Процес складання поверхневого монтажу використовує шаблони як шлях до точного, повторюваного осадження пайки. Шаблон відноситься до тонкого або тонкого листа латуні або нержавіючої сталі з вирізаним на ньому шаблоном ланцюга, який відповідає шаблону розташування пристрою для поверхневого монтажу (SMD) на друкована плата (PCB), де буде використаний шаблон. Після того, як шаблон точно розташовується і поєднується з друкованою платою, металевий ракель проштовхує пасту через отвори шаблону, утворюючи таким чином відкладення на друкованій платі для фіксації SMD на місці. Відкладення паяльної пасти розплавляються при проходженні через піч оплавлення і фіксують SMD на друкованій платі.

Конструкція шаблону, особливо його склад і товщина, а також форма і розміри отворів, визначають розмір, форму і розташування відкладень паяльної пасти, що важливо для забезпечення високої продуктивності процесу складання. Наприклад, товщина фольги та розмір отворів визначають об’єм суспензії, що наноситься на плиту. Надмірна кількість пайки може призвести до утворення кульок, містків і надгробків. Невелика кількість паяної пасти призведе до висихання паяних з’єднань. І те й інше пошкодить електричну функцію друкованої плати.

Оптимальна товщина фольги

Тип SMD на платі визначає оптимальну товщину фольги. Наприклад, для упаковки компонентів, таких як SOIC з кроком 0603 або 0.020 дюйма, потрібен відносно тонкий шаблон паяльної пасти, тоді як більш товстий шаблон більше підходить для таких компонентів, як SOIC з кроком 1206 або 0.050 дюйма. Хоча товщина шаблону, який використовується для нанесення паяльної пасти, коливається від 0.001″ до 0.030″, типова товщина фольги, що використовується на більшості друкованих плат, коливається від 0.004″ до 0.007″.

Технологія виготовлення шаблонів

В даний час промисловість використовує п’ять технологій для виготовлення трафаретів – лазерне різання, гальваноформування, хімічне травлення та змішування. Хоча гібридна технологія є комбінацією хімічного травлення та лазерного різання, хімічне травлення дуже корисно для виготовлення ступінчастих і гібридних трафаретів.

Хімічне травлення шаблонів

Хімічне фрезерування травить металеву маску та гнучкий шаблон металевої маски з обох сторін. Оскільки це піддається корозії не тільки у вертикальному, а й у бічному напрямку, це призведе до підрізів і зробить отвір більше необхідного розміру. Оскільки травлення просувається з обох сторін, звуження на прямій стінці призведе до утворення форми пісочного годинника, що призведе до надлишкових відкладень припою.

Оскільки відкриття трафарету для травлення не дає гладких результатів, промисловість використовує два методи для вирівнювання стін. Одним з них є процес електрополірування та мікротравлення, а інший – нікелювання.

Хоча гладка або полірована поверхня сприяє вивільненню пасти, вона також може призвести до того, що паста буде пропускати поверхню шаблону замість скочування ракелем. Виробник шаблону вирішує цю проблему шляхом вибіркового полірування стінок отворів замість поверхні шаблону. Хоча нікелювання може покращити гладкість та продуктивність друку шаблону, воно може зменшити отвори, що вимагає коригування ілюстрації.

Лазерне різання шаблонів

Лазерне різання — це субтрактивний процес, який вводить дані Gerber в машину з ЧПУ, яка керує лазерним променем. Лазерний промінь починається всередині межі отвору і перетинає його периметр, повністю видаляючи метал, щоб утворити отвір, лише по одному отвору за раз.

Кілька параметрів визначають плавність лазерного різання. Це включає швидкість різання, розмір плями променя, потужність лазера та фокусування променя. Як правило, в промисловості використовується пляма променя приблизно 1.25 міліметра, яка може вирізати дуже точні отвори в різних формах і вимогах до розмірів. Однак отвори, вирізані лазером, також вимагають постобробки, як і отвори, витравлені хімічним способом. Форми для лазерного різання потребують електролітичного полірування та нікелювання, щоб внутрішня стінка отвору була гладкою. Оскільки розмір діафрагми зменшується в подальшому процесі, розмір діафрагми лазерного різання повинен бути належним чином компенсований.

Аспекти використання трафаретного друку

Друк за допомогою трафаретів включає три різні процеси. Перший – це процес заповнення отворів, при якому паяльна паста заповнює отвори. Другий – це процес перенесення паяльної пасти, в ході якого накопичена в отворі паяльна паста переноситься на поверхню друкованої плати, а третій – місце розташування нанесеної пайки. Ці три процеси необхідні для отримання бажаного результату – нанесення точного об’єму паяльної пасти (також званої цеглою) у потрібне місце на друкованій платі.

