Uwagi na temat czyszczenia szablonu

© PCBontime

Wycieranie spodniej strony szablonu cieszy się w ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem. Zmiany w konstrukcji obwodów, spowodowane miniaturyzacją komponentów i zwiększonym stopniem upakowania ścieżek zwiększają wymagają zachowania czystości ścianek apertury, w której mogą znajdować się osady pasty lutowniczej. W przypadku wycierania szablonu na sucho konieczne jest odsysanie resztek celem usunięcia resztek pasty lutowniczej ze ścianek apertury. Ponieważ otwory szablonu zmniejszają się, konieczne staje się coraz  częstsze wycieranie i aby poprawić uwalnianie pasty lutowniczej z apertur, stosowane są różne podejścia. Pierwsza technologia to stosowanie powłok hydrofobowych czy oleofobowych, których celem jest pokrycie metalowej powierzchni szablonu nanopowłoką, zapobiegającą przyklejaniu się pasty lutowniczej do ścianek apertur. Druga technologia polega na wycieraniu na mokro spodniej części szablonu, ściereczką nasączoną środkiem czyszczącym na bazie rozpuszczalnika. Środek czyszczący rozpuszcza topnik zawarty w paście lutowniczej, co poprawia uwalnianie kulek lutowniczych ze ścianek apertury.

Wydajnośc drukowania

Drukowanie szablonowe jest najistotniejszym krokiem w procesie montażu elektroniki: rozmaite analizy wskazują, że ponad 50% defektów SMT w końcowym montażu wynika z czynników związanych z procesem drukowania. Kluczowymi czynnikami, które należy w tym przypadku poddać analizie, są materiały, sprzęt/narzędzia, personel i środowisko oraz sam sposób prowadzenia operacji.

W procesie drukowania szablonowego wykorzystuje się wiele materiałów, z których najważniejszym jest pasta lutownicza. Istotnymi czynnikami, wpływającymi na pastę lutowniczą są środowisko drukowania, stop, z którego jest wykonana, lepkość, reologia, opad, wielkość i rozkład cząstek. Ponadto, skład topnika ma istotny wpływ na reologię, lepkość, kleistość, poziom pozostałości i czas przydatności pasty do procesu (tzw. response to pause, dosł. reakcja na pauzę). W miarę zmniejszania się rozmiaru komponentów i wzrostu gęstości rozmieszczenia, również sam szablon staje się coraz bardziej krytycznym czynnikiem. Czynniki, na które należy zwrócić uwagę w przypadku szablonu, to materiał szablonu, metoda wytwarzania, układ apertur, grubość, geometria apertur, współczynnik proporcji (tj. grubość szablonu versus średnica apertur), rozmiar apertur, ich powierzchnia i stożkowatość otworów i wykończenie. Elektroformowane, polerowane szablony z gładszymi ściankami apertury poprawiają uwalnianie pasty w fazie odejścia. Jeszcze niedawna innowacja, polegająca na powlekaniu szablonów w celu poprawy odrywania się pasty lutowniczej ze ścianki szablonu, cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem.

Współczesne drukarki szablonowe, wyposażone w systemy wizyjne i zaawansowane systemy pomiarowe dostarczają informacji zwrotnych na temat wydajności i dokładności każdego wydruku. Kontrola poprocesowa, gromadząca  dane o defektach i wiedza na temat optymalnych ustawień procesu, pomagają operatorowi utrzymać pracę w zadanym oknie procesowym. Każdy proces montażu ma indywidualne parametry: takie jak czas przejścia, docisk rakli, prędkość drukowania i uwalnianie druku z szablonu są zazwyczaj wybierane w sposób zautomatyzowany. Częstotliwość czyszczenia szablonu ustala się na z uwzględnieniem projektu płytki PCB, warunków środowiska produkcyjnego i wzajemnej interakcji płytki, szablonu i pasty w procesie drukowania.

