Der Oberflächenmontageprozess verwendet Schablonen als Weg für eine genaue, wiederholbare Lötpastenabscheidung. Eine Schablone bezieht sich auf ein dünnes oder dünnes Blech aus Messing oder Edelstahl mit einem darauf geschnittenen Schaltungsmuster, das dem Positionsmuster des oberflächenmontierbaren Bauteils (SMD) auf der Leiterplatte (PCB), wo die Vorlage verwendet werden soll. Nachdem die Schablone genau positioniert und an die Leiterplatte angepasst wurde, drückt der Metallrakel die Lötpaste durch die Löcher der Schablone, wodurch Ablagerungen auf der Leiterplatte gebildet werden, um die SMD zu fixieren. Die Lotpastendepots schmelzen beim Durchlaufen des Reflow-Ofens und fixieren die SMD auf der Leiterplatte.

Das Design der Schablone, insbesondere ihre Zusammensetzung und Dicke, sowie die Form und Größe der Löcher bestimmt die Größe, Form und Lage der Lotpastendepots, was für einen Bestückungsprozess mit hohem Durchsatz unerlässlich ist. Beispielsweise definieren die Dicke der Folie und die Öffnungsgröße der Löcher das Volumen der auf der Platte abgelagerten Aufschlämmung. Zu viel Lotpaste kann zur Bildung von Kugeln, Brücken und Grabsteinen führen. Eine kleine Menge Lotpaste lässt die Lötstellen austrocknen. Beides beeinträchtigt die elektrische Funktion der Platine.

Optimale Folienstärke

Die SMD-Art auf der Platine definiert die optimale Foliendicke. Zum Beispiel erfordert das Komponenten-Packaging wie 0603 oder 0.020 Pitch SOIC eine relativ dünne Lotpastenschablone, während eine dickere Schablone besser für Komponenten wie 1206 oder 0.050 Pitch SOIC geeignet ist. Obwohl die Dicke der für die Lötpastenabscheidung verwendeten Schablone von 0.001 bis 0.030 reicht, liegt die typische Foliendicke, die auf den meisten Leiterplatten verwendet wird, im Bereich von 0.004 bis 0.007 .

Schablonenherstellungstechnologie

Derzeit verwendet die Industrie fünf Technologien zur Herstellung von Schablonen – Laserschneiden, Galvanisieren, chemisches Ätzen und Mischen. Obwohl die Hybridtechnologie eine Kombination aus chemischem Ätzen und Laserschneiden ist, ist das chemische Ätzen sehr nützlich für die Herstellung von Stufenschablonen und Hybridschablonen.

Chemisches Ätzen von Schablonen

Durch chemisches Fräsen werden die Metallmaske und die flexible Metallmaskenschablone von beiden Seiten geätzt. Da diese nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in seitlicher Richtung korrodiert, werden Hinterschneidungen verursacht und die Öffnung größer als die erforderliche Größe. Wenn das Ätzen von beiden Seiten fortschreitet, führt die Verjüngung an der geraden Wand zur Bildung einer Sanduhrform, was zu übermäßigen Lotablagerungen führt.

Da die Ätzschablonenöffnung keine glatten Ergebnisse liefert, verwendet die Industrie zwei Methoden, um die Wände zu glätten. Einer davon ist das Elektropolieren und Mikroätzen, der andere die Vernickelung.

Obwohl eine glatte oder polierte Oberfläche das Ablösen der Paste unterstützt, kann sie auch dazu führen, dass die Paste die Oberfläche der Schablone überspringt, anstatt mit dem Rakel zu rollen. Der Schablonenhersteller löst dieses Problem, indem er statt der Schablonenoberfläche gezielt die Lochwände poliert. Obwohl die Vernickelung die Glätte und Druckleistung der Schablone verbessern kann, kann sie Öffnungen reduzieren, die eine Anpassung der Druckvorlage erfordern.

