光模板主要性能指标: ·开口位置精度±5um ·孔壁粗糙度:1um(未抛光) 0um(电抛光后) ·开孔锥度:3-7° 正反孔径差(0.00-1-0.015um) ·BGA圆孔圆度≥99% ·重复精度:±1um,分辨率:0.625um

4.GERBER数据及模板开口规范
4.1.GERBER格式: GERBER RS-274D Part Number: 414-100-002 GERBER RS-274X Part Number: 414-100-014 GERBER文件是美国GERBER公司提出的一种数据格式。GERBER文件分为普 通GERBER RS-274D文件和加强GERBER RS-274X文件。 普通GERBER RS-274D格式的文件中不包含D-CODE文件,它结合D-CODE文 件,定义了图形的起始点以及图形形状及大小。 加强GERBER RS-274X格式的文件已包含D-CODE文件,它自身定义了图形的 起始点以及图形形状及大小。 D-CODE文件定义了电路中线路、孔、焊盘等图形的形状及大小。 Table:下面列出是一段D-CODE文件描述 | Turret | D code | Aperture | Aperture | Inner | Land | Line | Line | | number | | type | size | size | count | count | length | 1 D11 circle 0.100 -0 36507 43978.8 2 D12 circle 0.200 -0 49102 103155.7 3 D13 circle 0.300 -0 621 991.3 4 D14 circle 0.400 -0 2117 7448.6

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Table:下面列出一段普通GERBER RS-274D文件的描述 G90* G71* G01* D02* G54D10* X159400Y21275* X159400Y21225* X159950Y21275* X150160Y174712* 省前零(LEADING ZERO) 省后零(TRAILING ZERO 不省零(LEADING&TRAILING ZERO PRESENT)

此数据中不包含D-CODE。

Table:下面列出一段加强GERBER RS-274X文件的描述 %FSLAX23Y23*% %MOIN*% 此段告诉我们GERBER文件是英制2-3格式。 %SFA1.000B1.000*% (小数点前有两位数,小数点后有三位数) %MIA0B0*% D10是0.05X0.07inch的椭 %IPPOS*% 圆 %ADD10O,X0.05000Y0.07000*% %ADD20C,0.10000*% D20是0.1inch的圆 %ADD191R,0.06200X0.06200*% %LNL1.GBR*% %SRX1Y1I0J0*% D191是0.062X0.062inch的长方形 %LPD*% G54D17* X23959Y30726D03* Y19574D03* X31919Y27874D03* X31919D03* X29385Y24926D02* G01Y24871D01* X27862Y28669D02* G01X27917D01* X27862Y28488D02* Gerber 数据是所有PCB system 可以生成的一种文件格式,也是可以被所 有光绘图形系统接受的文件格式。故而在图像系统中它是一种被大量、广泛 地运用的图形文件。

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4.2.开口规范: 开孔设计怎样将影响到印刷性能,开孔尺寸宽(W)、长(L)和模板之厚度(T) 决定锡膏印刷释放於PCB焊盘上的体积。在印刷周期中,随着刮刀在模板上运行, 锡膏充满模板的开孔,然后,在PCB与stencil分开期间,锡膏被释放到PCB的焊盘 上。理想状态是所有充满开孔的锡膏从孔壁释放,并且附着于PCB的焊盘上,形成 完整的锡砖。锡膏从内孔壁释放的因素决定於模板设计的宽深比/面积比,开孔侧 壁的几何形状和孔壁的光洁度。 Figure:面积比(Area Ratio) L T W 宽深比(Aspect Ratio) W
宽深比 Aspect Ratio= >1.5

T L*W

面积比 Area Ratio=

>0.66

2*(L+W)

上面定义了宽深比/面积比。对於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.在长度大於宽度的五倍时应首先考虑宽深比,这是 因为宽深比是面积比的一维简化方式,当长度远大於宽度时,面积比是宽深比的1/2。 经验1:当Gerber文件中存在有QFP、IC、CN等细长条引脚器件时,考虑宽深比;当存 在0402、0201、Fine-pitch的uBGA或CSP时重点考虑面积比,一般情况下焊盘的面积 比达到2/3(0.66)时,锡膏可达到85%或更好的释放能力。 Table:宽深比/面积比举例 案例 开孔设计 宽深比 1.QFP间距0.5长方形焊盘0.25*1.27厚度0.12 2 2.QFP间距0.4长方形焊盘0.15*1.27 厚度0.12 1.4 3.BGA间距1.25 圆形焊盘0.6 厚度0.15 4.2 4.BGA间距1.0 圆形焊盘0.4 厚度0.12 3.0 5.uBGA 间距0.8 方形焊盘0.28 厚度0.12 2.2 6.uBGA间距0.8 方形焊盘0.33 厚度0.12 2.6 +表示锡膏释放难度 (mm) 面积比 锡膏释放 0.83 + 0.61 +++ 1.04 + 0.75 ++ 0.55 +++ 0.65 ++

