Η διαδικασία συναρμολόγησης επιφανειακής τοποθέτησης χρησιμοποιεί πρότυπα ως μονοπάτι για την ακριβή, επαναλαμβανόμενη εναπόθεση πάστας συγκόλλησης. Το πρότυπο αναφέρεται σε ένα λεπτό ή λεπτό φύλλο από ορείχαλκο ή ανοξείδωτο χάλυβα με ένα σχέδιο κυκλώματος κομμένο σε αυτό ώστε να ταιριάζει με το σχέδιο θέσης της συσκευής επιφανειακής στήριξης (SMD) στο τυπωμένου κυκλώματος (PCB) όπου πρόκειται να χρησιμοποιηθεί το πρότυπο. Αφού το πρότυπο τοποθετηθεί με ακρίβεια και ταιριάξει με το PCB, το μεταλλικό μάκτρο πιέζει την πάστα συγκόλλησης μέσα από τις οπές του προτύπου, σχηματίζοντας έτσι εναποθέσεις στο PCB για να στερεώσει το SMD στη θέση του. Οι εναποθέσεις της πάστας συγκόλλησης λιώνουν όταν περνούν από τον φούρνο επαναροής και στερεώνουν το SMD στο PCB.

Ο σχεδιασμός του προτύπου, ειδικά η σύνθεση και το πάχος του, καθώς και το σχήμα και το μέγεθος των οπών, καθορίζουν το μέγεθος, το σχήμα και τη θέση των εναποθέσεων πάστας συγκόλλησης, κάτι που είναι απαραίτητο για τη διασφάλιση μιας διαδικασίας συναρμολόγησης υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, το πάχος του φύλλου και το μέγεθος ανοίγματος των οπών καθορίζουν τον όγκο του πολτού που εναποτίθεται στην σανίδα. Η υπερβολική πάστα συγκόλλησης μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό σφαιρών, γεφυρών και ταφόπλακων. Μια μικρή ποσότητα πάστας συγκόλλησης θα προκαλέσει το στέγνωμα των αρμών συγκόλλησης. Και τα δύο θα βλάψουν την ηλεκτρική λειτουργία της πλακέτας κυκλώματος.

Βέλτιστο πάχος φύλλου

Ο τύπος SMD στην πλακέτα καθορίζει το βέλτιστο πάχος φύλλου. Για παράδειγμα, η συσκευασία εξαρτημάτων όπως το SOIC βήματος 0603 ή 0.020″ απαιτεί ένα σχετικά λεπτό πρότυπο πάστας συγκόλλησης, ενώ ένα παχύτερο πρότυπο είναι πιο κατάλληλο για εξαρτήματα όπως SOIC βήματος 1206 ή 0.050″. Αν και το πάχος του προτύπου που χρησιμοποιείται για την εναπόθεση πάστας συγκόλλησης κυμαίνεται από 0.001″ έως 0.030″, το τυπικό πάχος φύλλου που χρησιμοποιείται στις περισσότερες πλακέτες κυκλωμάτων κυμαίνεται από 0.004″ έως 0.007″.

Τεχνολογία κατασκευής προτύπων

Επί του παρόντος, η βιομηχανία χρησιμοποιεί πέντε τεχνολογίες για την κατασκευή στένσιλ-κοπής με λέιζερ, ηλεκτρομορφοποίησης, χημικής χάραξης και ανάμειξης. Αν και η υβριδική τεχνολογία είναι ένας συνδυασμός χημικής χάραξης και κοπής με λέιζερ, η χημική χάραξη είναι πολύ χρήσιμη για την κατασκευή στένσιλ με βαθμίδες και υβριδικά στένσιλ.

Χημική χάραξη προτύπων

Η χημική άλεση χαράζει τη μεταλλική μάσκα και το εύκαμπτο μεταλλικό πρότυπο μάσκας και από τις δύο πλευρές. Δεδομένου ότι αυτό διαβρώνεται όχι μόνο στην κατακόρυφη κατεύθυνση αλλά και στην πλευρική κατεύθυνση, θα προκαλέσει υποκοπές και θα κάνει το άνοιγμα μεγαλύτερο από το απαιτούμενο μέγεθος. Καθώς η χάραξη προχωρά και από τις δύο πλευρές, η κωνικότητα στον ίσιο τοίχο θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός σχήματος κλεψύδρας, το οποίο θα έχει ως αποτέλεσμα υπερβολικές εναποθέσεις συγκόλλησης.