Для заповнення отворів шаблону паяльною пастою потрібен металевий скребок, щоб втиснути пасту в отвори. Орієнтація отвору щодо смужки ракеля впливає на процес заповнення. Наприклад, отвір з довгою віссю, орієнтованою на хід леза, заповнює краще, ніж отвір з короткою віссю, орієнтованою в напрямку ходу леза. Крім того, оскільки швидкість ракеля впливає на заповнення отворів, менша швидкість ракеля може зробити отвори, довга вісь яких паралельна ходу ракеля, краще заповнювати отвори.

Край смужки ракеля також впливає на те, як паяльна паста заповнює отвори трафарету. Звичайною практикою є друк, застосовуючи мінімальний тиск ракеля, зберігаючи чисте витирання паяльної пасти на поверхні трафарету. Збільшення тиску ракеля може пошкодити ракель і шаблон, а також спричинити розмазування пасти під поверхнею шаблону.

З іншого боку, нижчий тиск ракеля може не дозволити пайальній пасті вийти через маленькі отвори, що призведе до недостатнього припою на друкованих платах. Крім того, паяльна паста, залишена збоку ракеля біля великого отвору, може бути витягнута вниз під дією сили тяжіння, що призведе до надлишкового відкладення припою. Тому необхідний мінімальний тиск, який дозволить домогтися чистого витирання пасти.

Величина застосовуваного тиску також залежить від типу використовуваної пайки. Наприклад, у порівнянні з використанням олово/свинцевої пасти, при використанні безсвинцевої паяльної пасти, PTFE/нікельований ракель вимагає приблизно на 25-40% більше тиску.

Проблеми продуктивності паяльної пасти та трафаретів

Деякі проблеми з продуктивністю, пов’язані з паяльною пастою та трафаретами:

Товщина та розмір отвору трафаретної фольги визначають потенційний об’єм паяльної пасти, нанесеної на друковану плату.

Можливість вивільнення паяльної пасти зі стінки отвору шаблону

Точність розташування цегли для пайки, надрукованих на платах друкованої плати

Під час циклу друку, коли смужка ракеля проходить через трафарет, паяльна паста заповнює отвір трафарету. Під час циклу поділу плати/шаблона паяльна паста буде вивільнятися на колодки на платі. В ідеалі вся паяльна паста, яка заповнює отвір під час процесу друку, повинна бути звільнена зі стінки отвору і перенесена на пластину на платі, щоб утворити повну цеглу для пайки. Однак сума переказу залежить від співвідношення сторін і площі отвору.

Наприклад, у випадку, коли площа прокладки перевищує дві третини площі внутрішньої стінки пор, пасти можна досягти вивільнення краще ніж 80%. Це означає, що зменшення товщини шаблону або збільшення розміру отвору може краще вивільняти пайову пасту при тому ж співвідношенні площ.

Здатність паяльної пасти вивільнятися зі стінки отвору шаблону також залежить від обробки стінки отвору. Лазерне різання отворів шляхом електрополірування та/або гальванічного покриття може підвищити ефективність перенесення суспензії. Однак перенесення паяльної пасти з шаблону на друковану плату також залежить від адгезії паяльної пасти до стінки отвору шаблону і від адгезії паяльної пасти до пластини друкованої плати. Для отримання хорошого ефекту перенесення останній має бути більшим, а це означає, що можливість друку залежить від співвідношення площі стіни шаблону до площі отвору, ігноруючи при цьому незначні ефекти, такі як кут протягу стіни та її шорсткість. .

Розташування та точність розмірів блоків припою, надрукованих на друкованих платах, залежать від якості переданих даних САПР, технології та методу виготовлення шаблону, а також температури шаблону під час використання. Крім того, точність положення також залежить від використовуваного методу вирівнювання.

Шаблон в рамці або приклеєний шаблон

Шаблон в рамці на даний момент є найпотужнішим шаблоном лазерного різання, призначеним для масового трафаретного друку в процесі виробництва. Вони стаціонарно встановлюються в каркас опалубки, а сітчастий каркас щільно стягує опалубну фольгу в опалубці. Для мікро BGA і компонентів з кроком 16 міл і нижче рекомендується використовувати шаблон з рамкою з гладкою стінкою отворів. При використанні в контрольованих температурних умовах форми з рамою забезпечують найкраще положення та точність розмірів.

Для короткострокового виробництва або складання прототипу друкованої плати безрамні шаблони можуть забезпечити найкращий контроль обсягу пайки. Вони призначені для використання з системами натягування опалубки, які є багаторазовими опалубними каркасами, наприклад, універсальними рами. Оскільки форми не приклеюються постійно до каркаса, вони набагато дешевші, ніж форми каркасного типу, і займають набагато менше місця для зберігання.