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木森激光技术交流 SMT STENCIL,交流重点,旨在加强我们的技术交流与技术服务，促进彼此的沟通和了解 重点介绍STENCIL工艺和设计 错漏之处，在所难免，恳请各位批评指正,SMT模板的重要,“好的模板得到好的印刷结果，然后自动化帮助使其结果可以重复。” 模板的采购不仅是装配工艺的第一步，它也是最重要的一步。模板的主要功能是帮助锡膏的沉积(deposition)。目的是将准确数量的材料转移到光板(bare PCB)上准确的位置。锡膏阻塞在模板上越少，沉积在电路板上就越多。因此，当在印刷过程中某个东西出错的时候，第一个反应是去想到模板。应该记住，还有比模板更重要的参数，可影响其性能。这些变量包括印刷机、锡膏的颗粒大小和黏度、刮刀的类型、材料、硬度、速度和压力、模板从PCB的分离(密封效果)、阻焊层的平面度、和元件的平面性。,一、SMT模板类型,化学蚀刻 激光切割 电铸成型,当用于最紧密的间距为0.025“（0.635mm)以上的应用时，化学腐蚀(chem-etched)模板和其它技术同样有效。相反，当处理0.020”（0.5mm)以下的间距时，应该考虑激光切割和电铸成形的模板。虽然后面类型的模板对0.025“以上的间距也很好，但对其价格和周期时间可能就难说了。,1-1化学蚀刻,化学蚀刻的不锈钢模板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属箔。由于工艺是双面的，腐蚀剂穿过金属所产生的孔，即开口，不仅从顶面和底面，而且也水平地腐蚀。该技术的固有特性是形成刀锋、或沙漏形状。当在0.020“（0.5mm)以下间距时，这种形状产生一个阻碍锡膏的机会,1-1化学蚀刻,关键工艺控制要素 STENCIL开孔设计 FILM制作精度 曝光量控制 側腐蚀控制和补偿 腐蚀液控制,1-2激光切割,直接从客户的原始Gerber数据产生，激光切割不锈钢模板的特点是没有摄影步骤。因此，消除了位置不正的机会。模板制作有良好的位置精度和可再生产性。Gerber文件，在作必要修改后，传送到(和直接驱动)激光机。物理干涉少，意味着出错机会少。虽然有激光光束产生的金属熔渣(蒸发的熔化金属)的主要问题，但现在的激光切割器产生很少容易清除的熔渣。,1-2激光切割,关键工艺控制要素 STENCIL开孔设计 激光切割参数调校 激光灯管能量衰减控制,1-3电铸成型,一种递增而不是递减的工艺，制作出一个镍金属模板，具有独特的密封特性，减少锡桥和对模板底面清洁的需要。该工艺提供近乎完美的定位，没有几何形状的限制，具有内在梯形的光滑孔壁和低表面张力，改进锡膏释放。镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25“厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步骤。,1-3电铸成型,关键工艺控制要素 STENCIL开孔设计 基板图形制作精度 电沉积药液控制 厚度均匀性控制 基板剥离,1-4工艺比较,参数比较,1-4工艺比较,应用比较,1-5混合工艺,腐蚀与激光 STEP-DOWN STEP-UP 电抛光,1-5混合工艺,局部减薄模板 用较厚模板印刷FP或FP元件锡膏时应用 如用0.13-0.15厚模板,0.5 BGA处需减薄到0.1 减薄量一般不超过0.05 “L”至少应大于0.1“ 用电铸或腐蚀实现 一般常用B工艺,A、减薄在PCB接触面 B、减薄在印刷面,电抛光,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。,二、模板设计,设计依据 设计要素 数据形式 工艺方法选择 材料厚度选择 外框选择 印刷格式设计 开孔设计 常见SMT工艺缺陷分析 常见SMT锡膏印刷缺陷分析,2-1设计依据,1、理论依据 总原则：在保证足够锡量的情况下应使锡膏有效释放 三球定律：至少有三个最大直径的锡珠能排在模板的厚度方向和最小开孔的宽度方向 宽厚比(Aspect Ratio) : W/T1.5 面积比(Area Ratio) ： (LW)/ 2(L+W) T 0.66,2-1设计依据,2、实际应用 印刷机：印刷机要求STENCIL外框，MARK点在哪面，印刷格式等 PCB：待装配PCB要求哪些需开孔，哪些不需要 工艺：印刷胶水还是锡膏？