miniSMD元件的PCB与钢网设计优化

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

引言

消费类产品产值已达到数万亿美元,以超过10%的年增长率持续增长。随着移动电子产品的发展,智能手机的功能越来越强大,集成度越来越高,板卡的封装密度越来越高,采用的无源器件的尺寸也越来越小。因为有效提高封装密度的方式是减小无源元器件的尺寸以节约空间,在电子封装中,出现了0.3 mm的CSP、BGA、Flip Chip和MCM等有源元件,也出现了亚毫米尺寸的片式元件—miniSMD(迷你型片式无源元件),如0201和01005元件。miniSMD的应用,大幅度地减少了电子产品的体积,降低了电路的互联阻抗,使其能在更高的频率下工作,使信号的质量得到提升,特别是在5G产品中的应用。在巨大的市场和应用需求的驱动下,miniSMD元件的应用与发展就成为电子制造行业的一个技术热点。由于其元件外形尺寸缩小到了亚毫米甚至一百微米,给整个基于焊膏封装的SMT工艺技术的各个工序带来了很大挑战。很多公司在组装01005元件过程中,组装良率很低,而且返工报废高。为了满足日益增多客户的要求,生产高质量及可靠性的电子产品,我们在很早以前就开展了基于miniSMD(01005)组装工艺的研究课题,联合业界设备、材料、工具供应商的资深专家、国际SMT代工大厂专家的共同研讨,提出相应的应对技术:从改善设计,改善设备配置,优化工艺参数等入手,建立针对01005迷你型元件的稳定可靠的SMT组装工艺。

miniSMD

SMD无源元件尺寸

随着片式元件(SMD)外形尺寸的减小,进入到了亚毫米尺寸范围,称之为迷你片式元件(miniSMD)。贴装密度的提高,导致贴装间距从0.2 mm减小到0.1 mm。以片式电容和片式电阻为例,其具体尺寸如图1所示。

片式元件缩小后,其尺寸由0402和0201,进一步减小到01005。同样数量的01005元件组装后的面积则比0201减少了约40%,如图2所示。

miniSMD对SMT工艺的挑战

越来越多的电子产品需要贴装01005元件,如5G手机产品、智能穿戴产品和医疗电子的产品等,同时除了在硬板上组装外,还要求在软板上组装。而目前的制造设备、工具及制造工艺难以适用于超小尺寸的组装要求。

首先,对SMT代工企业来说,需要从设备、工艺和人员等进行可制造能力的认证;在新产品导入中提供基于01005元件的贴装工艺解决方案,为企业赢得订单;

其次,越来越多3级产品都采用了01005元件,因此要求SMT生产企业必须按照国际标准进行组装,检验及返工,能更有效地保证产品的品质和可靠性。

根据行业经验及试验研究,列出了应用01005元件给SMT行业带来的挑战,如图3所示。

miniSMD的PCB焊盘设计

PCB推荐设计方案

由于miniSMD特别是01005元件尺寸的变小,PCB焊盘尺寸以及焊盘间距也将变小,接近SMT的工艺极限。因此,PCB的焊盘及阻焊层等设计需要进一步优化,以保证PCB生产工艺以及SMT焊接工艺过程的良率与品质。

在0201元件焊盘设计的基础上,根据钢网的厚度、焊盘面积和开口尺寸等,可计算出所需要的锡膏量(图4)。为了精确控制元件在焊接过程中所需要的锡膏量,决定采用0.0762 mm

(3 mil)厚的钢网,推荐了3种焊盘设计方案,如图4所示和见表1。

PCB工艺流程及关键控制点

以常用的6层板为例,PCB的结构如图5所示。

焊盘和间距尺寸的减小,给PCB的制造流程带来挑战,主要体现在激光钻孔、沉铜、图像转移和阻焊层涂覆等工艺上,如图6所示。

由于01005元件尺寸的减小,PCB的焊盘及焊盘间距也需要作出相应的变化。

*焊盘VIA孔激光钻孔

高密度布线一般采用在焊接盘上直接钻孔的连接方式进行布线连接,不推荐机械钻Via孔,而推荐使用激光打盲孔。

*沉铜

为了避免SMT焊接时出现焊接针孔或吹孔,焊盘上的孔建议做填孔处理,以预防焊接中可能存在的空洞问题。电路铜的厚度建议按严控制,最好是±5μm以内,表面总铜厚建议控制在20μm以内。由于孔径较小,建议采用盲孔加埋孔方式。

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