SMT设计指导手册模板.doc

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目录

1. 目标……………………………………………… 3
2. 适用文件………………………………………… 4
3. 模板设计………………………………………… 5
4. 模板制造技术……………………………………14
5. 模板定位…………………………………………15
6. 模板订购…………………………………………15
7. 进料检验规范……………………………………16
8. 模板清洗…………………………………………16
9. 模板使用寿命……………………………………16

模 板 设 计 导 则
1. 目标
本文件意在为设计和制造锡膏及表面粘胶印刷用模板提供指导，而且仅供指导。
1.1 术语和定义（Terms and Definitions）
本文件所用到全部术语和定义顺从于IPC-T-50。下标为星号（*）定义均起源于IPC-T-50，其它对本课题之讨论相关键意义特定术语和定义，均提供以下：
1.1.1 开孔（Aperture）
模板薄片上开通道
1.1.2 宽厚比和面积比 （Aspect Ratio and Area Ratio）
  宽厚比=开孔宽度/模板厚度
  面积比=开孔底面积/开孔孔壁面积
1.1.3 丝网 （Border）
薄片外围张紧聚合物材质或不锈钢材质丝网，它作用是保持薄片处于平直有力状态。丝网处于薄片和框架之间并将二者连接起来。
1.1.4 锡膏密封式印刷头
A stencil printer head that holds, in a single replaceable component, the squeegee blades and a pressurized chamber filled with solder paste.
1.1.5 蚀刻系数 （Etch Factor）具体解释参见上页图示。
蚀刻系数=蚀刻深度/蚀刻过程中横向蚀刻长度。
1.1.6 基准点 （Fiducials）
模板（其它线路板）上参考标识点，用于印刷机上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]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-Pitch Technology (FPT)*
元件被焊端之间中心距离≤0.625 mm [24.61 mil]表面组装技术。
1.1.9 薄片 （foils）
    用于制造模板薄片。
1.1.10 框架 （frame）
固定模板装置。框架能够是空心或铸铝材质，模板固定方法是：用胶水将丝网永久性胶合在框架上。一些模板可直接固定在含有张紧模板功效框架里，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。该工艺过程大致以下：
一、使用模板将锡膏刷往通孔元件焊孔或焊盘；
  二、插入通孔元件；
  三、通孔元件和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金属化表面。
1.1.15 刮刀 （Squeegee）
  锡膏被橡胶或金属材质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，这么一来，印刷过程中，刮刀印刷刀刃落在印刷头和刮刀前进面后面。
1.1.16 标准BGA器件（Standard BGA）
焊球凸点距离为1mm[39mil]或更大球栅阵列。
1.1.17 模板 （Stencil）
一个由框架、丝网和开有很多开孔薄片组成工具，经过这个工具，将锡膏，胶水或其它介质转移到PCB上。
1.1.18 带台阶模板 （Step Stencil）
薄片厚度不止一个水平模板。
1.1.19 表面组装技术 （Surface-Mount Technology (SMT)*）
元件电气连接是经过导电焊盘表面进行传导电路装联技术。
1.1.20 通孔插装技术 （Through-Hole Technology (THT)*）
元件电气连接是经过导电通孔进行传导电路装联技术。
1.1.21 超密间距组装技术 （Ultra-Fine Pitch Technology）
元件被焊端之间中心距离≤0.40 mm [15.7 mil]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 电子组装件可接收条件
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GENERIC要求
IPC-7095   BGA元件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 Number 414-100-002
  Gerber RS-274D 格式用户指南，Part Number 414-100-002
3. 模板设计
3.1.1 数据格式
  不考虑模板实际制作使用到格式，   数据格式是首选数据格式。 可供选择格式有 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。
数据描述文件格式，为制造化学蚀刻模板时和摄影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，不一样设计师，使用不一样软件包，实际使用数据格式是不一样，不过，通常，用于摄影标图和激光设备读取数据格式采取 格式。
3.1.2 格式
可采取两个标准 格式：
• RS-274D- 需要一个标有X-Y轴坐标数据文件，在这个坐标里确定了模板上开孔位置和形状，还有一个独立 格式开孔清单，它描述了不一样 格式开孔大小和形状用来生成开孔图象。
• 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ASCII文本文件，它定义了全部 文件描述中开孔大小和形状。没有开孔清单，软件和摄影标图系统就不能阅读 数据。对无大小和形状数据文本，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给商。因为文件较大，为确保数据传输完整性，提议在文件传送前，优异行压缩。我们推荐发送给PCB供给商全部数据文件（锡膏、阻焊层、PCB表面涂层和铜箔层）也发送给模板供给商。这么，方便模板供给商对SMT焊接实际焊盘大小设计相匹配开孔大小进行优化和给出提议。
3.1.10    识别信息
  模板必需含有识别信息，如模板编号，版本号，厚度，供给商名称和管制号，日期和模板制作工艺。

