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        焊盤設計、鋼網開口工藝的評審

        電子制造得其道 2021-12-07 16:46:33
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        文章類型:SMT

        編者按

        不同Pitch的BGA該有怎樣不同的鋼網開口?相同Pitch的QFP和QFN的開口寬度是否該一樣?錫膏印刷是SMT工藝的皇冠,而鋼網開口設計則是那皇冠上的珍珠,沒有一個合理的鋼網開口,印刷工藝能力將無從談起。問渠哪得清如許,為有源頭活水來。四川省電子學會SMT專委會的〖高端SMT學術會議論文〗為您打開錫膏印刷的源頭活水---焊盤設計、鋼網開口秘笈.


        (本文轉載自【CEIA電子智造】微信公眾號)


        背景

        在板級產品的焊接加工(SMT)中,印制板的焊盤設計、以及模板開口對焊點的合格率和可靠性具有重要的作用。將這兩者與元件的尺寸關系處理好,焊接產品的質量和可靠性將大幅度提高。因此需要認真審核、評估焊盤設計、模板(鋼網)開口以及與元件尺寸的相互關系。本文主要論述了如何進行焊盤設計、模板(鋼網)開口的工藝評審工作。


        工藝評估與分析

        選取QFP、等幾個典型的元件進行焊盤的審核和模板開口分析。?

        2.1

        QFP 元件

        一般分析的步驟分為:第一,對元件尺寸進行審核,可以查找供應商給出的元件清單(PDF文件),也可以直接測量。主要檢查元件間距P、引腳尺寸(長度T、寬度W)、以及翼型引腳內間距S。第二,對焊盤尺寸進行審核,檢查焊盤的尺寸(長X、寬Y)、翼型引腳焊盤內間距G,以及是否存在累計誤差。第三,審核模板尺寸,主要檢查模板的開口尺寸,并計算其面積比。尺寸測量見圖1和表1。

        ? ? ? ?QFP元件安裝圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?模板尺寸測量圖

        QFP元件引腳尺寸標注圖 ? ? ? ? ? vvQFP元件引腳尺寸測量圖

        vvQFP元件引腳尺寸標注圖 ? ? ? ? vvvvQFP元件引腳尺寸測量圖

        圖1 QFP元件、印制板、鋼網尺寸測量圖


        表1:QFP元件設計、鋼網工藝審核

        從表1和圖1可知:元件引腳長*寬為0.4?mm*0.2 mm、間距0.5 mm的歐翼型引腳;印制板焊盤設計長*寬為1.5*0.25 mm的錫鉛焊盤;模板開口長*寬為1.5*0.25 mm(與焊盤1:1開口)的長方形孔,模板厚度0.13mm,模板開口的面積比為0.82,開口滿足鋼網設計要求。從分析的角度看設計、工藝都沒有問題,但考慮到軍工產品的可靠性,焊點中焊錫量越大,引腳與焊盤間的焊錫越厚,可靠性越高,還可將模板厚度加大到0.15 mm,模板開口加大到0.3?mm,這樣可以增加印刷焊膏體積,提高可靠性。

        2.2

        BGA元件

        BGA元件主要審查焊球尺寸、印制板焊盤尺寸,以及模板開口尺寸。往往印制板焊盤設計尺寸不滿足要求,直徑為焊球的80%左右,但0.5間距時,焊盤尺寸需要加大到0.3mm,以保證足夠的焊料。BGA元件測量圖見圖2和表2.?

        BGA元件安裝圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? BGA元件尺寸測量圖

        ? ? ? BGA 印制板焊盤測量圖 ? ? ? ? ? ? ? BGA鋼網開口測量圖

        印制板焊盤不平整 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?印制板焊盤不平整

        圖2 BGA元件、印制板、鋼網尺寸測量圖


        表2:BGA元件設計、鋼網工藝審核

        從表2和圖2可知:BGA元件為直徑0.45?mm、間距0.8?mm的無鉛焊球;印制板焊盤設計為直徑0.3?mm的錫鉛焊盤,焊盤表面不平整;模板開口設計為直徑0.45?mm(比焊盤尺寸加大0.15?mm)的圓孔,模板厚度0.13?mm,模板開口的面積比為2.7,開口滿足鋼網設計要求。印制板焊盤設計稍小,鋼網開口已經做開口加大處理。建議將焊盤直徑增加到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

        無引腳陣列元件

        無引腳元件只有底部可焊端,焊料的高度決定元件的可靠性,焊料越厚,可靠性約高。因此,審核時需要注意的是在保證不橋連的條件下盡量開口加大,模板增厚,以增加焊錫量。無引腳陣列元件測量圖見圖3和表3。

        ? ? ? 無引腳陣列元件圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ?無引腳陣列元件測量圖 ?