上表罗例出对一些典型贴装器件的开孔设计中的宽深比/面积比。0.5mm间距 的QFP,在0.12厚的模板上开口为0.25*1.27mm,得到2.0的宽深比.0.4mm间距的QFP,在 0.12的模板上开口0.15*1.27mm,得到的1.4的宽深比,很明显锡膏释放将较为困难,怎么 办?

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几种可选择的方式: a.增加开口宽度(增加到0.2mm将宽深比增加到1.6); b.减少厚度(选择钢片厚度变为0.1mm,宽深比也增加到1.6); c.选择在pitch 0.4mm QFP上做step down d.选择一种非常光滑的孔壁质量的模板(电抛光模板,电铸模板); 同样在案例子6中的uBGA,在PCB 上它的标准焊盘尺寸是0.3的圆形焊 盘,0.38mm的阻焊层开口。最佳的焊盘设计方案是根据地PCB 的焊盘尺寸来决定的,而不 是由阻焊层来决定,那么当我们把pitch 为0.8的UBGA设计为0.3mm的方形开口,宽 深比是2.2,OK,这时有人会认为2.2远大於1.5,锡膏的释放不是问题。可是,正 如前所说,当长度的有达到宽度的5倍,那么应该用面积比(二维模式)来决定预测 锡膏的释放难易度。这种情况下面积比是0.55,锡膏的释放当然是困难的。也对 通常情况下,模板开孔应用各小於PCB 上焊盘,0.3mm的焊盘,设计开口为0.28mm 是常理。可是,在UBGA中应该是个例外,在案例6中仅仅是把开口尺寸设计成 0.33的方形,现在面积比是0.65,那么在这样的情况下锡膏的释放条件才基本满 足。通过一些客户的反映UBGA的焊盘为圆形stencil开口设计应为方形并倒2--4mil 的圆角,这是因为圆直径与方形的边长相同的情况下,方形的面积要大於圆形。 经验2:在一般钢片厚度的选择上第一个原则应先满足最小pitch器件的要求。那么 有人会问如果我的Gerber文件上同样也存在爬锡量大的器件怎么办?建议:在器件 与器件间隔允许的情况下放大焊盘,当然也就焊盘的外三边方向上放大1mil到4mil (如图示)但在焊盘对的内边不允许轻易减小它的焊盘间距来达到增锡的目的。因 为如果这样的话会给你带来另一个麻烦--锡珠问题。 更改为

Figure:为了增加器件引脚锡膏量而三边放大Aperture 如果由於器件间距不允许的情况下,如:HDI的线路设计、手机板(Mobile Board)或需要双面回流焊的笔记本电脑(NoteBook)。那么你也可以选择使用 Step Down或Step Up设计的模板。当然这样会在Stencil的成本上会增加少许,但是 这增加的少许成本会给您的生产带来更好地品质保障,正谓是花小钱办大事。 Figure:Overprint with Step Stencil Step Stencil Through-Hole Pad SMT Pad PCB Board Through-Hole

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若要了解Stencil的开口规范的话,那么我们必须先了解器件的焊盘形状及 焊盘尺寸,当然最另外一个重要的还有不能忽略器件本身的爬锡要求。器件的分类 不外乎有表面组装元件(Surface Mounted Components)、表面组装器件(Surface Mounted Devices)。SMC器件主要有矩形片式元件、圆柱形片式元件、复合片式元 件、异形片式元件。SMD器件主要有片式晶体管和集成电路,集成电路又包括 SOP、SOJ、PLCC、PJLCC、QFP、BGA、CSP 、FC、MCM等。 那么从器件本身的电气特性上来区分的话又分为: 1. 连接件(connect):提供机械与电气连接/断开,由连接插头和插座组成, 将电缆、支架、机箱或其它PCB与PCB连接起来;可是与板的实际连接必须是通过表 面贴装型接触。 2. 有源电子元件(Active):在模拟或数字电路中,可以自己控制电压和电流, 以产生增益或开关作用,即对施加信号有反应,可以改变自己的基本特性。 3. 无源电子元件(Inactive):当施以电信号时不改变本身特性,即提供简单的、 可重复的反应。 4. 异型电子元件(Odd-form):其几何形状因素是奇特的,但不必是独特的。因 此必须用手工贴装,其外壳(与其基本功能成对比)形状是不标准的,例如:许多变 压器、混合电路结构、风扇、机械开关块等。 Table:常见的器件封装
片电阻, 电容等, 尺寸规格: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 2010, 等

