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模板設計指南

By William E. Coleman, Ph.D.
　　本文窺視一個工業小組委員會涉及工藝工程師對模板設計的幾個共同關注的文件。
　　表面貼裝工藝工程師在對表面貼裝印刷/裝配不熟悉和/或他們有新的表面貼裝印刷/裝配要求時，經常面對類似的設計問題。新的工藝工程師在指定用於印刷錫膏或膠水的模板(stencil)時會喜歡一些基本的模板設計指南。經驗豐富的表面貼裝工藝工程師在面對一種新的表面貼裝印刷/裝配要求時會寧願在他人的經驗上來學習。
　　幾年前，對一個正規的、容易理解的模板設計指南的需求是所公認的。在1998年中，成立了一個小組委員會，包括了來自模板製造商、錫膏製造商、表面貼裝裝配製造商、印刷機製造商和裝配設備製造商的代表。該小組委員會的目標是要提供IPC：電子工業聯合會模板設計指南文件。該文件將包括：名詞與定義、參考資料、模板設計、模板製造、模板安裝、文件處理/編輯和模板訂購、模板檢查/確認、模板清洗、和模板壽命。最終文件，IPC 7525，現已發佈。
　　工藝工程師對模板設計的一些最普遍的關注列出如下。模板設計指南應該詳細地探討每一個這些問題：
· 開孔尺寸：長與寬/從電路板焊盤的縮減
· 模板厚度
· 使用的模板技術：化學腐蝕(chem-etch)、鐳射切割(laser-cut)、混合式(hybrid)、電鑄(electroformed)
· 臺階/釋放(step/release)模板設計
· 膠的模板開孔設計
· 混合技術：通孔/表面貼裝模板設計
· 片狀元件的免洗開孔設計
· 塑膠球柵陣列(PBGA)的模板設計
· 陶瓷球柵陣列(CBGA)的模板設計
· 微型BGA/晶片級包裝(CSP)的模板設計
· 混合技術：表面貼裝/倒裝晶片(flip chip)的模板設計
· 錫膏釋放與錫磚的理論體積(長 X 寬 X 厚)的比例
　　模板開孔的設計
　　IPC的模板設計指南將要談到的一個普遍詢問的關於模板的問題是，開孔設計怎樣影響印刷性能。圖一顯示錫膏印刷的三個主要性能問題。開孔尺寸[寬(W)和長(L)]與模板金屬箔厚度(T)決定錫膏印刷於PCB的體積。在印刷周期，隨著刮刀在模板上走過，錫膏充滿模板的開孔。然後，在電路板/模板分開期間，錫膏釋放到板的焊盤上。理想地，所有充滿開孔的錫膏從孔壁釋放，並附著於板的焊盤上，形成完整的錫磚。錫膏從內孔壁釋放的能力主要決定於三個因素：模板設計的面積比/寬深比(aspect ratio)、開孔側壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度。
　　圖二中定義了面積比/寬深比。對於可接受的錫膏釋放的一般接受的設計指引是，寬深比大於1.5、面積比大於0.66。寬深比是面積比的一維簡化。當長度遠大于寬度時，面積比與寬深比相同。當模板從電路板分離時，錫膏釋放遭遇一個競爭過程：錫膏將轉移到焊盤或者粘附在側孔壁上？當焊盤面積大於內孔壁面積的2/3時，可達到85%或更好的錫膏釋放能力。
　　模板技術對錫膏釋放的百分比也起一個主要作用。開孔側壁的幾何形狀和孔壁光潔度直接與模板技術有關。經過電解抛光的鐳射切割模板得到比非電解抛光的鐳射切割模板更光滑的內孔壁。在一個給定面積比上，前者比後者釋放更高百分比的錫膏。對於接近1.5的寬深比和接近0.66的面積比，一些模板技術比其他的更好地達到較高百分比的錫膏釋放。

表一,各種表面貼裝元件的寬深比/面積比舉例
例子
開孔設計
寬深比
面積比
錫膏釋放
1
QFP 間距20 10x50x5
2.0
0.83
+
2
QFP 間距16 7x50x5
1.4
0.61
+++
3
BGA 間距50 圓形25 厚度6
4.2
1.04
+
4
BGA 間距40 圓形15 厚度5
3.0
0.75
++
5
微型BGA 間距30 方形11 厚度5
2.2
0.55
+++
6
微型BGA 間距30 方形13 厚度5
2.6
0.65
++
+ 表示難度.