Δεδομένου ότι το άνοιγμα του στένσιλ χάραξης δεν παράγει ομαλά αποτελέσματα, η βιομηχανία χρησιμοποιεί δύο μεθόδους για να εξομαλύνει τους τοίχους. Ένα από αυτά είναι η διαδικασία ηλεκτροστίλβωσης και μικροεγχάραξης και η άλλη είναι η επινικελίωση.

Αν και μια λεία ή γυαλισμένη επιφάνεια βοηθά στην απελευθέρωση της πάστας, μπορεί επίσης να κάνει την πάστα να παρακάμψει την επιφάνεια του προτύπου αντί να κυλήσει με το μάκτρο. Ο κατασκευαστής του προτύπου λύνει αυτό το πρόβλημα γυαλίζοντας επιλεκτικά τα τοιχώματα των οπών αντί της επιφάνειας του προτύπου. Αν και η επινικελίωση μπορεί να βελτιώσει την ομαλότητα και την απόδοση εκτύπωσης του προτύπου, μπορεί να μειώσει τα ανοίγματα, κάτι που απαιτεί προσαρμογή του έργου τέχνης.

Πρότυπο κοπής με λέιζερ

Η κοπή με λέιζερ είναι μια διαδικασία αφαίρεσης που εισάγει δεδομένα Gerber σε μια μηχανή CNC που ελέγχει τη δέσμη λέιζερ. Η δέσμη λέιζερ ξεκινά μέσα στο όριο της οπής και διασχίζει την περίμετρό της ενώ αφαιρεί εντελώς το μέταλλο για να σχηματίσει την τρύπα, μόνο μία τρύπα τη φορά.

Αρκετές παράμετροι καθορίζουν την ομαλότητα της κοπής με λέιζερ. Αυτό περιλαμβάνει ταχύτητα κοπής, μέγεθος κηλίδας δέσμης, ισχύ λέιζερ και εστίαση δέσμης. Γενικά, η βιομηχανία χρησιμοποιεί ένα σημείο δέσμης περίπου 1.25 mils, το οποίο μπορεί να κόψει πολύ ακριβή ανοίγματα σε ποικίλα σχήματα και απαιτήσεις μεγέθους. Ωστόσο, οι οπές κοπής με λέιζερ απαιτούν επίσης μετα-επεξεργασία, όπως ακριβώς και οι χημικά χαραγμένες τρύπες. Τα καλούπια κοπής με λέιζερ χρειάζονται ηλεκτρολυτική στίλβωση και επινικέλιο για να κάνουν το εσωτερικό τοίχωμα της οπής λείο. Καθώς το μέγεθος του διαφράγματος μειώνεται στην επόμενη διαδικασία, το μέγεθος του ανοίγματος της κοπής με λέιζερ πρέπει να αντισταθμίζεται σωστά.

Πτυχές χρήσης της εκτύπωσης με στένσιλ

Η εκτύπωση με στένσιλ περιλαμβάνει τρεις διαφορετικές διαδικασίες. Η πρώτη είναι η διαδικασία πλήρωσης οπών, κατά την οποία η πάστα συγκόλλησης γεμίζει τις τρύπες. Το δεύτερο είναι η διαδικασία μεταφοράς πάστας συγκόλλησης, κατά την οποία η πάστα συγκόλλησης που συσσωρεύεται στην οπή μεταφέρεται στην επιφάνεια PCB και η τρίτη είναι η θέση της εναποτιθέμενης πάστας συγκόλλησης. Αυτές οι τρεις διαδικασίες είναι απαραίτητες για την επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος-απόθεση ακριβούς όγκου πάστας συγκόλλησης (που ονομάζεται επίσης τούβλο) στη σωστή θέση στο PCB.

