Wielkość komponentu definiuje grubość szablonu

Drukowanie pasty lutowniczej dla bardzo małych komponentów, takich jak CSP o rozstawie wyprowadzeń 0.3 mm czy komponenty w obudowach chip 01005, jest kluczowym wyzwaniem w procesie drukowania. Staje się to szczególnietrudne, gdy na tej samej PCB znajdują się również znacznie większe komponenty, takie jak ekrany RF, złącza SMT czy duże elementy w obudowie chip.

Aby zachować tzw. area ratio (pojęcie to ilustruje rysunek poniżej) większy niż 0.55, który jak powszechnie uważa się gwarantuje dobry transfer pasty na substrat, mniejsze elementy zwykle wymagają szablonu o grubości 3 mils (milicali). Z kolei większe elementy wymagają większej wysokości lub objętości depozytu pasty lutowniczej, a zatem dla nich odpowiednia grubość szablonu mieści się w zakresie od 4 do 5 milicali.

Wnikając głębiej w problem jednoczesnego występowania dużych i miniaturowych komponentów, warto przyjrzeć się ‘pracy’ cienkiego i grubego szablonu podczas nadruku. Z jednej strony duże elementy wymagają większej ilości pasty lutowniczej, aby zapewnić wystarczającą ilość lutowia niezbędnego w procesie lutowania rozpływowego. Jeśli ten sam szablon jest używany do drukowania pasty dla małych elementów, otwory są tak małe, że utrudnia to lub nawet uniemożliwia uwalnianie pasty z apertury. Słabe uwalnianie pasty jest spowodowane kombinacją kilku czynników, ale całość można zilustrować za pomocą koncepcji współczynnika powierzchni. Współczynnik powierzchni jest zdefiniowany jako powierzchnia otworu podzielona przez powierzchnię ścianki otworu (Rysunek 1). 

Rysunek 1: Koncepcja współczynnika powierzchni. Żródło: © 'Stencil Options for Printing Solder Paste for .3 Mm CSP’s and 01005 Chip Components' William E. Coleman Ph.D., Photo Stencil oraz Chris Anglin, Indium.

Problemy napotykane podczas używania grubego szablonu zarówno dla małych, jak i dużych komponentów pokazano na Rysunku 2. Grubszy szablon zapewnia wystarczającą ilość pasty do formowania akceptowalnych kształtów połączeń lutowniczych w procesie lutowania rozpływowego, jednak w przypadku małych komponentów, słabe uwalnianie pasty na pady jest przyczyną niewystarczającego depozytu pasty lutowniczej i tworzenia się wadliwych połączeń lutowniczych. 

Rysunek 2: Wady i zalety korzystania z grubego szablonu. Żródło: © 'Stencil Options for Printing Solder Paste for .3 Mm CSP’s and 01005 Chip Components' William E. Coleman Ph.D., Photo Stencil oraz Chris Anglin, Indium.

Z kolei Rysunek 3 pokazuje problemy napotkane podczas korzystania z cienkiego szablonu. W przypadku małych elementów transfer pasty jest dobry, co skutkuje dobrym kształtem utworzonego połączenia lutowniczego, jednak - nawet w warunkach poprawnego transferu 

pasty - w przypadku dużych elementów, ilość pasty lutowniczej jest niewystarczająca do utworzenia trwałego połączenia lutowniczego. Standardowe wytyczne dotyczące apertury szablonu to utrzymanie współczynnika powierzchni na poziomie > 0,66 (mówi tak na przykład IPC 7525). Osiąga się to poprzez dostosowanie rozmiaru apertury i/lub grubości szablonu. Technologia szablonów również odgrywa pewną rolę, a wersja A IPC 7525 zmienia wytyczne na 0.5 dla niektórych technologii wytwarzania szablonów, w tym szablonów elektroformowalnych. 

Rysunek 3: Wady i zalety korzystania z ciemkiego szablonu. Żródło: © 'Stencil Options for Printing Solder Paste for .3 Mm CSP’s and 01005 Chip Components' William E. Coleman Ph.D., Photo Stencil oraz Chris Anglin, Indium.

Poniższy Rysunek 4 pokazuje współczynnik powierzchni w zależność od grubości szablonu oraz wielkości apertury, zilustrowaną na przykładzie komponentów CSP 0.3 mm i komponentów w obudowie chip 01005.

Rysunek 4: Współczynnik powierzchni w zależnoścu od grubości szablonu oraz wielkości apertury. Żródło: © 'Stencil Options for Printing Solder Paste for .3 Mm CSP’s and 01005 Chip

Components' William E. Coleman Ph.D., Photo Stencil oraz Chris Anglin, Indium.

Istnieje kilka standardowych rozwiązań tego ‘dylematu’. Pierwsza – rzadko spotykana - opcja to dwukrotne drukowanie płytki za pomocą dwóch szablonów. Najpierw, za pomocą cienkiego szablonu drukuje się małe apertury, a większe depozyty tworzy się grubszym szablonem ze specjalnymi wypukłymi kieszeniami, chroniącymi pierwszy nadruk. Inna opcja to oczywiście szablonowy stepowane, o zmiennej grubości, którym poświęcimy osobny artykuł. Kolejną opcją jest zastosowanie nowoczesnych technologii produkcji samego szablonu, zapewniających dobrą wydajność transferu pasty dla współczynnika powierzchni poniżej 0.5. W takim przypadku grubszy szablon może być wykorzystany do drukowania padów pod wszystkie komponenty. Do nowoczesnych technologii wycinania szablonów o współczynniku powierzchni w zakresie od 0,4 do 0,69, można zaliczyć laserowe wycinanie szablonów ze drobnoziarnistej stali nierdzewnej, stali z powłoką teflonową PTFE oraz szablony elektroformowane z powłoką teflonową lub bez niej. 

Artykuł opracowano na podstawie informacji zawartych w opracowaniu © 'Stencil Options for Printing Solder Paste for .3 Mm CSP’s and 01005 Chip Components' William E. Coleman Ph.D., Photo Stencil oraz Chris Anglin, Indium.

Zdjęcie tytułowe: © Scanditron