12 zasad projektowania idealnego szablonu SMT

Miniaturyzacja to słowo, które często pojawia się w naszym codziennym życiu. Otaczają nas jej efekty w formie coraz bardziej kompaktowych urządzeń elektronicznych. Aby nadążyć za tym trendem, firmy muszą stawić czoła wyzwaniom związanym z montażem coraz mniejszych komponentów. W tym miejscu wracamy do tematu procesu SMT (Surface Mount Technology) oraz procesu aplikacji pasty lutowniczej za pomocą szablonu SMT, który został poruszony w poprzednim artykule zatytułowanym „Szablon SMT jako kluczowy element w Twoim procesie montażu SMT”. Zaprezentowane zostały w nim informacje dotyczące tego czym jest szablon SMT i jakie jego rodzaje dostępne są obecnie na rynku. Teraz nadszedł czas na przedstawienie 12 kluczowych zasad projektowych, które pomogą stworzyć idealny szablon SMT.

Od czego zacząć? To pytanie zawsze pojawia się na początku i nie ma w tym nic dziwnego. A więc pierwszym krokiem jest zadbanie o odpowiednie pliki projektowe.

ZASADA 1. SKOMPLETUJ DOKUMENTACJE PROJEKTU PCB

• Plik projektu PCB np. w formacie ODB++
• Dokument specyfikacji laminatu
• Dokument definiujący rodzaj użytych komponentów i ich rozmieszczenie
• Pliki gerber

ZASADA 2. ZADBAJ O FIDUCIALE (PUNKTY REFERENCYJNE)

Z pozoru błahy element może nam wyeliminować wiele problemów podczas procesu produkcji. Należy zawsze zadbać o umiejscowienie punktów referencyjnych do pozycjonowania szablonu w drukarce SMT. Muszą one mieć zachowane odpowiednie wielkości, powinny być rozmieszczone w ilości minimum dwóch i zostać zlokalizowane w punktach maksymalnie od siebie oddalonych. Zaleca się, aby wielkość fiduciala była nie mniejsza niż 1mm. Brak fiduciala na pojedynczej płytce należy zrekompensować ich umieszczeniem na panelu.

ZASADA 3. NORMA IPC-7525

Norma IPC-7525 została stworzona w celu zebrania wszelkich wytycznych odnośnie wielkości apertur czy parametrów, jakie należy uwzględnić podczas projektowania. Powinna to być obowiązkowa lektura dla każdego inżyniera odpowiedzialnego za projektowanie czy nadzór nad szablonami SMT.

ZASADA 4. ZADBAJ O WARTOŚĆ WSPÓŁCZYNNIKÓW ASPECT RATIO I AREA RATIO

Aspect Ratio to stosunek szerokości otworu do grubości szablonu SMT. Standard sugeruje, że dobry współczynnik kształtu powinien być większy niż 1,5. Area Ratio to z kolei stosunek pomiędzy ściankami apertury a powierzchnią pada. Zaleca się, aby miał wartość wyższą niż 0,66.

Wzory do obliczeń współczynników Aspect Ratio i Area Ratio

Pamiętaj, aby wartości w/w współczynników dobrać do odpowiedniej technologii wytwarzania szablonu i uwzględnić całościowy projekt PCB. Zaleca się, że im większe wartości powyższych współczynników tym proces nadruku pasty lutowniczej jest stabilniejszy i zapewnia wyższą jakość. 

ZASADA 5. ROZMIAR APERTURY vs ROZMIAR PADA

Zakłada się, aby rozmiar apertury był nieco mniejszy od rozmiaru pada na PCB. Pomaga to uzyskać dodatkowe „uszczelnienie” między powierzchnią szablonu a padem i zapobiega tworzeniu się kulek lutowniczych czy zwarć podczas nadruku pasty lutowniczej. Zmniejszenie szerokości apertury należy przeprowadzić równomiernie z każdej strony, tak aby apertura była wyśrodkowana na padzie lutowniczym.

