SMT刮刀
1目的
本文件旨在为设计与制造锡膏及外表粘胶印刷用模板提供指导，并且仅供指导。
1.1术语和定义（TermandDefinit本文件所用到所有术语和定义顺从于IPC-T-50下标为星号（*定义均来源于IPC-T-50其余对本课题之讨论有重要意义的特定术语和定义，均提供如下：
1.1.1开孔（Apertur模板薄片上开的通道
1.1.2宽厚比和面积比 AspectRatioandAreaRatio
宽厚比=开孔的宽度/模板的厚度
面积比=开孔底面积/开孔孔壁面积
1.1.3丝网 Border
薄片外围张紧的聚合物材质或不锈钢材质丝网，作用是坚持薄片处于平直有力的状态。丝网处于薄片和框架之间并将两者连接起来。
1.1.4锡膏密封式印刷头Astencilprinterheadthatholds,?检验基准点的质量和位置(模板纠正面上)<<8.模板清洗<<合适的装置和清洗可确保模板的可重复性印刷性能。清洗工艺必需与模板资料相容。锡膏或胶水生产商。inasinglreplaccomponent,thesqueegebladeandapressurchamberfillwithsolderpaste
1.1.5蚀刻系数 EtchFactor具体解释参见上页的图示。蚀刻系数=蚀刻深度/蚀刻过程中的横向蚀刻长度。
1.1.6基准点 Fiduci模板（其他线路板）上的参考标志点，用于印刷机上的视觉系统识别从而校准PCB和模板。
1.1.7细间距BGA 元件/CSP元件 Fine-PitchBGA /ChipScalePackagCSP焊球凸点间距小于1mm[39mil]BGA 球栅阵列）当BGA 封装面积/裸芯片面积≤1.2时，也称为CSP芯片级封装器件）
1.1.8细间距技术 Fine-PitchTechnologFPT*元件被焊端之间的中心距离≤0.625mm[24.61mil]外表组装技术。
1.1.9薄片 foil用于制造模板的薄片。
1.1.10框架 frame固定模板的装置。框架可以是空心的或铸铝材质的模板固定的方法是用胶水将丝网永久性胶合在框架上。某些模板可直接固定在具有张紧模板功能的框架里，其特点是不需要用丝网或一个永久性夹具固定模板和框架。
1.1.11侵入式回流焊接工艺 IntrusivSolder侵入式回流焊接也称为通孔元件的通孔锡膏(paste-in-hol工艺，引脚通孔锡膏（pin-in-hol工艺或引脚浸锡膏(pin-in-past工艺。该工艺过程大致如下：
一、使用模板将锡膏刷往通孔元件的焊孔或焊盘；
二、拔出通孔元件；
三、通孔元件与外表贴装元件一起过回焊炉进行回流焊接。
1.1.12开孔修改 Modif改变开孔大小和形状的过程。
1.1.13套印 Overprint这种模板，其开孔较PCB上焊盘或焊环来得大。
1.1.14焊盘 PadPCB上用于外表贴装元件电气导通和物理连接的金属化表面。
1.1.15刮刀 Squeege锡膏被橡胶或金属材质的刮刀有效地在模板外表上滚动，并填满孔洞。通常，刮刀装置在印刷机头，并成一倾角，这样一来，印刷过程中，刮刀的印刷刀刃落在印刷头和刮刀前进面的后面。
1.1.16规范BGA 器件（StandardBGA 焊球凸点距离为1mm[39mil]或更大的球栅阵列。
1.1.17模板 Stencil一个由框架、丝网和开有许多开孔的薄片组成的工具，通过这个工具，将锡膏，胶水或其他介质转移到PCB上。
1.1.18带台阶模板 StepStencil薄片厚度不止一个水平的模板。
1.1.19外表组装技术 Surface-MountTechnologSMT*元件的电气连接是通过导电焊盘的外表进行传导的电路装联技术。
