Проектирование трафаретов для поверхностного монтажа печатных плат
Трафаретная печать паяльной пасты
При использовании данного способа нанесения паяльной пасты она наносится через металлический трафарет, в котором предварительно были вырезаны лазером отверстия (апертуры) в тех местах, где паяльная паста должна попасть на контактные площадки поверхностно-монтируемых компонентов. В настоящее время наиболее распространенным стал метод изготовления трафаретов лазерной резкой из специальной полированной нержавеющей стали. Он обеспечивает высокое качество формирования апертур в трафарете, четкое соблюдение их форм и размеров, задаваемых в исходном файле проекта трафарета.
Выбор толщины, материала и размеров апертур трафарета
Для качественного и быстрого нанесения паяльной пасты рекомендуется выбирать трафареты из полированной нержавеющей стали, а не из бронзы. Бронза, как материал более мягкий при натяжении трафарета, вызывает деформацию апертур в трафарете, что может привести с смещению рисунка наносимой паяльной пасты и последующему образованию перемычек между выводами компонентов или остаточным шарикам припоя на поверхности печатной платы собранного электронного узла.
Полированная поверхность нержавеющей стали способствует лучшему прилеганию ракеля при нанесении паяльной пасты, что уменьшает эффект выскабливания ракелем уже нанесенной паяльной пасты, а также снижает количество остатков паяльной пасты на трафарете, после прохода ракеля. Излишнее количество остатков пасты на трафарете ухудшит ее нанесение при следующем цикле печати, а мелкие остатки пасты при этом могут образовать шарики припоя, которые в дальнейшем могут закатиться под низкосидящие компоненты.
Практика показывает, что для подавляющего большинства электронных изделий достаточно применять всего две толщины материала для трафарета. Это 0,127мм и 0,150мм. Если на печатной плате есть компоненты с шагом 0,5мм и менее, лучше использовать трафарет из материала, толщиной 0,127мм, если нет, лучше оставить 0,150мм. Для монтажа компонентов с более мелкими шагами (включая микроБГА), можно попробовать использовать материал толщиной 0,08мм.
При желании можно подобрать толщину материала трафарета, согласно нижеприведенной таблице:
Тип компонента
Шаг выводов (расстояние между серединами соседних выводов компонента)
Ширина контактной площадки компонента
Длина контактной площадки компонента
Ширина апертуры (отверстия) трафарета
Длина апертуры (отверстия) трафарета
Диапазон толщин материала трафарета
PLCC
0402
0201
CIR 0.80 mm [31.5 mil]
CIR 0.80 mm [31.5 mil]
CIR 0.75 mm [29.5 mil]
CIR 0.75 mm [29.5 mil]
BGA с мелким шагом
CIR 0.38 mm [15.0 mil]
CIR 0.38 mm [15.0 mil]
BGA с мелким шагом
CIR 0.30 mm [11.8 mil]
CIR 0.30 mm [11.8 mil]
Изменение формы и размеров апертур трафарета
Существует несколько основных вариантов модификация форм и размеров апертур в трафарете, которые могут помочь избежать некоторых дефектов пайки. Приведенные рекомендации не являются «догмой для технологов», так как реальные требования к трафарету зачастую определяются экспериментальным путем непосредственно на производстве. Многие вещи зависят от применяемого оборудования и навыков персонала, работающего на нем.
Как правило, апертуры трафарета достаточно сделать равными размеру контактных площадок компонента, но для компонентов с мелким (менее 0,5мм) шагом рекомендуется все-таки заузить апертуры на 0,05мм с каждой ее стороны для предотвращения образования перемычек между соседними выводами компонента.
Можно попробовать уменьшать пропорционально все размеры апертур, но, тут нужно помнить о том, что излишнее уменьшение может явиться причиной непопадания достаточного количества пасты на контактную площадку и, как следствие, образование непропая компонента.
Рис.2 Скругление углов апертур трафарета
Выполняется для предотвращения застревания частиц пасты в углах апертур трафарета (особенно апертур небольшого размера). Застрявшие частицы могут выпасть из трафарета при следующем цикле печати на печатную плату и образовать при ее пропайке шарики припоя или явиться причиной непопадания пасты в мелкую апертуру трафарета при следующем цикле нанесения пасты. Как правило, подобное скругление неплохо делать на апертурах компонентов с шагом 0,5мм и менее, на остальных компонентах по желанию.