3.2 开孔设计
表一列出了多种SMT元件开孔设计通用指南。部分影响开孔设计原因有：元件类型，焊盘形状，阻焊层，PCB表面涂层，长宽比/面积比，锡膏类型和用户制程要求。
3.2.1 开孔大小
锡膏印刷量大小关键取决于开孔大小和模板厚度。印刷机印刷锡膏刮刀行进过程中，锡膏填满模板开孔；PCB和模板脱膜过程中，锡膏须完全脱离模板，释放到PCB上，从模板角度来看，锡膏从开孔孔壁释放到PCB上能力关键有以下三个原因：
（1）设计面积比和宽厚比；（参见3.2.1.1）
（2）开孔孔壁几何形状；
（3）开孔孔壁光滑程度。

。

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，图一所表示。锡膏有效释放通用设计导则为：宽厚比>1.5，面积比>0.66。宽厚比是面积比一维简化结果。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）一个因数。当模板和PCB相互剥离时，锡膏处于被相互争夺情况：锡膏将被转移到PCB上，或粘在模板开孔孔壁内。当焊盘面积比开孔孔壁面积0.66倍大时，锡膏才能完全释放到PCB焊盘上

3.2.2 开孔大小和PCB焊盘大小比对
通用设计标准认为，开孔大小应该比PCB焊盘要对应减小。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升锡膏印刷质量、回流工艺和模板在锡膏印刷过程中愈加清洁，这有利于降低锡膏印刷偏离焊盘几率，而印刷偏离焊盘易造成锡珠和桥连。在全部开孔上开倒圆角能促进模板清洁度。
3.2.2.1 带引脚SMD元件
针对带引脚SMD元件，如间距为1.3–0.4 mm [51.2–15.7mil]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焊盘阻焊层，可额将圆形开孔直径增加0.05 – 0.08 mm [2.0–3.1mil]，和/或将模板厚度增加到0.2mm[7.9mil]，并要求各对应开孔和PCB上焊盘一一对应。详见IPC-7095锡膏量要求。
3.2.2.4 细间距BGA元件和CSP元件
方型开孔宽度等于或比PCB焊盘直径小0.025mm [0.98 mil],方型开孔必需开圆倒角。本标准推荐圆角规格：针对0.25 mm [9.8 mil]方孔，圆倒角0.06mm[2.4mil]；针对0.35mm[14mil]方孔，圆倒角0.09[3.5mil]。
3.2.2.5 片式元件—电阻和电容
  有多个开孔形状有利于锡珠产生。全部这些设计全部是为了能降低锡膏过多地留在元件下。最好设计图2，3，4所表示。这些设计通常适适用于免清洗工艺。

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）。这些开孔尺寸设计必需和元件端相匹配。
3.2.3 胶水模板开孔设计
对和胶水片式元件开孔厚度，经典设计是0.15–0.2mm [5.9–7.9mil]，胶水开孔置于元件焊盘中部。开孔为焊盘间距1/3和元件宽度110%（见图6）。相关胶水模板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)。  
这是一个理想工艺，这种工艺下，SMT和THT器件能够：
（1）焊锡经过印刷实现
（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。
对于通孔元件锡膏模板印刷，目标就是要提供足够焊锡量，以确保元件经回流焊接后，焊锡能填满整个元件孔，并在pin周围产生可接收焊点弯月面。表二描述了经典通孔元件回流焊接制程工艺窗口。

3.3.1 锡膏量
相关锡膏量描述（见图7）可用一个简单公式来表示。

在这里，
V： 锡膏必需量
VP：留在PCB顶面和/或底面锡膏量
S ：锡膏焊接前后收缩因子
AH：通孔元件pin横截面面积
TB：PCB板厚
FT+FB： 必需弯月面量总和
  TS：FOIL厚度
LO：开孔套印长度
LP：焊盘长度
WO：开孔套印宽度
WP：焊盘宽度
VH：印刷作业中填满通孔锡膏量计，
在这里，值得注意是：通孔焊环要尽可能小，pin和通孔之间要保持清洁，还有，pin长度要斤可能小。做到这么，较少锡膏量将会符合要求。
  备注：填充通孔锡膏量能够从0% 改变到100%，这取决于印刷参数设置。当金属刮刀倾角含有高冲击角度时，锡膏转移头将更有效地靠近于100%填充量，而印刷速度变快，释放到通孔锡膏将减小。
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
这是一个为满足通孔回流焊接工艺中需释放足够量锡膏到PCB焊盘上要求而采取模板设计。这种模板横截面显示图8。