1.1.20通孔插装技术 Through-HolTechnologTHT*元件的电气连接是通过导电通孔进行传导的电路装联技术。
1.1.21超密间距组装技术 Ultra-FinPitchTechnolog元件被焊端之间的中心距离≤0.40mm[15.7mil]外表组装技术。
2.适用文件
2.1IPC文件
IPC-50电子电路互联封装术语及定义
IPC-A -610电子组装件的可接受条件
IPC-SM-782外表贴装焊盘图形设计规范
IPC-2511产品制造数据描述和传输方法的GENERIC要求
IPC-7095BGA 元件的设计和组装处置技术实现
2.2联合工业文件
J-STD-005焊接用锡膏量要求
2.3Barco/ETS
GerberRS-274D格式参考指南，PartNumber414-100-002
GerberRS-274D格式用户指南，PartNumber414-100-002
3.模板设计
3.1.1数据格式
不考虑模板实际制作使用到格式，GERBER数据格式是首选的数据格式。可供选择的格式有GENCA MDXFHP-GLBA RCO等等。然而，这些数据格式在进入模板制作阶段前需要转换成GERBER格式。
GERBER数据描述文件的格式，为制造化学蚀刻模板时与照相标图系统提供交流语言，也用于激光切割和电铸成型模板制作。当然，不同的设计师，使用不同的软件包，实际使用的数据格式是不同的但是通常，用于照相标图和激光设备读取的数据格式采用GERBER格式。
3.1.2GERBER格式
可采用两个标准GERBER格式：
RS-274D-需要一个标有X-Y轴坐标的数据文件，这个坐标里确定了模板上的开孔位置和形状，还有一个独立的GERBER格式的开孔清单，描述了不同GERBER格式的开孔的大小和形状用来生成开孔的图象。
RS-274X-这个格式下，数据文件含有GERBER开孔清单。
3.1.3开孔清单
开孔清单是有一份内含D编码的ASCII文本文件，定义了所有GERBER文件描述的中开孔的大小和形状。没有开孔清单，软件和照相标图系统就不能阅读GERBER数据。对无大小和形状数据的文本，只有X-Y坐标数据有效。
3.1.5数据传输
数据能以modemFTP文件传输协议）e-mail附件形式或磁盘传输给模板供应商。由于文件较大，为确保数据传输的完整性，建议在文件传送前，先进行压缩。推荐发送给PCB供应商的全部数据文件（锡膏、阻焊层、PCB外表涂层和铜箔层）也发送给模板供应商。这样，方便模板供应商对SMT焊接的实际焊盘大小设计相匹配的开孔大小进行优化和给出建议。
3.1.10识别信息
模板必需含有识别信息，如模板编号，版本号，厚度，供应商名称和管制号，日期和模板制作工艺。
3.2开孔设计
表一列出了各种SMT元件的开孔设计通用指南。一些影响开孔设计的因素有：元件类型，焊盘形状，阻焊层，PCB外表涂层，长宽比/面积比，锡膏类型和用户的制程要求。
3.2.1开孔大小
锡膏印刷量的大小主要取决于开孔大小和模板的厚度。印刷机印刷锡膏刮刀行进过程中，锡膏填满模板的开孔；PCB与模板脱膜过程中，锡膏须完全脱离模板，释放到PCB上，从模板的角度来看，锡膏从开孔孔壁释放到PCB上的能力主要有以下三个因素：
1设计的面积比和宽厚比；参见3.2.1.1
2开孔孔壁的几何形状；
3开孔孔壁的光滑水平。
Table1GenelrAperturDesignGuidelinforSurface-MountDevices
备注：1.假定细间距BGA 焊盘不受阻焊层限制。2.N/A 表示仅考虑面积比。
3.2.11面积比/宽厚比
