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模板设计指南

By William E. Coleman, Ph.D.

  本文窥视一个工业小组委员会涉及工艺工程师对模板设计的几个共同关注的文件。

  表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模板(stencil)时会喜欢一些基本的模板设计指南。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、容易理解的模板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,包括了来自模板制造商、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:电子工业联合会模板设计指南文件。该文件将包括: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。最终文件,IPC 7525,现已发布。
  工艺工程师对模板设计的一些最普遍的关注列出如下。模板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
  • 模板厚度
  • 使用的模板技术: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)模板设计
  • 胶的模板开孔设计
  • 混合技术:通孔/表面贴装模板设计
  • 片状元件的免洗开孔设计
  • 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
  • 锡膏释放与锡砖的理论体积(长 X 宽 X 厚)的比例

  模板开孔的设计
图一, 表面贴装锡膏印刷的三个模板性能问题  IPC的模板设计指南将要谈到的一个普遍询问的关于模板的问题是,开孔设计怎样影响印刷性能。图一显示锡膏印刷的三个主要性能问题。开孔尺寸[宽(W)和长(L)]与模板金属箔厚度(T)决定锡膏印刷于PCB的体积。在印刷周期,随着刮刀在模板上走过,锡膏充满模板的开孔。然后,在电路板/模板分开期间,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:模板设计的面积比/宽深比(aspect ratio)、开孔侧壁的几何形状、和孔壁的光洁度。
  图二中定义了面积比/宽深比。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。当模板从电路板分离时,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。
图二, 宽深比/面积比定义  模板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模板技术有关。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。对于接近1.5的宽深比和接近0.66的面积比,一些模板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
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
1.04
+
4
BGA 间距40 圆形15 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
++
+ 表示难度.

  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 厚的模板上10 x 50-mil 的开孔,得到 2.0 的宽深比。使用一种光滑孔壁的模板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 厚的模板上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,甚至对高技术的模板都一样。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模板技术。

  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,模板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 的模板开孔。
  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。如果模板开孔增加到 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模板技术。Tessera 和 Intel 两个公司都为微型BGA的模板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)的模板设计
  在一些情况中,模板可能要求台阶。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 厚度的模板,20-mil 间距的除外,它要求 6-mil 的厚度。
  在模板上朝电路板这一面的陷凹台阶是模板中要求台阶的另一个例子。在板上有凸起或高点妨碍模板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)模板,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,第一个模板用正常厚度的模板(6-mil)印刷所有的表面贴装锡膏。第二个模板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。
  要求模板上台阶的第三个例子是向上凸起的模板。一个例子是,一块模板在所有位置都是 6-mil 的厚度,除了CBGA区域的模板厚度为 8-mil。另一个例子是,一块模板是 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
  当设计模板开孔时,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,对模板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模板技术时应该小心。作为一般规则,将模板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,将模板开孔做得比焊盘大 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。这些,以及其它模板设计问题在IPC的模板设计指南中都有探讨。

  William E. Coleman, Ph.D., is the vice president of strategic customers/technology at Photo Stencil, Colorado Springs, Co; (719) 599-6405; e-mail: bcoleman@photostencil.com.

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