Chip SOT melf SOIC QFP PLCC BGA CSP

钽电容, 尺寸规格: TANA,TANB,TANC,TAND 晶体管,SOT23, SOT143, SOT89等 圆柱形元件, 二极管, 电阻等 集成电路, 尺寸规格: SOIC08, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32 密脚距集成电路 集成电路, PLCC20, 28, 32, 44, 52, 68, 84 球栅列阵包装集成电路, 列阵间距规格: 1.27, 1.00, 0.80
集成电路, 元件边长不超过里面芯片边长的1.2倍, 列阵间距<0.50的?BGA

焊盘(land)是表面贴装装配的基本构成单元,用来构成电路板的焊盘图案(land 即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。没有比设计差劲的焊盘结构更令人沮丧的事情 了。当一个焊盘结构设计不正确时,很难、有时甚至不可能达到预想的焊接点。焊盘的 英文有两个词:Land 和 Pad ,经常可以交替使用;可是,在功能上,Land 是二维的 表面特征,一般表示面贴装的元件焊盘;而 Pad 是三维特征,一般包含插件的元件的焊盘。 hole)。导通孔(via)是连接不同电路层的小孔。盲孔(blind via)连接最外层与一个或多个内 层,而埋入的旁路孔只连接内层。 元件知识(即元件结构和机械尺寸)是对焊盘结构设计的基本的必要条件。IPC-SM-782 广泛地使用两个元件文献:EIA-PDP-100《电子零件的注册与标准机械外形》和JEDEC 95出 版物《固体与有关产品的注册和标准外形》。无可争辩,这些文件中最重要的是JEDEC 95 出版物,因为它处理了最复杂的元件。它提供有关固体元件的所有登记和标准外形的机械

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图。JEDEC 95出版物库中的任何图都可从JEDEC的网站(http://www.jedec.org/)免费下载。
Table:一般的锡膏印刷模板的开口参考尺寸和模板建议厚度。

元件类型 PLCC QFP QFP QFP QFP 0402   0201   BGA ?BGA ?BGA Flip chip Flip chip

引脚间距 1.27mm 0.635mm 0.50mm 0.40mm 0.30mm N/A N/A 1.27mm 1.00mm 0.50mm 0.25mm 0.20mm

焊盘宽度 焊盘长度 0.65mm 2.00mm 0.35mm 1.50mm 0.30mm 1.25mm 0.25mm 1.25mm 0.20mm 1.00mm 0.50mm 0.65mm 0.25mm 0.40mm ?0.80mm ?0.38mm ?0.30mm 0.12mm 0.12mm 0.10mm 0.10mm

开口宽度 开口长度 模板厚度 0.6mm 1.95mm 0.15-0.25m 0.30mm 1.45mm 0.15-0.18m 0.23mm 1.20mm 0.12-0.15m 0.18mm 1.20mm 0.10-0.12m 0.14mm 0.95mm 0.07-0.12m 0.45mm 0.60mm 0.12-0.15m 0.23mm 0.35mm 0.08-0.12m ?0.75mm 0.15-0.20mm ?0.35mm 0.10-0.12m ?0.28mm 0.07-0.12m 0.12mm 0.12mm 0.08-0.10m 0.10mm 0.10mm 0.05-0.10m