开孔面积比和宽厚比，如图一所示。锡膏有效释放的通用设计导则为：宽厚比>1.5面积比>0.66宽厚比是面积比的一维简化结果。当开孔长度大大地大于宽度时，面积比（W/2T就成了宽厚比（W/T一个因数。当模板与PCB相互剥离时，锡膏处在被相互争夺的情况：锡膏将被转移到PCB上，或粘在模板的开孔孔壁内。当焊盘面积比开孔孔壁面积的0.66倍大时，锡膏才干完全释放到PCB焊盘上
3.2.2开孔大小与PCB焊盘大小的比对
通用的设计规范认为，开孔大小应该比PCB焊盘要相应减小。模板开孔通常比照PCB原始焊盘进行更改。减小面积和修正开孔形状通常是为了提高锡膏的印刷质量、回流工艺和模板在锡膏印刷过程中更加清洁，这有利于减少锡膏印刷偏离焊盘的几率，而印刷偏离焊盘易导致锡珠和桥连。所有的开孔上开倒圆角能促进模板的清洁度。
3.2.2.1带引脚SMD元件
针对带引脚SMD元件，如间距为1.3–0.4mm[51.2–15.7mil]J型引脚或翼型引脚元件，通常缩减量：宽为0.03–0.08mm[1.2–3.1mil]长为0.05–0.13mm[2.0–5.1mil]
3.2.2.2塑料BGA 元件
将圆形开孔直径减小0.05mm[2.0mil]
3.2.2.3陶瓷BGA 元件 如不会干涉到PCB焊盘的阻焊层，可额将圆形开孔的直径增加0.05– 0.08mm[2.0–3.1mil]和/或将模板的厚度增加到0.2mm[7.9mil]并要求各对应开孔与PCB上的焊盘一一对应。详见IPC-7095锡膏量要求。
3.2.2.4细间距BGA 元件和CSP元件 方型开孔的宽度等于或比PCB焊盘直径小0.025mm[0.98mil],方型开孔必需开圆倒角。本规范推荐圆角的规格：针对0.25mm[9.8mil]方孔，圆倒角0.06mm[2.4mil]针对0.35mm[14mil]方孔，圆倒角0.09[3.5mil]
3.2.2.5片式元件—电阻和电容 有几种开孔形状有利于锡珠的发生。所有这些设计都是为了能减少锡膏过多地留在元件下。最好的设计如图234所示。这些设计通常适用于免清洗工艺。
3.2.2.6MELF微MELF元件
对MELF微MELF元件，推荐使用“C形状开孔（见图5这些开孔的尺寸设计必需与元件端相匹配。
3.2.3胶水模板开孔设计
对与胶水片式元件的开孔厚度，典型的设计是0.15–0.2mm[5.9–7.9mil]胶水开孔置于元件焊盘的中部。开孔为焊盘间距的1/3和元件宽度的110%见图6关于胶水模板的更多信息将在本文件下一版提及。
3.3混合装配技术—外表贴装技术和通孔安装技术(MixTechnologSurface-Mount/Through-HolIntrusivReflow
这是一个理想的工艺，这种工艺下，SMT和THT器件能够：
1焊锡通过印刷实现
2元件贴到PCB上或插进PCB内。
3两种元件一起进行回流焊接。
对于通孔元件的锡膏模板印刷，目标就是要提供足够的焊锡量，以确保元件经回流焊接后，焊锡能填满整个元件孔，并在pin周围发生可接受的焊点弯月面。表二描述了典型的通孔元件回流焊接制程的工艺窗口。
3.3.1锡膏量
关于锡膏量的描述（见图7可用一个简单的公式来表达。
Figur7Through-HolSolderPastVolume
这里，
V锡膏必须量
VP留在PCB顶面和/或底面的锡膏量
S锡膏焊接前后收缩因子
A H通孔元件pin横截面面积
TBPCB板厚
FT+FB必需的弯月面量的总和
TSFOIL厚度
LO开孔套印的长度
LP焊盘的长度
WO开孔套印的宽度
WP焊盘的宽度
VH印刷作业中填满通孔的锡膏量计，
这里，值得注意的通孔的焊环要尽可能的小，pin与通孔之间要保持清洁，还有，pin长度要斤可能的小。做到这样，较少的锡膏量将会符合要求。填充通孔的锡膏量可以从0%变化到100%这取决于印刷参数的设置。当金属刮刀的倾角具有高的冲击角度时，锡膏转移头将更有效地接近于100%填充量，而印刷速度变快，释放到通孔的锡膏将减小。
