干货分享|为您打开SMT锡膏印刷的源头活水---焊盘设计、钢网开口秘笈

                                                                                                   


SMT业內最具人气最活跃最有影响力的微信公众号——SMT顶级人脉圈SMT制造业实力派移动互联网营销第一媒体 SMT顶级人脉圈编者按不同Pitch的BGA该有怎样不同的钢网开口？相同Pitch的QFP和QFN的开口宽度是否该一样？锡膏印刷是SMT工艺的皇冠，而钢网开口设计则是那皇冠上的珍珠，没有一个合理的钢网开口，印刷工艺能力将无从谈起。问渠哪得清如许，为有源头活水来。以下内容为您打开锡膏印刷的源头活水---焊盘设计、钢网开口秘笈.背景在板级产品的焊接加工（SMT）中，印制板的焊盘设计、以及模板开口对焊点的合格率和可靠性具有重要的作用。将这两者与元件的尺寸关系处理好，焊接产品的质量和可靠性将大幅度提高。因此需要认真审核、评估焊盘设计、模板（钢网）开口以及与元件尺寸的相互关系。本文主要论述了如何进行焊盘设计、模板（钢网）开口的工艺评审工作。
工艺评估与分析选取QFP、等几个典型的元件进行焊盘的审核和模板开口分析。 2.1QFP 元件一般分析的步骤分为：第一，对元件尺寸进行审核，可以查找供应商给出的元件清单（PDF文件），也可以直接测量。主要检查元件间距P、引脚尺寸（长度T、宽度W）、以及翼型引脚内间距S。第二，对焊盘尺寸进行审核，检查焊盘的尺寸（长X、宽Y）、翼型引脚焊盘内间距G，以及是否存在累计误差。第三，审核模板尺寸，主要检查模板的开口尺寸，并计算其面积比。尺寸测量见图1和表1。
       QFP元件安装图                            模板尺寸测量图
QFP元件引脚尺寸标注图           vvQFP元件引脚尺寸测量图
vvQFP元件引脚尺寸标注图         vvvvQFP元件引脚尺寸测量图图1 QFP元件、印制板、钢网尺寸测量图
表1：QFP元件设计、钢网工艺审核
从表1和图1可知：元件引脚长*宽为0.4 mm*0.2 mm、间距0.5 mm的欧翼型引脚；印制板焊盘设计长*宽为1.5*0.25 mm的锡铅焊盘；模板开口长*宽为1.5*0.25 mm（与焊盘1:1开口）的长方形孔，模板厚度0.13mm，模板开口的面积比为0.82，开口满足钢网设计要求。从分析的角度看设计、工艺都没有问题，但考虑到军工产品的可靠性，焊点中焊锡量越大，引脚与焊盘间的焊锡越厚，可靠性越高，还可将模板厚度加大到0.15 mm，模板开口加大到0.3 mm，这样可以增加印刷焊膏体积，提高可靠性。2.2BGA元件BGA元件主要审查焊球尺寸、印制板焊盘尺寸，以及模板开口尺寸。往往印制板焊盘设计尺寸不满足要求，直径为焊球的80%左右，但0.5间距时，焊盘尺寸需要加大到0.3mm，以保证足够的焊料。BGA元件测量图见图2和表2.
BGA元件安装图                   BGA元件尺寸测量图
      BGA 印制板焊盘测量图               BGA钢网开口测量图
印制板焊盘不平整                    印制板焊盘不平整图2 BGA元件、印制板、钢网尺寸测量图
表2：BGA元件设计、钢网工艺审核
从表2和图2可知：BGA元件为直径0.45 mm、间距0.8 mm的无铅焊球；印制板焊盘设计为直径0.3 mm的锡铅焊盘，焊盘表面不平整；模板开口设计为直径0.45 mm（比焊盘尺寸加大0.15 mm）的圆孔，模板厚度0.13 mm，模板开口的面积比为2.7，开口满足钢网设计要求。印制板焊盘设计稍小，钢网开口已经做开口加大处理。建议将焊盘直径增加到0.35 mm以上，模板厚度加大到0.15 mm，提高印刷的焊膏量，提高可靠性。2.3无引脚阵列元件无引脚元件只有底部可焊端，焊料的高度决定元件的可靠性，焊料越厚，可靠性约高。因此，审核时需要注意的是在保证不桥连的条件下尽量开口加大，模板增厚，以增加焊锡量。无引脚阵列元件测量图见图3和表3。

