stencil(钢网)

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2.名词解释

re:An opening in the stencil foil

开口：模板上的开口。

Ratio and Area Ratio：

Figure： 宽深比和面积比。

L

宽深比Aspect Ratio=

L

宽深比Aspect Ratio=

T

W

Aspect Ratio ：针对Fine-Pitch的QFP 、IC 等细长条装管脚类器件

Area Ratio：针对0402，0201，BGA，CSP之类的小管脚类器件

：边界，即钢片四周的丝网。

Polyester Screen 聚酯丝网

Stainless Steel不锈钢丝网

： 铝框

Table:印刷机与网框、MARK点及定位方式对应表

机型网框大小

DEK28829"*29"

DEK265GSX29"*29"

DEK265Lt29"*29"

MPM Ultraprint 2000Hi29"*29"

MPM Ultraprint 3000Hi29"*29"

MPM Ultraprint 2500Hi29"*35"

FUJI GP-551E35.8"*27.16"

FUJI GP-641E29"*29"

PANASONIC SPP-V XL39.4"*33.5"

PANASONIC SP22P-M21.65"*25.6"

MINAMI NK 850550mm*650mm

YAMAHA23"*23"(Max)

面积比Area Ratio=

MARK点

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

印刷面半刻

非印刷面半刻

非印刷面半刻

不需MARK点

： 模板制做的薄片。如钢片、镍合金、铜片、高分子骤合物

（聚酰亚胺片材Kapton*）

厚度：0.08mm,0.1mm,0.12mm,0.15mm,0.18mm,0.20mm,0.25mm,0.30mm

stencil: step-down

Stencil

（局部减薄模板）

step-up

（局部增厚模板）

als mark:

Squeegee Side half-Cut、Contact Side half-Cut、Double Side half-Cut

ee刮刀

聚胺基甲酸乙酯(PolyUrethane PU材料)

金属刮刀(不锈钢）

3.模板类型（Stencil type)