有何种工艺缺陷？是否通孔元件使用SMT工艺？测试点是否开孔？ 装配密度：装配密度越高对STENCIL要求越高 产品类别：产品装配质量要求越高对STENCIL要求越高,2-2设计要素,数据形式 工艺方法要求 材料要求 材料厚度要求 框架要求 印刷格式要求 开孔要求 其他工艺需求,2-2设计要素,1、数据形式 GERBER文件格式，RS-274D或RS-274X 常用CAD软件一般可由生产商进行格式转换。如ALEGRO，EAGLE，ECAM，PADS，PROTEL，ACAD，PCCAM，PCGERBER etc,2-3数据形式,GERBER格式： 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。,2-3数据形式,2-3数据形式,此数据中不包含D-CODE。,此数据中不包含D-CODE。,2-3数据形式,此段告诉我们GERBER文件是英制2-3格式。（小数点前有两位数，小数点后有三位数）,D10是0.05X0.07inch的椭圆,D20是0.1inch的圆,D191是0.062X0.062inch的长方形,2-4工艺方法选择,2-5材料厚度选择,根据不同的元件选择相应的钢片厚度，主要依据最小开孔和最小间距为考虑，重点兼顾其它，详见下表或可根据公式进行计算得出： 若焊盘尺寸L5W时，则按宽厚比计算钢片的厚度。TW1.5 若焊盘呈正方形或圆形，则按面积比计算钢片的厚度。T（LW）1.32X（LW）,2-5材料厚度选择,上表罗例出对一些典型贴装器件的开孔设计中的宽厚比/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的宽厚比.0.4mm间距的QFP,在0.12的模板上开口0.15*1.27mm,得到的1.4的宽厚比,很明显锡膏释放将较为困难,怎么办? 几种可选择的方式： a.增加开口宽度(增加到0.2mm将宽厚比增加到1.6); b.减少厚度(选择钢片厚度变为0.1mm,宽厚比也增加到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);,2-5材料厚度选择,元件开口设计及对应钢片厚度表,2-6外框选择,根据客户使用的印刷机对应相应规格型材的网框,常见印刷机对STENCIL要求一览表,2-7印刷格式设计,印刷格式：印刷区域在整个STENCIL中的位置及方向 位置要求决定于印刷机的要求 方向要求决定于用户自动生产线之工艺要求 四周丝网区域至少应有20mm以保证足够的张力和弹性 最边缘开孔到内粘接边应有50mm以保证刮刀行程 请参见常见印刷机对STENCIL要求一览表,2-8开孔设计,必须符合设计理论依据 设计最关键的环节是尺寸、形状两要素 必须保证：有利于锡膏释放和脱模；有利于改善工艺缺陷 影响锡膏释放的三大要素是：宽厚比和面积比；孔壁几何形状；孔壁粗糙度 开孔设计须遵循一般通用规则，但须以现场工艺环境作为基础,2-8开孔设计,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、QFP、BGA、CSP 等。,焊盘宽度,焊盘长度,焊盘的中心间距,焊盘间空格宽度,2-8开孔设计,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。