      无引脚阵列元件图                  无引脚阵列元件测量图  
N2印制板焊盘测量图                N2钢网开口测量图图3 无引脚阵列元件、印制板、钢网尺寸测量图
表3：BGA元件设计、钢网工艺审核
改善方法：更改钢网的厚度，将增至0.15 mm厚，中间不增加筋，面积比还能达到1.08。这样既增加焊膏量，同时不影响印刷质量。元件为0.65 mm×0.65 mm的方形、无引脚镀金焊盘，间距1.27 mm。印制板焊盘设计为0.6 mm×0.6 mm锡铅焊盘，模板开口设计为0.65 mm×0.65 mm，厚度0.13 mm，模板开口的面积比为0.65，开口刚刚满足钢网设计要求。此元件的主要问题是工艺问题，即钢网的开口和厚度问题。由于元件无引脚，需要较多的焊膏来垫高焊点，提高焊点的可靠性；同时，元件底部有大量的金层，也需要大量的金属锡来溶解元件表面的金，在焊点中形成AuSn4的金属间化合物。而设计的模板开口中间增加一道0.15 mm的筋，使面积比由1.25降至0.69，导致焊膏量减少。另外，焊盘的尺寸比元件的尺寸小，如果模板1:1开口，焊锡量肯定不够，模板已经做了相应改善。2.40402元件0402元件安装的主要问题是立碑。造成元件立碑的原因为元件两端的润湿力不同而导致元件立起。有几个方面导致润湿力不同：第一，元件间距过大，贴装时元件焊端无法完全对称地搭接在焊膏上，焊接时元件两端受到的润湿力不平衡，造成立碑。第二，两焊盘中其中一焊盘大面积接地，造成两边焊盘受热不均匀，润湿力不是同时发生在元件两端而产生立碑。第三，元件其中一焊端出现润湿问题，导致元件受到的润湿力不同而产生立碑。大部分的情况是第一种情况。良好的片式元件设计应该考虑四个方面的要求：对称性、焊盘间距、焊盘剩余尺寸以及焊盘宽度，具体情况及数据见图4.针对立碑问题，分析印制板的焊盘尺寸，确认是否是因为间距过大造成的立碑原因。0402元件的焊盘尺寸A、B、G分别为22 mil、25 mil、25 mil,与标准焊盘尺寸对照，G尺寸25mil（应该是0603封装元件的间距）比标准的20mil偏大，造成元件立碑。同时观测印制板焊盘发现焊盘上有过孔，导致焊锡流到过孔中。详情见图4。
片式元件的焊盘设计要求            片式元件的焊盘设计尺寸
0402元件附近的采样点放大图              0402焊盘测量ABA                                                                 为： 22、25、25 mil图4  0402元件印制板尺寸测量图
结论印制板焊盘设计至关重要，而它不仅涉及到元件的尺寸，而且涉及到钢网的开口、焊点质量和长期可靠性，工艺必须审核，根据元件、焊盘的尺寸，确定钢网的工艺参数，这样才能保证整个生产不出问题，生产质量和周期才能保证。本文主要是提供一个审核的方法和程序，希望工艺人员能够进行新产品的工艺审核，将设计缺陷在生产制造前修订完成，保证后续钢网工艺正确。这样能够节省整个产品的制造时间，提高焊接可靠性。
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