Skąd się bierze zbyt duży depozyt pasty i co mają z tym wspólnego psie uszy

Często w procesie PCBA uzyskuje się zbyt duży - większy od zaplanowanego - depozyt pasty na padzie, co może prowadzić do dalszych defektów obwodu, na przykład do powstawania mostków. Jednak równie częstym zjawiskiem są fałszywe alarmy ze strony SPI, informujące o zbyt dużej ilości osadzonej pasty, podczas gdy w rzeczywistości depozyt jest prawidłowo uformowany.

Brian Smith, dyrektor generalny Electronic Assembly Americas w DEK pisze, iż przede wszystkim przyczyną może być nieodpowiednie przyleganie szablonu do PCB: ‘Możliwe jest uzyskanie większej niż zaplanowano objętości depozytu i najbardziej prawdopodobnym scenariuszem jest sytuacja, iż szablon nie styka się płasko z powierzchnią płytki podczas cyklu drukowania. Jakakolwiek szczelina między płytką a szablonem może być bezpośrednim powodem większej wysokości pasty niż teoretycznie można by tego oczekiwać na podstawie grubości szablonu. Powiedziałbym jednak, że jeśli proces drukowania jest prawidłowo skonfigurowany, czyli nie ma przerwy pomiędzy szablonem a PCB, przeniesienie więcej niż 100% oczekiwanej objętości jest prawie niemożliwe'.

Natomiast jeśli chodzi o błędne odczyty SPI, to w grę wchodzi przytoczone we wstępie do artykułu zjawisko ‘psich uszu’, czyli formowania się depoztu z wywiniętymi do góry krawędziami: ‘Najbardziej typowy sposób odczytu zbyt dużego transferu pastu jest związany z algorytmami oprogramowania w SPI. Jako przykład tego, w jaki sposób mogą powstawać błędne odczyty, jest zjawisko ‘psich uszu’: SPI może odczytać wysokość depozytu pasty wzdłuż krawędzi zamiast na podstawie jego środka. Gdy tak się stanie, całkowita objętość zostanie błędnie obliczona, a wynik może przekroczyć 100% oczekiwanej wartości’

Fritz Byle, inżynier procesu z firmy Astronautics podaje znacznie więcej przyczyn powstawania zbyt dużych depozytów i wyskakiwania błędnych alarmów z SPI: ‘Możliwe są dwie sytuacje: wydajność transferu pasty rzeczywiście będzie większa niż 100% [tj. większa niż planowano tłum], jak również możliwe jest, że stały błąd w systemie pomiaru pasty lutowniczej może również spowodować fałszywe wskazanie wydajności transferu, przekraczające 100%. Najpierw warto wymienić kilka powodów, dla których wydajność transferu może faktycznie przekroczyć zaplanowane wartości:

• Szablon jest przykładany do PCB ze zbyt słabą siłą. Takie stan rzeczy może być spowodowany  zanieczyszczeniem dna szablonu przez cząsteczki lutu w pobliżu otworów lub trudną topografią PCB, w szczególności soldermaską [tj. o wysokim profilu tłum].
• Wymiary otworu szablonu nie są idealnie zgodne z plikiem projektu. Wymiary X/Y otworów bywają nieprawidłowe, także grubość szablonu może być niewłaściwie dobrana. W płaszczyźnie X/Y w rzeczywistości występuje większa zmienność rozmiaru otworu, niż się zwykle zakłada i jest całkiem możliwe, że apertury są nieco większe od zaplanowanych. Trzeba też pamiętać, że 10% wzrost wymiarów liniowych odpowiada 21-procentom wzrostu  powierzchni, a więc i objętości. Co więcej, również grubość arkusza może nie być jednolita i nieco odbiegać od nominalnej.
• Rakla nie czyści dokładnie szablonu. Jeśli rakla  ślizga się choćby po pojedynczej warstwie cząstek pasty lutowniczej, dodaje to prawie dwa milicale dodatkowej grubości szablonu ‘fantomowego’.
• Pasta wnika pod szablon. Jeśli szczelina między szablonem a PCB jest zbyt duża, pasta wciska się pod szablon, co zwiększa objętość depozytu. Ponadto, jeśli projekt przewiduje taki sam rozmiar apertury i padu, nawet najdrobniejsze przesunięcie tworzy szczelinę, przez którą może przeciskać się pasta. Zwykle jest to niewielka objętość, ale w niektórych sytuacjach może ona mieć krytyczne znaczenie.