,2-8开孔设计,CHIP件开孔设计,0201的开口方式,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“,0.009“,0.015“0.018“,0.012“,Spacing,Component PCB Pad,Attachment Pad,2-8开孔设计,CHIP件开孔设计,0402元件,面积加大10%，当间隙小于0.4mm时需外移至0.4mm；当间隙大于0.4mm时需内扩至0.4mm,2-8开孔设计,CHIP件开孔设计,0603元件,面积加大5%保证间距0.6, 当间距小于0.6时外移至0.6mm, 大于0.72mm时内扩至0.72mm,0603元件开孔,2-8开孔设计,CHIP件开孔设计,0805以上(含0805)元件开孔,L,W,L/3,W/3,2-8开孔设计,SOT开孔设计,SOT252开孔方式,W,L,W1,L1,L2,W1=90%W L1=2/3L L2=1/2L1 中间架桥，桥宽0.3mm,2-8开孔设计,SOIC、PLCC、QFP开孔设计,PITCH=0.81.27mm,WL为1：1，并两端倒圆角（宽一般取值在45%-60%之间）。,PITCH0.6350.65mm,W=0.32mm,L为1:1并两端倒圆角。,PITCH=0.5mm，W0.24mm，L为1：1并两端倒圆角。,PITCH0.4mm ,W=0.19mm，L外移0.1mm后，再向外加长0.05mm并两端倒圆角。,PITCH0.3mm，W0.16MM，L外移0.1mm，并两端倒圆角（若长度0.8mm时,长向外加长0.15mm）。,以上如若L1mm时，其L需向外扩0.1mm。,2-8开孔设计,QFN元件开孔设计,2-8开孔设计,BGA、BGA开孔设计,BGA开孔可按以下参考进行制作：,原则上其开孔的CIR取值为PITCH的55%，如开成SQ状其取值为PITCH的45%并倒R=0.02mm的圆角（PITCH=0.5mm的除外）；,PITCH0.5mm，CIR=0.30mm或SQ0.28mm、倒R=0.02mm的圆角；,大BGA开孔分外三圈、内圈和中心部分（大BGA区分条件：Pitch1.27mm，脚数256）：外三圈CIR0.55*Pitch、内圈CIR0.5*Pitch、中心部分1：1开孔。,2-8开孔设计,胶水模板开孔设计,开口要求如下： 0402元件宽开0.26mm，长加长5% 0603元件宽开0.28mm，长加长10% 0805元件宽开0.32mm，长加长10% 1206元件宽开0.42mm，长加长10% 1206以上元件宽开38%，长加长10% 当0603元件间隙大于0.7mm时,宽开0.32mm 当0805元件间隙大于0.9mm时, 宽开0.35mm 当1206元件间隙大于1.2mm时,按38%开孔,2-9常见SMT工艺缺陷分析,锡珠（SOLDER BALL） 桥连（BRIDGE） 共面（COMPLANATION） 移位（OFFSET） 墓碑（TOMBSTONE） 润湿不良（UNDESIRABLE WETTING） 焊点缺陷（SOLDER POINT DEFECT） 焊锡太多或太少（SOLDER VOLUME FAULT） 元件错（COMPONENTS FAULT）,1、锡珠（SOLDER BALLS） PCB、元件可焊性差 焊膏移位或量过多 STENCIL脏 焊膏质量缺陷 过大的贴片力 温度曲线设定不合理 环境、操作、传输等,2-9常见SMT工艺缺陷分析,2、桥连(BRIDGE） 焊锡在导体间的非正常连接 焊膏质量缺陷如过稀等 焊膏移位或量过多 不合理温度曲线,2-9常见SMT工艺缺陷分析,3、共面（COMPLANATION） 元件脚不能与焊盘正 常接触 元件脚损坏或变形,2-9常见SMT工艺缺陷分析,4、移位(OFFSET) 元件焊脚偏离相应焊盘的现象 PCB焊盘不规则 元件脚不规则 印刷焊膏移位 贴片移位 回流工艺 操作、传输等,2-9常见SMT工艺缺陷分析,末端偏移,侧面偏移,侧面偏移,5、墓碑(TOMBSTONE) 元件一头上翘，或元件立起 PCB焊盘设计不合理 元件脚不规则 印刷焊膏移位 回流焊设备故障 其他原因如操作、传输等,2-9常见SMT工艺缺陷分析,6、润湿不良(UNDESIRABLE WETTING) 焊锡润湿不充分、焊锡紊乱等现象 锡膏质量、印刷位置和回流工艺影响,2-9常见SMT工艺缺陷分析,回流不完全,不润湿,半润湿,焊锡紊乱,7、焊点缺陷(SOLDER POINT DEFECT) 