表面貼裝工藝工程師在對(duì)表面貼裝印刷/裝配不熟悉和/或他們有新的表面貼裝印刷/裝配要求時(shí)，經(jīng)常面對(duì)類似的設(shè)計(jì)問(wèn)題。新的工藝工程師在指定用于印刷錫膏或膠水的模板(stencil)時(shí)會(huì)喜歡一些基本的模板設(shè)計(jì)指南。經(jīng)驗(yàn)豐富的表面貼裝工藝工程師在面對(duì)一種新的表面貼裝印刷/裝配要求時(shí)會(huì)寧愿在他人的經(jīng)驗(yàn)上來(lái)學(xué)習(xí)。
幾年前，對(duì)一個(gè)正規(guī)的、容易理解的模板設(shè)計(jì)指南的需求是所公認(rèn)的。在1998年中，成立了一個(gè)小組委員會(huì)，包括了來(lái)自模板制造商、錫膏制造商、表面貼裝裝配制造商、印刷機(jī)制造商和裝配設(shè)備制造商的代表。該小組委員會(huì)的目標(biāo)是要提供IPC：電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)模板設(shè)計(jì)指南文件。該文件將包括：名詞與定義、參考資料、模板設(shè)計(jì)、模板制造、模板安裝、文件處理/編輯和模板訂購(gòu)、模板檢查/確認(rèn)、模板清洗、和模板壽命。終文件，IPC 7525，現(xiàn)已發(fā)布。
工藝工程師對(duì)模板設(shè)計(jì)的一些普遍的關(guān)注列出如下。模板設(shè)計(jì)指南應(yīng)該詳細(xì)地探討每一個(gè)這些問(wèn)題：

開(kāi)孔尺寸：長(zhǎng)與寬/從電路板焊盤(pán)的縮減
模板厚度
使用的模板技術(shù)：化學(xué)腐蝕(chem-etch)、激光切割(laser-cut)、混合式(hybrid)、電鑄(electroformed)
臺(tái)階/釋放(step/release)模板設(shè)計(jì)
膠的模板開(kāi)孔設(shè)計(jì)
混合技術(shù)：通孔/表面貼裝模板設(shè)計(jì)
片狀元件的免洗開(kāi)孔設(shè)計(jì)
塑料球柵陣列(PBGA)的模板設(shè)計(jì)
陶瓷球柵陣列(CBGA)的模板設(shè)計(jì)
微型BGA/芯片級(jí)包裝(CSP)的模板設(shè)計(jì)
混合技術(shù)：表面貼裝/倒裝芯片(flip chip)的模板設(shè)計(jì)
錫膏釋放與錫磚的理論體積(長(zhǎng) X 寬 X 厚)的比例
模板開(kāi)孔的設(shè)計(jì)
IPC的模板設(shè)計(jì)指南將要談到的一個(gè)普遍詢問(wèn)的關(guān)于模板的問(wèn)題是，開(kāi)孔設(shè)計(jì)怎樣影響印刷性能。圖一顯示錫膏印刷的三個(gè)主要性能問(wèn)題。開(kāi)孔尺寸[寬(W)和長(zhǎng)(L)]與模板金屬箔厚度(T)決定錫膏印刷于PCB的體積。在印刷周期，隨著刮刀在模板上走過(guò)，錫膏充滿模板的開(kāi)孔。然后，在電路板/模板分開(kāi)期間，錫膏釋放到板的焊盤(pán)上。理想地，所有充滿開(kāi)孔的錫膏從孔壁釋放，并附著于板的焊盤(pán)上，形成完整的錫磚。錫膏從內(nèi)孔壁釋放的能力主要決定于三個(gè)因素：模板設(shè)計(jì)的面積比/寬深比(aspect ratio)、開(kāi)孔側(cè)壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度。
圖二中定義了面積比/寬深比。對(duì)于可接受的錫膏釋放的一般接受的設(shè)計(jì)指引是，寬深比大于1.5、面積比大于0.66。寬深比是面積比的一維簡(jiǎn)化。當(dāng)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，面積比與寬深比相同。當(dāng)模板從電路板分離時(shí)，錫膏釋放遭遇一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程：錫膏將轉(zhuǎn)移到焊盤(pán)或者粘附在側(cè)孔壁上？當(dāng)焊盤(pán)面積大于內(nèi)孔壁面積的2/3時(shí)，可達(dá)到85%或更好的錫膏釋放能力。
模板技術(shù)對(duì)錫膏釋放的百分比也起一個(gè)主要作用。開(kāi)孔側(cè)壁的幾何形狀和孔壁光潔度直接與模板技術(shù)有關(guān)。經(jīng)過(guò)電解拋光的激光切割模板得到比非電解拋光的激光切割模板更光滑的內(nèi)孔壁。在一個(gè)給定面積比上，前者比后者釋放更高百分比的錫膏。對(duì)于接近1.5的寬深比和接近0.66的面積比，一些模板技術(shù)比其它的更好地達(dá)到較高百分比的錫膏釋放。



表一,各種表面貼裝元件的寬深比/面積比舉例

例子
開(kāi)孔設(shè)計(jì)
寬深比
面積比
錫膏釋放

1
QFP 間距20 10x50x5
2.0
0.83
+

2
QFP 間距16 7x50x5
1.4
0.61
+++

3
BGA 間距50 圓形25 厚度6
4.2
1.04
+

4
BGA 間距40 圓形15 厚度5
3.0
0.75
++

5
微型BGA 間距30 方形11 厚度5
2.2
0.55
+++

6
微型BGA 間距30 方形13 厚度5
2.6
0.65
++

+ 表示難度.




