Proces montáže na povrchovú montáž využíva šablóny ako cestu k presnému, opakovateľnému nanášaniu spájkovacej pasty. Šablóna sa vzťahuje na tenký alebo tenký plech z mosadze alebo nehrdzavejúcej ocele s vyrezaným vzorom obvodu tak, aby zodpovedal vzoru polohy zariadenia na povrchovú montáž (SMD) na vytlačená obvodová doska (PCB), kde sa má šablóna použiť. Potom, čo je šablóna presne umiestnená a prispôsobená PCB, kovová stierka pretlačí spájkovaciu pastu cez otvory šablóny, čím vytvorí nánosy na PCB na upevnenie SMD na mieste. Usadeniny spájkovacej pasty sa pri prechode cez pretavovaciu pec roztavia a fixujú SMD na DPS.

Dizajn šablóny, najmä jej zloženie a hrúbka, ako aj tvar a veľkosť otvorov, určuje veľkosť, tvar a umiestnenie nánosov spájkovacej pasty, čo je nevyhnutné pre zabezpečenie vysokovýkonného procesu montáže. Napríklad hrúbka fólie a veľkosť otvorov definujú objem kaše nanesenej na dosku. Nadmerné množstvo spájkovacej pasty môže viesť k tvorbe guľôčok, mostíkov a náhrobných kameňov. Malé množstvo spájkovacej pasty spôsobí vysušenie spájkovaných spojov. Oboje poškodí elektrickú funkciu dosky plošných spojov.

Optimálna hrúbka fólie

Typ SMD na doske definuje optimálnu hrúbku fólie. Napríklad balenie komponentov, ako je 0603 alebo 0.020″ rozteč SOIC, vyžaduje relatívne tenkú šablónu spájkovacej pasty, zatiaľ čo hrubšia šablóna je vhodnejšia pre komponenty, ako je rozteč SOIC 1206 alebo 0.050″. Hoci sa hrúbka šablóny používanej na nanášanie spájkovacej pasty pohybuje od 0.001″ do 0.030″, typická hrúbka fólie používaná na väčšine dosiek plošných spojov sa pohybuje od 0.004″ do 0.007″.

Technológia tvorby šablón

V súčasnosti priemysel používa päť technológií na výrobu šablón – rezanie laserom, galvanoplastiku, chemické leptanie a miešanie. Hoci hybridná technológia je kombináciou chemického leptania a laserového rezania, chemické leptanie je veľmi užitočné pri výrobe stupňovitých šablón a hybridných šablón.

Chemické leptanie šablón

Chemické frézovanie leptá kovovú masku a flexibilnú kovovú masku z oboch strán. Pretože to koroduje nielen vo vertikálnom smere, ale aj v bočnom smere, spôsobí podrezanie a otvor sa zväčší ako je požadovaná veľkosť. Keď leptanie postupuje z oboch strán, zúženie na rovnej stene bude mať za následok vytvorenie tvaru presýpacích hodín, čo bude mať za následok nadmerné usadeniny spájky.

Pretože otvorenie leptacej šablóny neprináša hladké výsledky, priemysel používa na vyhladenie stien dva spôsoby. Jedným z nich je proces elektroleštenia a mikroleptania a druhým je pokovovanie niklom.

Hoci hladký alebo leštený povrch napomáha uvoľňovaniu pasty, môže tiež spôsobiť, že pasta preskočí povrch šablóny namiesto toho, aby sa valila pomocou stierky. Výrobca šablón rieši tento problém selektívnym leštením stien otvorov namiesto povrchu šablóny. Hoci niklovanie môže zlepšiť hladkosť a tlačový výkon šablóny, môže znížiť otvory, čo si vyžaduje úpravu kresby.

Rezanie šablóny laserom

Laserové rezanie je subtraktívny proces, ktorý vkladá údaje Gerber do CNC stroja, ktorý riadi laserový lúč. Laserový lúč začína vo vnútri hranice otvoru a prechádza jeho obvodom, pričom úplne odstraňuje kov, aby vytvoril otvor, vždy len jeden otvor.

Hladkosť rezania laserom definuje niekoľko parametrov. To zahŕňa rýchlosť rezania, veľkosť bodu lúča, výkon lasera a zaostrenie lúča. Vo všeobecnosti sa v priemysle používa bod lúča asi 1.25 mil, ktorý dokáže vyrezať veľmi presné otvory v rôznych tvaroch a požiadavkách na veľkosť. Laserom vyrezané otvory však vyžadujú aj následné spracovanie, rovnako ako chemicky leptané otvory. Laserové rezacie formy potrebujú elektrolytické leštenie a niklovanie, aby bola vnútorná stena otvoru hladká. Pretože sa veľkosť otvoru v nasledujúcom procese zmenšuje, veľkosť otvoru laserového rezania musí byť správne kompenzovaná.

Aspekty používania šablónovej tlače

Tlač pomocou šablón zahŕňa tri rôzne procesy. Prvým je proces plnenia otvorov, pri ktorom spájkovacia pasta vypĺňa otvory. Druhým je proces prenosu spájkovacej pasty, pri ktorom sa spájkovacia pasta nahromadená v otvore prenesie na povrch PCB a tretím je umiestnenie nanesenej spájkovacej pasty. Tieto tri procesy sú nevyhnutné na dosiahnutie požadovaného výsledku – nanesenie presného objemu spájkovacej pasty (nazývanej aj tehla) na správne miesto na doske plošných spojov.

