SMT顶级人脉圈-IPC-7525SMT印刷钢网的设计指南（中文版）

                                                                                                   
1. 目的……………………………………………… 32.适用文件………………………………………… 43.模板设计………………………………………… 54.模板制造技术……………………………………145. 模板定位…………………………………………156. 模板订购…………………………………………157.进料检验规范……………………………………168.模板清洗…………………………………………169.模板使用寿命……………………………………16
1. 目的本文件旨在为设计与制造锡膏及表面粘胶印刷用模板提供指导，并且仅供指导。1.1术语和定义（Terms andDefinitions）本文件所用到的所有术语和定义顺从于IPC-T-50。下标为星号（*）的定义均来源于IPC-T-50，其余对本课题之讨论有重要意义的特定术语和定义，均提供如下：1.1.1 开孔（Aperture）模板薄片上开的通道1.1.2 宽厚比和面积比 （Aspect Ratio and Area Ratio）    宽厚比=开孔的宽度/模板的厚度    面积比=开孔底面积/开孔孔壁面积1.1.3 丝网 （Border）薄片外围张紧的聚合物材质或不锈钢材质丝网，它的作用是保持薄片处于平直有力的状态。丝网处于薄片和框架之间并将两者连接起来。1.1.4 锡膏密封式印刷头 A stencil printer headthat holds, in a single replaceable component, the squeegee blades and apressurized chamber filled with solder paste.1.1.5 蚀刻系数 （Etch Factor）具体解释参见上页的图示。蚀刻系数=蚀刻深度/蚀刻过程中的横向蚀刻长度。1.1.6 基准点 （Fiducials）模板（其他线路板）上的参考标记点，用于印刷机上的视觉系统识别从而校准PCB和模板。1.1.7 细间距BGA元件/CSP元件 Fine-Pitch BGA/Chip Scale Package (CSP)焊球凸点间距小于1 mm [39 mil]的BGA（球栅阵列），当BGA封装面积/裸芯片面积≤1.2时，也称为CSP（芯片级封装器件）。1.1.8  细间距技术 Fine-PitchTechnology (FPT)*元件被焊端之间的中心距离≤0.625 mm[24.61 mil]的表面组装技术。1.1.9  薄片 （foils）      用于制造模板的薄片。1.1.10 框架 （frame）固定模板的装置。框架可以是空心的或铸铝材质的，模板固定的方法是：用胶水将丝网永久性胶合在框架上。某些模板可直接固定在具有张紧模板功能的框架里，其特点是不需要用丝网或一个永久性夹具固定模板和框架。1.1.11 侵入式回流焊接工艺 （Intrusive Soldering）侵入式回流焊接也称为通孔元件的通孔锡膏(paste-in-hole)工艺，引脚通孔锡膏（pin-in-hole）工艺或引脚浸锡膏(pin-in-paste)工艺。该工艺过程大致如下：一、使用模板将锡膏刷往通孔元件的焊孔或焊盘；    二、插入通孔元件；    三、通孔元件与表面贴装元件一起过回焊炉进行回流焊接。1.1.12 开孔修改 （Modification）改变开孔大小和形状的过程。1.1.13 套印 （Overprinting）这种模板，其开孔较PCB上焊盘或焊环来得大。1.1.14 焊盘 （Pad）PCB上用于表面贴装元件电气导通和物理连接的金属化表面。1.1.15 刮刀 （Squeegee）    锡膏被橡胶或金属材质的刮刀有效地在模板表面上滚动，并填满孔洞。