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鋼網開孔優化設計

得其道 2019-10-18 08:58:48
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文章類型:SMT

編者按

如何設計一張優良的鋼網?

鋼網設計基本原則是什么,如何解讀?

如何優化鋼網開孔以避免錫珠、短路、少錫問題?

對于電子組裝行業來說,SMT組裝是一項相當成熟的工藝技術,但成熟并不意味著不會存在缺陷問題。相反,隨著電子元件封裝的進一步微型化,制程問題就顯得更加難以控制。根據權威性數據統計,SMT制程中最重要最關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SMT組裝質量成敗,其中鋼網的設計和制造又是錫膏印刷質量好壞的一個關鍵因子,設計適當可以得到良好的錫膏印刷結果,否則就會導致制程質量不穩定,缺陷問題難以控制。本文將列舉一些常見的鋼網開孔優化設計供大家參考。


鋼網開孔設計原則

面積比(Area Ratio)

鋼網開孔面積與孔壁側面積的比值,這個比值一般建議大于0.66?(IPC7525)。

寬厚比

鋼網開孔寬度和鋼網厚度的比值,通常建議大于1.5。

有人可能會比較困惑:什么時候采用面積比?什么時候采用寬厚比?

一般情況下,根據鋼網開孔形狀來定義,當孔的長度和寬度比值大于5時,建議采用寬厚比;而其比值小于5時,則建議采用面積比來衡量網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錫膏沉積不足。這兩張圖其實也很好地解釋了面積比對錫膏釋放的影響。

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

前面簡單介紹鋼網的開孔設計原則,下面再來看看常見的一些網孔優化設計。


鋼網開孔設計

鋼網開孔首先要優先考慮面積比和寬厚比,但開孔一般不會完全按照焊盤形狀或大小來設計,有時為了減少焊接缺陷,不得不對開孔形狀和尺寸進行優化。

防錫珠開孔

生產過程中,經常會發現片式元件側面有錫珠問題。

錫珠問題發生的原因很多,比如錫膏管控,回流溫度曲線等,但主要的原因還是在鋼網開孔方面。對于一些新手來說,在鋼網開孔設計時,不做任何的優化而直接按照焊盤全比例開孔。這樣的全開孔錫膏印刷,在元件貼裝時,會將錫膏擠壓出焊盤。由于元件本體和PCB表面的阻焊膜與錫膏不兼容,不能產生潤濕,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上,部分殘留在元件底部,錫膏冷卻固化時,元件下沉將這部分殘留熔錫擠壓出來,在元件側面中間位置形成錫珠。如果錫珠沒有違反最小電氣間隙要求,而且被固定不會移動,按IPC-610標準是可接受的,可以不作處理。但是,沒有人能保證這些錫珠在產品的使用過程中不會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的金屬粒子卡在元件的引腳或相鄰元件之間,就會導致電氣問題,甚至出現產品功能失效問題。由于產品的使用環境不可預測,而且產品使用過程中的發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。所以,一般客戶都不允許錫珠留存在PCBA上。

既然說錫珠的產生是因為元件底部的錫溢出焊盤而形成,所以我們在鋼網開孔設計時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的幾率。常見的有以下一些開孔設計。

以上幾種都是比較常用的方法,但需要注意一點就是要安全問題。不要在開孔位置保留一些尖銳的邊緣,如右邊的第二種開孔方式,可能在開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底部時容易出現變形而導致錫膏印刷不良,存在安全隱患。

防少錫開孔

電子產品元件封裝的精密微型化發展,給錫膏印刷帶來更大的挑戰。隨著細間距CSP元件的廣泛應用,對焊盤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題。對于0.4mm及以下間距的CSP元件,通常需要保證網孔之間要有足夠的間隙,以防止印刷錫膏短路,但如果錫膏量過少,焊點體積減小,伴隨而來的便是可靠性問題。所以,對于此類封裝的元件,一般都會考慮采用下面的方形開孔。

上圖中,黃色部分為PCB焊盤形狀大小,綠色部分為鋼網的開孔形狀。雖然這兩種形狀的面積比一樣,但方形開孔相對來說面積更大,沉積到焊盤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,回流后的焊點更加飽滿。飽滿的焊點可更有效地吸收并釋放機械或熱應力,可靠性較好。

開孔的四角一般會進行倒圓角處理,圓角半徑主要是根據使用錫膏粉粒大小來確定,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,其實這個圓角還可以更小,也就是圓角直徑最少需要大于錫粉直徑,防止印刷過程中錫粉卡在角上形成堵孔而導致少錫問題。

階梯鋼網

為了保證PCB板上精密微型元件足夠的錫膏量(如0201、01005或0.4mm CSP等),通常會采用較薄的鋼網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,薄的鋼網可能導致焊盤上的錫膏量不足而出現少錫不良。階梯鋼網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位置保持較大的厚度而在小焊盤位置保持較小的厚度。有時一張鋼網甚至出現三種厚度尺寸。對于這類鋼網需要考慮的就是不同厚度的過渡區域與目標焊盤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,這個過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。

防短路開孔

對于細間距的長條形焊盤(如0.4mm QFP,連接器等)來說,SMT組裝過程中比較容易發生短路問題。其主要原因是錫膏印刷后可能會出現局部形狀不好,如拉尖,高度值大等問題,在元件貼裝時,元件引腳擠壓錫膏,形狀不良的錫膏會發生面積擴張而出現相鄰焊盤的錫膏短路,回流后就會出現焊接短路不良。這種情況,通常可以采用下列幾種方式開孔,以避免貼裝時出現錫膏短路。一和二是一般常見的兩種縮孔方式,通常按照焊盤面積的80%進行縮孔處理。第三和第四種開孔方式較少見,但也可有效降低短路風險。這幾種開孔方式可以減少錫膏在焊盤上的覆蓋寬度,特別是焊盤中間區域位置的錫膏覆蓋率,可有效減少元件貼裝時錫膏的擴張,防止錫膏短路。


小結

總之,鋼網的開孔方式包括形狀和尺寸都應該根據實際的元件封裝形式及具體的制程問題進行優化,沒有一個標準的開孔設計可以用到所有的生產模式,解決所有的不良問題,我們應該因地制宜,根據實際情形及行業經驗進行優化設計。

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