这种模板应用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]内没有其它元件双排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元件提供更多锡膏，而不会给SMT元件焊盘释放太多锡膏。这类模板图10所表示.
  K1和K2是KEEP-OUT距离。K2是通孔开口到台阶边缘距离。通用设计标准认为，K2可小于0.65mm[25.6mil]。K1是台阶边缘到最近一个向下台阶区域开孔距离，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36倍（36X）。比如，一个向下台阶为0.15mm[5.9mil]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和PCB接触面上而不是刮刀面上，图10所表示。这种类型台阶当使用金属刮刀时更为方便，而且对于锡膏密封式印刷头更为可取。KEEP-OUT规则一样适用。

3.3.1.3 两模板印刷
一些通孔器件，其孔大而pin小或间距密而PCB板厚。在以上任一情况下，如使用前两种模板设计，释放到通孔内锡膏量均会不足。这种模板设计，经典厚度选择为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，经典模板厚度为0.4mm到0.75mm。当模板厚度要求大于0.5mm[20mil]时，开孔可采取激光切割电抛光工艺，这种工艺加工出来孔壁几何形状极佳。能提供愈加好锡膏释放性能和锡膏完整度。在模板底面（和PCB接触面）上，任何先前印刷过表面贴装锡砖区域，模板全部经蚀刻，蚀刻厚度最少为0.25mm[9.84mil]。图11所表示为第二块通孔印刷模板横截面。

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。这是一个将倒装芯片和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。工艺第一步就是印刷倒装芯片用之锡膏或助焊剂到倒装芯片焊盘区域。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]。假如倒装芯片要求锡膏还是不够，那么就要用一块印刷表面贴装锡砖表面贴装用之模板，这种模板一个例子：模板厚度为0.18mm[7.09mil]，在倒装芯片锡膏/助焊剂区域有设置局部腐蚀区，局部腐蚀厚度为0.10mm[3.93mil]。这种应用双模板图12所表示。

3.5 向下台阶模板
当需要利用一个薄模板来印刷细间距器件，一个更厚点模板来印刷其它元件时，这类型模板就能够派上用场了。比如，一个细间距BGA元件，其间距为0.5mm[20mil]，需要0.1mm[3.9mil]厚模板来实现其面积比大于0.66，同时，PCB上其它元件需要却是厚度为0.13到0.15mm[5.1mil到5.9mil]模板。这块模板设计需要在BGA元件区域厚度为0.1mm[3.9mil]向下台阶区，而模板其它地方厚度却是0.15mm[5.9mil]。台阶可设计在刮刀面或是接触面。具体参见3.3.1.2KEP-OUT设计指南。
3.5.2 向上台阶模板
当需要在模板一个小区域印刷更厚点锡膏时候，这类型模板就派上用场了。比如，一个陶瓷BGA元件，考虑到焊球凸点共面性要求，需要锡膏厚度为0.2mm[7.9mil]，而其它表面贴装零件焊盘需要锡膏厚度为0.15mm[5.9mil]。这种情况下，模板厚度在陶瓷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[7.9 mil]。另一个例子就是PCB边缘区域通孔连接器，需要额外锡膏量。这种情况下，模板厚度可能为0.15mm[5.9mil]，除了在边缘区域通孔连接器区域模板厚度为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
这种类型模板在模板和PCB接触面上设计有局部腐蚀凹穴。有多个场所需要应用到局部腐蚀模板，如：
•   PCB上BAR CODE标签处对应局部腐蚀区。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。模板在每个增高测试点对应区域进行局部腐蚀，方便让紧又平地贴住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局部腐蚀凹穴（见3.3.1.3和3.4.1）。这种模板应用另一个例子就是通孔范围内和周围厚度为0.5mm[20mil]以印刷锡膏，而在接触面设置0.3mm[12mil]局部腐蚀台阶以跳过先前SMT印刷过SMT元件处锡膏。
•   在陶瓷元件角落阻焊区使用。模板在该腐蚀区域能使PCB和模板密封性愈加好。无引脚陶瓷元件平衡能使元件下方清洁度得到提升，能使焊点长度变长。
3.6 基准点
依靠机器视觉系统定位，基准点被定位在刮刀面或接触面上，并填充黑色环氧树脂方便于形成对比。经典基准点为直径1.0到1.5mm[[39.4到59.1 mil]殷实圆点。基准点可能是半通孔腐蚀，激光雕刻或全通孔腐蚀。
3.6.1 全局基准点
基准点在PCB三个方向上各设置一个，距离板边最少5mm。
3.6.2   局部基准点
关键元件周围设置基准点，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金属材料，其它金属材料和塑料材料，可依据需要具体指定。对于电铸成型模板，高硬度镍合金是首选材料。
4.2 框架
为得到适宜框架尺寸，需要参考OEM（原始设备制造商）模板印刷机操作手册。框架能够是空心或铸铝材质，薄片固定方法是：用胶水将丝网永久地胶合在框架上。一些模板可直接固定在含有使模板张紧功效框架里，特点是不需要用丝网或一个永久性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
化学蚀刻模板制作是经过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉正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，得到特定网格尺寸。依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开孔尺寸小。蚀刻系数描述了化学腐蚀剂蚀刻金属箔横向蚀刻量。液态化学腐蚀剂从金属箔两面蚀刻出特定开孔。除去多出腐蚀剂，得到模板。
4.4.2 激光切割工艺
激光切割工艺经过激光设备软件处理数据制造出来模板。和化学蚀刻工艺不一样，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一个特征。如没有尤其指定，接触面开孔要略大于刮刀面(见4.4.5节)。
4.4.3 电铸成型工艺
电铸成型模板制作是利用感光-显影抗蚀剂技术和电镀镍技术加成工艺。感光胶涂覆于金属基板（心轴）上。感光胶厚度要略大于最终得到模板厚度。在感光胶上产生开孔图形，移开模板开孔位置对应胶柱。将带胶柱基板放置到电镀槽中，然后逐一原子、逐层地在光刻胶周围电镀出模板。镍膜沉积到需要厚度时，先清除剩下感光胶，然后进行镍网脱膜。
4.4.4 混合模板
如PCB上贴装是标准间距组件和密间距组件，模板制作工艺可能是激光切割和化学蚀刻混合工艺。这类型模板称为激光-化学结合模板或混合模板。
4.4.5 梯形截面孔
梯形截面孔可用于改善锡膏释放效果。化学蚀刻工艺，梯形形状，Z型(见图 13)能依据指定取得。对于激光切割或电铸成型工艺，能自然产生梯形截面孔。至于尺寸大小，供给商须联络用户。

