SMT贴片加工中的钢网开孔优化设计


对于电子组装行业来说，SMT组装是一项相当成熟的工艺技术，但成熟并不意味着不会存在缺陷问题。相反，随着电子元件封装的进一步微型化，制程问题就显得更加难以控制。根据权威性数据统计，SMT贴片加工制程中最重要最关键的工序应该是锡膏印刷工艺，几乎70%的焊接缺陷是由于锡膏印刷不良引起的。

锡膏印刷工艺事关SMT组装质量成败，其中钢网的设计和制造又是锡膏印刷质量好坏的一个关键因子，设计适当可以得到良好的锡膏印刷结果，否则就会导致制程质量不稳定，缺陷问题难以控制。下面众焱电子将列举一些常见的钢网开孔优化设计供大家参考。

一、钢网开孔设计原则

1、面积比（Area Ratio）

钢网开孔面积与孔壁侧面积的比值，这个比值一般建议大于0.66（IPC7525）。


或


2、宽厚比

钢网开孔宽度和钢网厚度的比值，通常建议大于1.5。


有人可能会比较困惑：什么时候采用面积比？什么时候采用宽厚比？

一般情况下，许多广州SMT贴片加工厂都会根据钢网开孔形状来定义，当孔的长度和宽度比值大于5时，建议采用宽厚比；而其比值小于5时，则建议采用面积比来衡量网孔的设计是否有利于锡膏的释放。

宽厚比对锡膏的释放影响如上图所示，宽厚比越小，孔壁对锡膏的粘附能力越强，锡膏与孔壁之间的摩擦力越大，越不利于锡膏释放。如上左图，大部分锡膏可能残留在孔内而导致焊盘锡膏沉积不足。这两张图其实也很好地解释了面积比对锡膏释放的影响。

从锡膏释放时的受力状态来看，印刷后脱模时锡膏主要受到三个力的作用：焊盘对锡膏粘附力；锡膏本身受到的重力；钢网孔壁对锡膏的摩擦力。焊盘粘附力及锡膏受到的重力欲将锡膏保持在焊盘上，但摩擦力却是向上拉动锡膏，这三个力的综合作用直接影响锡膏的脱模效果。增大开孔面积比或宽厚比，其实就是为了增加焊盘对锡膏的粘附作用，降低孔壁对锡膏的摩擦影响（如下图所示）。


前面简单介绍钢网的开孔设计原则，下面再来看看常见的一些网孔优化设计。

二、钢网开孔设计

钢网开孔首先要优先考虑面积比和宽厚比，但开孔一般不会完全按照焊盘形状或大小来设计，有时为了减少焊接缺陷，不得不对开孔形状和尺寸进行优化。

1、防锡珠开孔

生产过程中，经常会发现片式元件侧面有锡珠问题。

锡珠问题发生的原因很多，比如锡膏管控，回流温度曲线等，但主要的原因还是在钢网开孔方面。对于一些新手来说，在钢网开孔设计时，不做任何的优化而直接按照焊盘全比例开孔。这样的全开孔锡膏印刷，在元件贴装时，会将锡膏挤压出焊盘。由于元件本体和PCB表面的阻焊膜与锡膏不兼容，不能产生润湿，锡膏熔化后，在元件本体重量挤压作用下，锡膏不能完全依靠其表面张力聚拢回到焊盘上，部分残留在元件底部，锡膏冷却固化时，元件下沉将这部分残留熔锡挤压出来，在元件侧面中间位置形成锡珠。如果锡珠没有违反最小电气间隙要求，而且被固定不会移动，按IPC-610标准是可接受的，可以不作处理。

但是，没有人能保证这些锡珠在产品的使用过程中不会脱离残留助焊剂的束缚而成为自由导电粒子。如果这些能够自由移动的金属粒子卡在元件的引脚或相邻元件之间，就会导致电气问题，甚至出现产品功能失效问题。由于许多广州SMT贴片加工厂中产品的使用环境不可预测，而且产品使用过程中的发热都可能导致束缚锡珠的助焊剂残留消耗而出现锡珠移动。所以，一般客户都不允许锡珠留存在PCBA上。