ZASADA 6. ZAPROJEKTUJ ODPOWIEDNI KSZTAŁT APERTURY

Dobór odpowiedniego kształtu apertury jest kluczowy, aby uniknąć błędów lutowniczych takich jak kuleczkowanie, tombstoning czy przesunięcia komponentów, które są niezgodne z normami IPC.

ZASADA 7. ZWERYFIKUJ OBECNOŚĆ SOLDER MASKI POMIĘDZY PADAMI LUTOWNICZYMI

Obecność solder maski pomiędzy padami zapobiega powstaniu mostkowania i zwarć pomiędzy padami na płytce obwodu drukowanego. W przypadku jej braku podczas projektowania należy zadbać o odpowiednie odległości między padami w celu zapobiegania występowania wyżej wymienionych defektów.

ZASADA 8. DOBIERZ ODPOWIEDNIĄ GRUBOŚĆ SZABLONU

Grubość szablonu ma za zadanie zapewnić odpowiednią ilość pasty na padzie po procesie nadruku. Na jej dobór wpływa wielkość oraz rodzaj komponentów jak również projekt PCB. W przypadku występowania małych komponentów o małych odstępach i jednocześnie dużych padów np. dla złącz, należy rozważyć zastosowanie np. szablonu stopniowanego.

ZASADA 9. DOBIERZ ODPOWIEDNI TYP SZABLONU

Dla konkretnego projektu należy rozważyć, czy chcemy zastosować szablon standardowy, czy stopniowany oraz w jakiej technologii zostanie on wykonany. Należy również rozważyć zastosowanie szablonu ze specjalnymi powłokami np. w sytuacji, gdy nie ma możliwości zastosowania szablonu o większej grubości, a istnieje ryzyko niedoboru pasty.

ZASADA 10. ZWERYFIKUJ OBECNOŚĆ KOMPONENTÓW „PIN IN PASTE”

Podczas projektowania należy zwracać uwagę na możliwość lutowania komponentów PTH (Pin Through Hole) przy użyciu techniki montażu powierzchniowego SMT (Surface Mount Technology). Należy wtedy zastosować odpowiednio większe apertury (tzw. overprinting).

Wzory do obliczeń współczynników Aspect Ratio i Area Ratio (źródło Norma IPC 7525)

ZASADA 11. „REGUŁA PIĘCIU KULEK”

Praktyczna zasada, która mówi, że aby uzyskać dobre uwalnianie szablonu, należy zmieścić pięć największych cząstek proszku w najwęższym otworze. Reguła odnosząca się do wyboru odpowiedniego typu pasty lutowniczej, aby zapewnić odpowiednią jakość.

ZASADA 12. DOBIERZ ODPOWIEDNIĄ RAMĘ SZABLONU

Pierwszym aspektem, jaki należy rozważyć w tym punkcie to sprzęt, jaki będzie używany do nakładania pasty lutowniczej oraz jego ograniczenia. Czy proces będzie manualny, czy automatyczny? To kluczowe pytanie, na które należy znaleźć odpowiedź na tym etapie. Zdeterminuje to czy szablon będzie bezramkowy, czy z ramką. Należy również rozważyć jaki odpowiedni będzie system naciągu szablonu. Obecnie na rynku dostępne są różne rozwiązania jak ramy typu VectorGuard firm ASM, Zelflex czy Alpha Tetra.

Podsumowując, wybór i projektowanie szablonu SMT nie jest prostym zadaniem. Wymaga uwzględnienia wielu czynników, które wpływają na końcowy sukces i prawidłowość przygotowanego projektu. Kluczową rolę odgrywa tutaj doświadczenie. Jednak, kierując się powyższymi wytycznymi i wskazówkami, można z pewnością przygotować szablon SMT, który spełni oczekiwania. W przypadku bardziej skomplikowanych projektów zawsze istnieje możliwość skorzystania z usług firm specjalizujących się w tej dziedzinie, które mogą udzielić cennych rad, a nawet przygotować szablon dostosowany do indywidualnych potrzeb.

Życzę powodzenia w projektowaniu szablonów SMT i mam nadzieję, że ten artykuł okaże się pomocny.

Autor: Artur Brzychciński

Lamides s.c.

http://www.lamides.pl/