La importància de les plantilles per al muntatge de PCB

El procés de muntatge de superfície utilitza plantilles com a via per a una deposició precisa i repetible de pasta de soldadura. Una plantilla es refereix a una làmina prima o prima de llautó o acer inoxidable amb un patró de circuit tallat per coincidir amb el patró de posició del dispositiu de muntatge en superfície (SMD) a la placa de circuit imprès (PCB) on s’ha d’utilitzar la plantilla. Després que la plantilla es col·loqui amb precisió i s’ajusti a la PCB, la escombreta metàl·lica força la pasta de soldadura a través dels forats de la plantilla, formant així dipòsits a la PCB per fixar l’SMD al seu lloc. Els dipòsits de pasta de soldadura es fonen en passar pel forn de reflux i fixen el SMD al PCB.

ipcb

El disseny de la plantilla, especialment la seva composició i gruix, així com la forma i mida dels forats, determina la mida, la forma i la ubicació dels dipòsits de pasta de soldadura, la qual cosa és essencial per garantir un procés de muntatge d’alt rendiment. Per exemple, el gruix de la làmina i la mida de l’obertura dels forats defineixen el volum de purín dipositat al tauler. L’excés de pasta de soldadura pot provocar la formació de boles, ponts i làpides. Una petita quantitat de pasta de soldadura farà que les juntes de soldadura s’assequin. Tots dos danyaran la funció elèctrica de la placa de circuit.

Gruix de làmina òptim

El tipus de SMD del tauler defineix el gruix òptim de la làmina. Per exemple, l’embalatge de components com el SOIC 0603 o 0.020 “de pas requereix una plantilla de pasta de soldadura relativament prima, mentre que una plantilla més gruixuda és més adequada per a components com el SOIC de 1206 o 0.050” de pas. Tot i que el gruix de la plantilla utilitzada per a la deposició de pasta de soldadura oscil·la entre 0.001 “i 0.030”, el gruix típic de la làmina que s’utilitza a la majoria de plaques de circuit oscil·la entre 0.004 “i 0.007”.

Tecnologia de creació de plantilles

Actualment, la indústria utilitza cinc tecnologies per fer plantilles: tall per làser, electroformat, gravat químic i mescla. Tot i que la tecnologia híbrida és una combinació de gravat químic i tall per làser, el gravat químic és molt útil per a la fabricació de plantilles escalonades i plantilles híbrides.

Gravat químic de plantilles

El fresat químic grava la màscara metàl·lica i la plantilla de màscara metàl·lica flexible des dels dos costats. Com que això es corroeix no només en la direcció vertical sinó també en la direcció lateral, provocarà retallades i farà que l’obertura sigui més gran que la mida requerida. A mesura que l’aiguafort avança des d’ambdós costats, la reducció de la paret recta donarà lloc a la formació d’una forma de rellotge de sorra, que donarà lloc a un excés de dipòsits de soldadura.

Com que l’obertura de la plantilla de gravat no produeix resultats suaus, la indústria utilitza dos mètodes per allisar les parets. Un d’ells és el procés d’electropolit i micro-gravat, i l’altre és el niquelat.

Tot i que una superfície llisa o polida ajuda a l’alliberament de la pasta, també pot provocar que la pasta salti la superfície de la plantilla en lloc d’enrotllar-se amb la escobadora. El fabricant de la plantilla resol aquest problema polint selectivament les parets del forat en lloc de la superfície de la plantilla. Tot i que el niquelat pot millorar la suavitat i el rendiment d’impressió de la plantilla, pot reduir les obertures, cosa que requereix un ajust de l’obra d’art.

Plantilla de tall per làser

El tall per làser és un procés subtractiu que introdueix dades de Gerber a una màquina CNC que controla el raig làser. El raig làser comença dins del límit del forat i travessa el seu perímetre mentre elimina completament el metall per formar el forat, només un forat a la vegada.

Diversos paràmetres defineixen la suavitat del tall làser. Això inclou la velocitat de tall, la mida del punt del feix, la potència del làser i el focus del feix. En general, la indústria utilitza un punt de feix d’uns 1.25 mils, que pot tallar obertures molt precises en una varietat de formes i requisits de mida. Tanmateix, els forats tallats amb làser també requereixen un postprocessament, igual que els forats gravats químicament. Els motlles de tall per làser necessiten poliment electrolític i niquelat per fer que la paret interior del forat sigui suau. Com que la mida de l’obertura es redueix en el procés posterior, la mida de l’obertura del tall per làser s’ha de compensar adequadament.

Aspectes de l’ús de la impressió amb plantilla

La impressió amb plantilles implica tres processos diferents. El primer és el procés d’ompliment dels forats, en què la pasta de soldadura omple els forats. El segon és el procés de transferència de pasta de soldadura, en què la pasta de soldadura acumulada al forat es transfereix a la superfície del PCB, i el tercer és la ubicació de la pasta de soldadura dipositada. Aquests tres processos són essencials per obtenir el resultat desitjat: dipositar un volum precís de pasta de soldadura (també anomenada maó) al lloc correcte de la PCB.

