SMT 细间距模板设计

SMT高密度细间距装配中的模板设计和焊膏选择

　　前言

　　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SMT装配质量的主要因素。

　　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验，依据实验所得的数据而判断最适合于本企业产品的焊膏。

　　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。

　　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。●开口的四边均匀减小

　　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。

　　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

　　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25-45μm。

　　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 μBGA、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，得到较佳组合。

　　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：254×406．4×1．6mm，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 QFP：2个(200个焊膏沉积总数)
　　3.31 mil(0．787mm)pitch μBGA：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 μBGA：2个(800个焊膏沉积总数)
　　7.40 mil{1．0mm)pitch BGA：2个(992个焊膏沉积总数)
　　8.25 miI(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28488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=25mm／s
　　2．刮刀压力=15kg(0．9375lb＼inch of刮刀长度)
　　3．刮刀角=60度
　　4．刮刀类型=金属
　　5．刮刀长度=406mm
　　6．分离速度=0．5mm／s
　　7．分离距离=2.Omm

　　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 μBGA 20 and QFP 16、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。

　　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。图5—图8显示5种模板、3种不同焊膏分别印刷0402、0201、SOIC 25 and QFP 20，90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好。90分钟停止，焊膏和模板之间的相关性很明显。

　　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焊点，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11μBGA20，2个BGA 31和3个BGA 40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。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b。
　　结 论

　　模板的设计和焊膏的正确选择对SMT高密度细间距装配起着关键性作用，除从理论上、经验上进行模板的设计和焊膏选择外，还必须进行实验，以获得正确数据。

　　本文介绍了2种实验，试验一，选用了23种模板、38种元件，评估各个厂家的模板印刷性能。得出#6，#22，#21和#11比较好。试验二，用5种模板(#6，#22，#21，#5和#11)3种焊膏(编号a、b、c)，对不同模板和不同供应厂商的焊膏配合印刷，得到最佳组合。共进行2次停止实验，第一个停止15分钟，而第二个停止90分钟，4次虚拟印刷(A，B，C和D)，接着6次实际印刷(1，2，3，4，5和6)，停止15或90分钟后在印刷6次(7，8，9，10，11和1 2)。所有焊膏材料都是Sn63／Pb37。通常焊膏c有稍好的焊膏恢复性，b比a在15分钟停止后有较好的恢复性,然而焊膏a在90分钟停止后有最好的恢复性，其次是焊膏c。

　　在2种实验中，模板对焊膏的恢复性也有影响。BGA生产的分析数据显示：焊膏a产生了最大的缺陷，其次是焊膏b，焊膏a和模板11号的结合显示了最大的缺陷；在所有的焊膏和模板的结合中，焊膏c和模板5号显示了最少的缺陷。所有的模板中，5号模板产生最少的缺陷，11号模板产生最大的缺陷。

　　通常，在焊膏印刷过程中，焊膏的配方(焊膏供应商和产品)和模板类型(模板供应商和产品)是互相作用的，而且对印刷质量起到重大变化。