Technologie wytwarzania szablonów stopniowanych - która najlepsza?

Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych powoduje, iż współczesne projekty układów zawierają w jednym układzie zarówno bardzo małe komponenty, takie jak 01005 i elementy o rozstawie 0,3 mm, jak również duże podzespoły, takie jak złącza, złącza, elementy montowane technika pin-in-paste czy osłony RF.

Współczynnik powierzchni (area ratio, AR) i objętość pasty lutowniczej to dwa najważniejsze czynniki zapewniające pozytywne wyniki druku w procesie montażu. Współczynnik powierzchni AR definiuje się jako stosunek pola powierzchni otworu apertury do pola powierzchni jej ścianki. Wysoki współczynnik powierzchni zapewnia prawidłowe uwalnianie pasty przez otwory apertur, podczas gdy jego niski poziom powoduje nierówny czy też zmniejszony depozyt pasty. Aby proces drukowania był wolny od defektów, IPC zaleca współczynnik powierzchni powyżej 0,66.

Rysunek 1. Ilustracja idei KOZ w szablonie stopniowanym (IPC-7525a-3-17).

Tabela 1. Wymagania KOZ dotyczące szablonu stopni zgodnie z IPC

Utrzymanie zalecanego współczynnika powierzchni i objętości pasty lutowniczej przy złożonym montażu płytki wymaga użycia szablonów schodkowych (inaczej stopniowane lub step). W przypadku elementów o drobnej podziałce lub mniejszych elementów pasywnych, wysoki współczynnik powierzchni można osiągnąć, stosując cieńszy szablon lub obniżając wysokość szablonu bazowego. W przypadku większych elementów na płytkach, dużą objętość i wysokość pasty uzyskuje się poprzez zwiększenie grubości całego szablonu lub tylko miejscowe zwiększenie jego grubości w pożądanym obszarze. Szablony stopniowe pomagają w nałożeniu precyzyjnej ilości pasty lutowniczej na wszystkie typy komponentów oraz zapewniają wysoką wydajność i jakość połączenia lutowniczego.

Strefa ochronna wokół linii zmiany grubości odgrywa kluczową rolę w transferze odpowiedniej ilości pasty lutowniczej. Nierówność osadzania się pasty jest widoczna w aperturach wokół krawędzi stopnia. IPC SPEC – 7525 opisuje wymaganie KOZ (K1 + K2) (Rysunek 1). K1 to odległość między krawędzią stopnia, a najbliższą aperturą w podwyższonym obszarze szablony, a K2 to odległość do najbliższego otworu w cieńszym obszarze.

Zalecaną wartość KOZ dla każdego stopnia co 1 milical podano w Tabeli 1. IPC zaleca odstępy między otworami w różnych stopniach wynoszące co najmniej 61 milicali na każdy skrok co 1 milical.

Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych i wzrastająca gęstość upakowania podzespołów na płytkach PCB w większości przypadków nie pozwalają na utrzymanie KOZ na poziomie 61 mil. Technologie wytwarzania szablonów schodkowych mogą odegrać ważną rolę w zapewnieniu spójnego osadzania pasty przy małej odległości KOZ. Do pewnego czasu proces trawienia fotochemicznego był uważany za kluczową technologię wytwarzania wielopoziomowych szablonów, jednak w ostatnich latach nowsze technologie, takie jak spawanie laserowe, elektroformowanie i mikrofrezowanie stały się realnymi konkurentami trawienia chemicznego.

Alternatywne technologie wytwarzania szablonów stopniowanych

Proces trawienia fotochemicznego Trawienie fotochemiczne jest procesem subtraktywnym. Zaczyna się od grubszej folii szablonowej i zmniejsza grubość wybranego obszaru za pomocą procesu mokrego trawienia chemicznego. Na początku procesu opracowywany jest fotorezyst, który chroni obszary, w których zmniejszanie grubości nie jest konieczne. Pozostały obszar, na którym materiał jest odsłonięty, ulega rozpuszczeniu za pomocą chemicznego środka trawiącego. Proces ten może sprawić, że powierzchnia szablonu będzie szorstka, a w celu jej wygładzenia wymagany będzie dodatkowy etap polerowania. Na koniec, aby poprawić tolerancję wielkości apertur, są one wycinane laserowo, a nie trawione. W ostatnich latach wiele gałęzi przemysłu odeszło od szablonów stopniowanych trawionych chemicznie ze względu na niedostateczną dokładność grubości stopnia.

Proces zgrzewania laserowego W procesie zgrzewania laserowego folie szablonowe o żądanej grubości i rozmiarze są wstępnie przycinane i łączone z folią bazową. Po sklejeniu apertury są formowane w procesie cięcia laserowego. Technologia ta zapewnia elastyczność, krótki czas realizacji oraz doskonałą precyzję i dokładność grubości stopnia. Stopnie dodane za pomocą spawania laserowego są wymienne, co dodatkowy pozwala zaoszczędzić koszt wytworzenia nowego szablonu w przypadku zmiany jego projektu. Ograniczenia tej technologii to wysokie wymagania dotyczące odstępu w pobliżu krawędzi stopnia ze względu na niespójność druku i lokalne wypaczenie folii wokół obszaru zgrzewania, zwłaszcza gdy używana jest cieńsza folia. Wypaczenie folii może prowadzić do nieprawidłowego ułożenia i tworzenia szczeliny pomiędzy szablonem a PCB podczas procesu drukowania.