通常，刮刀安装在印刷机头，并成一倾角，这样一来，印刷过程中，刮刀的印刷刀刃落在印刷头和刮刀前进面的后面。1.1.16 标准BGA器件（Standard BGA）焊球凸点距离为1mm[39mil]或更大的的球栅阵列。1.1.17 模板 （Stencil）一个由框架、丝网和开有许多开孔的薄片组成的工具，通过这个工具，将锡膏，胶水或其他介质转移到PCB上。1.1.18 带台阶模板 （Step Stencil）薄片厚度不止一个水平的模板。1.1.19 表面组装技术 （Surface-Mount Technology (SMT)*）元件的电气连接是通过导电焊盘的表面进行传导的电路装联技术。1.1.20 通孔插装技术 （Through-Hole Technology (THT)*）元件的电气连接是通过导电通孔进行传导的电路装联技术。1.1.21 超密间距组装技术 （Ultra-Fine Pitch Technology）元件被焊端之间的中心距离≤0.40mm [15.7 mil]的表面组装技术。2.  适用文件2.1 IPC文件IPC-50     电子电路互联封装术语及定义IPC-A-610  电子组装件的可接受条件IPC-SM-782 表面贴装焊盘图形设计标准IPC-2511   产品制造数据描述和传输方法的GENERIC要求IPC-7095   BGA元件的设计和组装处理技术实现2.2  联合工业文件    J-STD-005 焊接用锡膏量要求2.3  Barco/ETS    Gerber RS-274D 格式参考指南，Part Number414-100-002    Gerber RS-274D 格式用户指南，Part Number414-100-0023.  模板设计3.1.1 数据格式    不考虑模板实际制作使用到的格式，  数据格式是首选的数据格式。可供选择的格式有等等。然而，这些数据格式在进入模板制作阶段前需要转换成格式。数据描述文件的格式，为制造化学蚀刻模板时与照相标图系统提供交流语言，也用于激光切割和电铸成型模板制作。当然，不同的设计师，使用不同的软件包，实际使用的数据格式是不同的，但是，通常，用于照相标图和激光设备读取的数据格式采用格式。3.1.2 格式可采用两个标准格式：·  RS-274D- 需要一个标有X-Y轴坐标的数据文件，在这个坐标里确定了模板上的开孔位置和形状，还有一个独立的格式的开孔清单，它描述了不同格式的开孔的的大小和形状用来生成开孔的图象。·  RS-274X- 这个格式下，数据文件含有开孔清单。3.1.3 开孔清单    开孔清单是有一份内含D编码的ASCII文本文件，它定义了所有文件描述的中开孔的大小和形状。没有开孔清单，软件和照相标图系统就不能阅读数据。对无大小和形状数据的文本，只有X-Y坐标数据有效。3.1.5 数据传输    数据能以modem，FTP（文件传输协议），e-mail附件形式或磁盘传输给模板供应商。由于文件较大，为确保数据传输的完整性，建议在文件传送前，先进行压缩。我们推荐发送给PCB供应商的全部数据文件（锡膏、阻焊层、PCB表面涂层和铜箔层）也发送给模板供应商。这样，方便模板供应商对SMT焊接的实际焊盘大小设计相匹配的开孔大小进行优化和给出建议。3.1.10识别信息    模板必须含有识别信息，如模板编号，版本号，厚度，供应商名称和管制号，日期和模板制作工艺。 3.2  开孔设计表一列出了各种SMT元件的开孔设计通用指南。一些影响开孔设计的因素有：元件类型，焊盘形状，阻焊层，PCB表面涂层，长宽比/面积比，锡膏类型和用户的制程要求。3.2.1 开孔大小锡膏印刷量的大小主要取决于开孔大小和模板的厚度。印刷机印刷锡膏刮刀行进过程中，锡膏填满模板的开孔；PCB与模板脱膜过程中，锡膏须完全脱离模板，释放到PCB上，从模板的角度来看，锡膏从开孔孔壁释放到PCB上的能力主要有以下三个因素：（1）设计的面积比和宽厚比；（参见3.2.1.1）  （2）开孔孔壁的几何形状；  （3）开孔孔壁的光滑程度。 备注：1.  假定细间距BGA焊盘不受阻焊层限制。2.  N/A表示仅考虑面积比。3.2.11 面积比/宽厚比    开孔面积比和宽厚比，如图一所示。锡膏有效释放的通用设计导则为：宽厚比>1.5，面积比>0.66。宽厚比是面积比的一维简化结果。当开孔长度大大地大于宽度时，面积比（W/2T）就成了宽厚比（W/T）的一个因数。当模板与PCB相互剥离时，锡膏处在被相互争夺的情况：锡膏将被转移到PCB上，或粘在模板的开孔孔壁内。当焊盘面积比开孔孔壁面积的0.66倍大时，锡膏才能完全释放到PCB焊盘上
