SMT高密度细间距装配中的模板设计和焊膏选择

1、.、八、-刖言 随着SMT朝着细间距元件的方向发展，SMD封装引脚的密度越来越密，封装尺寸减小 的趋势对焊膏印刷形成了严峻挑战。 统计表明，有50%以上的装配缺陷是由于焊膏印 刷造成的3,因此焊膏印刷成为影响SMTS配质量的主要因素。众所周知，焊膏印刷中，有3个主要因素影响印刷质量：设备、焊膏选择以及模板的 选择。设备主要是根据生产线整体要求购置，本文不做研究。模板的选择所考虑的主 要因素：模板设计、开口设计、模板印刷实施。而模板制造技术包括：化学蚀刻、激 光切割、电解抛光、电镀和电铸成形。焊膏偏重于实验选择，可以向焊膏供应商提供 一定的焊粉尺寸、合金含量等要求，选择几家焊膏供应商的样品进行实

2、验，依据实验 所得的数据而判断最适合于本企业产品的最佳焊膏。模板选择 模板厚度与开口设计 当焊膏印刷时，模板厚度和模板开口尺寸的设计有一定的相互关系，这种关系用面积 比(AR.指模板的开口面积与开口侧壁面积的比值)来衡量，它是模板设计中最重要的 参数。一般激光模板AR大于0. 66，电铸模板大于0. 6。这种设计使印刷清晰度与 焊膏的沉积量之间达到平衡，避免焊点焊料不足，并减少桥接的产生。在模板厚度选 定的情况下，根据面积比原则选择合适宽度，太小的模板开口导致焊点开路或焊点焊 料不足；太大的开口容易引起桥接。表1提供了模板厚度与开口宽度之间的设计指导 2。模板的开口设计与焊盘对于一次印刷产生的

3、焊点，为了能够将足够的焊膏量传递到非细间距的焊盘上、同时避免过量的焊膏沉积在细间距焊盘上， 模板的厚度必须仔细设计。为了能适应焊盘的 最小尺寸，同时兼顾大焊盘的焊膏量，有几种方法能使沉积到焊盘上焊膏量达到适量， 它们分别为：局部减薄模板这种模板在细间距和非细间距焊盘部分拥有不同的模板厚度，通常的尺寸组合是：0. 008in . (0.2mm用于非细间距、0. 006in . (0 .1 5mm用于细间距；或 0. 006in . (0 . 1 5mm用于非细间距、0. 004in . (0 . 10mm用于细间距。开口氏度吋1Imm)(HKh(mm)(inch(nwn)1 K冃agio乩価00

4、1Jao.Q旧氏Q2QOSficom他0 0063oma.ia0的3on帀0080 JVcowaivOQQZS开口的四边均匀减小模板上细间距开口尺寸与焊盘上的尺寸相比，被减小10%-30 %。这样减少了焊盘上的焊膏沉积量。也为焊膏印刷中开口与焊盘的重合不良和焊膏塌陷提供了一些空间。交错印刷模板只开焊盘一半的长度，并以交错方式排列，对于锡一铅涂层焊盘，当焊膏在焊接 期间开始熔化时，熔化的焊料被认为是朝焊盘的另一半流去，达到完全覆盖。对于裸 铜或镍表面，熔化的焊料可能不会流到没有印刷焊膏的另一半焊盘面积上去，因此裸铜或镍表面的PCB慎重考虑此方法。其他形状模板开口形状是以某种选定形式，如三角形、泪

5、滴形等，达到减少细间距焊盘上焊膏 沉积量的目的。折衷模板厚度选一个折衷的模板厚度，使其既适合细间距焊盘又适合于非细间距焊盘； 来取代不同 的焊盘所需的各种不同的模板厚度。模板材料选择在选定模板厚度和开口尺寸的条件下， 模板的性能主要受到模板金属板材和模板的开 口加工工艺的影响。目前市场上有 5种模板板材：黄铜、不锈钢、钼、42号合金和电 铸镍。制造模板的工艺包括：化学蚀刻、激光切割、电解抛光、电镀和电铸成形。每 种板材或制造工艺都有其固有优势和局限性。 评估模板性能的关键项目有：开口壁垂 直性、墙壁的光滑性、以及尺寸精度。除此之外耐久性、抗化学性、良好的开口能 力以及成本也都是重要因素。表2将

6、各种模板材料进行了比较，表3将模板制造技术 的相对性能特点进行总结。轻号會會平tw平科有和有科ttM-iNJA材科用帚底H/A有科H/A楝*髡电耒就光自溝揖光署犠童奸的幵口 1 M藏這枝术的比较您 星瞬 jfl五通的嵯办車IMF花事憧劇亏戡里医MHJ育It工匹対划何睡的M工和祐i墩IB ttiiffi, 箱幵口尺寸和塁亶的揑.IdS.Kitvjn瓶枚默开口itttVJH 幵口不圧胃聊时庫 lA 划 增闾护馆打聲无尤作事酣41板槪冈直.HK.电J*成弗畫过电雀駆訊的林工艺，購础1囁战封的強度1M柞帝酚 悴掩杓齡林送含度申于Q期舅寸的購扳，樹无需电第觉贮咯1?箍光产生AWflJrtSAjw.理少许

