模板：又出问题了？
Stencils:
Foiled Again!
By
Robert Rowland
印刷是遵循流体动力学的一个过程。原则上，它是一个十分简单的过程。模板，一个关键的因素，应该得到相当大的注意力。如果严格地遵循基本的设计与制造规则，则可以避免许多印刷问题。我注意到无数的例证，许多公司在印刷机和检查设备上花了大笔的钱，但还是继续有严重的印刷问题。有许多的设计规则人们把它看作标准惯例。不幸的是，许多人不知道这些基本规则的存在。今年晚些时候，IPC将发行IPC-7525
- 一套由工业专家小组创建的模板设计指南。该文件将消除一些围绕在模板设计与制造周围的"巫术"，这将是我们工业的巨大受益。
框架支持和保护模板，典型地是用铝制造，通过钨惰性气体(TIG, tungsten inert gas)把管焊接起来，或通过铸造。框架的尺寸通常决定于使用的方法。铸造适合于较小的框架，但当框架越来越大时，使用TIG焊接管较为有效。模板安装在框架上是通过胶和聚酯或不锈钢网，它把模板拉紧，保持张力，避免翘曲或扭曲。
主框，设计用来固定无框模板。这个概念源自于高混合的运作，使用大量的模板，其储存成为问题。它也消除了框架成本。使用者将模板装到框架内，通过框架上的张紧机构来拉紧。随着时间的过去，我相信这种方法会有困难来保证适当的模板张力。除非处理模板很小心，否则损坏的危险性是很高的。
模板的制造是通过三种方法。化学腐蚀(chemical etching)和激光切割(laser cutting)移去材料(减的方法)，而电铸(electroforming)则以化学的方法增加材料(加的方法)。
化学腐蚀是原始的、现在还最普遍的制造方法。一种可感光成像的抗蚀剂层压在金属箔的两面，然后一个含有开孔图象的两面感光工具小心地与金属箔一起定位。抗腐蚀剂被显影，将要移去的区域暴露。感光工具结合使用一种补偿横向蚀刻的蚀刻因子。然后将金属箔放入一个化学蚀刻箱，通过移去被暴露的材料产生开孔。这个方法对引脚间距为0.65mm或更大的元件是可接受的。
激光切割涉及的步骤比化学蚀刻要少。一种可编程的激光机用来切割开孔，自然会产生锥形或梯形的孔壁(化学蚀刻也可以产生这种效果，如果希望的话)。在某些情况下，这将改善锡膏的释放。典型的，靠板面的开孔大于靠刮刀面的开孔。通常激光切割用于密脚元件，但也可用于整块板。混合技术的模板结合使用化学蚀刻和激光切割。化学蚀刻用于开较大的孔，而激光切割用于开密脚孔。
电铸也使用一种可感光成像的抗蚀剂，抗蚀剂放在阴极金属心上。抗蚀剂比所希望的模板厚度大。当抗蚀剂被显影时，抗蚀剂柱在希望开孔的位置形成。镍被电镀在阴极金属心上，直到达到所希望的模板厚度。电镀之后，将抗蚀剂柱移去，模板从金属心上取下。这个方法主要用于锡膏释放成问题和要求非常好的准确性和精度的应用。
两个附加的工序，抛光和镀镍，是用来进一步提高表面光洁度，消除表面不规则。这个改善了锡膏释放，因此提高模板性能。我非常推崇抛光。
材料的体积(锡膏与胶剂)主要由开孔尺寸和金属箔厚度来控制。材料释放受各种因素影响。就模板而言，涉及模板的最关键因素包括，纵横比、面积比、孔壁的表面光洁度和几何形状。
纵横比是开孔的宽度除以模板的厚度(W/T)。面积比是焊盘面积除以开孔侧壁面积。测试表明纵横比应该大于1.5，而面积比应该大于0.66，以保证充分的材料释放。我自己的试验多次证实了这些推荐值。
稍微地减小所有开孔可避免锡膏印在阻焊层上，产生锡球。IPC-7525按元件类型提供了详细的推荐。一般，每个方向都减少0.1mm足以防止由于锡膏过印所产生的锡球。
插入安装的元件可以使用锡膏入孔(paste-in-hole)的印刷工艺来回流焊接。当引脚为圆形和孔径比引脚直径大0.15~0.20mm的时候，这个方法最有效。方形引脚比圆形引脚更困难，而粗的引脚是很困难的，因为它要求非常多的锡膏量。更详细的信息可以在IPC-7525中找到。
阶梯形模板用来改变锡膏的量。逐级下降的模板典型地用于密脚应用中，这样在密脚的焊盘上得到减小的模板厚度。逐级增加的模板很少见，但它可以增加局部区域的锡膏量(例如，当锡膏入孔印刷用于插入安装的元件时)。
印刷缺陷可分为六个类别：
- 定位对齐(registration)。这涉及模板与材料附着区域的对准定位 - 或是焊盘(锡膏)或是焊盘之间的跨距(胶剂)。最大允许定位误差对锡膏应用应该为焊盘长或宽度的15%，对胶剂应用为开孔长或宽度的15%。
- 塌落(slump)。这是与材料有关的缺陷，或是由于胶或锡膏的粘度太低，或是由于过热暴露。塌落数量对锡膏应该限制在焊盘长或宽度的15%，对胶剂为开孔长或宽度的15%。
- 厚度(thickness)。最后的印刷厚度不应该变化超出所希望印刷厚度的±20%。材料少可能产生焊锡不足或开路，在胶剂情况会丢失元件。材料多可能造成锡点太饱满或锡桥，对胶剂情况会污染锡点或开路。
- 挖空(scoop)。这是刮刀压力过大、刮刀刀片太软或开孔太大的结果。这个缺陷可能引起锡点的锡量不足，或胶点的胶量不足，无法将元件固定。挖空的量应该限制在最大变化不超过从最高到最低的20%。
- 圆顶(dome)。通常是刮刀刀片高度调整不当或刮刀压力不足的结果，它会增加材料的量，可能引起锡桥、污染或焊点开路。这个变化量应该限制在印刷厚度的20%。
- 斜度(slope)。由于过大的刮刀压力可能发生这个情况。锡膏中较普遍，可能产生焊锡不足。变化量不应该超过最高到最低点的20%。
锡膏印刷已经发展到一个妥协时期，因为它变得越来越难满足每个引脚形状的需要。这个困局可以通过良好的模板涉及与制造技术得到控制。与你的模板供应商密切合作，遵循IPC-7525中的指引。
Acknowledgements: Many thanks to Bill Coleman
for reviewing the accuracy of this column.
Robert Rowland is a coauther of the book Applied Surface
Mount Assembly. He is currently the process engineering manager
at RadiSys Corp. in Hillsboro, Ore. Contact him at (503) 615-1354;
E-mail: rob.rowland@radisys.com.
(A 09/13/2000)
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