Proces montażu powierzchniowego wykorzystuje szablony jako drogę do dokładnego, powtarzalnego osadzania pasty lutowniczej. Szablon odnosi się do cienkiego lub cienkiego arkusza mosiądzu lub stali nierdzewnej z wyciętym na nim wzorem obwodu, aby pasował do wzoru położenia urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD) na Płytka drukowana (PCB), w którym ma być stosowany szablon. Po dokładnym umieszczeniu szablonu i dopasowaniu go do płytki, metalowa ściągaczka przepycha pastę lutowniczą przez otwory szablonu, tworząc w ten sposób osady na płytce drukowanej w celu zamocowania SMD na miejscu. Osady pasty lutowniczej topią się podczas przechodzenia przez piec rozpływowy i mocują SMD na płytce drukowanej.

Konstrukcja szablonu, a zwłaszcza jego skład i grubość, a także kształt i wielkość otworów, determinuje wielkość, kształt i lokalizację osadów pasty lutowniczej, co jest niezbędne do zapewnienia wysokiej przepustowości procesu montażu. Na przykład grubość folii i wielkość otworów definiują objętość zawiesiny osadzonej na płycie. Nadmiar pasty lutowniczej może prowadzić do powstawania kulek, mostków i nagrobków. Niewielka ilość pasty lutowniczej spowoduje wysychanie połączeń lutowniczych. Oba uszkodzą funkcję elektryczną płytki drukowanej.

Optymalna grubość folii

Rodzaj SMD na płycie określa optymalną grubość folii. Na przykład opakowanie komponentów, takie jak SOIC o skoku 0603 lub 0.020″, wymaga stosunkowo cienkiego szablonu pasty lutowniczej, podczas gdy grubszy szablon jest bardziej odpowiedni dla komponentów, takich jak SOIC o skoku 1206 lub 0.050″. Chociaż grubość szablonu używanego do osadzania pasty lutowniczej waha się od 0.001″ do 0.030″, typowa grubość folii stosowana na większości płytek drukowanych waha się od 0.004″ do 0.007″.

Technologia tworzenia szablonów

Obecnie przemysł wykorzystuje pięć technologii do wykonywania szablonów – cięcia laserowego, elektroformowania, trawienia chemicznego i mieszania. Chociaż technologia hybrydowa jest kombinacją trawienia chemicznego i cięcia laserowego, trawienie chemiczne jest bardzo przydatne do wytwarzania szablonów schodkowych i szablonów hybrydowych.

Trawienie chemiczne szablonów

Frezowanie chemiczne wytrawia metalową maskę i elastyczny metalowy szablon maski z obu stron. Ponieważ to koroduje nie tylko w kierunku pionowym, ale również w kierunku poprzecznym, spowoduje podcięcia i spowoduje, że otwór będzie większy niż wymagany rozmiar. W miarę postępu trawienia z obu stron zwężenie na prostej ścianie spowoduje powstanie kształtu klepsydry, co spowoduje nadmierne osadzanie się lutu.

Ponieważ otwór szablonu do trawienia nie daje gładkich rezultatów, przemysł stosuje dwie metody wygładzania ścian. Jednym z nich jest proces elektropolerowania i mikrotrawienia, a drugi to niklowanie.

Chociaż gładka lub wypolerowana powierzchnia ułatwia uwalnianie pasty, może również powodować, że pasta przeskoczy powierzchnię szablonu zamiast toczyć się raklą. Producent szablonu rozwiązuje ten problem poprzez selektywne polerowanie ścian otworu zamiast powierzchni szablonu. Chociaż niklowanie może poprawić gładkość i wydajność drukowania szablonu, może zmniejszyć liczbę otworów, co wymaga dostosowania grafiki.

Szablonowe cięcie laserowe

Cięcie laserowe to proces subtraktywny, który wprowadza dane Gerber do maszyny CNC, która steruje wiązką lasera. Wiązka laserowa zaczyna się wewnątrz granicy otworu i przechodzi przez jego obwód, jednocześnie całkowicie usuwając metal, aby utworzyć otwór, tylko jeden otwór na raz.

Kilka parametrów określa płynność cięcia laserowego. Obejmuje to prędkość cięcia, rozmiar plamki wiązki, moc lasera i ogniskowanie wiązki. Ogólnie rzecz biorąc, przemysł wykorzystuje plamkę wiązki około 1.25 milicali, która może wycinać bardzo precyzyjne otwory o różnych kształtach i wymaganiach dotyczących rozmiaru. Jednak otwory wycinane laserowo wymagają również obróbki końcowej, podobnie jak otwory wytrawiane chemicznie. Formy do cięcia laserowego wymagają polerowania elektrolitycznego i niklowania, aby wewnętrzna ścianka otworu była gładka. Ponieważ rozmiar otworu jest zmniejszany w kolejnym procesie, rozmiar otworu cięcia laserowego musi być odpowiednio skompensowany.

Aspekty korzystania z drukowania szablonowego

Drukowanie za pomocą szablonów obejmuje trzy różne procesy. Pierwszym z nich jest proces wypełniania otworów, w którym pasta lutownicza wypełnia otwory. Drugi to proces przenoszenia pasty lutowniczej, w którym pasta lutownicza zgromadzona w otworze jest przenoszona na powierzchnię PCB, a trzeci to lokalizacja osadzonej pasty lutowniczej. Te trzy procesy są niezbędne do uzyskania pożądanego rezultatu – nałożenie dokładnej ilości pasty lutowniczej (zwanej również cegłą) we właściwym miejscu na płytce drukowanej.