Naplnenie otvorov v šablóne spájkovacou pastou vyžaduje kovovú škrabku na zatlačenie spájkovacej pasty do otvorov. Orientácia otvoru vzhľadom na pás stierky ovplyvňuje proces plnenia. Napríklad otvor s dlhou osou orientovanou na zdvih čepele vyplní lepšie ako otvor s krátkou osou orientovanou v smere zdvihu čepele. Navyše, keďže rýchlosť stierky ovplyvňuje plnenie otvorov, nižšia rýchlosť stierky môže spôsobiť, že otvory, ktorých dlhá os je rovnobežná so zdvihom stierky, lepšie vypĺňajú otvory.

Okraj pásu stierky tiež ovplyvňuje to, ako spájkovacia pasta vyplní otvory v šablóne. Zvyčajná prax je tlačiť pri použití minimálneho tlaku stierky pri zachovaní čistého stierania spájkovacej pasty na povrchu šablóny. Zvýšenie tlaku stierky môže poškodiť stierku a šablónu a tiež spôsobiť rozmazanie pasty pod povrchom šablóny.

Na druhej strane, nižší tlak stierky nemusí umožniť uvoľnenie spájkovacej pasty cez malé otvory, čo má za následok nedostatočné spájkovanie na doštičkách PCB. Okrem toho môže byť spájkovacia pasta, ktorá zostala na strane stierky blízko veľkého otvoru, stiahnutá dole gravitáciou, čo má za následok nadmerné usadzovanie spájky. Preto je potrebný minimálny tlak, čím sa dosiahne čisté zotretie pasty.

Veľkosť použitého tlaku závisí aj od typu použitej spájkovacej pasty. Napríklad v porovnaní s použitím pasty cín/olovo, pri použití bezolovnatej spájkovacej pasty, stierka PTFE/poniklovaná vyžaduje asi o 25 – 40 % väčší tlak.

Problémy s výkonom spájkovacej pasty a šablón

Niektoré problémy s výkonom súvisiace s spájkovacou pastou a šablónami sú:

Hrúbka a veľkosť otvoru vo fólii šablóny určujú potenciálny objem spájkovacej pasty nanesenej na podložke PCB

Schopnosť uvoľniť spájkovaciu pastu zo steny otvoru šablóny

Presnosť polohy spájkovacích tehál vytlačených na podložkách plošných spojov

Počas tlačového cyklu, keď pás stierky prechádza cez šablónu, spájkovacia pasta vyplní otvor šablóny. Počas cyklu separácie dosky/šablóny sa spájkovacia pasta uvoľní na podložky na doske. V ideálnom prípade by sa všetka spájkovacia pasta, ktorá vypĺňa otvor počas procesu tlače, mala uvoľniť zo steny otvoru a preniesť na podložku na doske, aby sa vytvorila kompletná spájkovacia tehla. Množstvo prenosu však závisí od pomeru strán a pomeru plochy otvoru.

Napríklad v prípade, že plocha vankúšika je väčšia ako dve tretiny plochy vnútornej steny pórov, pasta môže dosiahnuť uvoľňovanie lepšie ako 80%. To znamená, že zmenšenie hrúbky šablóny alebo zväčšenie veľkosti otvoru môže lepšie uvoľniť spájkovaciu pastu pri rovnakom pomere plôch.

Schopnosť spájkovacej pasty uvoľniť sa zo steny otvoru šablóny závisí aj od povrchovej úpravy steny otvoru. Laserové rezanie otvorov elektrolytickým leštením a/alebo galvanickým pokovovaním môže zlepšiť účinnosť prenosu kalu. Prenos spájkovacej pasty zo šablóny na DPS však závisí aj od priľnavosti spájkovacej pasty k stene otvoru šablóny a priľnavosti spájkovacej pasty k podložke DPS. Aby sa dosiahol dobrý prenosový efekt, mal by byť druhý väčší, čo znamená, že tlač závisí od pomeru plochy steny šablóny k ploche otvoru, pričom sa ignorujú menšie vplyvy, ako je uhol ponoru steny a jej drsnosť. .

Poloha a rozmerová presnosť spájkovacích tehál vytlačených na doštičkách plošných spojov závisí od kvality prenášaných CAD údajov, technológie a metódy použitej na výrobu šablóny a teploty šablóny počas používania. Okrem toho presnosť polohy závisí aj od použitej metódy zarovnania.

Zarámovaná šablóna alebo lepená šablóna

Rámovaná šablóna je v súčasnosti najvýkonnejšia laserová vyrezávacia šablóna, určená pre hromadnú sieťotlač vo výrobnom procese. Sú napevno osadené v ráme debnenia a rám pletiva pevne utiahne debniacu fóliu v debnení. Pre micro BGA a komponenty s rozstupom 16 mil a menej sa odporúča použiť zarámovanú šablónu s hladkou stenou otvoru. Pri použití za kontrolovaných teplotných podmienok poskytujú rámové formy najlepšiu presnosť polohy a rozmerov.

Pre krátkodobú výrobu alebo montáž prototypu PCB môžu bezrámové šablóny poskytnúť najlepšiu kontrolu objemu spájkovacej pasty. Sú určené na použitie s napínacími systémami debnenia, čo sú opakovane použiteľné rámy debnenia, ako sú napríklad univerzálne rámy. Keďže formy nie sú natrvalo prilepené k rámu, sú oveľa lacnejšie ako formy rámového typu a zaberajú oveľa menej úložného priestoru.