下面三种用于释放锡膏到通孔模板设计方法：
1无台阶设计模板
2台阶设计模板
3双面印刷模板
3.3.1.1无台阶套印
这是一种为满足通孔回流焊接工艺中需释放足够量的锡膏到PCB焊盘上的要求而采用的模板设计。这种模板的横截面显示如图8
这种模板应用的一个例子就是用于中心距为2.5mm[98.4mil]焊盘直径为1.1mm[43.3mil]板厚1.2mm[47.2mil],通孔周围3.8mm[150mil]内没有其他元件的双排pin连接器（CN套印模板开孔宽为2.2mm[86.6mil]长为5.1mm[200mil]模板厚为0.15mm[5.91mil]能够释放足够的锡膏到通孔中。
3.3.1.2带台阶套印模板
如PCB更厚，通孔更大，或PIN更小，那么需要的锡膏量就更大。这种情况下，就可能需要用带台阶套印模板，能为THT元件提供更多的锡膏，而不会给SMT元件焊盘释放太多的锡膏。这类模板如图10所示.K1和K2KEEP-OUT距离。K2通孔开口到台阶边缘的距离。通用设计规范认为，K2可小于0.65mm[25.6mil]K1台阶边缘到最近的一个向下台阶区域的开孔的距离，通用设计指导认为，对每个向下厚度0.025mm[0.98mil]K1可为0.9mm[35.4]K1应该为向下台阶厚度的36倍（36X例如，一个向下台阶为0.15mm[5.9mil]0.2mm[7.9mil]模板，其K1KEEP-OUT距离就需要为1.8mm[70.9mil]也可能把台阶设置到模板与PCB接触面上而不是刮刀面上，如图10所示。这种类型的台阶当使用金属刮刀时更为方便，并且对于锡膏密封式印刷头更为可取。KEEP-OUT规则同样适用。
3.3.1.3两模板印刷
某些通孔器件，其孔大而pin小的或间距密而PCB板厚。以上任一情况下，如使用前两种模板设计，释放到通孔内的锡膏量均会不足。这种模板设计，典型的厚度选取为0.15mm[5.9mil]厚，用来印刷外表贴装用锡砖。当外表贴装锡膏量还是达不到要求时，就要用另一块模板往通孔印刷锡膏。通常，要求在线装置第二块模板来进行印刷作业。然而，典型的模板厚度为0.4mm0.75mm当模板厚度要求大于0.5mm[20mil]时，开孔可采用激光切割电抛光工艺，这种工艺加工进去的孔壁几何形状极佳。能提供更好的锡膏释放性能和锡膏完整度。模板的底面（与PCB接触面）上，任何先前印刷过的外表贴装锡砖的区域，模板都经蚀刻，蚀刻厚度至少为0.25mm[9.84mil]如图11所示为第二块通孔印刷模板的横截面。
3.4混合组装技术
外表贴装/倒装芯片贴装 这种技术有应用到一个样品卡，卡内包括倒装芯片，TSOPS元件和片式元件。这是一种将倒装芯片和SMT元件放在卡上，并一起经过回焊炉进行回流焊接。
3.4.1SMT元件/倒装芯片双模板印刷工艺
双模板印刷工艺可满足使用。工艺的第一步就是印刷倒装芯片用之锡膏或助焊剂到倒装芯片的焊盘区域。这块模板厚度通常为0.05或0.075mm[2.0或3.0mil]开孔大小为0.130.18mm[5.127.09mil]如果倒装芯片要求的锡膏还是不够，那么就要用一块印刷外表贴装锡砖的外表贴装用之模板，这种模板的一个例子：模板厚度为0.18mm[7.09mil]倒装芯片锡膏/助焊剂的区域有设置局部腐蚀区，局部腐蚀厚度为0.10mm[3.93mil]这种应用的双模板如图12所示。
3.5向下台阶模板