模板制造的三个主要技术是:激光切割（Laser-Cut)、化学蚀刻（Chemically

Etched)和电铸法成形（Electroform),每种方式都有自己的优缺点。激光切割和化

学蚀刻是减成法制造工艺，电铸法成形是加成法制造工艺。每种制造工艺都有它存

在的理由，在某些参数及价格上的比较，可能就象西瓜和芝麻的故事，通常是考虑

成本因素和生产周期来考虑选择不同的制造方式。

3.1.化学蚀刻模板

化学蚀刻的原理是在钢板上涂覆感光阻剂（Photoimage Resist)用销钉定位菲林

片，双面曝光，将图形转移到钢板上，再通过化学蚀刻液三氯化铁（FeCl3)两面同时

蚀刻金属钢片由於是蚀刻工艺,在生产过程中蚀刻不光是从顶面(Top Side)和底面

(Bot Side)而且水平方向也有蚀刻反应--侧蚀（Undercutting),再加上菲林受温度

、湿度造成收缩或拉伸，上下菲林人工对位的偏差，药水控制的浓度、温度、时间

之等等因数，故而该技术在开口的位置精度上没有绝对地保障。

2Fe3+ + Fe0 3Fe2+ Aperture

C-Etch Stencil

Figure：Chemically Etched Stencil

3.2.电铸感工艺模板

该工艺是通过在一个要形成开孔的芯模(Substrate)上用菲林曝光形成图形感光层

(PhotoResist)然后在化学浴中化学沉积金属镍(Ni),当沉积至要求厚度后模板从芯板

上取下,即完成模板的制造。由於化学沉积镍的周期特别地慢(每小时几个微米),故

而它的价格也是几种模板中价位最高的。电铸模板的优点是开口光滑度非常好，加

上是镍（Ni）材质耐印率上的表现也特别地突出。

缺点,因为涉及到制作过程中会使用菲林(PHOTO-TOOL),考虑到菲林存在的变形

的可能性,所以可能存在位置精度不够。另外：因为在整个化学沉积的过程中在沉积

的顶面（Top Side）会形成一个凸形的“堤坝”。在欧洲SMT业界中的观点认为这

个凸形"堤坝"可以防止锡膏在印刷过程中向四周扩散。但日本SMT界的观点则认为

接触面（Contact Side）中PCB与Stencil的接触必须非常紧密,故而会用整平研磨技

术,去除掉这个"堤坝",并保证Stencil整体厚度的均匀一致性。这可谓仁者见仁,智

者见智,大家也可以在此点上提出自已的看法。

Figure：Electroform Stencil

PhotoResist

Contact Side

凸“堤坝”

PhotoResist

Substrate

PhotoResist

Nickel Electroform

Substrate

Squeegee Side

3.3.激光器切割模板

Substrate

从客户的原始Gerber数据，在经过必要的修改后，传送Gerber数据到激光

切割机上，用激光光束瞬间熔断金属形成开口图形。因为在激光切割过程中没有使

用菲林工具（PHOTO TOOL），因此消除了位置精度问题。

缺点：在激光光束熔断金属的同时，金属熔渣（蒸发的熔化金属）造成孔

壁粗糙，增加开口孔壁磨擦力，影响锡膏的脱模性。但是，电抛光技术的出

现，可以提供光滑的孔壁和良好的锡膏释放。

Figure：未经过任何处理的激光模板

LPKF Laser-Cut Head

Laser Line

Contact Side

Stencil

Squeegee Side

Figure：经过电抛光处理的激光模板

Squeegee Side

毛刺、金属熔渣

孔壁零毛刺

Contact Side

Figure：Electro-polishing Laser-Cut Stencil

激光技术也是唯一允许对已制成模板进行返工（Re-work）的工艺，如增加

孔、扩大孔或对Fiducials MARK修补。

激光模板主要性能指标：

·开口位置精度±5um

·孔壁粗糙度：1um（未抛光） 0um（电抛光后）

·开孔锥度：3-7° 正反孔径差（0.00-1-0.015um)

·BGA圆孔圆度≥99%

·重复精度:±1um,分辨率:0.625um

数据及模板开口规范

格式：

GERBER RS-274D Part Number： 414-100-002

GERBER RS-274X Part Number： 414-100-014

GERBER文件是美国GERBER公司提出的一种数据格式。GERBER文件分为普

通GERBER RS-274D文件和加强GERBER RS-274X文件。

普通GERBER RS-274D格式的文件中不包含D-CODE文件，它结合D-CODE文

件，定义了图形的起始点以及图形形状及大小。

加强GERBER RS-274X格式的文件已包含D-CODE文件，它自身定义了图形的

起始点以及图形形状及大小。

D-CODE文件定义了电路中线路、孔、焊盘等图形的形状及大小。

Table：下面列出是一段D-CODE文件描述

| Turret | D code | Aperture | Aperture | Inner | Land | Line | Line |

| number | | type | size | size | count | count | length |

1 D11 circle 0.100 -- 0 36507 43978.8

2 D12 circle 0.200 -- 0 49102 103155.7

3 D13 circle 0.300 -- 0 621 991.3

4 D14 circle 0.400 -- 0 2117 7448.6

Table：下面列出一段普通GERBER RS-274D文件的描述

G90*

G71*

G01*

D02*

G54D10*

X159400Y21275*

X159400Y21225*

X159950Y21275*

X150160Y174712*

省前零(LEADING ZERO)

省后零(TRAILING ZERO

不省零(LEADING&TRAILING ZERO PRESENT)