Как правило, применяются для стандартных чип-компонентов (резисторы, конденсаторы, и.т.д) с целью «увести» излишки паяльной пасты из-под брюшка компонента, чтобы воспрепятствовать образованию перемычки между его контактными площадками.
Рис.3 Варианты модификации формы апертур для стандартных чип-компонентов
Также излишки пасты под самим компонентом, не закрепившиеся на его контактной площадке могут стать причиной возникновения шариков припоя.
Рис.4 Образование шариков припоя из-за излишков пасты под чип-компонентом
Подобные модификации используются для компонентов MELF типа (бочонкообразные компоненты). С одной стороны это помогает избежать перемычки под компонентов (а также образования шариков припоя из-за остатков пасты), с другой стороны образует два скобообразных валика пасты, обхватывающих бочонкообразный компонент и не дающих ему возможности кататься по печатной плате, до оплавления паяльной пасты.
Трафареты \ Техническая информация >>>
Работа подразделения лазерной резки трафаретов в новогодние праздники:
В 2014-2015 году отгрузка заказов будет производиться до 30/12/2014 включительно. В течение всех праздничных дней заказы можно присылать как на электронную почту, так и через сервис заказов круглосуточно. Почта нами будет проверяться. Заказы будут обработаны и, по мере накопления, будут изготовлены и отправлены сразу же в первые послепраздничные дни (начиная с 12/01/2015).
В 2013 году отгрузка заказов будет производится до 30/12/2013 включительно. В течение всех праздничных дней заказы можно присылать как на электронную почту, так и через сервис заказов круглосуточно. По мере накопления они будут изготовлены и отправлены в первые послепраздничные дни (09-10/01/2014).
Сообщаем о начале работы нашего нового подразделения PRONTO5 (www.pronto5.ru).
Подразделение занимается срочным изготовлением единичных партий деталей. Изготовлением производится фрезерованием из металлов и пластиков.
PRONTO5 оснащено мощным 5-координатным вертикальным фрезерным обрабатывающим центром и высокоточной портальной координатно-измерительной машиной.
Подробнее о наших возможностях можно узнать на нашем сайте www.pronto5.ru
Подразделение «Лазер-Трафарет» фирмы «Таберу» первой в России освоила выпуск многоуровневых трафаретов с переменной толщиной материала!
«Лазер-Трафарет» производит многоуровневые трафареты как с уменьшением (Step-Down Stencil), так и с увеличением толщины материала (Step-Up Stencil). В настоящее время отработана технология производства двух, трёх и четырёхуровневых трафаретов.
Многоуровневый трафарет дает уникальную возможность наносить за один проход ракеля разное количество пасты через одинаковые по размерам апертуры. Это собенно ценно при сборке узлов, в которых применяются компоненты с различными количественными требованиями по нанесению пасты.
Все трафареты на предприятии производятся на немецком оборудовании LPKF в соответствии с рекомендациями IPC.
Отдельно предлагается полная электрополировка трафарета, облегчающая прохождение паяльной пасты через апертуры.
Усиление края трафарета выполняется с помощью наварки контактной сваркой дополнительных полос из материала 0,2мм, в районе расположения апертур перфорации. — Позволяет снизить вероятность прорыва перфорации для трафаретов из тонких материалов (от 0,1мм и менее). — Увеличивает жесткость трафарета на скручивание — Делает трафарет более безопасным в использовании, из-за притупления острого края
Мы рады сообщить, что несмотря на аномальные погодные условия мы снимаем ограничения на изготовление печатных плат со сроками 1, 2 и 3 недели. Временно платы будут изготавливаться без электротестирования, но со 100% автоматическим оптическим контролем.
Кроме того, в наличии имеются толщины 0,08мм и 0,100мм, временно отсутствовавшие на производстве.
Кроме того, в наличии имеются толщины 0,08мм и 0,100мм, временно отсутствовавшие на производстве.
Мы рады предложить новую услугу при заказе трафаретов для монтажа.