当需要利用一个薄的模板来印刷细间距器件，一个更厚点的模板来印刷其他元件时，这类型模板就可以派上用场了例如，一个细间距BGA 元件，其间距为0.5mm[20mil]需要0.1mm[3.9mil]厚的模板来实现其面积比大于0.66同时，PCB上的其他元件需要的却是厚度为0.130.15mm[5.1mil5.9mil]模板。这块模板的设计需要在BGA 元件区域厚度为0.1mm[3.9mil]向下台阶区，而模板其他地方的厚度却是0.15mm[5.9mil]台阶可设计在刮刀面或是接触面。详细参见3.3.1.2KEP-OUT设计指南。
3.5.2向上台阶模板
当需要在模板的一个小区域印刷更厚点的锡膏的时候，这类型的模板就派上用场了例如，一个陶瓷BGA 元件，考虑到焊球凸点共面性要求，需要的锡膏厚度为0.2mm[7.9mil]而其他外表贴装零件焊盘需要的锡膏厚度为0.15mm[5.9mil]这种情况下，模板的厚度在陶瓷BGA 元件印刷区域要开一台阶，高度从0.15mm[5.9mil]上升到02mm[7.9mil]另一个例子就是PCB边缘区域的通孔连接器，需要额外的锡膏量。这种情况下，模板厚度可能为0.15mm[5.9mil]除了边缘区域的通孔连接器区域的模板厚度为0.3mm
3.5.3对于含锡膏传输头
通用设计上，台阶设计不得大于005mm[20mil]
3.5.4局部腐蚀掏空模板
这种类型的模板在模板与PCB接触面上设计有局部腐蚀凹穴。有几种场所需要应用到局部腐蚀模板，如：
?PCB上BA RCODE标签处相应的局部腐蚀区。BA RCODE标签区域，模板厚度应该从0.15mm[5.9mil]减去0.08mm[3.1mil];
?测试点局部腐蚀区。模板在每个增高的测试点对应区域进行局部腐蚀，以便让紧又平地贴住PCB;
?双模板印刷，SMT元件锡膏印刷区域模板要设计一定深度的局部腐蚀凹穴（见3.3.1.3和3.4.1这种模板应用的另一个例子就是通孔范围内和附近的厚度为0.5mm[20mil]以印刷锡膏，而在接触面设置0.3mm[12mil]局部腐蚀台阶以跳过先前SMT印刷过的SMT元件处的锡膏。
?陶瓷元件角落阻焊区的使用。模板在该腐蚀区域能使PCB和模板密封性更好。无引脚陶瓷元件的平衡能使元件下方的清洁度得到提高，能使焊点的长度变长。
3.6基准点
依靠机器视觉系统的定位，基准点被定位在刮刀面或接触面上，并填充黑色环氧树脂以便于形成对比。典型的基准点为直径1.01.5mm[[39.459.1mil]殷实的圆点。基准点可能是半通孔腐蚀，激光雕刻或全通孔腐蚀。
3.6.1全局的基准点
基准点在PCB三个方向上各设置一个，距离板边至少5mm
3.6.2局部的基准点
重要元件附近设置基准点，如，细间距QFP
4.模板制造技术
4.1模板
不锈钢是化学蚀刻模板和激光切割模板首选的金属资料，其他金属资料和塑料材料，可根据需要具体指定。对于电铸成型模板，高硬度的镍合金是首选的资料。
4.2框架
为得到合适的框架尺寸，需要参考OEM原始设备制造商）模板印刷机操作手册。框架可以是空心的或铸铝材质的薄片固定的方法是用胶水将丝网永久地胶合在框架上。某些模板可直接固定在具有使模板张紧的功能框架里，特点是不需要用丝网或一个永久性的夹具固定薄片和框架。
4.3丝网
聚酯资料是规范资料，也可选择用不锈钢。
4.4模板制造技术
模板制作工艺有两种：加成工艺和减成工艺。加成工艺如电铸成型，金属被添加形成模板；减成工艺如激光切割和化学蚀刻，金属从模板中迁移出薄片形成开孔。
4.4.1化学蚀刻
化学蚀刻的模板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉精确定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属 箔，得到特定的网格尺寸。根据刻蚀系数计算进去，表露于抗蚀维护剂开孔图形尺寸较我要求得到开孔尺寸小。蚀刻系数描述了化学腐蚀剂蚀刻金属箔的横向蚀刻量。液态化学腐蚀剂从金属箔的两面蚀刻出特定的开孔。除去多余的腐蚀剂，得到模板。