当然上面的数据仅仅是Stencil开口中最基本的思考方法。若要开一块具有教好锡膏脱膜 性的模板时呢,我们首先还是要考虑经验1和经验2的意见。因为焊膏印刷是表面贴装工艺 中第一个关键工艺,特别是对于细间距的组装件,由于器件引线尺寸和引线线间隔很小, 焊膏过程中印刷需要精细的工艺控制,而印刷焊膏用的Stencil模板是关键的工艺条件之一 为了控制焊接过程中出现焊球或桥接等质量问题,模板开口的尺寸通常情况下比焊盘图 形尺寸略小,特别是对于0.5mm以下细间距器件来说,开口宽度应比相应焊盘宽度缩减 15%-20%,由此引起的焊料量缺少可以通过适当加长焊盘长度方向设计尺寸来弥补。当设 计已经定型或由于电路要求器件改型(如器件电极高度增加)而无法改变焊盘尺寸时,如发现 回流焊后焊料量不足,爬升不够时,可以在制作模板时将开口尺寸在焊盘的长度方向上适当 向外加大,但这样做由于焊膏已经超出焊盘印延伸到了印制板(PCB)的阻焊层(S/M)上, 会导致在器件端头周围出现焊球(Solder Beading),此法在一般的情况下基本可以满足器 件爬锡高度的要求,但是我们还是要应慎重使用。 对于Chip器件的开口而言,主要一点就是防锡珠(Solder Beading)处理。2000年五月 出版的IPC-7525《Stencil Design Guidelines》中列举了几种方式。 Figure:IPC-7525中所推荐的防锡珠处理方式 aperture Pad Pad full radial L aperture
2/3
1/2W 1/2 1/2

0.1L to0.2L
1/2W

W

W

Home Plat Aperture Desig

Bow Tie Aperture Design

Oblong Aperture Design

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Figure:其它的防锡珠处理方式 Pad aperture L 1/3W W

aperture ?0.3~0.5mm

Pad

0.1~0.2mm

0.1~0.2mm

Figure:0402器件&BGA的开口方式 aperture Pad Pad aperture

0402 chip:若焊盘尺寸大于0.76X0.635mm先内缩90%再开成椭圆。 uBGA间距0.8mm 焊盘为圆形0.33mm开口方形焊盘0.33X0.33mm倒角0.05mm Figure:0201器件的开口方式 0.012" Aperture >0.009" Component PCB Pad
Spacing

Attachment Pad 0.015"~0.018 Stencil Aperture Advice:both ends reduce both sides blowup Spacing must >0.009" 0201器件的Stencil的开口建议:在焊盘(Pad)的两侧边放大;在焊盘的两头缩小约5% 焊盘间距必须保证大於0.009" 0201器件在生产过程中的主要缺陷:墓碑现象(Tombstone) 焊接架桥(Solder Bridging) 焊盘宽度 第 11 页 焊盘的中心间距

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焊盘长度

焊盘间空格宽度

Table:下面是标准的Chip器件封装尺寸:(mil) 0402 0603 0805 1005 1206 1210 1805 1808 1812 1825

25x20x50x25 30x30x55x25 60x50x110x50 60x50x135x75 60x60x135x75 60x100x135x75 60x50x185x125 60x80x185x125 60x125x185x125 60x250x185x125

2220

75x200x230x155

2225

75x250x250x175

3216 3518 3527 3528 6032 7227 7243

60x50x120x60 50x70x70x20 50x100x70x20 75x90x135x60 120x90x240x120 75x100x180x105 120x100x290x170

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OK,知道了焊盘的标准尺寸了那么如何才能在开口的选择上寻找到一个最佳的方案呢? 我个人认为并不是每种开口方案都能够通用於每一家工厂,甚至是适合用於每一款不同设 计的线路板的贴装。这是因为在锡膏的印刷过程不仅只有Stencil一个关键要素,控制它的 品质,还有其它诸如:印刷压力、印刷速度、离板速度、甚至是环境问题等等对於锡膏印 刷过程中的影响。在一块PCB上,可能有几百个元器件,600~1000个land(即焊盘pad), 甚至更多。这些land焊接的不良率必须控制在一个最小的范围内。可能就是意味着每一个 微小的错误都会影响到生产品质的问题。可以说SMT贴装工艺有许多的变量。下列的因素 必须考虑,以取得高品质、可连续性生产的超密间距的印刷: * 基本设备 - 锡膏印刷机 * 模板 - 开孔质量、孔壁光洁度、厚度、尺寸、几何形状 * 机器参数设定 - 印刷速度、压力、分离速度、对位性能 * 刮刀 - 刮刀种类、刮刀角度 * 锡膏 - 颗粒大小、分布状态、粘性、触变性、助焊剂载体、塌落特性、金属含量 * 环境 - 温度、湿度、灰尘 * 操作员 - 训练、熟练程度、责任心 4.3.Stencil开口文件资料的正确提供: 4.3.1 刚才已经介绍了Gerber文件的格式和内容(gerber文件可以用Microsoft的WordPad即文本 编辑器直接打开),那么要保证Stencil的开口真确无误需要些什么Gerber文件呢? 4.3.1.1.SMT焊盘层文件(SolderPasteTop or SolderPasteBottom)
作用:正确的开口层文件。但存在文件转换过程中可能存在SolderPaste焊盘比实际焊盘大或小;

