模板设计指南

1、SMT 模板设计指南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

2、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，IPC7525 ，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/r

3、elease) 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 (flipchip) 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

4、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 (aspectratio) 、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

5、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。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/ 面积比举例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例子开孔设计宽深比面积比锡膏释放1QFP 间距 2010x50x52.00.83+2QFP 间距 167x50x51.40.61+BGA 间距 50

6、圆形 25 厚度 64.21.04+4BGA 间距 40 圆形 15 厚度 53.00.75+5微型 BGA 间距 30 方形 11 厚度 52.20.55+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 10x50-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7x50-mil的开孔，得到1.4 的宽深比

7、， 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 （flashmomery） 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

8、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 (soldermask) 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

9、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 (reliefstep) 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

10、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 1525-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