焊点处有裂纹、针孔、吹孔等现象 锡膏质量缺陷 环境恶劣 回流缺陷,2-9常见SMT工艺缺陷分析,裂纹,吹孔,针孔,8、焊锡太多或太少(SOLDER VOLUME FAULT) 焊锡量太多或太少 印刷锡膏量 回流工艺 可焊性,2-9常见SMT工艺缺陷分析,焊锡太多,焊锡太少,9、元件错(COMPONENT FAULT) 元件少放、放错、极性错等现象 贴片程序 贴片机,2-9常见SMT工艺缺陷分析,元件面方向错,元件放错,定位对齐（REGISTRATION） 塌落（SLUMP） 厚度（THICKNESS） 挖空（SCOOP） 圆顶（DOME） 斜度（SLOPE） 锡桥（PASTE BRIDGE） 边缘模糊（NOT CLEAR EDGES）,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,1、定位对齐（REGISTRATION） 锡膏与PAD的对位 最大允许误差应小于 PAD尺寸10%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,STENCIL PCB PRINTER,2、塌落（SLUMP） 锡膏的塌陷 最大不应超过PAD长或宽10%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,锡膏粘度太低 环境过热 印刷/脱模速度太快 过大振动或冲击,3、厚度（THICKNESS） 锡膏厚度不均匀 最多允许15%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,STENCIL厚度 STENCIL变形 STENCIL安装 印刷速度太快 脱模速度太快,4、挖空（SCOOP） 锡膏中间挖空 挖空量不应超过最高到最低点的15%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,刮刀压力过大 刮刀刀片太软 开孔太大,5、圆顶（DOME） 锡膏顶部呈圆形突起状 最大不应超过印刷厚度的15%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,刮刀高度不当 刮刀压力不足,6、斜度（SLOPE） 锡膏上表面呈斜面状 最大应小于最高到最低点的15%,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,刮刀压力过大 锡膏粘度过大,7、锡桥（PASTE BRIDGE） 非连接PAD之间锡膏的搭接现象,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,锡量过多 STENCIL太厚或开孔太大 STENCIL脏 锡膏粘度过低,8、边缘模糊（NOT CLEAR EDGES） 锡膏边缘模糊， 轮廓不清晰,2-10常见SMT锡膏印刷缺陷分析,STENCIL孔粗糙 STENCIL开孔形状不好 STENCIL脏,三、 STENCIL对SMT工艺缺陷的影响,SMT工艺缺陷,1、SMT工艺缺陷原因鱼骨图,焊膏,模板,参数,操作员,环境,PCB,元件,机器,刮刀,其他,三、 STENCIL对SMT工艺缺陷的影响,2、STENCIL可能引起的SMT工艺缺陷 STENCIL厚度 多孔或少孔 开孔位置 开孔尺寸 孔壁形状 孔壁粗糙度,锡珠 桥连 移位 墓碑 润湿不良 焊锡太多或太少 元件错,三、 STENCIL对SMT工艺缺陷的影响,3、STENCIL引起缺陷的比重 印刷引起的SMT缺陷超过60% 仅由STENCIL引起的缺陷超过35% 机器一旦调试具有相对稳定性 锡膏一经选定具有相对稳定性 PROFILE一旦设定不需经常变化 参数和程序易于调节和控制 STENCIL具有单一性、多变性、针对性和模具特性,三、 STENCIL对SMT工艺缺陷的影响,4、 STENCIL对SMT工艺改善的作用 避免STENCIL自身不良带来的工艺缺陷 适应免清洗工艺的需要 改善PCB焊盘工艺设计不合理引起的工艺问题 改善锡膏润湿性不够引起的工艺问题 改善回