既然说锡珠的产生是因为元件底部的锡溢出焊盘而形成，所以我们在钢网开孔设计时就需要考虑避免这种情况，在元件底部减少锡膏量，从而减少锡膏溢出焊盘的几率。常见的有以下一些开孔设计。


以上几种都是比较常用的方法，但需要注意一点就是要安全问题。不要在开孔位置保留一些尖锐的边缘，如右边的第二种开孔方式，可能在开孔边缘留下尖锐的形状，这种形状在手工清洗或机器擦拭钢网底部时容易出现变形而导致锡膏印刷不良，存在安全隐患。

2、防少锡开孔

电子产品元件封装的精密微型化发展，给锡膏印刷带来更大的挑战。随着细间距CSP元件的广泛应用，对焊盘上锡膏沉积量要求更加严格，既要防止短路又要防止少锡问题。对于0.4mm及以下间距的CSP元件，通常需要保证网孔之间要有足够的间隙，以防止印刷锡膏短路，但如果锡膏量过少，焊点体积减小，伴随而来的便是可靠性问题。所以，对于此类封装的元件，一般都会考虑采用下面的方形开孔。


上图中，黄色部分为PCB焊盘形状大小，绿色部分为钢网的开孔形状。虽然这两种形状的面积比一样，但方形开孔相对来说面积更大，沉积到焊盘上的锡膏体积自然也大。这样就能保证在不出现短路的情况下，回流后的焊点更加饱满。饱满的焊点可更有效地吸收并释放机械或热应力，可靠性较好。

开孔的四角一般会进行倒圆角处理，圆角半径主要是根据使用锡膏粉粒大小来确定，一般为0.05mm左右，也是我们所熟知的三号粉，如果颗粒尺寸小，如四号粉、五号粉，其实这个圆角还可以更小，也就是圆角直径最少需要大于锡粉直径，防止印刷过程中锡粉卡在角上形成堵孔而导致少锡问题。

3、阶梯钢网

为了保证PCB板上精密微型元件足够的锡膏量（如0201、01005或0.4mmCSP等），通常会采用较薄的钢网以增加面积比而获得较好的锡膏印刷。但对于板上的大型元件如连接器，卡座等，薄的钢网可能导致焊盘上的锡膏量不足而出现少锡不良。阶梯钢网就是一种可以兼顾这两种情况的措施之一，也就是在大尺寸元件焊盘位置保持较大的厚度而在小焊盘位置保持较小的厚度。有时一张钢网甚至出现三种厚度尺寸。对于这类钢网需要考虑的就是不同厚度的过渡区域与目标焊盘之间要有足够的缓冲，否则可能得不到希望的效果。按照IPC7525标准，这个过渡区域应该大于阶梯高度的36倍，如下图示。K1尺寸应大于36倍K2和K1之间的厚度差。


4、防短路开孔

对于细间距的长条形焊盘（如0.4mmQFP，连接器等）来说，SMT组装过程中比较容易发生短路问题。其主要原因是锡膏印刷后可能会出现局部形状不好，如拉尖，高度值大等问题，在元件贴装时，元件引脚挤压锡膏，形状不良的锡膏会发生面积扩张而出现相邻焊盘的锡膏短路，回流后就会出现焊接短路不良。这种情况，许多广州SMT贴片加工厂通常都会采用下列几种方式开孔，以避免贴装时出现锡膏短路。一和二是一般常见的两种缩孔方式，通常按照焊盘面积的80%进行缩孔处理。第三和第四种开孔方式较少见，但也可有效降低短路风险。这几种开孔方式可以减少锡膏在焊盘上的覆盖宽度，特别是焊盘中间区域位置的锡膏覆盖率，可有效减少元件贴装时锡膏的扩张，防止锡膏短路。

三、总结

总之，钢网的开孔方式包括形状和尺寸都应该根据实际的元件封装形式及具体的制程问题进行优化，没有一个标准的开孔设计可以用到所有的生产模式，解决所有的不良问题，我们应该因地制宜，根据实际情形及行业经验进行优化设计。