Test: wpływ naprężenia szablonu na jakość procesu drukowania past lutowniczych

Wstęp

Metalowe szablony stosowane są na pierwszym etapie procesu montażu SMT. Zapewnienie wystarczającego  naprężenia szablonu podczas nadruku jest ważnym czynnikiem wpływającym na jakość i powtarzalność depozytu pasty lutowniczej.

Osiągnięcie stabilnego, precyzyjnego wolumenu depozytu w istotny sposób wpływa na rozmiary połączeń lutowniczych, a w konsekwencji na integralność i niezawodność produktu końcowego. Stabilność jest szczególnie istotna w warunkach montażu takich komponentów jak QFN, CSP czy LGA, gdzie po lutowaniu -  poza inspekcją rentgenowską - nie ma możliwości dokonania właściwej oceny połączeń. Także postępująca miniaturyzacja komponentów pasywnych i malejące punkty lutownicze stawiają nowe wymagania dla powtarzalności druku. Poniższy rysunek ilustruje zwiększanie się ilości ‘zakłóceń’ procesu, mierzone jako standardowe odchylenie efektywności transferu pasty (tj. wolumen depozytu pasty/wolumen apertury) wraz z malejącą wartością współczynnika powierzchni (powierzchnia padu/powierzchnia ścianek). Im większy jest współczynnik powierzchni, tym większa jest efektywność transferu i niższe standardowe odchylenie.

Rysunek 1: Zależność pomiędzy efektywnością transferu pasty, mierzoną za pomocą odchylenia standardowego a współczynnikiem powierzchni przy stałej grubości szablonu. 

Dawniej mocowanie i naprężenie szablonu zapewniano przyklejając go za pomocą siatki z z poliestru lub stali nierdzewnej, którą wcześniej napinano i klejono do ramy. Upowszechniła się w ten sposób standardowa technika mocowania, nazywana ‘mesh mounted stencils’, co można by przetłumaczyć jako szablon 'montowany na siatce'. W efekcie prób obniżenia kosztów i rozwiązania problemu utraty naprężenia przez tego typu szablony, opracowano kilka metod utrzymania naprężenia bez potrzeby klejenia ich na stałe do ramy. Metody te określane są wspólnym mianem ‘foil only stencil’, gdzie ‘foil’ w istocie oznacza metalową blachę szablonu. 

Podstawowa zasada tego typu systemów jest zawsze ta sama: wzór szablonu tworzony jest na metalowym arkuszu blachy, który następnie umieszczany jest w ramie, która jednocześnie zabezpiecza szablon i zapewnia jego naprężenie. Napinanie szablonu następuje albo za pomocą zewnętrznych narzędzi, albo wbudowanych w ramę mechanizmów, takich jak dźwignie, sprężyny lub węże pneumatyczne. 

Z jednej strony te nowoczesne systemy są efektywne kosztowo, z drugiej jednak wciąż słyszane są opinie, iż nie zapewniają one tak dobrej jakości nadruku, jak wcześniejsze szablony wklejane na stałe. Najczęściej uwagi dotyczą niezawodności eksploatacyjnej tego rozwiązania, a także niedostatecznego napięcia. Dodatkowo, nowa generacja systemów stwarza pewne zagrożenia dla bezpieczeństwa pracowników, stykają się oni bowiem z niezabezpieczonymi, ostrymi krawędziami blachy. Ten ostatni problem został złagodzony przez zabezpieczające wytłoczenia na brzegach arkusza, dzięki którym łatwiej jest operować szablonem i które pomagają w pozycjonowaniu szablonu w trakcie wpinania go do ramy. 

Obecnie obserwujemy stopniowy wzrost stosowania nowego typu systemów mocowania, głównie ze względu na koszty i miejsce niezbędne do ich przechowywania. Oferowany przez Alpha system Tetra, składający się z ramy oraz arkuszy Tetrabond, przez ostatnie 20 lat stawał się coraz bardziej popularny na rynku. Jednak, mając na uwadze dwa wspomniane problemy, tj. stabilność ramy w długim okresie i utratę napięcia szablonu, opracowano nowszą ramę o nazwie ALPHA tensoRED.

Niezawodność systemów napinania (naciągu) szablonu

Aby zrozumieć w jaki sposób napięcie dostarczane przez ramę może wpływać na niezawodność druku, należy poznać ich konstrukcje. Ramy mogą być podzielone według metody naciągu oraz metody obsługi:  

Metody naciągu

• Mechaniczne: dźwignie lub zatrzask w ramie 
• Pneumatyczne (wytwarzające napięcie jednorazowo lub na stałe podłączone do instalacji sprężonego powietrza)
• Mieszane, otwierane pneumatycznie a zamykane mechanicznie (np. sprężyną)  

Metody obsługi: załadowania / rozładowania 

• Zapewniające ładowanie bez urządzeń zewnętrznych
• Wymagające stacji załadowczej

Metody umożliwiające połączenie arkusza i ramy: 

• różnego rodzaju otwory stosowane na 2 lub 4 brzegach arkusza, dopasowane do haczyków, zębów czy bolców,
• wytłoczenie lub wzmocnienie mechaniczne w różnym położeniu na brzegu arkusza szablonu, zahaczane zębami lub płetwą, poruszającą się po krzywce. 

W ramie ALPHA tensoRED zastosowano naciąg mechaniczny, generujące wysokie naprężenie arkusza dokładnie w wymaganej osi, zapewniając tym samym lepszy naciąg niż starszy system Tetra. System nie posiada pneumatycznego naciągu w ramie, jest natomiast wyposażony w podłużne wytłoczenie ramy, umożliwiające niemal doskonale płaskie osadzenie arkusza, jedynie z minimalnymi odkształceniami. Pozbycie się elementów pneumatycznych eliminuje problem awarii oraz brak konieczności ich konserwacji. ALPHA tensoRED jest dostosowana do pracy z arkuszami ALPHA Tetrabond, jak również z innymi systemami, posiadającymi podobne wytłoczenia. 

O ile więcej 'naprężenia' jest potrzebne? 

Istnieje kilka metod pomiaru naprężenia szablonu, w tym pomiar szablonów klejonych tensometrami, czy metoda, gdzie aplikuje się odpowiedni ciężar na arkusz szablonu i mierzy się napięcie miernikiem przymocowanym do brzegu. Pomimo faktu, iż wszystkie te metody dają rezultaty wyrażone w N/cm, to jednak ich wyniki mogą być nieco mylące w bezpośrednich porównaniach. Czynniki takie jak grubość szablonu czy przeliczenie danych pomiaru w zależności od miejsca przyłożenia ciężaru  wpływają na finalny wynik, potencjalnie wywołując znaczne odchylenia 

Na potrzeby tego artykułu zawsze używano miernika naprężenia, co wydaje się być wystarczającym środkiem zapewnienia porównywalności w ramach prowadzonych badań, jednak należy równocześnie pamiętać o ostrożności przy porównywaniu otrzymanych wyników z pomiarami wykonanymi innymi metodami.  

Poniższy rysunek przedstawia pomiary dwóch ram, zapewniających podwyższoną siłę naciągu z ramą standardową. 

Rysunek 2: Porównanie siły naciągu (naprężenia) szablonu dla ram o standardowej oraz podwyższonej sile naciągu HT.