Wykończenia powierzchni

Zminiaturyzowane układy o dużej gęstości upakowania stanowią wyzwanie dla procesu drukowania pasty lutowniczej. Użycie małych komponentów, takich jak 0201, 01005 i µBGA, aby zapobiec mostkowaniu i niewłaściwemu ułożeniu komponentów, wymaga perfekcyjnego uwalniania pasty z szablonu. Podczas kładzenia miniaturowych komponentów często wymagane są stosunkowo wysokie depozyty pasty. Aby poprawić transfer pasty lutowniczej, na szablony wycinane laserowo nakładana jest nanopowłoka, która chemicznie modyfikuje powierzchnię apertury, zmniejszając siły przyciągania pasty i metalu. Ponadto, poprzez dodanie powłoki, zmniejsza się także chropowatość apertury.

Cienka powłoka hydrofobowa na powierzchni szablonu okazała się obiecująca w zakresie poprawy wydajności druku o drobnym rastrze. Powłoka, składająca się z około 5 monowarstw, reaguje z powierzchnią szablonu i ściankami otworów, modyfikuje powierzchnię za pomocą trwałego materiału hydrofobowego i oleofobowego.

Częstotliwość wycierania

Częstym pytaniem jest jak często należy przecierać spodnią stronę szablonu? Generalnie, zminiaturyzowane układy o dużej gęstości wymagają częstszego przecierania, ponieważ stwarzają większe ryzyko, że zbędna pasta pozostanie w otworach szablonu lub przyklei się do jego dolnej powierzchni po oddzieleniu od PCB. Częstotliwość wycierania może wahać się od każdego wydruku w przypadku wysoce zminiaturyzowanego produktu do 10–20 wydruków w przypadku projektu o niskiej gęstości. Częstotliwość i sposób wycierania zwykle są określane na podstawie realnych wyników drukowania, ocenianych na podstawie rzeczywistych obserwacji. Większość decyzji jest zupełnie indywidualna dla produktu i wynika ze składu pasty lutowniczej, topologii PCB i historycznej analizy wyników. Drukarki szablonowe, wyposażone w automatyczne systemy wycierania, oferują użytkownikom możliwość zaprogramowania częstotliwości i prędkości przejść wycieraka w trybie suchym, próżniowym lub mokrym.

Rozpuszczalniki do czyszczenia spodniej strony szablonu

W przypadku układów o rzadszym rozstawie komponentów dobrze sprawdza się wycieranie dolnej strony szablonu na sucho. W takich przypadkach niewielka ilość pasty lutowniczej na ściankach apertury nie ma istotnego wpływu na proces drukowania. Jednak w miarę zmniejszania się rozmiarów komponentów często potrzebne jest wspomaganie chemiczne w celu rozpuszczenia topnika zawartego w paście lutowniczej. Używanie środków czyszczących do wycierania dolnej strony szablonu wiąże się jednak z pewnymi czynnikami ryzyka, które należy zrozumieć i przewidzieć. Ryzyko wycierania z użyciem środka chemicznego wiąże się z możliwością zanieczyszczenia pasty lutowniczej. Pożądane właściwości tego typu środków czyszczących to:

1. zdolność do szybkiego rozpuszczania topnika pasty lutowniczej,
2. kompatybilność materiałowa z nanopowłoką i używanym sprzętem,
3. niepalność,
4. neutralny zapach
5. wystarczająca lotność, umożliwiająca szybkie odparowanie i wysuszenia po czyszczeniu.

Brak którejkolwiek z tych właściwości mogą zmniejszyć powtarzalność procesu. Początkowym krokiem w procesie czyszczenia spodniej strony szablonu jest dopasowanie środka czyszczącego do pasty lutowniczej. Źle dobrane rozpuszczalniki czyszczące do pasty lutowniczej będą powodować niepożądane skutki, takie jak grudki lutowia czy ogólnie niską jakość druku. Pozostałości topników pasty lutowniczej, które nie są rozpuszczalne w środku czyszczącym, mają tendencję do odpychania się i zamiast przyciągać się do tkaniny, lut może rozmazać się na dolnej stronie szablonu.