Wypełnienie otworów szablonu pastą lutowniczą wymaga metalowego skrobaka do wciśnięcia pasty lutowniczej w otwory. Orientacja otworu w stosunku do listwy raklowej wpływa na proces napełniania. Na przykład otwór, którego oś długa jest zorientowana na skok ostrza, wypełnia się lepiej niż otwór, którego oś krótsza jest zorientowana w kierunku ruchu ostrza. Ponadto, ponieważ prędkość zbieraka wpływa na wypełnianie otworów, mniejsza prędkość zbieraka może sprawić, że otwory, których długa oś jest równoległa do skoku zbieraka, będą lepiej wypełniać otwory.

Krawędź paska wycieraczki wpływa również na to, jak pasta lutownicza wypełnia otwory szablonu. Zwykłą praktyką jest drukowanie z minimalnym dociskiem rakli z zachowaniem czystego ścierania pasty lutowniczej na powierzchni szablonu. Zwiększenie nacisku rakli może uszkodzić ssawę i szablon, a także spowodować rozsmarowanie pasty pod powierzchnią szablonu.

Z drugiej strony, niższy nacisk rakli może uniemożliwić uwolnienie pasty lutowniczej przez małe otwory, co spowoduje niewystarczającą ilość lutu na padach PCB. Ponadto pasta lutownicza pozostawiona z boku wycieraczki w pobliżu dużego otworu może zostać ściągnięta grawitacyjnie, powodując nadmierne osadzanie się lutu. Dlatego wymagane jest minimalne ciśnienie, które zapewni czyste wytarcie pasty.

Wielkość wywieranego nacisku zależy również od rodzaju użytej pasty lutowniczej. Na przykład, w porównaniu do stosowania pasty cynowo-ołowiowej, przy stosowaniu bezołowiowej pasty lutowniczej ściągaczka z PTFE/niklu wymaga około 25-40% większego nacisku.

Problemy z wydajnością pasty lutowniczej i szablonów

Niektóre problemy z wydajnością związane z pastą lutowniczą i szablonami to:

Grubość i rozmiar otworu folii szablonowej określa potencjalną objętość pasty lutowniczej osadzonej na podkładce PCB

Możliwość uwolnienia pasty lutowniczej ze ścianki otworu szablonu

Dokładność położenia klocków lutowniczych wydrukowanych na podkładkach PCB

Podczas cyklu drukowania, gdy pasek ściągający przechodzi przez szablon, pasta lutownicza wypełnia otwór szablonu. Podczas cyklu separacji płytki/szablonu pasta lutownicza zostanie uwolniona na pady na płytce. W idealnym przypadku cała pasta lutownicza, która wypełnia otwór podczas procesu drukowania, powinna zostać uwolniona ze ścianki otworu i przeniesiona na podkładkę na płycie, aby utworzyć kompletną cegłę lutowniczą. Jednak wielkość transferu zależy od proporcji i współczynnika powierzchni otworu.

Na przykład w przypadku, gdy powierzchnia podkładki jest większa niż dwie trzecie powierzchni wewnętrznej ściany porów, pasta może osiągnąć uwalnianie lepsze niż 80%. Oznacza to, że zmniejszenie grubości szablonu lub zwiększenie rozmiaru otworu może lepiej uwolnić pastę lutowniczą przy tym samym stosunku powierzchni.

Zdolność pasty lutowniczej do uwolnienia się ze ścianki otworu szablonu zależy również od wykończenia ścianki otworu. Laserowe wycinanie otworów metodą elektropolerowania i/lub powlekania galwanicznego może poprawić wydajność przenoszenia szlamu. Jednak przenoszenie pasty lutowniczej z szablonu na płytkę PCB zależy również od przyczepności pasty lutowniczej do ścianki otworu szablonu oraz przylegania pasty lutowniczej do podkładki płytki drukowanej. Aby uzyskać dobry efekt transferu, te ostatnie powinny być większe, co oznacza, że ​​drukowność zależy od stosunku powierzchni ścianki szablonu do powierzchni otworu, pomijając drobne efekty, takie jak kąt pochylenia ścianki i jej chropowatość. .

Położenie i dokładność wymiarowa cegiełek lutowniczych wydrukowanych na podkładkach PCB zależy od jakości przesyłanych danych CAD, technologii i metody wykonania szablonu oraz temperatury szablonu podczas użytkowania. Ponadto dokładność pozycji zależy również od zastosowanej metody osiowania.

Szablon oprawiony lub klejony

Szablon oprawiony jest obecnie najpotężniejszym szablonem do cięcia laserowego, przeznaczonym do masowego sitodruku w procesie produkcyjnym. Mocowane są na stałe w ramie szalunkowej, a rama z siatki szczelnie dociska folię szalunkową w szalunku. W przypadku mikro BGA i komponentów o rastrze 16 mil i mniejszym zaleca się użycie szablonu w ramce z gładką ścianą otworu. W przypadku stosowania w kontrolowanych warunkach temperaturowych, formy z ramą zapewniają najlepszą pozycję i dokładność wymiarową.

W przypadku krótkoterminowej produkcji lub prototypowego montażu PCB, szablony bezramkowe mogą zapewnić najlepszą kontrolę objętości pasty lutowniczej. Przeznaczone są do stosowania z systemami napinania szalunków, które są ramami szalunkowymi wielokrotnego użytku, takimi jak ramy uniwersalne. Ponieważ formy nie są na stałe przyklejone do ramy, są znacznie tańsze niż formy ramowe i zajmują znacznie mniej miejsca do przechowywania.