4.3.1.2.文字层文件(TextTop or TextBottom):包含PCB边框(BoardOutline) 作用:正确选取焊盘对,区分不同类型器件。Outline层以保证PCB在Stencil中的居中; 4.3.1.3.线路层文件(TopLayer or BottomLayer) 作用:当SolderPaste焊盘比实际焊盘大或小,可以从线路层中挑选需要开口的焊盘; 4.3.1.4.阻焊层文件(SolderMaskTop or SolderMaskTop) 作用:参考对照文件; 4.3.1.5.钻孔层文件(NC Drill) 作用:参考对照文件。 一个正确的Gerber文件的提供,除了上述几点以外就是,当提供GerberRX-274D文件 时候,必须要有与之相匹配的D-CODE文件。往往很多CEM工厂在客户提供资料的时候因为涉 及到一些知识产权的问题,客户在提供文件的时候往往不能提供比较全面的文件,那我们 有必要建议提供一块PCB实物。另一点需要注意的就是PCB生产厂家在生产过程中有使用 菲林工具(Photo Tools),为了更好的保证Stencil的准确性,提供PCB实物是有一定必 要性的。此外,提供PCB实物的好处就是可以告诉我们PCB焊盘上涂覆地是什么涂层材料。 因为不同的焊盘表面涂层在焊接沾锡的性能上各不相同。故而若不去考虑PCB焊盘涂层而 贸然开一块Stencil也是不正确的。

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Figure:Gerber文件在图形软件中的图形

4.3.2可选择的几种PCB焊盘表面涂层 4.3.2.1.有机焊料保护剂(OSP): OSP是一种有机涂覆保护焊剂,主要成分是氮唑类化合物。它的机理就是在铜Cu表面 形成一层Cu与氮唑的螯合物。正是因为它是一种有机体的螯合物,这种涂层的储存寿命是 有限的,所以对于SMT的加工不是一种最佳的选择。特别是当涂层经过了高温,很容易就 被破坏掉,对於SMT的返修是不利的。优点:无离子污染,焊盘的表面平整光滑有利於高 密度元件的封装,在焊接性能上优良(当然是在氮气条件下的回流焊Reflow)。 4.3.2.2.热风整平(HASL): HASL即我们平常所说的喷锡板,成分37%Sn67%Pb。HASL的最大的优点就是它的可 焊性非常地优良。全球大部分的PCB工厂采用这种生产工艺。但是由於存在表面不平整的 问题,并且在HASL工艺中PCB要经过一次高温冲击,这会导致PCB特别是多层板内应力的 不均匀而使得PCB发生翘曲,所以很难用於高密度小器件的贴装中。另外就是现在随着环 保问题的重要性,焊料中的铅焊料将逐步被替代。 4.3.2.3.化学沉积镍/金(ENIG) 与其它的涂层相比ENIG在储存寿命上远远比OSP长,对于抗Reflow炉加工的性能也较 好,而且也比HASL的涂层光滑平整,所以这种工艺可以用於高密度小器件的贴装中。缺 点:由于金Au有较强的迁移性,且Au/Sn共晶面脆性大,可能出现大芯片焊接点的断裂。

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5.SMT印刷锡膏常见的问题
5.1.锡珠 锡珠(solder beading)是述语,用来区分一种对片状元件独特的锡球(solder balling)。 锡珠是在锡膏塌落(slump)或在处理期间压出焊盘时发生的。在回流焊时,孤立的锡膏,与 来自其它焊盘的多余锡膏集结,或者从元件身体的侧面冒出形成大的锡珠,或者留在元件 的下面。 Figure:锡珠(solder beading)

《IPC-A-610 PCBA的接受标准》中将0.13mm
(0.00512")直径的锡球或每600mm2(0.9in2)面积上少于五颗分为 第一类可接受的,并作为第二与第三类的工艺要求。IPC-A-610 允许“存在”不干扰最小电气间隙的锡球。 锡珠的产生有各种原因,包括模板(stencil)开孔的设计、锡膏 的成分、模板的孔壁的光洁度、印刷的定位、锡膏的重印、贴片 压力、回流温度曲线、阻焊层的选择、模板清洁度、的等等。

