SMT貼片加工中的鋼網(wǎng)開(kāi)孔優(yōu)化設計


對于電子組裝行業(yè)來(lái)說(shuō)，SMT組裝是一項相當成熟的工藝技術(shù)，但成熟并不意味著(zhù)不會(huì )存在缺陷問(wèn)題。相反，隨著(zhù)電子元件封裝的進(jìn)一步微型化，制程問(wèn)題就顯得更加難以控制。根據權威性數據統計，SMT貼片加工制程中最重要最關(guān)鍵的工序應該是錫膏印刷工藝，幾乎70%的焊接缺陷是由于錫膏印刷不良引起的。

錫膏印刷工藝事關(guān)SMT組裝質(zhì)量成敗，其中鋼網(wǎng)的設計和制造又是錫膏印刷質(zhì)量好壞的一個(gè)關(guān)鍵因子，設計適當可以得到良好的錫膏印刷結果，否則就會(huì )導致制程質(zhì)量不穩定，缺陷問(wèn)題難以控制。下面眾焱電子將列舉一些常見(jiàn)的鋼網(wǎng)開(kāi)孔優(yōu)化設計供大家參考。

一、鋼網(wǎng)開(kāi)孔設計原則

1、面積比（Area Ratio）

鋼網(wǎng)開(kāi)孔面積與孔壁側面積的比值，這個(gè)比值一般建議大于0.66（IPC7525）。


或


2、寬厚比

鋼網(wǎng)開(kāi)孔寬度和鋼網(wǎng)厚度的比值，通常建議大于1.5。


有人可能會(huì )比較困惑：什么時(shí)候采用面積比？什么時(shí)候采用寬厚比？

一般情況下，許多廣州SMT貼片加工廠(chǎng)都會(huì )根據鋼網(wǎng)開(kāi)孔形狀來(lái)定義，當孔的長(cháng)度和寬度比值大于5時(shí)，建議采用寬厚比；而其比值小于5時(shí)，則建議采用面積比來(lái)衡量網(wǎng)孔的設計是否有利于錫膏的釋放。

寬厚比對錫膏的釋放影響如上圖所示，寬厚比越小，孔壁對錫膏的粘附能力越強，錫膏與孔壁之間的摩擦力越大，越不利于錫膏釋放。如上左圖，大部分錫膏可能殘留在孔內而導致焊盤(pán)錫膏沉積不足。這兩張圖其實(shí)也很好地解釋了面積比對錫膏釋放的影響。

從錫膏釋放時(shí)的受力狀態(tài)來(lái)看，印刷后脫模時(shí)錫膏主要受到三個(gè)力的作用：焊盤(pán)對錫膏粘附力；錫膏本身受到的重力；鋼網(wǎng)孔壁對錫膏的摩擦力。焊盤(pán)粘附力及錫膏受到的重力欲將錫膏保持在焊盤(pán)上，但摩擦力卻是向上拉動(dòng)錫膏，這三個(gè)力的綜合作用直接影響錫膏的脫模效果。增大開(kāi)孔面積比或寬厚比，其實(shí)就是為了增加焊盤(pán)對錫膏的粘附作用，降低孔壁對錫膏的摩擦影響（如下圖所示）。


前面簡(jiǎn)單介紹鋼網(wǎng)的開(kāi)孔設計原則，下面再來(lái)看看常見(jiàn)的一些網(wǎng)孔優(yōu)化設計。

二、鋼網(wǎng)開(kāi)孔設計

鋼網(wǎng)開(kāi)孔首先要優(yōu)先考慮面積比和寬厚比，但開(kāi)孔一般不會(huì )完全按照焊盤(pán)形狀或大小來(lái)設計，有時(shí)為了減少焊接缺陷，不得不對開(kāi)孔形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1、防錫珠開(kāi)孔

生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )發(fā)現片式元件側面有錫珠問(wèn)題。

錫珠問(wèn)題發(fā)生的原因很多，比如錫膏管控，回流溫度曲線(xiàn)等，但主要的原因還是在鋼網(wǎng)開(kāi)孔方面。對于一些新手來(lái)說(shuō)，在鋼網(wǎng)開(kāi)孔設計時(shí)，不做任何的優(yōu)化而直接按照焊盤(pán)全比例開(kāi)孔。這樣的全開(kāi)孔錫膏印刷，在元件貼裝時(shí)，會(huì )將錫膏擠壓出焊盤(pán)。由于元件本體和PCB表面的阻焊膜與錫膏不兼容，不能產(chǎn)生潤濕，錫膏熔化后，在元件本體重量擠壓作用下，錫膏不能完全依靠其表面張力聚攏回到焊盤(pán)上，部分殘留在元件底部，錫膏冷卻固化時(shí)，元件下沉將這部分殘留熔錫擠壓出來(lái)，在元件側面中間位置形成錫珠。如果錫珠沒(méi)有違反最小電氣間隙要求，而且被固定不會(huì )移動(dòng)，按IPC-610標準是可接受的，可以不作處理。

但是，沒(méi)有人能保證這些錫珠在產(chǎn)品的使用過(guò)程中不會(huì )脫離殘留助焊劑的束縛而成為自由導電粒子。如果這些能夠自由移動(dòng)的金屬粒子卡在元件的引腳或相鄰元件之間，就會(huì )導致電氣問(wèn)題，甚至出現產(chǎn)品功能失效問(wèn)題。由于許多廣州SMT貼片加工廠(chǎng)中產(chǎn)品的使用環(huán)境不可預測，而且產(chǎn)品使用過(guò)程中的發(fā)熱都可能導致束縛錫珠的助焊劑殘留消耗而出現錫珠移動(dòng)。所以，一般客戶(hù)都不允許錫珠留存在PCBA上。