4.4.2激光切割工艺
激光切割工艺通过激光设备软件处置数据制造进去模板。与化学蚀刻工艺不同，这种工艺不需要用到感光工具。因为模板只从一面开始切割，锥形孔壁是激光切割模板的一个特性。如没有特别指定，接触面的开孔要略大于刮刀面(见4.4.5节)
4.4.3电铸成型工艺
电铸成型模板的制作是利用感光-显影抗蚀剂技术和电镀镍技术的加成工艺。感光胶涂覆于金属基板（心轴）上。感光胶的厚度要略大于最终得到模板的厚度。感光胶上产生开孔的图形，移开模板开孔位置对应的胶柱。将带胶柱的基板放置到电镀槽中，然后逐个原子、逐层地在光刻胶周围电镀出模板。镍膜沉积到需要的厚度时，先清除剩余的感光胶，然后进行镍网脱膜。
4.4.4混合模板
如PCB上贴装的规范间距组件和密间距组件，模板制作工艺可能是激光切割和化学蚀刻的混合工艺。这类型的模板称为激光-化学结合模板或混合模板。
4.4.5梯形截面孔
梯形截面孔可用于改进锡膏的释放效果。化学蚀刻工艺，梯形形状，Z型(见图 13能根据指定获得。对于激光切割或电铸成型工艺，能自然发生梯形截面孔。至于尺寸大小，供应商须联系客户。
4.4.6其他选择
为减小锡膏与孔壁之间的摩擦力，进一步改善锡膏释放效果，可能需要对已制造出来的模板进行特别处置。处置方法有:
?抛光:属减成工艺，分为化学抛光和电抛光。
?镀镍:属加成工艺。
?检验模板上的开孔图形，图形必需与PCB焊盘图形匹配，检验开孔尺寸和/或形状修改质量。
?检验模板张力。
5.模板定位
5.1图形定位
PCB进入印刷机，可能与薄片对齐或发生偏移，此时，可用PCB上的MA RK点或PCB轮廓进行定位。如果这些软件不能识别这些信息时，可用PCB实际图形或整板基准点进行PCB与模板的校准对中。如一块模板不止对一块PCB或面板进行印刷时，模板图形间距推荐的最小值为50mm[2.0in]
5.2薄片居中
对大多数绷网张力均匀及锡膏印刷厚度均匀的模板，推荐，应将薄片固定于框架的中央。为满足模板印刷机的特定要求，图形可进行一定量的偏移。
5.3附加设计导则
如果没有其他方面的特殊要求，模板设计还要遵循如下附加导则：
?建议框架边缘到薄片边缘的最小边境区长度为20mm[0.79in]
?胶合边境内侧到薄片图形至少预留50mm[2.0in]供锡膏贮存和刮刀行进之用。
6.模板订购
典型模板订购的方式是客户填写供应商提供的订单（或checklist与供应商进行联系。订单的格式包括文件数据，资料类型，制作工艺，和其他特殊的要求等项目。
7.进料检验规范
接到供应商送来的模板后，客户要对模板进行检验，确认模板是否正确制作，运输过程中是否有损伤。下为进料检验项目:
?模板是否被化学蚀刻。
?模板是否有损伤(如，花边，折痕，金属空洞)
?检验模板开孔图形和框架之间确切的距离(根据印刷机生产商提供的规格)具体的方法：将一块印刷配线板或透明图形板（如，具有逆光特性的聚酯薄膜胶片）紧贴在模板的图形上，检验板子模板框架边缘的确切距离。
?检验丝网与薄片胶合是否良好，否有加工损伤。
?检验框架尺寸和材料类型。
?检验模板上是刻有了模板号和编号。
?检验模板厚度。
?对带台阶模板，检验台阶的正确水平(台阶质量)
?检验基准点的质量和位置(模板纠正面上)
8.模板清洗
合适的装置和清洗可确保模板的可重复性印刷性能。清洗工艺必需与模板资料相容。锡膏或胶水生产商，模板生产商，清洗设备生产商应就模板清洗对模板的使用寿命，基准点的完好，胶珠质量的影响进行商议。
9.模板使用寿命
应定期检查模板是否有损伤(模板损伤会导致印刷性能变差)具体检验方法参见第7局部进料检验规范。 |