表一列出對(duì)典型表面貼裝元件(SMD)的開(kāi)孔設(shè)計(jì)的一些實(shí)際例子中的寬深比/面積比。20-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的模板上10 x 50-mil 的開(kāi)孔，得到 2.0 的寬深比。使用一種光滑孔壁的模板技術(shù)將產(chǎn)生很好的錫膏釋放和連續(xù)的印刷性能。16-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的模板上7 x 50-mil 的開(kāi)孔，得到 1.4 的寬深比，這是一個(gè)錫膏釋放很困難的情況，甚至對(duì)高技術(shù)的模板都一樣。對(duì)于這種情況應(yīng)該考慮一個(gè)或者全部三個(gè)選擇：

增加開(kāi)孔寬度(增加寬度到 8-mil 將寬深比增加到 1.6)。
減少厚度(減少金屬箔厚度到 4.4-mil 將寬深比增加到 1.6)
選擇一種有非常光潔孔壁的模板技術(shù)。
閃存(flash momery)微型BGA正變得很普遍。通常，這些元件在板上有 12-mil 的圓形焊盤(pán)、15-mil 的阻焊層開(kāi)口。佳的焊盤(pán)設(shè)計(jì)是銅箔限定的而不是阻焊層限定的。表一中的例5說(shuō)明一個(gè) 11-mil 的圓形開(kāi)孔。寬深比是2.2。有人可能錯(cuò)誤地認(rèn)為，因?yàn)閷捝畋冗h(yuǎn)大于1.5，所以錫膏釋放不是問(wèn)題?？墒?，如果長(zhǎng)度沒(méi)有達(dá)到寬度的五倍，那么應(yīng)該用面積比(二維模式)來(lái)預(yù)測(cè)錫膏釋放。這種情況下面積比是0.55，這是一種很困難的錫膏釋放情況。通常，模板開(kāi)孔應(yīng)該略小于電路板焊盤(pán)。例5遵照這個(gè)規(guī)則，為 12-mil 的焊盤(pán)制作 11-mil 的模板開(kāi)孔。
可是，微型BGA是一個(gè)例外，特別是在銅箔限定的焊盤(pán)這種情況。如果模板開(kāi)孔增加到 13-mil ，表一中例6所示，將不會(huì)發(fā)生阻焊層(solder mask)與錫膏干涉。注意現(xiàn)在面積比是0.65。甚至在0.65的面積比，都還應(yīng)該選擇提供鏡亮的內(nèi)孔壁的模板技術(shù)。Tessera 和 Intel 兩個(gè)公司都為微型BGA的模板印刷推薦帶有輕微圓角的方形模板開(kāi)孔。來(lái)自顧客的所有反饋肯定這種形狀的開(kāi)孔比圓形開(kāi)孔提供較好的錫膏釋放。

臺(tái)階與陷凹臺(tái)階(relief step)的模板設(shè)計(jì)
在一些情況中，模板可能要求臺(tái)階。一種情況是對(duì)密間距(fine-pitch)元件的向下臺(tái)階區(qū)域。有一個(gè)例子是，對(duì)所有元件為 8-mil 厚度的模板，20-mil 間距的除外，它要求 6-mil 的厚度。
在模板上朝電路板這一面的陷凹臺(tái)階是模板中要求臺(tái)階的另一個(gè)例子。在板上有凸起或高點(diǎn)妨礙模板在印刷過(guò)程中的密封作用的時(shí)候，陷凹臺(tái)階是所希望的。例子有條形碼、測(cè)試通路孔和增加性的蹤跡線。陷凹臺(tái)階的凹穴也用于兩次印刷(two-print)模板，它主要用于混合技術(shù)要求 - 或者通孔技術(shù)/表面貼裝或者表面貼裝/倒裝芯片。在通孔技術(shù)/表面貼裝的情況，一個(gè)模板用正常厚度的模板(6-mil)印刷所有的表面貼裝錫膏。二個(gè)模板印刷所有通孔元件的錫膏。這個(gè)模板通常是 15~25-mil 厚，為通孔元件提供足夠的錫膏。陷凹臺(tái)階(通常 10-mil 深)是在這個(gè)二次印刷模板的朝板面上，在一次印刷所有表面貼裝錫膏的位置上。這個(gè)臺(tái)階防止通孔印刷期間抹掉表面貼裝錫膏。
要求模板上臺(tái)階的三個(gè)例子是向上凸起的模板。一個(gè)例子是，一塊模板在所有位置都是 6-mil 的厚度，除了CBGA區(qū)域的模板厚度為 8-mil。另一個(gè)例子是，一塊模板是 6-mil 的厚度，除了一個(gè)邊緣通孔連接器的厚度為 8-mil。6-mil 厚區(qū)域的寬度應(yīng)該至少和刮刀寬度一樣。

結(jié)論
當(dāng)設(shè)計(jì)模板開(kāi)孔時(shí)，在長(zhǎng)度大于寬度的五倍時(shí)考慮寬深比，對(duì)所有其它情況考慮面積比。隨著這些比率的減少并分別接近1.5或0.66，對(duì)模板孔壁的光潔度就要求更嚴(yán)厲，以保證良好的錫膏釋放。在選擇提供光滑孔壁的模板技術(shù)時(shí)應(yīng)該小心。作為一般規(guī)則，將模板開(kāi)孔尺寸比焊盤(pán)尺寸減少 1~2-mil，特別是如果焊盤(pán)開(kāi)口是阻焊層界定的。當(dāng)焊盤(pán)是銅箔界定時(shí)，與多數(shù)微型BGA一樣，將模板開(kāi)孔做得比焊盤(pán)大 1~2-mil 可能是所希望的。這個(gè)方法將增加面積比，有助于微型BGA的錫膏釋放。這些，以及其它模板設(shè)計(jì)問(wèn)題在IPC的模板設(shè)計(jì)指南中都有探討。