2022/07/06 • 没有评论

钢板厚度及开孔(开法/形状…等)工艺是如何决定的？什么是防锡珠开法？

有网友提问：『钢板/钢网(stencil)的厚度是如何决定的呢？钢板的开孔(aperture)方式(开法/形状…等)工艺有何讲究？』

钢板的厚度基本上取决于焊接零件时所需要的锡膏量，钢板越薄，通常也意味着印刷出来的锡膏量越少。而一个焊点需要多少锡膏量则要看电路板上的零件而定，通常就是看板子上那些对焊锡量比较敏感的电子零件，比如锡球间距最小的BGA以及细间距零件。再来就是焊点越小的零件，其对于锡膏量精准度的要求也就越高。当然，最终还得取决于焊接后的品质状况。

决定钢板厚度的因素

决定钢板的厚度时要优先考虑上述那些细小间距零件的用锡量，以0402零件来说一般会使用0.12mm的钢板厚度，而0201零件则大多会选用0.10mm厚度的钢板，随着零件越来越小且同一板子上细小零件数量增加，有人开始使用0.08mm厚度的钢板，然后再针对那些需要较多锡膏量的零件去做局部加厚处理的阶梯钢板(step-down stencil)，只是局部加厚钢板是有其厚度侷限的，一般来说可以往上加个0.01~0.08mm，而且还得看局部加厚区域的附近有无细小零件，因为刮刀在刮过局部加厚的区域时，会被突然顶高造成局部变形，如果在钢板局部加厚区域的边缘有开孔，就会造成锡膏量印刷不均或锡膏量过多的现象出现。

另外，厚度越薄的钢板，锡膏落锡量的控制就越不稳定，也就是说印刷在电路板的锡膏量之精准度会变差，这是因为钢板开孔的垂直面并不如想像中的光滑，依照不同的钢板制作工艺，如Etching, Laser, Coating, Electroform等，会出现不同的表面粗糙度，而表面越粗糙的开孔，则越容易发生锡膏残留在垂直面的问题，一旦发生就会造成后续印刷的锡膏量短缺，其他如刮刀压力、速度、角度及锡膏号数(锡粉颗粒大小)等也都会影响到锡膏的印刷品质。

钢板开孔的大小及形状

至于，钢板开孔的大小及形状，原则上是依照电路板上焊垫1:1的大小及形状来开的，然后再针对一些比较特殊的零件来做开孔的外扩、缩减或是修改形状以符合该零件的焊锡需要，有些零件可能需要使用到阶梯钢板来局部增加或减少锡膏量。

建议大家可以先参阅IPC-7525 Stencil-Design-Guidelines(钢板设计指南)文件，这份文件中提到：

1. 为了确保锡膏可以经由钢板开孔被完美的转印到电路板上，该文件要求钢板的开孔及厚度上必须要有一定的比率，以避免锡膏因为表面张力而无法完全落锡。

Aspect Ratio (宽厚比、纵横比) = Width of Aperture / Thickness of Stencil Foil = W/T > 1.5

pitch (mm)
1.27

0.80

0.55

0.40

pad width (mm)
0.635

0.40

0.275

0.20

stencil thickness (mm) <
(W/T >1.5)
0.42

0.27

0.18

0.13
Area Ratio (开孔面积比) = Area of Aperture Opening / Area of Aperture Walls = (LxW) / [2x(L+W)xT] > 0.66

2. 针对PBGA封装零件：建议缩减直径0.05mm以避免短路。

3. 针对CBGA封装零件：建议外扩0.05～0.08mm以避免空焊。这是因为陶瓷与FR4的CTE差异较大，热变形量也会有较大差异。

4. 针对 fine-pitch BGA 或 CSP 封装零件：如开孔为正方形则建议边长必须比焊垫缩小0.025mm且四个直角导圆角，当边长为0.25mm时导R角0.06mm，当边长为0.35mm时导R角0.09mm以方便落锡并避免短路。

5. 针对电阻电容电感这类【片式零件(chip components)】的建议：

一般来说，片式零件在吃锡上较容易发生锡珠问题，而锡珠的发生，除了锡膏氧化原因外，其最大原因就是锡膏内含的助焊剂在高温下迅速挥发转变成气体并带着部份的锡膏往外侧移动（想像气炸的情形），于是在零件本体下方与PCB之间的小缝隙就会形成分离的锡膏区块，回焊时零件下方因为没有焊垫可以吸收熔融的锡膏，再加上零件本体的重量挤压，于是分离的熔融锡膏就会从零件的本体下方冒出来并在其边缘上形成小锡珠。
SMT锡珠形成

所以，片式零件通常会採用小精灵型(inverse home-plate)或是本垒板型(home-plate)两种开孔形状来减少锡膏印刷量，让助焊剂可以顺利挥发，以避免锡珠产生及短路发生。至于开孔大小通常建议採用焊垫的1/3宽(W)或1/3长(L)，但强烈建议依据自己产品的特性适当调整大小。

如果担心锡膏量减少太多影响到焊锡性，则可以考虑採取减半圆点型或是圆型的锡膏印刷开孔来减少锡膏量。不过圆型开孔可能会增加锡膏残留在钢板开孔侧壁造成落锡量不稳的问题，尤其是，使用圆型开孔前建议要先做过实验。

针对有立碑缺点的零件则可以考虑採用本垒板型，然后往本垒尖端方向外扩一点点，或是将锡膏开孔整个往本垒尖端方向稍微偏移一点点来解决。但这只是治标不治本，立碑问题最好还是透过电路板设计增加【热阻 (thermal relief)】并缩小焊垫内距尺寸来解决，才能一劳永逸。