此数据中不包含D-CODE。

Table：下面列出一段加强GERBER RS-274X文件的描述

%FSLAX23Y23*%

%MOIN*%

%SFA1.000B1.000*%

%MIA0B0*%

%IPPOS*%

%ADD10O,X0.05000Y0.07000*%

%ADD20C,0.10000*%

%ADD191R,0.06200X0.06200*%

%*%

%SRX1Y1I0J0*%

%LPD*%

G54D17*

X23959Y30726D03*

Y19574D03*

X31919Y27874D03*

X31919D03*

此段告诉我们GERBER文件是英制2-3格式。

（小数点前有两位数，小数点后有三位数）

D10是0.05X0.07inch的椭圆

D20是0.1inch的圆

D191是0.062X0.062inch的长方形

X29385Y24926D02*

G01Y24871D01*

X27862Y28669D02*

G01X27917D01*

X27862Y28488D02*

Gerber 数据是所有PCB system 可以生成的一种文件格式，也是可以被所

有光绘图形系统接受的文件格式。故而在图像系统中它是一种被大量、广泛

地运用的图形文件。

4.2.开口规范：

开孔设计怎样将影响到印刷性能,开孔尺寸宽(W)、长(L)和模板之厚度(T)

决定锡膏印刷释放於PCB焊盘上的体积。在印刷周期中，随着刮刀在模板上运行，

锡膏充满模板的开孔，然后,在PCB与stencil分开期间，锡膏被释放到PCB的焊盘

上。理想状态是所有充满开孔的锡膏从孔壁释放，并且附着于PCB的焊盘上，形成

完整的锡砖。锡膏从内孔壁释放的因素决定於模板设计的宽深比/面积比，开孔侧

壁的几何形状和孔壁的光洁度。

Figure：面积比(Area Ratio) 宽深比(Aspect Ratio)

L

T

宽深比Aspect Ratio=

面积比Area Ratio=

W

上面定义了宽深比/面积比。对於可接受的锡膏释放的一般接受的设计指引

是宽深比大于1.5面积比大于0.66.在长度大於宽度的五倍时应首先考虑宽深比,这是

因为宽深比是面积比的一维简化方式,当长度远大於宽度时,面积比是宽深比的1/2。

经验1：当Gerber文件中存在有QFP、IC、CN等细长条引脚器件时,考虑宽深比；当存

在0402、0201、Fine-pitch的uBGA或CSP时重点考虑面积比，一般情况下焊盘的面积

比达到2/3（0.66）时,锡膏可达到85%或更好的释放能力。

Table：宽深比/面积比举例 （mm）

案例 开孔设计 宽深比 面积比 锡膏释放

间距0.5长方形焊盘0.25*1.27厚度0.12 2 0.83 +

间距0.4长方形焊盘0.15*1.27 厚度0.12 1.4 0.61 +++

间距1.25 圆形焊盘0.6 厚度0.15 4.2 1.04 +

间距1.0 圆形焊盘0.4 厚度0.12 3.0 0.75 ++

间距0.8 方形焊盘0.28 厚度0.12 2.2 0.55 +++

间距0.8 方形焊盘0.33 厚度0.12 2.6 0.65 ++

+表示锡膏释放难度

上表罗例出对一些典型贴装器件的开孔设计中的宽深比/面积比。0.5mm间距

的QFP,在0.12厚的模板上开口为0.25*1.27mm,得到2.0的宽深比.0.4mm间距的QFP,在

0.12的模板上开口0.15*1.27mm,得到的1.4的宽深比,很明显锡膏释放将较为困难,怎么

办?

几种可选择的方式：

a.增加开口宽度(增加到0.2mm将宽深比增加到1.6);

b.减少厚度(选择钢片厚度变为0.1mm,宽深比也增加到1.6);

c.选择在pitch 0.4mm QFP上做step down

d.选择一种非常光滑的孔壁质量的模板(电抛光模板,电铸模板);