Schablonenlaserschneiden

Laserschneiden ist ein subtraktiver Prozess, bei dem Gerber-Daten in eine CNC-Maschine eingegeben werden, die den Laserstrahl steuert. Der Laserstrahl beginnt innerhalb der Begrenzung des Lochs und durchquert dessen Umfang, während er das Metall vollständig entfernt, um das Loch zu bilden, immer nur ein Loch nach dem anderen.

Mehrere Parameter definieren die Glätte des Laserschneidens. Dazu gehören Schnittgeschwindigkeit, Strahlfleckgröße, Laserleistung und Strahlfokus. Im Allgemeinen verwendet die Industrie einen Strahlfleck von etwa 1.25 mil, der sehr präzise Öffnungen in einer Vielzahl von Formen und Größenanforderungen schneiden kann. Lasergeschnittene Löcher erfordern jedoch ebenso wie chemisch geätzte Löcher eine Nachbearbeitung. Laserschneidformen müssen elektrolytisch poliert und vernickelt werden, um die Innenwand des Lochs glatt zu machen. Da die Blendengröße im nachfolgenden Prozess verkleinert wird, muss die Blendengröße beim Laserschneiden entsprechend kompensiert werden.

Aspekte des Schablonendrucks

Das Drucken mit Schablonen umfasst drei verschiedene Verfahren. Der erste ist der Lochfüllprozess, bei dem Lotpaste die Löcher füllt. Der zweite ist der Lötpastentransferprozess, bei dem die im Loch angesammelte Lötpaste auf die Leiterplattenoberfläche übertragen wird, und der dritte ist der Ort der abgeschiedenen Lötpaste. Diese drei Prozesse sind unerlässlich, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen – das Auftragen einer genauen Menge an Lotpaste (auch Brick genannt) an der richtigen Stelle auf der Leiterplatte.

Das Füllen der Schablonenlöcher mit Lotpaste erfordert einen Metallschaber, um die Lotpaste in die Löcher zu drücken. Die Ausrichtung des Lochs relativ zum Rakelstreifen beeinflusst den Füllvorgang. Beispielsweise füllt sich ein Loch mit seiner langen Achse in Richtung des Messerhubs besser aus als ein Loch mit seiner kurzen Achse in Richtung des Messerhubs. Da außerdem die Geschwindigkeit der Rakel das Füllen der Löcher beeinflusst, kann eine niedrigere Rakelgeschwindigkeit dazu führen, dass die Löcher, deren Längsachse parallel zum Hub der Rakel verläuft, die Löcher besser füllen.

Die Kante des Rakelstreifens beeinflusst auch, wie die Lotpaste die Schablonenlöcher füllt. Die übliche Praxis besteht darin, mit minimalem Rakeldruck zu drucken, während die Lötpaste sauber über die Oberfläche der Schablone gewischt wird. Erhöhen des Drucks des Rakels kann den Rakel und die Schablone beschädigen und auch dazu führen, dass die Paste unter der Oberfläche der Schablone verschmiert wird.

Andererseits kann es sein, dass der niedrigere Rakeldruck nicht zulässt, dass die Lotpaste durch die kleinen Löcher abgelassen wird, was zu unzureichendem Lot auf den PCB-Pads führt. Außerdem kann die auf der Seite des Rakels in der Nähe des großen Lochs verbleibende Lötpaste durch die Schwerkraft nach unten gezogen werden, was zu einer übermäßigen Lötmittelabscheidung führt. Daher ist ein minimaler Druck erforderlich, der ein sauberes Abwischen der Paste ermöglicht.

Die Höhe des ausgeübten Drucks hängt auch von der Art der verwendeten Lötpaste ab. Im Vergleich zur Verwendung von Zinn-/Bleipaste benötigt beispielsweise die PTFE/vernickelte Rakel bei Verwendung von bleifreier Lotpaste etwa 25-40% mehr Druck.