5.1.1.模板的开口及厚度 模板开孔的形状是在免洗锡膏应用中的一个关键设计参数。形成一个具有良好焊脚的 高质量可靠的焊接点要求有足够的锡膏。过多的锡膏沉淀是锡珠的主要原因。一般根据 PCB上的焊盘来制作模板,通过设计开口的外形来达到理想的焊接效果。下面是几种推荐的 Chip元件焊盘设计,可较好的防止Chip元件内侧锡珠的产生: L ?0.3~0.5mm 1/3W W

0.1~0.2mm 0.1~0.2mm 模板的厚度决了焊膏的印刷厚度,所以适当地减小模板的厚度也可以明显改善焊锡珠 现象。我们曾经进行过这样的实验:起先使用0.18mm厚的模板,再流焊后发现阻容元件旁 边的焊锡珠比较严重,后来,重新制作了一张0.15mm厚的模板,开口形式为上面图中的前 一种设计,再流焊基本上消除了焊锡珠。 5.1.2.焊膏的选用直接影响到焊接质量。焊膏中金属的含量、焊膏的氧化度,焊膏中合金 焊料粉的粒度、焊膏印刷到印制板上的厚度、焊膏中助焊剂的量及焊剂的活性都能影响焊 珠的产生。 5.1.2.1.焊膏的金属含量。焊膏中金属含量其质量比约为88%~92%,体积比约为50%。当金 属含量增加时,焊膏的黏度增加,就能有效地抵抗预热过程中汽化产生的力。另外,金属

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含量的增加,使金属粉末排列紧密,使其在熔化时更容结合而不被吹散。此外,金属含量 的增加也可能减小焊膏印刷后的“塌落”,不易产生焊锡珠。 5.1.2.2.焊膏的金属氧化度。在焊膏中,金属氧化度越高在焊接时金属粉末结合阻力越大, 焊膏与焊盘及元件之间就越不容易焊接,从而导致可焊性降低。实验表明:焊锡珠的发生 率与金属粉末的氧化度成正比。一般的,焊膏中的焊料氧化度应控制在0.05%以下,最大 极限为0.15%。 5.1.2.3.焊膏中金属粉末的粒度。焊膏中粉末的粒度越小,焊膏的总体表面积就越大,从而 导致较细粉末的氧化度较高,因而焊锡珠现象加剧。实验表明:选用太细颗粒度的焊膏时, 容易产生焊珠。 5.1.2.4.焊膏在印制板上的印刷厚度。焊膏印刷后的厚度是漏板印刷的一个重要参数,通常 在0.10mm-18mm之间。焊膏过厚会造成焊膏的“塌落”,促进焊锡珠的产生。 *当IC的最小Pitch≥0.50mm时, 一般选用模板厚度T≥0.15mm; *当IC的最小PITCH≤0.40mm时, 一般选用模板厚度T≤0.12mm; *手机板一般选用模板厚为0.10-0.12mm; 5.1.2.5.焊膏中助焊剂的量。焊剂量太多,会造成焊膏的局部塌落,从而使焊锡珠容易产生。 5.1.2.6.焊剂的活性。焊剂的活性小时,焊剂的去氧化能力弱,从而也容易产生锡珠。免清 洗焊膏的活性较松香型和水溶型焊膏要低,因此就更有可能产生焊锡珠。 5.1.2.7.此外,焊膏应以密封形式保存在恒温、恒湿的冰箱内,温度在约为2-10℃温度过 高,焊剂与合金焊料粉起化学反应,使粘度上升影响其印刷性;温度过低(低于0℃),焊 剂中的松香会产生结晶现象,使焊膏形状恶化。焊膏使用时,应提前至少2小时从冰箱中取 出,写下时间、编号、使用者、应用的产品,并密封置于室温下,待焊膏达到室温时打开 瓶盖。如果在低温下打开,容易吸收水汽,再流焊时容易产行锡珠。注意:不能把焊膏置 于热风器、空调等旁边加速它的升温。焊膏开封后,应至少用搅拌机或手工搅拌5分钟,使 焊膏中的各成分均匀,降低焊膏的粘度。注意:用搅拌机进行搅拌时,搅拌频率要慢,大 约1—2转/秒钟。 5.1.3.模板的孔壁的光洁度。理想状态下,所有充满模板开孔的锡膏从孔壁释放,并附 着于焊盘上,应形成完整的锡砖,但非电解抛光的模板孔壁,会造成焊膏的局部“塌落”, 促进焊锡珠的产生。经过电解抛光的激光切割模板得到比非电解抛光的激光切割模板更光 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。 5.1.4.元件贴装压力及元器件的可焊性。如果在贴装时压力太高,焊膏就容易被挤压到元件 下面的阻焊层上,在再流焊时焊锡熔化跑到元件的周围形成焊锡珠。解决方法可以减小贴 装时的压力,并采用上面推荐使用的模板开口形式,避免焊膏被挤压到焊盘外边去。另外, 元件和焊盘焊性也有直接影响,如果元件和焊盘的氧化度严重,也会造成焊锡珠的产生。 经过热风整平的焊盘在焊膏印刷后,改变了焊锡与焊剂的比例,使焊剂的比例降低,焊盘 越小,比例失调越严重,这也是产生焊锡珠的一个原因。 5.1.5.回流焊温度的设置。焊锡珠是在印制板通过再流焊时产生的,回流焊可分为四个阶 段:预热、保温、再流、冷却。在预热阶段使焊膏和元件及焊盘的温度上升到120—150℃ 之间,在这个阶段,焊膏中的焊剂开始汽化,从而可能使小颗粒金属分开跑到元件的底下, 在再流时跑到元件周围形成焊锡珠。在这一阶段,温度上升不能太快,一般应小于 1.5℃/s,过快容易造成焊锡飞溅,形成焊锡珠。所以应该调整再流焊的温度曲线,采取