既然說(shuō)錫珠的產(chǎn)生是因為元件底部的錫溢出焊盤(pán)而形成，所以我們在鋼網(wǎng)開(kāi)孔設計時(shí)就需要考慮避免這種情況，在元件底部減少錫膏量，從而減少錫膏溢出焊盤(pán)的幾率。常見(jiàn)的有以下一些開(kāi)孔設計。


以上幾種都是比較常用的方法，但需要注意一點(diǎn)就是要安全問(wèn)題。不要在開(kāi)孔位置保留一些尖銳的邊緣，如右邊的第二種開(kāi)孔方式，可能在開(kāi)孔邊緣留下尖銳的形狀，這種形狀在手工清洗或機器擦拭鋼網(wǎng)底部時(shí)容易出現變形而導致錫膏印刷不良，存在安全隱患。

2、防少錫開(kāi)孔

電子產(chǎn)品元件封裝的精密微型化發(fā)展，給錫膏印刷帶來(lái)更大的挑戰。隨著(zhù)細間距CSP元件的廣泛應用，對焊盤(pán)上錫膏沉積量要求更加嚴格，既要防止短路又要防止少錫問(wèn)題。對于0.4mm及以下間距的CSP元件，通常需要保證網(wǎng)孔之間要有足夠的間隙，以防止印刷錫膏短路，但如果錫膏量過(guò)少，焊點(diǎn)體積減小，伴隨而來(lái)的便是可靠性問(wèn)題。所以，對于此類(lèi)封裝的元件，一般都會(huì )考慮采用下面的方形開(kāi)孔。


上圖中，黃色部分為PCB焊盤(pán)形狀大小，綠色部分為鋼網(wǎng)的開(kāi)孔形狀。雖然這兩種形狀的面積比一樣，但方形開(kāi)孔相對來(lái)說(shuō)面積更大，沉積到焊盤(pán)上的錫膏體積自然也大。這樣就能保證在不出現短路的情況下，回流后的焊點(diǎn)更加飽滿(mǎn)。飽滿(mǎn)的焊點(diǎn)可更有效地吸收并釋放機械或熱應力，可靠性較好。

開(kāi)孔的四角一般會(huì )進(jìn)行倒圓角處理，圓角半徑主要是根據使用錫膏粉粒大小來(lái)確定，一般為0.05mm左右，也是我們所熟知的三號粉，如果顆粒尺寸小，如四號粉、五號粉，其實(shí)這個(gè)圓角還可以更小，也就是圓角直徑最少需要大于錫粉直徑，防止印刷過(guò)程中錫粉卡在角上形成堵孔而導致少錫問(wèn)題。

3、階梯鋼網(wǎng)

為了保證PCB板上精密微型元件足夠的錫膏量（如0201、01005或0.4mmCSP等），通常會(huì )采用較薄的鋼網(wǎng)以增加面積比而獲得較好的錫膏印刷。但對于板上的大型元件如連接器，卡座等，薄的鋼網(wǎng)可能導致焊盤(pán)上的錫膏量不足而出現少錫不良。階梯鋼網(wǎng)就是一種可以兼顧這兩種情況的措施之一，也就是在大尺寸元件焊盤(pán)位置保持較大的厚度而在小焊盤(pán)位置保持較小的厚度。有時(shí)一張鋼網(wǎng)甚至出現三種厚度尺寸。對于這類(lèi)鋼網(wǎng)需要考慮的就是不同厚度的過(guò)渡區域與目標焊盤(pán)之間要有足夠的緩沖，否則可能得不到希望的效果。按照IPC7525標準，這個(gè)過(guò)渡區域應該大于階梯高度的36倍，如下圖示。K1尺寸應大于36倍K2和K1之間的厚度差。


4、防短路開(kāi)孔

對于細間距的長(cháng)條形焊盤(pán)（如0.4mmQFP，連接器等）來(lái)說(shuō)，SMT組裝過(guò)程中比較容易發(fā)生短路問(wèn)題。其主要原因是錫膏印刷后可能會(huì )出現局部形狀不好，如拉尖，高度值大等問(wèn)題，在元件貼裝時(shí)，元件引腳擠壓錫膏，形狀不良的錫膏會(huì )發(fā)生面積擴張而出現相鄰焊盤(pán)的錫膏短路，回流后就會(huì )出現焊接短路不良。這種情況，許多廣州SMT貼片加工廠(chǎng)通常都會(huì )采用下列幾種方式開(kāi)孔，以避免貼裝時(shí)出現錫膏短路。一和二是一般常見(jiàn)的兩種縮孔方式，通常按照焊盤(pán)面積的80%進(jìn)行縮孔處理。第三和第四種開(kāi)孔方式較少見(jiàn)，但也可有效降低短路風(fēng)險。這幾種開(kāi)孔方式可以減少錫膏在焊盤(pán)上的覆蓋寬度，特別是焊盤(pán)中間區域位置的錫膏覆蓋率，可有效減少元件貼裝時(shí)錫膏的擴張，防止錫膏短路。

三、總結

總之，鋼網(wǎng)的開(kāi)孔方式包括形狀和尺寸都應該根據實(shí)際的元件封裝形式及具體的制程問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，沒(méi)有一個(gè)標準的開(kāi)孔設計可以用到所有的生產(chǎn)模式，解決所有的不良問(wèn)題，我們應該因地制宜，根據實(shí)際情形及行業(yè)經(jīng)驗進(jìn)行優(yōu)化設計。