7、口尺寸.債升门臺愛 K14C4H.升口 上帰Hl先祁幵口.焊膏选择 焊膏是一种膏状形式的焊料，由于其独特的优点对于工业界具有特别的重要性。焊膏 具有可变形的黏弹性形式，其形状和尺寸可挑选使用。焊膏的黏性提供了一种粘接能 力，在元件与焊盘形成永久的冶金连接以前，保持元件在焊盘上而无需附加的粘胶。焊膏的金属特性提供了相对高的导电率和热传导率。因此，对于表面安装制造而言， 焊膏既适应于自动化生产又有一定的黏性同时具有高传导率，所以焊膏是最具有生命力的材料。它为电子封装和装配提供了电、热和机械的互连。焊膏选择通常有焊粉尺寸、合金含量以及粘度。通常合金含量在90%左右，粘度1000Pa. s左右4。焊料

8、合金粉末颗粒的尺寸、形状及其均匀性是影响焊膏性能的重 要参数，影响焊膏的印刷性、脱模性和可焊性。细小颗粒的焊膏印刷性比较好，特别 对于高密度、窄间距的产品，由于细间距模板开口尺寸小，必须采用小颗粒合金粉 末否则会影响印刷性和脱模性。一般焊料颗粒直径选择约为模板开口尺寸的1/5,所以对窄间距元器件，一般选用 25-45卩m 焊膏、模板的评估实验虽然按照前述的理论，选择了模板和焊膏的参数，但市场上模板和焊膏的制造商很多， 究竟哪那家的产品最适合本企业，还需要进行实验才能决断；下面介绍2个实验,仅供参考。实验一：在相同工艺参数条件下，如何评估各个厂家的模板印刷性能采用同一种GB文件，对多个厂家加工的

9、模板进行性能评估。评估实验中所有印刷参 数、设备、材料甚至环境都是相同的，被评估的模板加工方式是相同的，如都用激光加工。通过分析、测量各种印刷尺寸（如焊膏面积、体积等、焊膏沉积量等）和印刷缺 陷（如桥接、焊膏过多或印量不足等）来评估模板性能。模板设计包括广泛的元件类型，本文介绍的实验选了38种元件，包括0201、0402、20-30mil pitch 卩 BGA 16、20、25mil pitch QFP 以及 40mil pitch CBGA）。实验二：对不同模板和不同供应厂商的焊膏配合使用，得到最佳组合。模拟实际焊膏印刷过程中，印刷突然停止一段时间，然后再继续印刷，测试焊膏的恢 复能力。在

10、实验中用5种模板、3种焊膏，测试停止一段时间比较、分析停止前后 焊膏沉积数据。实验条件模板：研究选用5种模板。#5是电铸模板，其他模板（#6、11、21和22）是激光切割 模板。所有模板都用相同的 GB文件，因此所有模板开口尺寸都是绝对相同的。采用 折衷模板厚度5个mil。焊膏：实验采用3种不同焊膏。焊膏“ a” “ b”旷均为川焊粉尺寸，Sn63/Pb37合金 以及90%合金含量，只是供应商不同。而焊膏“c”为，V焊粉尺寸（通常焊粉尺寸30 微米），Sn63/Pb37合金以及90. 8%稍高的合金含量。印刷次数和停止时间：实验一进行26次连续焊膏印刷（6次试印刷和20次正式试验印 刷）。对于

11、实验二进行6次连续焊膏印刷，在已给的停止时间之后，再进行 6次印刷。 停止前和停止后的焊膏沉积数据被比较。停止时间分别采用15分钟和90分钟。印刷板：测试程序由印刷4种虚构的印刷板（A、B C, D）和6种测试印刷板（1、2、3、4、5、6）组成。用于测试的PCB尺寸：254X 406. 4X1. 6mm测试板是裸铜板？没有 阻焊层和导线。每种板有8个基点，以便丝印机和焊膏检查仪的对准。元件：尽管不是所有元件都选来做焊膏检查，但模板设计有很宽的元件范围，具体如下：1.16 mil（0 . 4mm）pitch QFP： 2 个（128 个焊膏沉积总数）2.20 mil（0 . 5mm）pitch

12、 QFP： 2 个（200 个焊膏沉积总数）3.31 mil（0 . 787mm）pitch 卩 BGA 2 个（98 个焊膏沉积总数）4.0201 chips : 18个（36个焊膏沉积总数）5.0402 chips : 10个（20个焊膏沉积总数，）6.20 mil（0 . 5mm）pitch 卩 BGA 2 个（800 个焊膏沉积总数）7.40 mil1 . 0mm）pitch BGA： 2 个（992 个焊膏沉积总数）8.25 mil（0 . 635mm）pitch SOIC : 5 个（100 个焊膏沉积总数）所以每块板有2374个焊膏沉积总数被测试，每个模板印刷 12块板，总共28