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较适中的预热温度和预热速度来控制焊锡珠的产生。 5.1.6.外界因素的影响。一般焊膏印刷时的最佳温度为25℃左右,湿度为相对湿度60%, 温度过高,使焊膏的粘度降低,容易产生“塌落”,湿度过模高,焊膏容易吸收水分,容 易发生飞溅,这都是引起焊锡珠的原因。另外,印制板暴露在空气中较长的时间会吸收水 分,并发生焊盘氧化,可焊性变差,可以在120—150℃的干燥箱中烘烤12—14h,去除水汽。 5.2.BGA技术 BGA的焊点的成功是与PCB有很大关系,所以在PCB设计方面必须考虑三个特别关键 的地方。 5.2.1.BGA在PCB上的分布。 PCB的布局必须考虑PCB的导热性能。例如,在板的一个区域,BGA集中在一起可引起 在回流炉中PCB反应的热不平衡。在回流期间,将整个板均匀地带到焊锡液相是重要的。在 板的某个区域集中许多大的BGA,可能要求太多的加热,会造成PCB的较少元件的区域烧坏 元件。相反,如果PCB的较少元件区域达到更快的焊锡液相,助焊剂可能没有从BGA焊点中 排出,引起空洞或者缺乏球到焊盘的熔化。 5.2.2.导通孔(via) 导通孔经常设计到PCB中。任何与BGA焊盘相邻的旁路孔必须很好地覆盖阻焊层。不 覆盖阻焊层经常会引起温度变化差异,会有过多的焊锡从焊盘流到导通孔,引起焊盘与相 邻旁导通孔的短路。 5.2.3.焊盘几何形状、直径 小型化和更高的与芯片规模包装有关的排列密度对焊盘几何形状和直径有直接的影响。 同样,BGA也出现不同的尺寸、形状和复杂性。包装尺寸的不断减少、焊盘的几何形状和直 径将导致检查技术更高的清晰度。这也将不断形成与BGA/PCB焊点附着有关的问题。 5.2.4.BGA在封装过程中必需注意的几点 在封装之前需要对线路板进行必要的烘烤(100~120℃),时间则根PCB基板中水份 的多少而决定。第二必须注意的就是PCB的翘曲度对BGA的影响,虽然IPC-A-600《线路板 接收规范》要求PCB的翘曲度不允许大于10%,若对于但是一些尺寸较大的基站类PCBA的 封装,也按照10%的规范来接收的话,SMT生产过程将会碰到一些麻烦。

后附资料:
1.SMT激光模板PADS修改建议书 2.SMT激光模板PADS开口修改检查报告 3.电抛光SMT激光模板图解 4.IPC-7525《Stencil Design Guidelines》

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