Η πλήρωση των οπών του προτύπου με πάστα συγκόλλησης απαιτεί μια μεταλλική ξύστρα για να πιέσει την πάστα συγκόλλησης στις οπές. Ο προσανατολισμός της οπής σε σχέση με τη λωρίδα του μάκτρου επηρεάζει τη διαδικασία πλήρωσης. Για παράδειγμα, μια τρύπα με τον μακρύ άξονά της προσανατολισμένο στη διαδρομή της λεπίδας γεμίζει καλύτερα από μια τρύπα με τον κοντό άξονά της προσανατολισμένο προς την κατεύθυνση της διαδρομής της λεπίδας. Επιπλέον, δεδομένου ότι η ταχύτητα του μάκτρου επηρεάζει το γέμισμα των οπών, μια χαμηλότερη ταχύτητα του μάκτρου μπορεί να κάνει τις τρύπες των οποίων ο μακρύς άξονας είναι παράλληλος με τη διαδρομή του μάκτρου να γεμίσουν καλύτερα τις τρύπες.

Η άκρη της λωρίδας του μάκτρου επηρεάζει επίσης τον τρόπο με τον οποίο η πάστα συγκόλλησης γεμίζει τις τρύπες του στένσιλ. Η συνήθης πρακτική είναι να εκτυπώνετε ενώ εφαρμόζετε την ελάχιστη πίεση του μάκτρου, ενώ διατηρείτε ένα καθαρό σκούπισμα της πάστας συγκόλλησης στην επιφάνεια του στένσιλ. Η αύξηση της πίεσης του μάκτρου μπορεί να βλάψει το μάκτρο και το πρότυπο και επίσης να προκαλέσει την επάλειψη της πάστας κάτω από την επιφάνεια του προτύπου.

Από την άλλη πλευρά, η χαμηλότερη πίεση του μάκτρου μπορεί να μην επιτρέπει την απελευθέρωση της πάστας συγκόλλησης μέσα από τις μικρές οπές, με αποτέλεσμα την ανεπαρκή συγκόλληση στα τακάκια PCB. Επιπλέον, η πάστα συγκόλλησης που έχει μείνει στο πλάι του μάκτρου κοντά στη μεγάλη τρύπα μπορεί να τραβηχτεί προς τα κάτω από τη βαρύτητα, με αποτέλεσμα την υπερβολική εναπόθεση κόλλησης. Επομένως, απαιτείται ελάχιστη πίεση, η οποία θα επιτύχει ένα καθαρό σκούπισμα της πάστας.

Η ποσότητα της πίεσης που εφαρμόζεται εξαρτάται επίσης από τον τύπο της πάστας συγκόλλησης που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με τη χρήση πάστας κασσίτερου/μόλυβδου, όταν χρησιμοποιείτε πάστα συγκόλλησης χωρίς μόλυβδο, το μάκτρο από PTFE/νικέλιο απαιτεί περίπου 25-40% περισσότερη πίεση.

Θέματα απόδοσης πάστας συγκόλλησης και στένσιλ

Μερικά ζητήματα απόδοσης που σχετίζονται με την πάστα συγκόλλησης και τα στένσιλ είναι:

Το πάχος και το μέγεθος του ανοίγματος του φύλλου στένσιλ καθορίζουν τον δυνητικό όγκο της πάστας συγκόλλησης που εναποτίθεται στο μαξιλάρι PCB

Δυνατότητα απελευθέρωσης πάστας συγκόλλησης από το τοίχωμα οπής προτύπου

Ακρίβεια τοποθέτησης τούβλων συγκόλλησης τυπωμένων σε τακάκια PCB

Κατά τη διάρκεια του κύκλου εκτύπωσης, όταν η λωρίδα μάκτρου περνά μέσα από το στένσιλ, η πάστα συγκόλλησης γεμίζει την οπή του στένσιλ. Κατά τη διάρκεια του κύκλου διαχωρισμού σανίδας/προτύπου, η πάστα συγκόλλησης θα απελευθερωθεί στα τακάκια της πλακέτας. Στην ιδανική περίπτωση, όλη η πάστα συγκόλλησης που γεμίζει την τρύπα κατά τη διαδικασία εκτύπωσης θα πρέπει να απελευθερωθεί από το τοίχωμα της οπής και να μεταφερθεί στο μαξιλαράκι στον πίνακα για να σχηματιστεί ένα πλήρες τούβλο συγκόλλησης. Ωστόσο, το ποσό μεταφοράς εξαρτάται από την αναλογία διαστάσεων και την αναλογία επιφάνειας του ανοίγματος.