4.4.6 其它选择
为减小锡膏和孔壁之间摩擦力，深入改善锡膏释放效果，可能需要对已制造出来模板进行尤其处理。处理方法有:
•   抛光:属减成工艺，分为化学抛光和电抛光。
•   镀镍:属加成工艺。
•   检验模板上开孔图形，图形必需和PCB焊盘图形匹配，检验开孔尺寸和/或形状修改质量。
•   检验模板张力。
5. 模板定位
5.1 图形定位
PCB进入印刷机，可能和薄片对齐或发生偏移，此时，可用PCB上MARK点或PCB轮廓进行定位。假如这些软件不能识别这些信息时，可用PCB实际图形或整板基准点进行PCB和模板校准对中。如一块模板不止对一块PCB或面板进行印刷时，模板图形间距推荐最小值为50mm[2.0in]。
5.2 薄片居中
对大多数绷网张力均匀及锡膏印刷厚度均匀模板，我们推荐，应将薄片固定于框架中央。为满足模板印刷机特定要求，图形可进行一定量偏移。
5.3 附加设计导则
假如没有其它方面特殊要求，模板设计还要遵照以下附加导则：
•   提议框架边缘到薄片边缘最小边界区长度为20mm[0.79in]。
•   胶合边界内侧到薄片图形最少预留50mm[2.0in]，供锡膏储存和刮刀行进之用。
6. 模板订购
经典模板订购方法是：用户填写供给商提供订单（或checklist），和供给商进行联络。订单格式包含文件数据，材料类型，制作工艺，和其它特殊要求等项目。
7.     进料检验规范
接到供给商送来模板后，用户要对模板进行检验，确定模板是否正确制作，在运输过程中是否有损伤。下为进料检验项目:
•   模板是否被化学蚀刻。
•   模板是否有损伤(如，花边，折痕，金属空洞)。
•   检验模板开孔图形和框架之间确切距离(依据印刷机生产商提供规格)。具体方法：将一块印刷配线板或透明图形板（如，含有逆光特征聚酯薄膜胶片）紧贴在模板图形上，检验板子模板框架边缘确实切距离。
•   检验丝网和薄片胶合是否良好，是否有加工损伤。
•   检验框架尺寸和材料类型。
•   检验模板上是刻有了模板号和编号。
•   检验模板厚度。
•   对带台阶模板，检验台阶正确水平(台阶质量)。
•   检验基准点质量和位置(模板纠正面上)。
8. 模板清洗
  适宜安装和清洗可确保模板可反复性印刷性能。清洗工艺必需和模板材料相容。锡膏或胶水生产商，模板生产商，清洗设备生产商应就模板清洗对模板使用寿命，基准点完好，胶珠质量影响进行商议。
9.     模板使用寿命
应定时检验模板是否有损伤(模板损伤会造成印刷性能变差)，具体检验方法参见第7部分进料检验规范。

以上为IPC标准。