同样在案例子6中的uBGA,在PCB 上它的标准焊盘尺寸是0.3的圆形焊

盘，0.38mm的阻焊层开口。最佳的焊盘设计方案是根据地PCB 的焊盘尺寸来决定的,而不

是由阻焊层来决定，那么当我们把pitch 为0.8的UBGA设计为0.3mm的方形开口，宽

深比是2.2，OK，这时有人会认为2.2远大於1.5，锡膏的释放不是问题。可是，正

如前所说，当长度的有达到宽度的5倍，那么应该用面积比(二维模式)来决定预测

锡膏的释放难易度。这种情况下面积比是0.55，锡膏的释放当然是困难的。也对

通常情况下，模板开孔应用各小於PCB 上焊盘，0.3mm的焊盘，设计开口为0.28mm

是常理。可是，在UBGA中应该是个例外，在案例6中仅仅是把开口尺寸设计成

0.33的方形，现在面积比是0.65，那么在这样的情况下锡膏的释放条件才基本满

足。通过一些客户的反映UBGA的焊盘为圆形stencil开口设计应为方形并倒2--4mil

的圆角，这是因为圆直径与方形的边长相同的情况下，方形的面积要大於圆形。

经验2：在一般钢片厚度的选择上第一个原则应先满足最小pitch器件的要求。那么

有人会问如果我的Gerber文件上同样也存在爬锡量大的器件怎么办？建议：在器件

与器件间隔允许的情况下放大焊盘，当然也就焊盘的外三边方向上放大1mil到4mil

（如图示）但在焊盘对的内边不允许轻易减小它的焊盘间距来达到增锡的目的。因

为如果这样的话会给你带来另一个麻烦--锡珠问题。

更改为

Figure：为了增加器件引脚锡膏量而三边放大Aperture

如果由於器件间距不允许的情况下，如：HDI的线路设计、手机板（Mobile

Board）或需要双面回流焊的笔记本电脑（NoteBook）。那么你也可以选择使用

Step Down或Step Up设计的模板。当然这样会在Stencil的成本上会增加少许，但是

这增加的少许成本会给您的生产带来更好地品质保障，正谓是花小钱办大事。

Figure：Overprint with Step Stencil

Step Stencil

Through-Hole Pad

PCB Board

Through-Hole

若要了解Stencil的开口规范的话，那么我们必须先了解器件的焊盘形状及

焊盘尺寸，当然最另外一个重要的还有不能忽略器件本身的爬锡要求。器件的分类

不外乎有表面组装元件（Surface Mounted Components）、表面组装器件（Surface

Mounted Devices）。SMC器件主要有矩形片式元件、圆柱形片式元件、复合片式元

件、异形片式元件。SMD器件主要有片式晶体管和集成电路，集成电路又包括

SOP、SOJ、PLCC、PJLCC、QFP、BGA、CSP 、FC、MCM等。

那么从器件本身的电气特性上来区分的话又分为：

1. 连接件(connect)：提供机械与电气连接/断开，由连接插头和插座组成，

将电缆、支架、机箱或其它PCB与PCB连接起来；可是与板的实际连接必须是通过表

面贴装型接触。

2. 有源电子元件(Active)：在模拟或数字电路中，可以自己控制电压和电流，

以产生增益或开关作用，即对施加信号有反应，可以改变自己的基本特性。

3. 无源电子元件(Inactive)：当施以电信号时不改变本身特性，即提供简单的、

可重复的反应。

4. 异型电子元件(Odd-form)：其几何形状因素是奇特的，但不必是独特的。因

此必须用手工贴装，其外壳(与其基本功能成对比)形状是不标准的，例如：许多变

压器、混合电路结构、风扇、机械开关块等。

网框选择

绷网

o= >1.5

o= >1.5

>0.66

定位方式

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

居中

胺片材Kapton*）

Stencil

PHOTO-TOOL

Nickel Electroform

Head

er-Cut Stencil

的椭圆

圆

W

o= >1.5

T

L*W

>0.66

2*（L+W）*T

（mm）

锡膏释放

+

+++

+

++

+++

++

为困难,怎么

来决定的,而不

SMT Pad