经典完整SMT钢网开孔设计指南(参照IPC-7525A)

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IPC7525（模板设计指南），2004年修订为A版。IPC7525A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(flipchip)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2010×50×52.00.83+2：QFP间距167×50×51.40.61+++3:BGA间距50圆形25厚度64.21.04+4:BGA间距40圆形15厚度53.00.75++5:μBGA间距30方形11厚度52.20.55+++6:μBGA间距30方形13厚度52.60.65++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8mil(0.2mm)将宽厚比增加到1.6–减少厚度减少模板厚度到4.4mil(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PLCC1.27mm0.65mm2.0mm0.60mm1.95mm0.15-0.25mm2.3-3.80.88-1.48(50mil)(25.6mil)(78.7mil)(23.6mil)(76.8mil)(5.91-9.84mil)QFP0.635mm0.635mm0.635mm0.635mm0.635mm0.635mm1.7-2.00.71-2.0(25mil)(13.8mil)(59.1mil)(11.8mil)(57.1mil)(5.91-7.5mil)QFP0.50mm0.254-0.33mm1.25mm0.22-0.25mm1.2mm0.125-0.15mm1.7-2.00.69-0.83(20mil)(10-13mil)(49.2mil)(9-10mil)(47.2mil)(4.92-5.91mil)QFP0.40mm0.25mm1.25mm0.2mm1.2mm0.10-0.125mm1.6-2.00.68-0.86(15.7mil)(9.84mil)(49.2mil)(7.87mil)(47.2mil)(3.94-4.92mil)QFP0.30mm0.20mm1.00mm0.15mm0.95mm0.075-0.125mm1.50-2.00.65-0.86(11.8mil)(7.87mil)(39.4mil)(5.91mil)(37.4mil)(2.95-3.94mil)04020.50mm0.65mm0.45mm0.6mm0.125-0.15mm0.84-1.00(19.7mil)(25.6mil)(17.7mil)(23.6mil)(4.92-5.91mil)02010.25mm0.40mm0.23mm0.35mm0.075-0.125mm0.66-0.89(9.84mil)(15.7mil)(9.06mil)(13.8mil)(2.95-3.94mil)BGA1.27mmφ0.80mmφ0.75mm0.15-0.20mm0.93-1.25(50mil)(31.5mil)(29.5mil)(5.91-7.87mil)UBGA1.00mmφ0.38mmφ0.35mm0.35mm0.115-0.135mm0.67-0.78(39.4mil)(15.0mm)(13.8mil)(13.8mil)(4.53-5.31mil)UBGA0.50mmφ0.30mmφ0.28mm0.28mm0.075-0.125mm0.69-0.92(19.7mil)(11.8mm)(11.0mil)(11.0mil)(2.95-3.94mil)Flip0.25mm0.12mm0.12mm0.12mm0.12mm0.08-0.10mm1.0Chip(10mil)(5mil)(5mil)(5mil)(5mil)(3-4mil)FlipChip0.20mm0.10mm0.10mm0.10mm0.10mm0.05-0.10mm1.0(8mil)(4mil)(4mil)(4mil)(4mil)(2-4mil)FlipChip0.15mm0.08mm0.08mm0.08mm0.08mm0.025-0.08mm1.0(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(reliefstep)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“StencilDesignGuidelines”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Pitch0.5mm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