Omplir els forats de la plantilla amb pasta de soldadura requereix un rascador de metall per pressionar la pasta de soldadura als forats. L’orientació del forat en relació a la tira de la raspadora afecta el procés d’ompliment. Per exemple, un forat amb el seu eix llarg orientat a la carrera de la fulla s’omple millor que un forat amb el seu eix curt orientat en la direcció de la carrera de la fulla. A més, atès que la velocitat de la raspadora afecta l’ompliment dels forats, una velocitat més baixa de la raspadora pot fer que els forats l’eix llarg dels quals sigui paral·lel a la carrera de la raspadora omplin millor els forats.

La vora de la tira de rasqueta també afecta com la pasta de soldadura omple els forats de la plantilla. La pràctica habitual és imprimir mentre s’aplica la pressió mínima de la escoba mentre es manté una tovallola neta de la pasta de soldadura a la superfície de la plantilla. L’augment de la pressió de la raspadora pot danyar la rasqueta i la plantilla, i també provocar que la pasta s’unti sota la superfície de la plantilla.

D’altra banda, la pressió inferior de la escobadora pot no permetre que la pasta de soldadura s’alliberi a través dels petits forats, donant lloc a una soldadura insuficient als coixinets de PCB. A més, la pasta de soldadura que queda al costat de la rasqueta prop del forat gran es pot tirar cap avall per gravetat, donant lloc a un excés de deposició de soldadura. Per tant, es requereix una pressió mínima, la qual cosa aconseguirà una neteja neta de la pasta.

La quantitat de pressió aplicada també depèn del tipus de pasta de soldadura utilitzada. Per exemple, en comparació amb l’ús de pasta d’estany/plom, quan s’utilitza pasta de soldadura sense plom, la rasqueta de PTFE/níquel requereix aproximadament un 25-40% més de pressió.

Problemes de rendiment de pasta de soldadura i plantilles

Alguns problemes de rendiment relacionats amb la pasta de soldadura i les plantilles són:

El gruix i la mida de l’obertura de la làmina de plantilla determinen el volum potencial de pasta de soldadura dipositada al coixinet de PCB

Capacitat d’alliberar pasta de soldadura de la paret del forat de la plantilla

Precisió de posició dels maons de soldadura impresos en plaques de PCB

Durant el cicle d’impressió, quan la tira de la rasqueta passa per la plantilla, la pasta de soldadura omple el forat de la plantilla. Durant el cicle de separació del tauler/plantilla, la pasta de soldadura s’alliberarà als coixinets del tauler. Idealment, tota la pasta de soldadura que omple el forat durant el procés d’impressió s’hauria d’alliberar de la paret del forat i transferir-la al coixinet del tauler per formar un maó de soldadura complet. Tanmateix, l’import de la transferència depèn de la relació d’aspecte i la relació d’àrea de l’obertura.

Per exemple, en el cas que l’àrea del coixinet sigui més gran que dos terços de l’àrea de la paret interna del porus, la pasta pot aconseguir un alliberament de millor que el 80%. Això significa que reduir el gruix de la plantilla o augmentar la mida del forat pot alliberar millor la pasta de soldadura amb la mateixa proporció d’àrea.

La capacitat de la pasta de soldadura per alliberar-se de la paret del forat de la plantilla també depèn de l’acabat de la paret del forat. Els forats de tall per làser mitjançant l’electropolit i/o la galvanoplastia poden millorar l’eficiència de la transferència de purins. Tanmateix, la transferència de pasta de soldadura de la plantilla al PCB també depèn de l’adhesió de la pasta de soldadura a la paret del forat de la plantilla i de l’adhesió de la pasta de soldadura al coixinet del PCB. Per obtenir un bon efecte de transferència, aquest últim hauria de ser més gran, la qual cosa significa que la imprimibilitat depèn de la relació entre l’àrea de la paret de la plantilla i l’àrea d’obertura, tot ignorant efectes menors com l’angle d’esborrany de la paret i la seva rugositat. .

La posició i la precisió dimensional dels maons de soldadura impresos als coixinets de PCB depenen de la qualitat de les dades CAD transmeses, la tecnologia i el mètode utilitzats per fer la plantilla i la temperatura de la plantilla durant l’ús. A més, la precisió de la posició també depèn del mètode d’alineació utilitzat.

Plantilla emmarcada o plantilla encolada

La plantilla emmarcada és actualment la plantilla de tall làser més potent, dissenyada per a la serigrafia massiva en el procés de producció. S’instal·len permanentment al marc de l’encofrat i el marc de malla estreny fortament la làmina d’encofrat a l’encofrat. Per a micro BGA i components amb un pas de 16 mil o menys, es recomana utilitzar una plantilla emmarcada amb una paret de forats llisos. Quan s’utilitzen en condicions de temperatura controlada, els motlles emmarcats proporcionen la millor posició i precisió dimensional.

Per a la producció a curt termini o el muntatge de prototips de PCB, les plantilles sense marc poden proporcionar el millor control de volum de pasta de soldadura. Estan dissenyats per utilitzar-los amb sistemes de tensió d’encofrat, que són marcs d’encofrat reutilitzables, com ara marcs universals. Com que els motlles no estan permanentment enganxats al marc, són molt més barats que els motlles de tipus marc i ocupen molt menys espai d’emmagatzematge.