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焊盘限定或掩膜限定——哪种设计方法更优?
材料来源:SMT CHINA           录入时间:2017/5/16 11:48:56

(本文摘自《SMT China表面组装技术》杂志2017年4/5月刊技术文章,仅限于SMTC读者及业内人士参考,不得作为商业用途!版权所有,违者必究!)

在印制电路板设计中看似是一个简单的选择,即是在PCB焊盘的设计上应该是采用由焊料掩膜窗口边缘限定(掩膜限定)方式,还是应该采用焊料掩膜窗口大于PCB互连区(焊盘或非掩膜限定)方式,人们对此还始终没有形成共识。

采用掩膜限定设计的BGA 图形在印刷焊膏的转移效率上将更具一致性。在丝网和焊料掩膜之间形成的衬垫(gasket)效应会产生一种具有确定形状的空腔,它可以对焊膏的印刷量实现精确的控制。图1显示了同一块电路板上两组直径为 15密耳(380微米)圆形焊盘结构上焊膏印刷量的柱状分布图,这意味着在印刷设备的设置上(滚轴速度、压力和电路板/丝网的分离速度)是相同的。当然,焊盘面积与丝网窗口的面积比,以及随之发生的焊膏使用量也是相同的。

通过对比焊膏印刷量及其在重复性上的变化,可以证明掩膜限定设计的性能更为优良。这项测试使用了5密耳(125微米)厚、面积比为0.75的丝网,可以看到它们的柱状分布图有着明显的变化。

图2展示了具有相同尺寸掩膜限定和焊盘限定圆形焊盘的三维照片。在掩膜限定的照片中焊盘有一部分被掩膜所覆盖。在非掩膜焊盘限定的实例中,在焊盘和掩膜窗口边缘之间有着较大的空间。正是这片区域使得从丝网转移到电路板上的焊膏量会产生变化,在焊料掩膜与丝网间的不良衬垫(gasket)效应是最有可能导致产生转移效率变化的原因。

尽管存在转移效率不高以及焊膏印刷量的变化问题,采用焊盘限定设计的电路板在加工处理过程中还是具有一些优势。首先,它具有更大表面积的基底金属来与焊膏/BGA合金来形成金属间化合物层。不仅可使用的面积会更大,它还能使塌陷的BGA/焊膏熔融合金覆盖在焊盘边缘并与之反应,这将使焊接质量更为可靠,图3显示了它们之间的这种差异性。

与此同时,在热循环的过程中,由于焊料掩膜与锡银铜(SAC)合金焊料间的热膨胀系数(CTE)失配而产生的应力会导致组装件的早期失效。

采用掩膜限定焊盘的另外一个常见问题会增加片间焊球(MCSB)的产生概率。片间焊球是一种位于无源元件引脚端之间直径大于100µm的球状焊料体。

减少焊膏印刷量是解决片间焊球的办法之一,但是采用去除无源元件引脚端部位的焊料掩膜同样也是一种十分有效的解决方法。最佳的方案通常就是推荐将将这两种技术结合起来使用。图5展现了一个实例,一个全球合同制造商在不减少焊膏印刷量的同时,通过采用去除了无源元件引脚部位的焊接掩膜来解决片间焊球问题。实际上,这是在设计规则上由掩膜限定朝着焊盘限定的一个转变。

采用焊盘限定的焊接也可以减少随机焊球的产生。在电路板和丝网窗口间轻微的对准偏移通常也会导致印刷焊膏会略微超出焊盘区域。如果是由掩膜限定的焊盘,那么焊膏可能会直接印刷在焊料掩膜上,掩膜上的焊膏不会形成金属间化合物,而通常会形成如图6所示的随机焊球。

总而言之,掩膜限定设计规则具有更好的焊膏印刷量及其重复性。由于绝大多数的表面组装缺陷都是由焊膏印刷问题所导致,因此尽可能地减小焊膏印刷工艺参数的变化是十分必要的。

在电路板与焊料间建立更牢固的连接也同样是我们所努力追求的目标,采用焊盘限定的焊点可以实现这样的目标。对于许多电路组装来说,减少片间焊球和随机锡球的产生也是我们的关键追求目标。

这个问题的答案似乎不像一开始想象的那么简单,或许关键性的因素是要确保实现良好的焊膏印刷和采用焊盘限定的设计规则,这将会大大增加板级组装的电学可靠性。(SMTC@ACT)


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