При заказе электрополировки бесплатно выполняется ультразвуковая очистка трафарета в специальном активном растворе, устраняющим мельчайшие дефекты лазерной резки. Благодаря воздействию мощного ультразвука раствор проникает во все отверстия трафарета и очищает их от остатков мелких частиц металла и окалины, возникающих при лазерной резке. Специальный активный раствор воздействует на саму сталь трафарета, заставляя сглаживаться все мелкие неровности на поверхности трафарета и, что самое важное, на внутренних стенках апертур. Используемая процедура очистки отличается от обычной ультразвуковой промывки трафарета моющими растворителями, применяемыми при мойке трафаретов, поскольку используется активный раствор, воздействующий на саму сталь трафарета. Данная операция выполняется всего один раз, при финишной электрополировке трафарета.
Использование ультразвуковой очистки, совместно с электрополировкой трафарета позволяет: — Улучшить пропускную способность трафарета для паяльной пасты. Отпечатки пасты получаются более четкими. Как следствие, сокращается время трафаретной печати и увеличивается время эксплуатации трафарета между циклами отмывки.
— Улучшить качество поверхности трафарета и ее защитных свойств против воздействия растворителей, применяемых для отмывки трафаретов. Из-за гладкой поверхности трафарет легче и быстрее моется
— Уменьшить вероятность образования перемычек пасты при поднятии трафарета
— Снять легкий нагар от лазерной резки с поверхности трафарета и внутренних стенок апертур
Выполнение финишной ультразвуковой очистки, совместно с электрополировкой рекомендуется для трафаретов с применением апертур для мелкошаговых (0,5мм и менее) микросхем и компонентов БГА.
Подробную информацию по паяльным пастам можно получить в торговом отделе: Телефон\факс: +7(495)995-3408 e-mail: trade@smtservice.ru
С 2009 года мы включили несколько технологических новинок, входящих в базовую стоимость трафарета для поверхностного монтажа: — Подготовка заказа нашим инженером, в соответствии с требованиями Заказчика — НОВИНКА: Лазерная резка в среде кислорода, что повышает качество реза лазера и чистоту апертур — НОВИНКА: Проверка трафарета на специализированной системе Автоматической Оптической Инспекции трафаретов с приложением отчета проверки к заказу (для заказов свыше 1000 апертур) — НОВИНКА: Контрастная маркировка с полной информацией о заказе (название файла, номер заказа, толщина материала, сторона печатной платы, дата изготовления) выполняемая со стороны трафарета, обращенной к оператору при работе — Герметичная упаковка с жесткой подложкой и ручкой для переноски, пригодная для последующего хранения трафарета — Материал трафарета
Опции при заказе трафарета: — НОВИНКА: Финишная электрополировка трафарета — НОВИНКА: Сквозные реперные знаки с заполнением черным красящим веществом (Cut Through, Filled with Contrasting Epoxy по IPC-7525)
На склад поступил материал толщиной 0,3мм. В настоящий момент все заявленные толщины материала доступны для выполнения заказов.
Методы нанесения материалов на печатную плату для поверхностного монтажа
Существует пять основных методов нанесения клеев, флюсов и паяльных паст на печатную плату.
Использование последних трех методов нанесения материалов (флюсов, клеев, припоев) на печатную плату с применением систем дозирования реагентов позволяют нанести по одной точке соответствующего материала за один раз. Первые же два способа (метод стержней и трафаретная печать) позволяют наносить материалы сразу в нескольких местах за один шаг. Соответственно каждый из пяти представленных методов нанесения материалов на печатную плату работает по-своему, имеет свои достоинства и недостатки.
Метод стержней – самый простой способ нанесения клея или флюса на печатную плату. Несмотря на то, что один стержень может быть использован для нанесения клея (или паяльного флюса) только в одном месте за один раз, для нанесения материала в нескольких местах можно использовать матрицу стержней. Основные этапы работы оборудования для нанесения клея, работающего по методу стержней, представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – нанесение материалов на печатную плату методом стержней
Как и было отмечено ранее, данный метод в основном используют для нанесения клеев и флюсов, однако он плохо подходит для нанесения паяльной пасты. Стержень погружают в резервуар с материалом, который будет наноситься на печатную плату. Длина и диаметр стержня определяют количество материала, набранного в резервуаре. Затем стержень опускают на печатную плату в том месте, где нужно нанести точку клея или флюса. Поверхностное натяжение заставляет часть клея или флюса стечь на плату. В этот момент важно, чтобы стержень не касался платы, поскольку это нарушит форму точки материала. Для этого метода нанесения нужна относительно плоская и ровная подложка. Использование матрицы стержней позволяет наносить клей на печатные платы даже после установки компонентов в сквозные отверстия.