13、488个焊 膏沉积总数。使用设备：使用DEK最大印刷机和GSI/Lumonics 8100焊膏检查仪。DEK印刷机设置参数如:1 .印刷速度=25m/s2 .刮刀压力=15kg（0. 93751b inch of 刮刀长度）3 .刮刀角=60度4. 刮刀类型二金属5. 刮刀长度=406mm6. 分离速度=0. 5m/s7. 分离距离=2.0mm 印刷条件：每一种印刷无论是停止15还是停止90分钟，所有的5种模板都用新焊膏 印刷。印刷顺序是随机的，而且印刷（4种虚构板和12块测试板）使用的板完全相同。 使用焊膏之前，搅拌30秒。在进行所有研究中房间的温度和湿度一直受控。控制每 次印刷间隔时间，保

14、证间隔时间一致。在 4次虚构板后，第一次的6块板被印刷，然 后停止印刷，停止15或90分钟.这段时间印刷机空闲。停止后继续进行板的印刷。 测试继续进行，在此期间模板不清洁。测试内容：每块板印刷后，焊膏检测仪为每块板产生一个文件。测试印刷的焊膏量和 离差。计算和结果在停止前后，每快板焊膏沉积的数据都被收集，对于每一种模板和焊膏的组合，每个 元件的平均焊膏量在停止前后也都被计算，以考察焊膏的恢复性。恢复性就是在等待时间之后焊膏沉积体积是否减少， 可以定义为停止后的平均焊膏体积与停止前的平均 焊膏体积之比。图1到图4显示5种模板、3种不同焊膏分别印刷 BGA40 BGA 31卩BGA 20 and

15、QFP16、15分钟停止前后的焊膏量。这里，5-a表示使用5号模板和a焊膏。焊膏c在等 待时间后，几乎总是完全恢复，而且体积损耗最小或没有损耗。焊膏b和c比a具有更好的恢复性，三种焊膏中，焊膏c似乎具有最好的恢复性。焊膏的恢复性也取决于 模板的不同。ifl3B&A20范戸廿轲坯蓿后$种密檢图5图8显示5种模板、3种不同焊膏分别印刷0402、0201、SOIC25 and QFP20, 90分钟停止前后的焊膏量。对于0402和0201CHIP元件，没有一种焊膏完全恢复，但 是对于其他2种元件，所有焊膏100%恢复。总体看，90分钟停止后，3种焊膏中焊 膏a具有最好恢复性，接着是焊膏c，它比焊膏b

16、好。90分钟停止，焊膏和模板之间 的相关性很明显。图 。切2莊菟卿1弄带石号苒欄脈nllHIIIIllllU z Nd l a hfl Ifll fc 箕图9和图10显示15分钟停止后焊膏的恢复与模板的关系。 图9可以看出，焊膏c在 15分钟停止后对所有的模板都完全恢复；而焊膏a在任何情况下，不管使用任何模板， 都不能完全恢复；这些结果和图1到图4的结果一致。总之，如图10示，在所有的 模板中，22号模板恢复最小，焊膏c在5号、11号模板上有最好的恢复。焊膏b在5 号、21号模板上有最好的恢复。尽管焊膏 a对所有模板没有完全的恢复，但对于 11 号模板，它的恢复性比其他模板要好。ii才irif

17、fiio井磚構后的花矗性巧图11和图12显示90分钟停止后焊膏恢复与模板的相关性。图11中，5号模板在给定的停止时间后没有一种焊膏完全恢复。和15分钟停止相反，模板22号对于90分钟停止显示了最大的恢复。5号模板是所有模板中90分钟停止后恢复最差的，尽管 15分钟停止后它提供了最好的恢复。因此在实验中，两种停止的恢复结果是不一致102100va21的。从图5到图8,焊膏a在3种焊膏中有最好的恢复，且焊膏a在90分钟停止后似 乎有最小的模板依赖性。焊膏c与模板的相关性最大，接着焊膏bo|n B6 11,r2iSolder Pasttt it注抽井材哥杵后用吊飯的WrttritStencilsu在

18、so分伸耳得耐芳与斷損肿餓箱性对除了对焊膏的恢复性进行研究外，还对模板与焊膏的不同组合所产生板的缺陷率进行 了统计。研究对象为BGA旱点，通过凸点封装生产分析也用来帮助决定最好、最全面 的模板性能。通过输入变量焊点直径和厚度、PCB的翘曲度、凸点高度变化以及焊料的塌陷，计算再流焊后的装配产量。对含有4个11卩BGA202个BGA31和3个BGA40 的20,000块板进行焊接，缺陷板预报如图13显示。其中，5号模板使用焊膏c的缺 陷板数只有焊膏a的50%。总之在所有的模板焊膏组合中，5号模板使用焊膏c产生的缺陷数最少。模板11号和焊膏a的结合产生最大的缺陷数。对于所有模板， 通常焊膏c产生最小的缺陷数，而焊膏a给了最大的缺陷数。5号模板与其他模板相 比产生最小缺陷数，接着22号模板。11号模板给出最大量的缺陷。taww nt -丨 I tii di!H IiMib Is M ki 4 I MM*11 Ha w *电 Ji * iT1* Fin ta Il13 $两虚M帏讯看用剧了 2