Jak dostosować szablon do projektu PCB?

Artykuł zawiera kilka uwag, odnoszących się do projektu szablonu w sytuacjach, kiedy najlepszym rozwiązaniem jest wykonanie szablonu stepowanego.

Łukasz Jaeszke

2022-04-05

Wstęp

Proces optymalizacji projektu szablonu należy rozpocząć od przeglądu generalnego układu PCB. Rodzaj i lokalizacja komponentów, gęstość ich lokalizacji i obecność komponentów THT są czynnikami decydującymi o wyborze odpowiednich technologii, zapewniającej uzyskanie najlepszych możliwych wyników w procesie drukowania pasty lutowniczej. Pierwszym wyborem jest grubość szablonu i określenie, czy wymagana będzie różna grubość szablonu, tj. szablony stepowane.

Niektóre komponenty, takie jak uBGA, BTC lub komponenty przewlekane, będą również wymagały szczególnej uwagi przy projektowaniu apertury. Grubość szablonu, rozmiar apertury i gęstość ich rozmieszczenia są czynnikami, wpływającymi na wybór materiału na szablon.

Proces produkcyjny ma kilka istotnych czynników wpływających na końcowy sukces, a wysoka dokładność wymiarów i jakość wycięcia otworów mają kluczowe znaczenie dla uzyskania powtarzalnych, wysokiej jakości depozytów pasty lutowniczej. Powłoki wykończeniowe szablonu, które kiedyś były uważane za niezbędne tylko w przypadku wymagających procesów, obecnie wykazały swój pozytywny wpływ na poprawę każdego procesu drukowania, do którego zostały wprowadzone.

Przegląd projektu przed produkcją i wybór technologii szablonu w oparciu o układ PCB poprawia wydajność, produktywność i niezawodność a zrozumienie i rozważenie wpływu layout’u PCB na projekt szablonu nie tylko poprawi wydajność montażu, ale pomoże obniżyć całkowity koszt produktu, zanim projekt zostanie finalnie zatwierdzony.

Przegląd projektu

Układ PCB decyduje o wyborze głównych parametrów szablonu tj. o grubości folii i rozmiarach apertur. Mniejsze komponenty, z drobniejszymi wyprowadzeniami wymagają cieńszych folii, których grubość waha się w zakresie 3-5 mil. Większe komponenty, takie jak złącza THT lub układy podatne na wypaczenia lub problemy z koplanarnością, wymagają stosowania grubszych folii, w zakresie 6-8 mil lub więcej.

Dokładny przegląd projektu prowadzi czasem do identyfikacji sprzecznych wymagań, które wymagają szczególnej uwagi przy projektowaniu szablonu, a także pomaga określić najlepszy materiał, proces produkcyjny i powłokę szablonu. Przegląd rozpoczyna się od zautomatyzowanego przeglądu układu płytki drukowanej przez odpowiednie oprogramowanie, służące kontroli projektu. Oprogramowanie odczytuje plik Gerber i oblicza wszystkie współczynniki powierzchni, zaznaczając te, które spadają poniżej określonego progu, zwykle 0,66.

Szablony stepowane

Szablony stepowane - lub lokalnie zmieniające grubość - mogą zapewnić optymalne rozwiązanie wobec sprzecznych wymagań dotyczących grubości. Szablony można schodkować na kilka sposobów:

• Step Up: lokalnie zwiększa grubość szablonu

• Step Down: lokalnie zmniejsza grubość szablonu

• Zmiany grubości szablonu mogą występować na górnej lub dolnej jego stronie

• Szablony bezstopniowe, posiadające wygładzone zmiany grubości

• Stopnie ustawione pod kątem, zmniejszające zużycie rakli

• Wnęki w szablonie po stronie płytki drukowanej, dostosowane do występujących na PCB przeszkód, takich jak np. etykiety.

