第3章 核心工艺
3.1 钢网设计
钢网制造方法与特点
目前，钢网的制造方法主要有激光切割、化学腐蚀和电铸。
1）激光切割
激光切割仍是目前主要的制造方法，其特点如下：
（1）孔壁表面较粗糙，焊膏的转移率在70%～75%。
（2）适合焊膏转移的钢网开窗与侧壁的面积比≥0.66。
激光切割孔壁的质量情况如图3-1所示。
图3-1 激光切割孔壁的质量情况
2）电铸
（1）孔壁表面平滑、呈梯形，焊膏的转移率高，达85%以上。
（2）可用于钢网开窗与侧壁的面积比小于0.66、大于0.5的场合。
激光切割孔壁的质量情况如图3-2所示。
图3-2 电铸孔壁的质量情况
钢网厚度的选择
为使焊膏达到最佳的释放效果，钢网的开窗面积与侧壁面积比应≥0.66，这是一个实现70%以上焊膏转移的经验数值，也是钢网厚度设计的依据。也可以简单地按图3-3以引线间距大小进行选取，它满足上述的0.66原则。
图3-3 钢网厚度的选择
钢网开窗的设计原则
钢网设计是工艺设计的核心工作，也是工艺优化的主要手段。
钢网设计包括开窗图形、尺寸及厚度设计（如阶梯钢网阶梯深度）。
一般经验：
1）钢网厚度
0.4mm间距的QFP、0201片式元件，合适的钢网厚度为0.1mm；0.4mm间距的CSP器件，合适的钢网厚度为0.08mm，这是钢网设计的基准厚度。如果采用上阶梯钢网，合适的最大厚度为在基准厚度上增加0.08mm。
2）开窗尺寸设计
除以下情况，可采用与焊盘1:1的原则来设计（前提是焊盘是按照引脚宽度设计的，如果不是，应根据引脚宽度开窗，这点务必了解）。
（1）无引线元器件底部焊接面（润湿面）部分，钢网开孔一定要内缩，用以消除桥连或锡珠现象，如QFN的热焊盘内缩0.08mm，片式元件要削角，如图3-4（a）所示。
（2）共面性差的元器件，钢网开窗一般要向非封装区外扩0.5～1.5mm，以便弥补共面性差的不足。
（3）大面积焊盘，必须开栅格孔或线条孔，以避免焊膏印刷时被刮薄或焊接时把元器件托起，使其他引脚开焊，如图3-4（b）所示。
（4）ENIG键盘板尽量避免开口大于焊盘的设计。
（5）元器件底部间隙（Stand-off）为零的封装元器件体下非润湿面不能有焊膏，否则，一定会引发锡珠问题！
（6）有些元器件引脚不对称，如SOT-152，必须按浮力大小平衡分配焊膏，如图3-5所示，以免因焊膏的托举效应而引起开焊。
（7）在采用钢网开窗扩大工艺时，必须注意扩大孔后是否对元器件移位产生影响。
图3-4 钢网开窗示意图
钢网开窗设计的难点在于需满足每个元器件对焊膏量的个性化需求，对于PCB同一面上元器件大小（实质指焊点大小）比较一致的板，一般不是问题，但对于同一面上元器件大小相差很大的板就是一个很大的问题。要满足每个元器件对焊膏量的个性化需求，不仅要从钢网设计方面考虑，更重要的是元器件的布局必须为钢网开窗或应用阶梯钢网提供前提条件。
常见封装的开窗设计
常见元器件钢网的开窗图形与尺寸要求如图3-5所示。
图3-5 常见元器件钢网的开窗图形与尺寸
阶梯钢网
1.应用
根据对PCBA焊接问题的统计分析，0.635mm及以下间距的QFP/SOP等密脚元器件的桥连和电源模块、变压器、共模电感（Common Mode Choke）、连接器等元器件的开焊名列前五大缺陷。
0.635mm及以下间距的QFP/SOP等密脚元器件的桥连，主要是因为印刷的焊膏过厚，而电源模块、变压器、共模电感、连接器等元器件的开焊，则是因为印刷的焊膏厚度不足。集中到一点就是焊膏印刷厚度或量不合适。在同一块PCBA上，能够兼顾各种封装对焊膏厚度不同需求的最简单的工艺方法就是采用阶梯钢网。
阶梯钢网虽然存在使用寿命短、损坏刮刀刀刃的不足，但在应对复杂的PCBA时，可以有效解决不同封装对焊膏量的个性化需求问题，降低虚焊、开焊的缺陷率。
2.阶梯钢网的设计
1）阶梯方式
阶梯钢网有两种阶梯方式，即下阶梯（Step-down）和上阶梯（Step-up）。一般而言，下阶梯方式，随印刷次数的增加，蚀刻（下沉）部分的钢网会变得松弛，从而会引起精细间距元器件焊膏图形的移位，因此，一般多采用上阶梯方式。
2）蚀刻表面的处理
阶梯钢网的蚀刻表面宜做成光亮面。粗糙的表面，往往不利于刮净焊膏，如图3-6（a）所示；如果加大刮刀的压力，很容易引起钢网移位（因有台阶）、焊膏网状化，如图3-6（b）所示。
3）间距要求
（1）厚薄开窗元器件焊盘间隔需满足如图3-7所示的要求。
（2）钢网上阶梯边缘与孔边的间距应≥（1.0mm/1mil）h，如图3-8所示。
图3-6 钢网表面粗糙带来的问题
图3-7 应用阶梯钢网的焊盘间隔要求
上阶梯钢网由于台阶的存在，表面容易残留焊膏，如图3-8所示，因此，清洗时应该多加注意。
图3-8 阶梯钢网应用实例
阶梯钢网设计参数
1）钢网设计
为了了解上阶梯对周边焊膏印刷厚度的影响，设计了一种上阶梯厚度的钢网（见图3-9）进行实验。
基础厚度：0.12mm（原始厚度0.2mm）。
上阶梯厚度：0.06mm、0.08mm。
孔直径：0.5mm。
孔距：1.0mm。
图3-9 实验用阶梯钢网
2）实验条件
印刷速度：20mm/s。
刮刀压力：8.4kgf。
脱摸速度：1mm/s。
刮刀宽度：480mm。
3）实验数据，如图3-10所示。
图3-10 实验数据
4）结论
每1mil厚的上阶梯影响距离为1mm。
焊膏印刷转移率
1）转移率
转移率是指钢网开窗内焊膏沉积到焊盘上的体积百分比，用TE表示。
TE=100×（沉积焊膏量/开窗体积）
2）面积比与转移率的关系
统计分析表明，在焊膏与印刷参数确定的情况下，转移率的95%是由面积比决定的。当面积比上升时，转移率的偏差就变小，得到的印刷体积重复性会更好，如图3-11所示。
图3-11 转移率与面积比
3）随着元器件间距的变小，钢网开孔也在变小，这样印刷的转移率会降低。为了获得较高的转移率，需要引进一些新的钢网设计模型）每个孔单独做成阶梯开孔，如图3-12所示。
图3-12 阶梯开孔设计
实验结果表明，在面积比非常低的情况下，采用单孔阶梯孔的钢网设计，可以提高焊膏的转移率，其主要优势体现在钢网厚度比较厚的情况下，如用8mil/10mil厚钢网印刷0.5mm间距的QFP时，优势非常明显。
这也是焊膏立体印刷的基础。