Για παράδειγμα, στην περίπτωση που η περιοχή του μαξιλαριού είναι μεγαλύτερη από τα δύο τρίτα της επιφάνειας του εσωτερικού τοιχώματος των πόρων, η πάστα μπορεί να επιτύχει απελευθέρωση καλύτερη από 80%. Αυτό σημαίνει ότι η μείωση του πάχους του προτύπου ή η αύξηση του μεγέθους της οπής μπορεί να απελευθερώσει καλύτερα την πάστα συγκόλλησης κάτω από την ίδια αναλογία επιφάνειας.

Η ικανότητα της πάστας συγκόλλησης να απελευθερώνεται από το τοίχωμα της οπής του προτύπου εξαρτάται επίσης από το φινίρισμα του τοιχώματος της οπής. Οι οπές κοπής με λέιζερ με ηλεκτροστίλβωση και/ή ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορούν να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς πολτού. Ωστόσο, η μεταφορά της πάστας συγκόλλησης από το πρότυπο στο PCB εξαρτάται επίσης από την πρόσφυση της πάστας συγκόλλησης στο τοίχωμα της οπής του προτύπου και από την πρόσφυση της πάστας συγκόλλησης στο επίθεμα PCB. Προκειμένου να επιτευχθεί ένα καλό εφέ μεταφοράς, το τελευταίο θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο, πράγμα που σημαίνει ότι η δυνατότητα εκτύπωσης εξαρτάται από την αναλογία της επιφάνειας του τοίχου του προτύπου προς την περιοχή ανοίγματος, ενώ αγνοούνται δευτερεύοντα αποτελέσματα όπως η γωνία βύθισης του τοίχου και η τραχύτητα του. .

Η θέση και η ακρίβεια διαστάσεων των τούβλων συγκόλλησης που εκτυπώνονται στα τακάκια PCB εξαρτώνται από την ποιότητα των μεταδιδόμενων δεδομένων CAD, την τεχνολογία και τη μέθοδο που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του προτύπου και τη θερμοκρασία του προτύπου κατά τη χρήση. Επιπλέον, η ακρίβεια θέσης εξαρτάται επίσης από τη μέθοδο ευθυγράμμισης που χρησιμοποιείται.

Πρότυπο με πλαίσιο ή κολλημένο πρότυπο

Το πρότυπο πλαισίου είναι αυτή τη στιγμή το πιο ισχυρό πρότυπο κοπής με λέιζερ, σχεδιασμένο για μαζική μεταξοτυπία στη διαδικασία παραγωγής. Τοποθετούνται μόνιμα στο πλαίσιο του ξυλότυπου και το διχτυωτό πλαίσιο σφίγγει σφιχτά το φύλλο ξυλότυπου στον ξυλότυπο. Για micro BGA και εξαρτήματα με βήμα 16 mil και κάτω, συνιστάται η χρήση προτύπου πλαισίου με λείο τοίχωμα οπής. Όταν χρησιμοποιούνται υπό συνθήκες ελεγχόμενης θερμοκρασίας, τα καλούπια με πλαίσιο παρέχουν την καλύτερη θέση και ακρίβεια διαστάσεων.

Για βραχυπρόθεσμη παραγωγή ή πρωτότυπη συναρμολόγηση PCB, τα πρότυπα χωρίς πλαίσιο μπορούν να παρέχουν τον καλύτερο έλεγχο όγκου πάστας συγκόλλησης. Είναι σχεδιασμένα για χρήση με συστήματα τάνυσης ξυλοτύπων, τα οποία είναι επαναχρησιμοποιήσιμα πλαίσια ξυλοτύπου, όπως τα γενικά πλαίσια. Δεδομένου ότι τα καλούπια δεν είναι μόνιμα κολλημένα στο πλαίσιο, είναι πολύ φθηνότερα από τα καλούπια τύπου πλαισίου και καταλαμβάνουν πολύ λιγότερο χώρο αποθήκευσης.