W przypadku wodorozpuszczalnych past lutowniczych, topnik łatwo rozpuszcza się w odpowiednich środkach czyszczących. Wodne środki czyszczące szybko rozpuszczają aktywatory topnika, środki powierzchniowo czynne i inne utlenione rozpuszczalniki zawarte w paście lutowniczej. Przy zachowaniu  odpowiednich proporcji, rozpuszczalnik czyszczący odparowuje ze stałą szybkością, co zapobiega zanieczyszczeniu pasty lutowniczej jego pozostałościami.

W przypadku szablonów pokrytych nanopowłoką, czyszczenie nie powinno spowodować zniszczenia ani zmniejszania się monowarstwy ochronnej. Odpowiednio dobrane rozpuszczalniki czyszczące poprawiają usuwanie pasty lutowniczej z drobnych otworów, dają się łatwo wytrzeć z szablonu, nie pozostawiają smug i plam na szablonie oraz łatwo odparowują.

W przypadku past lutowniczych no-clean baza topnika jest znacznie bardziej złożona i zawiera żywice, aktywatory, rozpuszczalniki i dodatki reologiczne. Problem polega na tym, że szeroka gama receptur past lutowniczych różnych dostawców nie jest jednorodna, dlatego wyzwaniem jest stworzenie uniwersalnego rozpuszczalnika czyszczącego, który będzie działał dobrze ze wszystkimi pastami  lutowniczymi. W przypadku wielu kompozycji topników no-clean, wodny rozpuszczalnik do czyszczenia spodniej strony szablonów może nie być dobrym rozwiązaniem w przypadku niektórych kompozycji topników, natomiast często optymalnym rozwiązaniem jest płyn czyszczący na bazie rozpuszczalnika, odpowiednio zbilansowany pod kątem czyszczenia i suszenia. Jeśli pasta lutownicza jest przeznaczona do czyszczenia wodą, idealnym rozwiązaniem będą rozpuszczalniki wodne.

Autorzy omawianego tekstu pt. ‘Stencil Printing Yield Improvements’, Mike Bixenman, Debbie Carboni oraz Jason Chan z Kyzen, zbadali reakcję 9 past na 7 różnych środków czyszczących. Jak zwykle, po szczegółowy opis eksperymentu odsyłamy do oryginału, dostępnego pod tym linkiem

Metodologia badania rozpuszczalności polega na poddaniu mokrej pasty lutowniczej działaniu szeregu rozpuszczalników o znanych parametrach rozpuszczalności. Podczas analizy, mokrą pastę lutowniczą umieszcza się w szklanej fiolce, do której dodaje się rozpuszczalniki testowe, a fiolki umieszcza się na obracającym się kole na 2-4 minuty w celu sprawdzenia, czy rozpuszczalnik testowy rozpuszcza nośnik topnika. Gdy nośnik topnika dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalniku testowym, kulki lutownicze w paście są uwalniane i swobodnie się rozpraszają w roztworze. Klasyfikacja mokrej pasty lutowniczej opiera się na zdolności każdego rozpuszczalnika do rozpuszczania nośnika topnika:

• Stopień 1: Pasta lutownicza swobodnie się rozpuszcza
• Stopień 2: Większość pasty rozpuszcza się jednak część przylega do ścianek naczynia
• Stopień 3: Następuje tylko częściowe rozpuszczenie
• Stopień 4: Pasta niełatwo poddaje się rozpuszczaniu
• Stopień 5: Jedynie drobna część pasty rozpuszcza się
• Stopień 6: Nie następuje żadna reakcja

Najważniejszą konkluzją ze strony autorów jest to, że nie istnieje jeden środek czyszczący, który działa dobrze w każdym przypadku.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!