Аналогичный принцип используется для нанесения флюса на шарики припоя DCA/FC-корпусов. Кристалл погружают в ванну с тонкой пленкой флюса. Глубина флюса позволяет смачиваться только шарикам припоя, таким образом, шарики становятся стержнями, которые переносят капли флюса. Флюс на шариках припоя переносится на печатную плату, где фиксируют шарики, и выполняет функции флюса во время последующей пайки оплавлением.
Важной проблемой метода нанесения материалов (клеев и флюсов) с помощью метода стержней является использование открытых ванн с клеем или флюсом. Клеи легко впитывают влагу из воздуха. У флюсов легко испаряется носитель (вода или спирт) и, возможно, другие компоненты. Любой из этих процессов приводит к изменению свойств материала, что влияет на количество жидкости на стержне и размер точки на печатной плате (включая процесс смачивания шариков припоя перевернутого кристалла, описанный выше). Клеи должны обладать достаточной «прочностью жидкости», а флюсы – удерживать компонент на месте в течение всего срока размещения компонента на печатной плате и последующего транспортирования печатной платы в печь для отверждения клея или оплавления припоя.
Технология трафаретной печати
Трафаретная печать может использоваться для клеев, а также паяльной пасты. Низкая вязкость большинства флюсов препятствует их успешному нанесению этим методом. Метод трафаретного нанесения материалов на печатную плату основан на том, что клей или паяльная паста наносятся через отверстия в трафарете, которые называются апертурами. Апертуры трафарета расположены над теми местами печатной платы, на которые требуется нанести клей или паяльную пасту. Нанесение материала осуществляется ракелем, который во время прохода над трафаретом продавливает некоторое количество клея или паяльную пасты в его апертуры, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Технология трафаретной печати
На рисунке 2 также показано различие между трафаретами с частично закрытыми (сетчатыми) и открытыми апертурами. Конструкции обоих типов определяют специфику и области применения обоих устройств в технологии трафаретной печати. Трафарет с частично закрытыми апертурами состоит из двух слоев: слоя эмульсии и пленки, которая удерживает эмульсию. Апертуры, через которые клей или паяльная паста наносятся на плату, создаются путем фотохимического фрезерования. Клей или паяльная паста просто протекают сквозь сетку, которой закрыты апертуры.
Трафарет с открытыми апертурами представляет собой лист металла или сплава (обычно из молибдена, никеля, латуни или нержавеющей стали), в котором проделаны отверстия. Апертуры могут быть получены с помощью одной из следующих технологий или их комбинации:
Трафаретная печать является наиболее широко используемым средством для нанесения паяльной пасты при поверхностном монтаже печатных плат. Для трафаретной печати через сетчатый трафарет (80 отверстий на кв. дюйм) предпочтительно выбирать паяльную пасту с вязкостью от 250 до 550 кспз (килосентипуазов). В случае трафаретной печати через трафарет с полностью открытыми отверстиями нужна паста с вязкостью 400-800 кспз. Для высоких объемов электронного монтажа на одну печатную плату необходимо нанести несколько десятков тысяч точек паяльной пасты. Этот процесс в настоящее время разрабатывается для печати в отверстия и PIP-технологии. Трафаретную печать паяльной пасты также осуществляют с использованием ступенчатых трафаретов. Такие трафареты изготавливают двух типоразмеров с различной толщиной, их используют, когда на печатной плате нужно установить настолько широкий диапазон устройств разнообразных конфигураций с различным шагом, что с помощью одного трафарета невозможно нанести все необходимые точки паяльной пасты. При нанесении паяльной пасты для устройств с малым шагом используют тонкие секции трафарета, а для компонентов с большим шагом — толстые. Эти трафареты дороже в изготовлении, чем трафареты одной толщины.
Трафаретная печать клея или паяльной пасты имеет ряд недостатков.