        N2印制板焊盤測量圖 ? ? ? ? ? ? ? ?N2鋼網開口測量圖

        圖3 無引腳陣列元件、印制板、鋼網尺寸測量圖


        表3:BGA元件設計、鋼網工藝審核

        改善方法:更改鋼網的厚度,將增至0.15 mm厚,中間不增加筋,面積比還能達到1.08。這樣既增加焊膏量,同時不影響印刷質量。元件為0.65 mm×0.65 mm的方形、無引腳鍍金焊盤,間距1.27?mm。印制板焊盤設計為0.6?mm×0.6 mm錫鉛焊盤,模板開口設計為0.65?mm×0.65 mm,厚度0.13?mm,模板開口的面積比為0.65,開口剛剛滿足鋼網設計要求。此元件的主要問題是工藝問題,即鋼網的開口和厚度問題。由于元件無引腳,需要較多的焊膏來墊高焊點,提高焊點的可靠性;同時,元件底部有大量的金層,也需要大量的金屬錫來溶解元件表面的金,在焊點中形成AuSn4的金屬間化合物。而設計的模板開口中間增加一道0.15?mm的筋,使面積比由1.25降至0.69,導致焊膏量減少。另外,焊盤的尺寸比元件的尺寸小,如果模板1:1開口,焊錫量肯定不夠,模板已經做了相應改善。

        2.4

        0402元件

        0402元件安裝的主要問題是立碑。造成元件立碑的原因為元件兩端的潤濕力不同而導致元件立起。有幾個方面導致潤濕力不同:第一,元件間距過大,貼裝時元件焊端無法完全對稱地搭接在焊膏上,焊接時元件兩端受到的潤濕力不平衡,造成立碑。第二,兩焊盤中其中一焊盤大面積接地,造成兩邊焊盤受熱不均勻,潤濕力不是同時發生在元件兩端而產生立碑。第三,元件其中一焊端出現潤濕問題,導致元件受到的潤濕力不同而產生立碑。大部分的情況是第一種情況。良好的片式元件設計應該考慮四個方面的要求:對稱性、焊盤間距、焊盤剩余尺寸以及焊盤寬度,具體情況及數據見圖4.

        針對立碑問題,分析印制板的焊盤尺寸,確認是否是因為間距過大造成的立碑原因。0402元件的焊盤尺寸A、B、G分別為22?mil、25?mil、25?mil,與標準焊盤尺寸對照,G尺寸25mil(應該是0603封裝元件的間距)比標準的20mil偏大,造成元件立碑。同時觀測印制板焊盤發現焊盤上有過孔,導致焊錫流到過孔中。詳情見圖4。

        片式元件的焊盤設計要求? ? ? ? ????片式元件的焊盤設計尺寸

        ?0402元件附近的采樣點放大圖 ? ? ? ? ? ? ?0402焊盤測量ABA ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 為:?22、25、25?mil

        圖4 ?0402元件印制板尺寸測量圖


        結論

        印制板焊盤設計至關重要,而它不僅涉及到元件的尺寸,而且涉及到鋼網的開口、焊點質量和長期可靠性,工藝必須審核,根據元件、焊盤的尺寸,確定鋼網的工藝參數,這樣才能保證整個生產不出問題,生產質量和周期才能保證。

        本文主要是提供一個審核的方法和程序,希望工藝人員能夠進行新產品的工藝審核,將設計缺陷在生產制造前修訂完成,保證后續鋼網工藝正確。這樣能夠節省整個產品的制造時間,提高焊接可靠性。


        (本文轉載自【CEIA電子智造】微信公眾號)

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