Same stopnie mogą natomiast być tworzone przez:

• Wytrawianie chemiczne

• Frezowanie

• Spawanie

Ogólne wskazówki dotyczące stopniowania szablonów różnią się w zależności od źródła. Oficjalna specyfikacja IPC-7525 oferuje metodę obliczania wymaganej ‘strefy ochronnej’ w oparciu o głębokość kroku w celu optymalizacji jakości druku (tabela obok). Zasada zawarta w normie mówi, iż na każde 0.025 mm (0.98 mil) skoku szablonu powinno wypadać 0.9 mm (35.4 mil) ‘strefy ochronnej’, w której nie należy projektować żadnych apertur.

Inne wytyczne projektowe dla szablonów stepowanych mówią o ograniczeniu maksymalnej wysokości (głębokości) pojedynczego stopnia do 2 mil (50 µm), co ma zapewnić utrzymanie odpowiednio wysokiego ciśnienia napełniania apertur oraz o minimalnej strefie ochronnej na poziomie 25 mil (625 µm) wokół apertur. Generalnie: im dalej od apertury można umieścić stopień, tym lepiej. Umożliwia to dopasowanie i przyciśnięcie rakli do stopnia, zapobiegając gromadzeniu się pasty i jej wysychaniu w pobliżu ścianek stopnia. Komponenty, które niekoniecznie wymagają stopni, ale ich obecność nie jest dla nich szkodliwa, są często umieszczane w pogrubionym obszarze szablonu w celu utrzymania strefy ochronnej. Inna opcja układu PCB to grupowanie komponentów wymagających stosowania stopni w klastry, co pozwala utworzyć mniejszą liczbę większych obszarów stepowanych zamiast wielu mniejszych.

Jeśli pożądana głębokość kroku wynosi tylko 1 mil (25 µm), to idealne rozwiązanie może stanowić folia o przyrostowym rozmiarze. Elektroformowane folie niklowe są dostępne w rozmiarach 3.5, 4.5, 5.5 lub 6.5 milsów i są wytwarzane w zbiornikach galwanicznych. Folie niklowe oferują nie tylko te przyrost grubości poniżej 1 mil, lecz również zapewniają wysoką trwałość w przypadku procesów, które wymagają dużego nacisku rakli.

QFN lub inne komponenty posiadające wyprowadzenia na spodniej stronie, ze względu na konieczność stosowania bardzo małych apertur o rastrze 0.5 mm, często wymagają stosowania szablonów stepowanych. Z drugiej strony, ze względu na swoją ekonomiczną cenę i niezawodność, komponenty te stają się coraz bardziej popularne. Oprócz tego, że czasami wymagają utworzenia cieńszych obszarów szablonu, wymagają również szczególnej uwagi jeśli chodzi o ich duży, środkowy pad, często używany do odprowadzania ciepła lub uziemienia. Jeśli pasta zostanie nałożona na podkładkę w niewystarczającej ilości, jej skuteczność będzie zmniejszona. Z kolei w przypadku nałożenia zbyt dużej ilości pasty lutowniczej, komponent może się przechylać lub pływać, tworząc otwarte lub zawodne połączenia lutownicze. Jeśli w padzie uziemiającym znajdują się przelotki termiczne, rozgrzana pasta może uciekać przez nie na spodnią stronę płytki, będąc bezpośrednią przyczyną powstawania pustek. Dodatkowo, topnik w paście lutowniczej może powodować powstawanie pustek pod podkładką termiczną. Dlatego ważne jest, aby projektant szablonu przewidział kilka apertur na środkowy pad, zapewniając właściwe odstęp (2-3 mils), tworząc ścieżki odgazowania i ograniczając tym samym defekt powstawania pustek, jak również unikając drukowani pasty na przewodach termicznych. Zagadnienia dotyczące projektowania apertur dla BTC przedstawialiśmy szerzej w osobnych artykułach Apertury pod podkładkę termiczną QFN oraz Prostokątne pady pod BGA to zły pomysł