При печати через трафареты с открытыми апертурами для монтажа компонентов с периферийными и матричными выводами и шагом более 0,5 мм бессвинцовые припойные пасты демонстрируют те же свойства, что и оловянно-свинцовые. При меньших шагах и соответственно меньших размерах апертур коэффициент переноса бессвинцовых паст несколько снижается. Вероятной причиной является сниженная плотность частиц бессвинцовых сплавов, поэтому их меньшее количество проходит через апертуры трафарета. Следовательно, нужно слегка увеличить размер апертур, чтобы нанести количество бессвинцовой пасты, необходимое для получения паянного соединения.
Пульсационный нагнетательный насос-дозатор относится к системам дозирования реагентов для нанесения на печатную плату и позволяет наносить пасту с помощью приложения к резервуару с материалом импульса давления в течение определенного времени (рисунок 3). Из сопла насоса выбранного диаметра выдавливается точно контролируемое (дозируемое) количество клея или паяльной пасты и наносится на плату. Часто материал поставляется уже расфасованным в шприцы, которые вставляют в монтажный автомат.
Рисунок 3 – Нанесение паяльной пасты и клея с помощью насоса дозатора
Как и в случае остальных технологий нанесения материалов, свойства клея или паяльной пасты играют важную роль и определяют постоянство размеров точек на различных местах. При эксплуатации насоса-дозатора следует строго придерживаться требований к сроку годности материалов, особенно тех, что находятся внутри дозатора из-за их быстрого разложения на открытом воздухе в условиях сборочного цеха. Желаемая вязкость материалов для нанесения через сопло насоса составляет от 100 до 400 кспз.
Автоматы с установленными поршневыми насосами-дозаторами способны наносить материалы на одной печатной плате в виде точек различного размера. Один из методов использования насоса-дозатора заключается в установке на одну головку сопел или шприцев различного размера и приложении одинакового импульса давления. Второй подход заключается в предварительном программировании времени и силы давления в насосе-дозаторе, чтобы получить точки материала различного размера из одного и того же сопла или шприца. Эта технология с использованием насоса-дозатора занимает гораздо больше времени, чем трафаретная печать. Тем не менее, она обеспечивает большую гибкость с точки зрения строгого контроля количества и расположения точек клея или паяльной пасты.
В винтовом насосе для нанесения паяльной пасты или клея использован архимедов винт, который через сопло выталкивает определенную порцию материала (рисунок 4). Скорость и продолжительность поворота винта, а также размер отверстия, определяют количество клея или пасты, нанесенной на печатную плату. Как и в случае поршневого насоса-дозатора, с помощью различных шпинделей (головок) или компьютерных программ, изменяющих скорость вращения винта или продолжительность его поворота, можно изменять объем точек материала, наносимых через сопло с отверстием одного размера. Все остальные соображения относительно подбора вязкости клея или паяльной пасты и их срок годности также следует учитывать при использовании данного насоса.
Рисунок 4 – Винтовой насос для нанесения паяльной пасты и клея
В поршневом насосе для контроля количества наносимого клея используется движение поршня, а не импульс давления воздуха. Этот метод применяется в основном для нанесения клея (рисунок 5) Во-первых, сопло погружают в ванну с клеем, из которой насос всасывает постоянное количество клея. Оно заполняет отверстие и небольшой цилиндр в верхней части отверстия. Для этого метода лучше использовать жидкости с низкой вязкостью. Сравнительно трудно набрать в насос очень вязкие жидкости, такие как припойная паста и некоторые клеи. Далее поршень движется вниз в цилиндре, выдавливая точное количество клея из сопла на печатную плату. При использовании этого метода на печатную плату выдавливается постоянный объем материала. Кроме того, размеры цилиндра, скорость, с которой перемещается поршень, а также вязкость клея сильно влияют на объем клеевой точки. Необходимо также использовать материалы в соответствии с их сроком годности.
Рисунок 5 – Нанесение клея с помощью поршневого насоса
Основная цель каждой из пяти технологий нанесения материала — нанесение строго определенного и постоянного количества клея или паяльной пасты на каждом заданном участке печатной платы. Слишком малая клеевая точка, особенно по высоте, не сможет закрепить компонент на печатной плате. Слишком большое количество клея растечется по контактной площадке и нарушит качество пайки. Из-за недостаточного количества пасты станет невозможным получение качественного паянного соединения, а в худшем случае может произойти обрыв цепи. Избыток паяльной пасты связан с образованием галтелей, которые трудно обнаружить после пайки, а также с вероятностью коротких замыканий между соседними межсоединениями.