Przyjrzyjmy się teraz kilku powodom, dla których nadmierny transfer może być zgłaszany przez SPI, podczas gdy tak naprawdę nie ma on miejsca: .

• Błąd płaszczyzny odniesienia. System pomiarowy musi obliczyć, jaka jest odległość górnej ścianki depozytu od powierzchni padu, mimo że nie widzi samego padu. Metoda, której używa maszyna, może mieć pewne nieodłączne przybliżenie. Niektóre maszyny używają stosunkowo wyrafinowanych algorytmów, jednak inne są po prostu mniej dokładne. Parametry samego PCB mogą wpływać na kierunek i/lub wielkość wspomnianego przybliżenia. Jeśli urządzenie uzna, że ​​pad jest położony niżej niż jest w rzeczywistości, zgłaszana objętość będzie większa niż rzeczywista.
• Zacienienie/Shadowing. Ten błąd występuje, gdy w systemie czujników występuje odchylenie kierunkowe. Niektóre systemy tak naprawdę nie widzą dobrze pionowych krawędzi, więc mogą dodawać ‘fantomową’ objętość, tak jakby depozyt miał kształt piramidy zamiast cegły. Ten rodzaj przesunięcia nie jest tak powszechny ani wyraźny w nowoczesnych systemach. Błąd można wyeliminować, dokładnie mierząc tę ​​samą próbkę w różnych orientacjach.
• Nieodpowiednia częstotliwość próbkowania X/Y. System, który ma niską rozdzielczość X/Y, może postrzegać depozyt, który ma dużą uniesioną krawędź (tzw. psie uszy), jako mający błędnie dużą wysokość. Ten rodzaj błędu nie jest  powszechny w nowoczesnych systemach.

Jak widać, w procesie drukowania jest dużo miejsca na zmienność, zarówno rzeczywistą, jak i nieprawdziwą. Ważne jest, abyśmy rozumieli, które zjawisko rzeczywiście ma miejsce, a które nie. Dlatego kluczowe znaczenie ma zrozumienie posiadanego systemu pomiarowego, w tym ‘zakres błędu’ dla wszelkich raportowanych wartości. Zwykle osiąga się to poprzez wykonanie ustrukturyzowanych testów i analiz systemu. Takie testy mogą obejmować wielokrotny pomiar tej samej próbki, w tym w pomiar w różnych orientacjach. Mogą również obejmować pomiar próbki na specjalnych podłożach w celu zmniejszenia lub wyeliminowania problemu ustalenia wysokości.

Peter Biocca, starszy inżynier ds. rozwoju rynku w Kester, zwraca uwagę na jeszcze jedną przyczynę zbyt dużego depozytu, o której nie wspominają obaj cytowani wcześniej eksperci: ‘Uzyskanie większej wysokości i większej objętości pasty lutowniczej niż grubość szablonu może wystąpić z powodu ściśnięcia mieszanki proszku i topnika. Na hydrodynamiczne właściwości pasty lutowniczej będzie miał wpływ kąt natarcia rakli i siła jej przyłożenia.

Dlatego, w niektórych przypadkach, po nadrukowaniu pojawi się większa ilość pasty lutowniczej od oczekiwanej. Większy kąt natarcia rakli w połączeniu z nadmierną siłą nacisku może skutkować wyższą objętością depozytu. Zależy to również w pewnym stopniu od reologii pasty lutowniczej i składników chemicznych, zastosowanych w topniku’.