Leistungsprobleme von Lotpaste und Schablonen

Einige Leistungsprobleme im Zusammenhang mit Lötpaste und Schablonen sind:

Die Dicke und Öffnungsgröße der Schablonenfolie bestimmen das potenzielle Volumen der auf dem PCB-Pad abgelagerten Lötpaste

Möglichkeit, Lotpaste von der Lochwand der Schablone zu lösen

Positionsgenauigkeit von Lötziegeln, die auf PCB-Pads gedruckt sind

Während des Druckzyklus, wenn der Rakelstreifen durch die Schablone läuft, füllt die Lotpaste das Schablonenloch. Während des Trennzyklus zwischen Platine und Schablone wird Lötpaste auf die Pads auf der Platine freigesetzt. Idealerweise sollte die gesamte Lötpaste, die das Loch während des Druckvorgangs füllt, von der Lochwand gelöst und auf das Pad auf der Platine übertragen werden, um einen vollständigen Lötstein zu bilden. Die Übertragungsmenge hängt jedoch vom Seitenverhältnis und Flächenverhältnis der Öffnung ab.

Wenn beispielsweise die Fläche des Kissens größer als zwei Drittel der Fläche der inneren Porenwand ist, kann die Paste eine Freisetzung von besser als 80% erreichen. Dies bedeutet, dass eine Verringerung der Schablonendicke oder eine Vergrößerung der Lochgröße die Lotpaste bei gleichem Flächenverhältnis besser ablösen kann.

Die Fähigkeit der Lötpaste, sich von der Lochwand der Schablone zu lösen, hängt auch von der Oberflächenbeschaffenheit der Lochwand ab. Das Laserschneiden von Löchern durch Elektropolieren und/oder Galvanisieren kann die Effizienz des Schlammtransfers verbessern. Die Übertragung der Lotpaste von der Schablone auf die Leiterplatte hängt jedoch auch von der Haftung der Lotpaste an der Lochwand der Schablone und der Haftung der Lotpaste am PCB-Pad ab. Um einen guten Transfereffekt zu erzielen, sollte dieser größer sein, d.h. die Bedruckbarkeit hängt vom Verhältnis der Schablonenwandfläche zur Öffnungsfläche ab, unter Vernachlässigung kleinerer Effekte wie der Entformungsschräge der Wand und deren Rauheit. .

Die Position und Maßhaltigkeit der auf den Leiterplatten-Pads gedruckten Lötsteine ​​hängen von der Qualität der übertragenen CAD-Daten, der Technologie und Methode zur Herstellung der Schablone und der Temperatur der Schablone während des Gebrauchs ab. Darüber hinaus hängt die Positionsgenauigkeit auch von der verwendeten Ausrichtungsmethode ab.

Gerahmte Schablone oder geklebte Schablone

Die gerahmte Schablone ist derzeit die leistungsstärkste Laserschneidschablone, die für den Massensiebdruck im Produktionsprozess entwickelt wurde. Sie werden fest im Schalungsrahmen eingebaut und der Gitterrahmen spannt die Schalungsfolie dicht in der Schalung. Für Micro-BGA und Komponenten mit einem Pitch von 16 mil und darunter wird empfohlen, eine gerahmte Schablone mit glatter Lochwand zu verwenden. Beim Einsatz unter kontrollierten Temperaturbedingungen bieten gerahmte Formen die beste Positions- und Maßgenauigkeit.

Für die kurzfristige Produktion oder die Leiterplattenbestückung von Prototypen können rahmenlose Vorlagen die beste Steuerung des Lotpastenvolumens bieten. Sie sind für den Einsatz mit Schalungsspannsystemen konzipiert, bei denen es sich um wiederverwendbare Schalungsrahmen wie Universalrahmen handelt. Da Formen nicht fest mit dem Rahmen verklebt sind, sind sie viel billiger als rahmenartige Formen und benötigen viel weniger Lagerraum.