SMT 高密度细间距装配中的模板设计和焊膏选择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●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 DEKDEK 最大印刷机和 GSI／Lumonics 8100 焊膏检查仪DEKDEK 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 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 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。