最全的SMT钢网设计分析

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一、钢网制造方法与特点

目前，钢网的制造方法主要有激光切割、化学腐蚀和电铸。

1．激光切割

激光切割，仍是目前主要的制造方法，其特点如下：

（1）孔壁表面较粗糙，焊膏的转移率在70％～75％；

（2）适合焊膏转移的钢网开窗与侧壁的面积比大于等于0．66。

激光切割孔壁的质量如图1所示。

图1 激光切割孔壁的质量

2．电铸

（1）孔壁表面平滑、呈梯形，焊膏的转移率高，达85％以上；

（2）可用于钢网开窗与侧壁的面积比小于0．66、大于0．5的场合。

电铸孔壁的质量如图2所示。

图2

二、钢网厚度的选择

为达到最佳的焊膏释放，钢网的开窗面积与侧壁面积比应大于等于0．66，这是一个实现70％以上焊膏转移的经验数值，也是钢网厚度设计的依据。也可以简单地按图3－3以引线间距大小进行选取，它满足上述的0．66原则。

图3 钢网厚度的选择

三、钢网开窗的设计原则

钢网设计是工艺设计的核心工作，也是工艺优化的主要手段。

钢网设计包括开窗图形、尺寸以及厚度设计（如阶梯钢网阶梯深度）。

一般经验：

1）钢网厚度

0．4mm间距的QFP、0201片式元件，合适的钢网厚度为0．1mm；0．4mm间距的CSP器件，合适的钢网厚度为0．08mm，这是钢网设计的基准厚度。如果采用Step－up阶梯钢网，合适的最大厚度为在基准厚度上增加0．08mm。

2）开窗尺寸设计

除以下情况外，可采用与焊盘1∶1的原则来设计（前提是焊盘是按照引脚宽度设计的，如果不是，应根据引脚宽度开窗，这点务必了解）。

（1）无引线元件底部焊接面（润湿面）部分，钢网开孔一定要内缩，以消除桥连或锡珠现象，如QFN的热焊盘内缩0．8mm，片式元件要削角，如图4（a）所示。

（2）共面性差元件，钢网开窗一般要向非封装区外扩0．5～1．5mm，以便弥补共面性差的不足。

（3）大面积焊盘，必须开栅格孔或线条孔，以避免焊膏印刷时刮薄或焊接时把元件托起，使其他引脚开焊，如图4（b）所示。

（4）ENIG键盘板尽量避免开口大于焊盘的设计。

（5）元件底部间隙为零的封装元件体下非润湿面不能有焊膏，否则，一定会引发锡珠问题！

（6）有些元件引脚不对称，如SOT252，必须按浮力大小平衡分配焊膏，以免因焊膏的托举效应而引起开焊。

（7）在采用钢网开窗扩大工艺时，必须注意扩大孔后是否对元件移位产生影响。

钢网开窗设计的难点在于满足每个元件对焊膏量的个性化需求，对于PCB同一面上元件大小（实质指焊点大小）比较一致的板，一般不是问题，但对于同一面上元件大小相差很大的板就是一个很大的问题。要满足每个元件对焊膏量的个性化需求，不仅要从钢网设计方面考虑，更重要的是元件的布局必须为钢网开窗或应用阶梯钢网提供前提条件。

图4 钢网开窗示意图

四、常见封装的开窗设计

常见元件钢网的开窗图形与尺寸要求如图5所示。

图5 常见元件钢网的开窗图形与尺寸

1．阶梯钢网应用

根据对PCBA焊接问题的统计分析，0．635mm及以下间距的QFP／SOP等密脚元件的桥连和电源模块、变压器、共摸电感、连接器等元器件的开焊名列前五大缺陷。

0．635mm及以下间距的QFP／SOP等密脚元件的桥连，主要是因为印刷的焊膏过厚，而电源模块、变压器、共摸电感、连接器等元器件的开焊，则是因为印刷的焊膏厚度不足。集中到一点就是焊膏印刷厚度或量不合适。在同一块PCBA上，能够兼顾各种封装对焊膏厚度不同需求的最简单的工艺方法就是采用阶梯钢网。

阶梯钢网虽然存在使用寿命短、损坏刮刀刀刃的不足，但在应对复杂的PCBA时，可以有效解决不同封装对焊膏量的个性化需求问题，降低虚焊、开焊的缺陷率。

2．阶梯钢网的设计

1）阶梯方式

阶梯钢网有两种阶梯方式，即局部下沉Step－down和局部凸起Step－up。一般而言，Step－down方式，随着印刷次数的增加，蚀刻（下沉）部分的钢网会变得松弛，从而会引起精细间距元件焊膏图形的移位，因此，一般多采用Step－up阶梯方式。

2）蚀刻表面的处理

阶梯钢网的蚀刻表面宜做成光亮面。粗糙的表面，往往不利于刮净焊膏，如图6（a）所示；如果加大刮刀的压力，很容易引起钢网移位（因有台阶）、焊膏网状化，如图6（b）所示。

图6 钢网表面粗糙带来的问题

3）间距要求

（1）厚薄开窗元件焊盘间距需满足如图7所示的要求；

图7 应用阶梯钢网的焊盘间距要求

（2）钢网Step－up边缘与孔边的间距应大于等于（1．0mm／1mil）h，如图8所示。

图8 阶梯钢网的应用实例

step－up阶梯钢网，由于台阶的存在，表面容易残留焊膏，如图8所示，因此，清洗时应该多加注意。

3．阶梯钢网设计参数

1）钢网设计

为了了解Step－up对周边焊膏印刷厚度的影响，设计了一种Step－up厚度的钢网（见图9）进行实验。

图9 实验用阶梯钢网

基础厚度：0．12mm（采用厚度为0．2mm不锈钢制作）；

Step－up厚度：0．06mm、0．08mm；

孔直径：0．5mm；

孔距：1．0mm。

2）实验条件

印刷速度：20mm／s；

刮刀压力：8．4kgf；

脱摸速度：1mm／s；

刮刀宽度：480mm。

3）实验数据，如图10所示。

图10 实验数据

4）结论

每1mil厚的Step－up，影响距离为1mm。

4．焊膏印刷转移率

1）转移率

转移率是指钢网开窗内焊膏沉积到焊盘上的体积百分比，用TE表示。

TE＝100×（沉积焊膏量／开窗体积）

2）面积比与转移率的关系

统计分析表明，在焊膏与印刷参数确定的情况下，转移率的95％是由面积比决定的。当面积比上升时，转移率的偏差就变小，得到的印刷体积重复性更好，如图11所示。

图11 面积比与转移率

3）随着元件间距的变小，钢网开孔也在变小，这样印刷的转移率会降低。为了获得较高的转移率，需要引进一些新的钢网设计模型——每个孔单独做成阶梯开孔，如图12所示。

图12 阶梯开孔设计

实验结果表明，在面积比非常低的情况下，采用单孔阶梯孔的钢网设计，可以提高焊膏的转移率，其主要优势体现在钢网厚度比较厚的情况下，如用8mil／10mil厚钢网印刷0．5mm间距的QFP时，优势非常明显。

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激光切割是目前主要的制造方法