Proces elektroformowania. W procesie elektroformowania (e-form) negatywowy obraz fotorezystu, oparty na lokalizacji apertur szablonu, nakładany jest na miedzianą bazę, a wokół apertur/maski nawarstwia się nikiel. Nikiel dodaje się w zależności od wymaganej grubości obszaru stopnia. Ponieważ nikiel jest twardszy niż stal nierdzewna, trwałość szablonu elektroformowanego jest znacznie wyższa. Dodatkowo, apertury wytwarzane metodą elektroformowania mają gładsze ścianki otworów w porównaniu do procesu cięcia laserowego. Wytworzenie trójwymiarowego szablonu schodkowego metodą elektroformowania przy użyciu niestandardowego trzpienia miedzianego może być od pięciu do dziesięciu razy droższe (4.000–6.000 USD) w porównaniu z innymi technologiami schodkowymi. Aby obniżyć koszty, dostawcy mogą wytwarzać szablony schodkowe w procesie elektroformowania jedną z następujących metod:

a) tworzyć same apertury w procesie elektroformowania, ale stopnie wytwarzać w procesie trawienia chemicznego,

b) tworzyć stopnie w procesie elektroformowania, a następnie tworzyć apertury w procesie proces cięcia laserowego.

Ponieważ nikiel jest twardym materiałem, jego cięcie za pomocą laseru może prowadzić do powstawania szorstkiej powierzchni apertury, co pozbawia ją kluczowych zalet procesu elektroformowania. W drugiej metodzie opisanej powyżej utrzymanie dokładności grubości stopniowania jest trudne ze względu na addytywny charakter procesu elektroformowania. Ponadto, proces elektroformowania nakłada ograniczenie maksymalnej wysokości stopnia, gdy nie jest używany niestandardowy trzpień.

Proces mikrofrezowania. Technologia mikrofrezowania stała się w ostatnich latach bardzo popularna przy produkcji szablonów stopniowanych. Proces mikrofrezowania jest procesem subtraktywnym i rozpoczyna się od grubszej folii jako podstawy, a materiał jest frezowany w wybranych obszarach w celu zmniejszenia jej grubości. Następnie, w procesie cięcia laserowego, tworzone są apertury. Technologia ta zapewnia doskonałą dokładność wysokości stopnia i przejścia stopnia z dokładnością w osi Z w granicach 5um. Ponadto, pełna kontrola krawędzi zapewnia stały kąt i promień, umożliwiając projektowanie otworów bliżej stopni. Łagodniejsze przejście w obszarach schodkowych wydłuża żywotność rakli i zapobiega gromadzeniu się pasty w obszarach przejściowych. Ogólnie, technologia ta umożliwia lepsze osadzanie się depozytów, a także równomierne przenoszenie pasty wokół krawędzi stopnia z małą strefą ochronną (<0,4 mm).

Rysunek 2. Stopnie wykonane w procesie trawienia chemicznego (górny lewy), spawania laserowego, elektrformowania i mikrofrezowania. .

Autorzy artykułu Impact of Stencil Manufacturing Technology and Supplier’s Capability on Performance of Multi-level/ Step Stencils z firmy Intel przeprowadzili eksperyment, nakierowany na kompleksową ocenę poszczególnych technologii wytwarzania szablonów schodkowych. Przebieg i zasady eksperymentu zostały szczegółowo opisane w treści opracowania, które możecie znaleźć tutaj.

Wnioski z eksperymentu

Ważony wynik badanych w eksperymencie parametrów wskazuje, że technologia mikro frezowania przewyższa inne technologie wytwarzania szablonów stopniowanych w wielu obszarach i ma duży potencjał, aby spełnić przyszłe wymagania dotyczące szablonów. Frezowane szablony zapewniają gęstszy rozkład objętości pasty, płynne przejście na stopniach i gładsze wykończenie powierzchni, a jednocześnie wszystkie zalety szablonów wycinanych laserowo. Koszt frezowanych szablonów jest porównywalny z innymi, niedrogimi technologiami, takimi jak spawanie laserowe i szablony wytrawiane chemicznie. Technologia ma potencjał utrzymania najniższego KOZ, stanowiącego krytyczny wymóg w produkcji gęsto upakowanych płytek zawierających mieszane technologie.

Przed wyborem technologii szablonu należy dokładnie rozważyć możliwości dostawcy. Wyniki wykazały, że wydajność technologii stopniowanej w dużym stopniu zależy od możliwości dostawcy szablonu. Odkryliśmy, że każdy dostawca przoduje w produkcji określonej technologii, ale może nie być wystarczająco wszechstronny, aby z sukcesem produkować szablony w różnych technologiach. Zatem przy wyborze technologii wytwarzania szablonów stopniowych ważny jest zarówno wybór najlepszej technologii, lecz jednocześnie należy dokonać dokładnej oceny zdolności poszczególnych dostawców do wytworzenia tej technologii.

Tabela 2: Podsumowanie wyników eksperymentu.

Żródło: Impact of Stencil Manufacturing Technology and Supplier’s Capability on Performance of Multi-level/ Step Stencils, autorzy: Supriya Agrawal, Mohammad S Alam, Sih Fei Lim, Li Cheng Khaw, Intel Corporation.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!

Zdjęcie tytułowe: Datum