　　表一列出對典型表面貼裝元件(SMD)的開孔設計的一些實際例子中的寬深比/面積比。20-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的模板上10 x 50-mil 的開孔，得到 20 的寬深比。使用一種光滑孔壁的模板技術將産生很好的錫膏釋放和連續的印刷性能。16-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的模板上7 x 50-mil 的開孔，得到 1.4 的寬深比，這是一個錫膏釋放很困難的情況，甚至對高技術的模板都一樣。對於這種情況應該考慮一個或者全部三個選擇：
· 增加開孔寬度(增加寬度到 8-mil 將寬深比增加到 1.6)。
· 減少厚度(減少金屬箔厚度到 4.4-mil 將寬深比增加到 1.6)
· 選擇一種有非常光潔孔壁的模板技術。
　　快閃記憶體(flash momery)微型BGA正變得很普遍。通常，這些元件在板上有 12-mil 的圓形焊盤15-mil 的阻焊層開口。最佳的焊盤設計是銅箔限定的而不是阻焊層限定的。表一中的例5說明一個 11-mil 的圓形開孔。寬深比是2.2。有人可能錯誤地認爲，因爲寬深比遠大於1.5，所以錫膏釋放不是問題。可是，如果長度沒有達到寬度的五倍，那麽應該用面積比(二維模式)來預測錫膏釋放。這種情況下面積比是0.55，這是一種很困難的錫膏釋放情況。通常，模板開孔應該略小於電路板焊盤。例5遵照這個規則，爲 12-mil 的焊盤製作 11-mil 的模板開孔。
　　可是，微型BGA是一個例外，特別是在銅箔限定的焊盤這種情況。如果模板開孔增加到 13-mil ，表一中例6所示，將不會發生阻焊層(solder mask)與錫膏干涉。注意現在面積比是0.65。甚至在0.65的面積比，都還應該選擇提供鏡亮的內孔壁的模板技術。Tessera 和 Intel 兩個公司都爲微型BGA的模板印刷推薦帶有輕微圓角的方形模板開孔。來自顧客的所有反饋肯定這種形狀的開孔比圓形開孔提供較好的錫膏釋放。
　　臺階與陷凹臺階(relief step)的模板設計
　　在一些情況中，模板可能要求臺階。一種情況是對密間距(fine-pitch)元件的向下臺階區域。有一個例子是，對所有元件爲 8-mil 厚度的模板，20-mil 間距的除外，它要求 6-mil 的厚度。
　　在模板上朝電路板這一面的陷凹臺階是模板中要求臺階的另一個例子。在板上有凸起或高點妨礙模板在印刷過程中的密封作用的時候，陷凹臺階是所希望的。例子有條碼、測試通路孔和增加性的蹤迹線。陷凹臺階的凹穴也用於兩次印刷(two-print)模板，它主要用於混合技術要求 - 或者通孔技術/表面貼裝或者表面貼裝/倒裝晶片。在通孔技術/表面貼裝的情況，第一個模板用正常厚度的模板(6-mil)印刷所有的表面貼裝錫膏。第二個模板印刷所有通孔元件的錫膏。這個模板通常是 15~25-mil 厚，爲通孔元件提供足夠的錫膏。陷凹臺階(通常 10-mil 深)是在這個第二次印刷模板的朝板面上，在第一次印刷所有表面貼裝錫膏的位置上。這個臺階防止通孔印刷期間抹掉表面貼裝錫膏。
　　要求模板上臺階的第三個例子是向上凸起的模板。一個例子是，一塊模板在所有位置都是 6-mil 的厚度，除了CBGA區域的模板厚度爲 8-mil。另一個例子是，一塊模板是 6-mil 的厚度，除了一個邊緣通孔連接器的厚度爲 8-mil。6-mil 厚區域的寬度應該至少和刮刀寬度一樣。
　　結論
　　當設計模板開孔時，在長度大於寬度的五倍時考慮寬深比，對所有其他情況考慮面積比。隨著這些比率的減少並分別接近1.5或0.66，對模板孔壁的光潔度就要求更嚴厲，以保證良好的錫膏釋放。在選擇提供光滑孔壁的模板技術時應該小心。作爲一般規則，將模板開孔尺寸比焊盤尺寸減少 1~2-mil，特別是如果焊盤開口是阻焊層界定的。當焊盤是銅箔界定時，與多數微型BGA一樣，將模板開孔做得比焊盤大 1~2-mil 可能是所希望的。這個方法將增加面積比，有助於微型BGA的錫膏釋放。這些，以及其他模板設計問題在IPC的模板設計指南中都有探討