3.2.2 开孔大小与PCB焊盘大小的比对通用的设计标准认为，开孔大小应该比PCB焊盘要相应减小。模板开孔通常比照PCB原始焊盘进行更改。减小面积和修正开孔形状通常是为了提高锡膏的印刷质量、回流工艺和模板在锡膏印刷过程中更加清洁，这有利于减少锡膏印刷偏离焊盘的几率，而印刷偏离焊盘易导致锡珠和桥连。在所有的开孔上开倒圆角能促进模板的清洁度。3.2.2.1 带引脚SMD元件针对带引脚SMD元件，如间距为1.3–0.4mm [51.2–15.7mil]的J型引脚或翼型引脚元件，通常缩减量：宽为0.03–0.08 mm [1.2–3.1mil]，长为0.05–0.13 mm [2.0–5.1mil]。3.2.2.2  塑料BGA元件    将圆形开孔直径减小0.05 mm [2.0 mil]。3.2.2.3  陶瓷BGA元件如不会干涉到PCB焊盘的阻焊层，可额将圆形开孔的直径增加0.05 – 0.08 mm [2.0–3.1mil]，和/或将模板的厚度增加到0.2mm[7.9mil]，并要求各对应开孔与PCB上的焊盘一一对应。详见IPC-7095锡膏量要求。3.2.2.4  细间距BGA元件和CSP元件方型开孔的宽度等于或比PCB焊盘直径小0.025mm [0.98 mil],方型开孔必须开圆倒角。本标准推荐圆角的规格：针对0.25 mm [9.8 mil]的方孔，圆倒角0.06mm[2.4mil]；针对0.35mm[14mil]的方孔，圆倒角0.09[3.5mil]。3.2.2.5 片式元件—电阻和电容    有几种开孔形状有利于锡珠的产生。所有这些设计都是为了能减少锡膏过多地留在元件下。最好的设计如图2，3，4所示。这些设计通常适用于免清洗工艺。
3.2.2.6 MELF，微MELF元件对MELF，微MELF元件，推荐使用“C”形状开孔（见图5）。这些开孔的尺寸设计必须与元件端相匹配。3.2.3 胶水模板开孔设计对与胶水片式元件的开孔厚度，典型的设计是0.15–0.2mm[5.9–7.9mil]，胶水开孔置于元件焊盘的中部。开孔为焊盘间距的1/3和元件宽度的110%（见图6）。关于胶水模板的更多信息将在本文件下一版提及。
3.3 混合装配技术—表面贴装技术和通孔安装技术(Mixed Technology Surface-Mount/ Through-Hole (Intrusive Reflow)。    这是一个理想的工艺，这种工艺下，SMT和THT器件能够：（1）焊锡通过印刷实现（2）元件贴到PCB上或插进PCB内。（3）两种元件一起进行回流焊接。对于通孔元件的锡膏模板印刷，目标就是要提供足够的焊锡量，以确保元件经回流焊接后，焊锡能填满整个元件孔，并在pin的周围产生可接受的焊点弯月面。表二描述了典型的通孔元件回流焊接制程的工艺窗口。
3.3.1 锡膏量关于锡膏量的描述（见图7）可用一个简单的公式来表达。
在这里，V： 锡膏必须量VP：留在PCB顶面和/或底面的锡膏量S：锡膏焊接前后收缩因子AH：通孔元件pin的横截面面积TB：PCB板厚FT+FB： 必须的弯月面量的总和   TS：FOIL的厚度LO：开孔套印的长度LP：焊盘的长度WO：开孔套印的宽度WP：焊盘的宽度VH：印刷作业中填满通孔的锡膏量计，在这里，值得注意的是：通孔的焊环要尽可能的小，pin与通孔之间要保持清洁，还有，pin的长度要斤可能的小。做到这样，较少的锡膏量将会符合要求。   备注：填充通孔的锡膏量可以从0% 变化到100%，这取决于印刷参数的设置。当金属刮刀的倾角具有高的冲击角度时，锡膏转移头将更有效地接近于100%的填充量，而印刷速度变快，释放到通孔的锡膏将减小。下面三种用于释放锡膏到通孔模板设计方法： (1)无台阶设计模板(2)台阶设计模板(3)双面印刷模板3.3.1.1 无台阶套印这是一种为满足通孔回流焊接工艺中需释放足够量的锡膏到PCB焊盘上的要求而采用的模板设计。这种模板的横截面显示如图8。
这种模板应用的一个例子就是用于中心距为2.5mm[98.4mil]，焊盘直径为1.1mm[43.3mil]，板厚1.2mm[47.2mil],在通孔周围3.8mm[150mil]内没有其他元件的双排pin连接器（CN）。套印模板开孔宽为2.2mm[86.6mil]，长为5.1mm[200mil]，模板厚为0.15mm[5.91mil]能够释放足够的锡膏到通孔中。3.3.1.2 带台阶套印模板如PCB更厚，通孔更大，或PIN更小，那么需要的锡膏量就更大。这种情况下，就可能需要用带台阶套印模板，它能为THT元件提供更多的锡膏，而不会给SMT元件焊盘释放太多的锡膏。这类模板如图10所示.    K1和K2是KEEP-OUT距离。K2是通孔开口到台阶边缘的距离。通用设计标准认为，K2可小于0.65mm[25.6mil]。K1是台阶边缘到最近的一个向下台阶区域的开孔的距离，通用设计指导认为，对每个向下厚度0.025mm[0.98mil]K1可为0.9mm[35.4]。K1应该为向下台阶厚度的36倍（36X）。例如，一个向下台阶为0.15mm[5.9mil]的0.2mm[7.9mil]模板，其K1 KEEP-OUT距离就需要为1.8mm[70.9mil]。也可能把台阶设置到模板与PCB的接触面上而不是刮刀面上，如图10所示。这种类型的台阶当使用金属刮刀时更为方便，并且对于锡膏密封式印刷头更为可取。KEEP-OUT规则同样适用。
3.3.1.3  两模板印刷某些通孔器件，其孔大而pin小的或间距密而PCB板厚。在以上任一情况下，如使用前两种模板设计，释放到通孔内的锡膏量均会不足。这种模板设计，典型的厚度选取为0.15mm[5.9mil]厚，用来印刷表面贴装用锡砖。当表面贴装锡膏量还是达不到要求时，就要用另一块模板往通孔印刷锡膏。通常，要求在线安装第二块模板来进行印刷作业。然而，典型的模板厚度为0.4mm到0.75mm。当模板厚度要求大于0.5mm[20mil]时，开孔可采用激光切割电抛光工艺，这种工艺加工出来的孔壁几何形状极佳。能提供更好的锡膏释放性能和锡膏完整度。在模板的底面（与PCB接触面）上，任何先前印刷过的表面贴装锡砖的区域，模板都经蚀刻，蚀刻厚度至少为0.25mm[9.84mil]。如图11所示为第二块通孔印刷模板的横截面。3.4  混合组装技术 表面贴装/倒装芯片贴装这种技术有应用到一个样品卡，卡内包含倒装芯片，TSOPS元件和片式元件。这是一种将倒装芯片和SMT元件放在卡上，并一起经过回焊炉进行回流焊接。3.4.1  SMT元件/倒装芯片双模板印刷工艺双模板印刷工艺可满足使用。工艺的第一步就是印刷倒装芯片用之锡膏或助焊剂到倒装芯片的焊盘区域。这块模板厚度通常为0.05或0.075mm[2.0或3.0  mil]，开孔大小为0.13到0.18mm[5.12到7.09 mil]。如果倒装芯片要求的锡膏还是不够，那么就要用一块印刷表面贴装锡砖的表面贴装用之模板，这种模板的一个例子：模板厚度为0.18mm[7.09mil]，在倒装芯片锡膏/助焊剂的区域有设置局部腐蚀区，局部腐蚀厚度为0.10mm[3.93mil]。这种应用的双模板如图12所示。
3.5  向下台阶模板当需要利用一个薄的模板来印刷细间距器件，一个更厚点的模板来印刷其他元件时，这类型模板就可以派上用场了。例如，一个细间距BGA元件，其间距为0.5mm[20mil]，需要0.1mm[3.9mil]厚的模板来实现其面积比大于0.66，同时，PCB上的其他元件需要的却是厚度为0.13到0.15mm[5.1mil到5.9mil]的模板。这块模板的设计需要在BGA元件区域厚度为0.1mm[3.9mil]的向下台阶区，而模板其他地方的厚度却是0.15mm[5.9mil]。台阶可设计在刮刀面或是接触面。详细参见3.3.1.2KEP-OUT设计指南。3.5.2  向上台阶模板当需要在模板的一个小区域印刷更厚点的锡膏的时候，这类型的模板就派上用场了。例如，一个陶瓷BGA元件，考虑到焊球凸点共面性要求，需要的锡膏厚度为0.2mm[7.9mil]，而其他的表面贴装零件焊盘需要的锡膏厚度为0.15mm[5.9mil]。这种情况下，模板的厚度在陶瓷BGA元件印刷区域要开一台阶，高度从0.15mm[5.9 mil]上升到0。2mm[7.9mil]。另一个例子就是PCB边缘区域的通孔连接器，需要额外的锡膏量。这种情况下，模板厚度可能为0.15mm[5.9mil]，除了在边缘区域的通孔连接器区域的模板厚度为0.3mm。3.5.3  对于含锡膏传输头通用设计上，台阶设计不得大于0。05mm[2。0mil]。3.5.4  局部腐蚀掏空模板这种类型的模板在模板与PCB的接触面上设计有局部腐蚀凹穴。有几种场合需要应用到局部腐蚀模板，如：•   PCB上BAR CODE标签处相应的局部腐蚀区。在BAR CODE标签区域，模板厚度应该从0.15mm[5.9mil]减去0.08mm[3.1mil];•   测试点局部腐蚀区。模板在每个增高的测试点对应区域进行局部腐蚀，以便让紧又平地贴住PCB;•   双模板印刷，在SMT元件锡膏印刷区域模板要设计一定深度的局部腐蚀凹穴（见3.3.1.3和3.4.1）。这种模板应用的另一个例子就是通孔范围内和附近的厚度为0.5mm[20mil]以印刷锡膏，而在接触面设置0.3mm[12mil]的局部腐蚀台阶以跳过先前SMT印刷过的SMT元件处的锡膏。•   在陶瓷元件角落阻焊区的使用。模板在该腐蚀区域能使PCB和模板密封性更好。无引脚陶瓷元件的平衡能使元件下方的清洁度得到提高，能使焊点的长度变长。3.6  基准点依靠机器视觉系统的定位，基准点被定位在刮刀面或接触面上，并填充黑色环氧树脂以便于形成对比。典型的基准点为直径1.0到1.5mm[[39.4到59.1mil]殷实的圆点。基准点可能是半通孔腐蚀，激光雕刻或全通孔腐蚀。3.6.1  全局的基准点基准点在PCB三个方向上各设置一个，距离板边至少5mm。3.6.2   局部的基准点重要元件附近设置基准点，如，细间距QFP。4. 模板制造技术4.1  模板不锈钢是化学蚀刻模板和激光切割模板首选的金属材料，其他金属材料和塑料材料，可根据需要具体指定。对于电铸成型模板，高硬度的镍合金是首选的材料。4.2  框架  为得到合适的框架尺寸，需要参考OEM（原始设备制造商）的模板印刷机操作手册。框架可以是空心的或铸铝材质的，薄片固定的方法是：用胶水将丝网永久地胶合在框架上。某些模板可直接固定在具有使模板张紧的功能框架里，特点是不需要用丝网或一个永久性的夹具固定薄片和框架。4.3  丝网    聚酯材料是标准材料，也可选择用不锈钢。4.4  模板制造技术  模板制作工艺有两种：加成工艺和减成工艺。加成工艺如电铸成型，金属被添加形成模板；减成工艺如激光切割和化学蚀刻，金属从模板中迁移出薄片形成开孔。4.4.1 化学蚀刻化学蚀刻的模板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉精确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，得到特定的网格尺寸。根据刻蚀系数计算出来，暴露于抗蚀保护剂开孔图形尺寸较我们要求得到的开孔尺寸小。蚀刻系数描述了化学腐蚀剂蚀刻金属箔的横向蚀刻量。液态化学腐蚀剂从金属箔的两面蚀刻出特定的开孔。除去多余的腐蚀剂，得到模板。4.4.2  激光切割工艺激光切割工艺通过激光设备软件处理数据制造出来模板。与化学蚀刻工艺不同，这种工艺不需要用到感光工具。因为模板只从一面开始切割，锥形孔壁是激光切割模板的一个特性。如没有特别指定，接触面的开孔要略大于刮刀面(见4.4.5节)。4.4.3  电铸成型工艺电铸成型模板的制作是利用