Трафаретная печать
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( август 2022 г. ) |
Трафаретная печать — это процесс нанесения паяльной пасты на печатные платы (PWB) для установления электрических соединений . Сразу следует этап размещения компонентов . Оборудование и материалы, используемые на этом этапе, — это трафарет , паяльная паста и принтер.
Функция трафаретной печати достигается за счет одного материала, а именно паяльной пасты, которая состоит из припоя и флюса . Паста также действует как клей во время установки компонентов и оплавления припоя . Липкость пасты позволяет компонентам оставаться на месте. Хорошее паяное соединение — это такое соединение, в котором паяльная паста хорошо расплавилась, растеклась и смочила вывод или клемму компонента и площадку на плате.
Чтобы получить такое паяное соединение, компонент должен находиться в правильном месте, необходимо нанести правильный объем паяльной пасты, паста должна хорошо смачиваться на плате и компоненте, а также необходимо обеспечить остатки, которые можно безопасно оставить на доске или которые можно легко очистить.
Объем припоя зависит от трафарета, процесса печати и оборудования, припоя, а также реологии или физических свойств пасты. Хорошее смачивание припоя зависит от флюса.
Входы
[ редактировать ]Входные данные для процесса можно классифицировать как входные данные для проектирования, входные данные для материалов и входные параметры процесса. Результатом процесса является печатная плата, соответствующая ограничениям спецификации процесса. Эти характеристики обычно включают постоянный объем и высоту паяльной пасты, а также выравнивание напечатанной паяльной пасты на контактных площадках печатной платы. Это определяет выход процесса.
В автоматизации электронного проектирования маска паяльной пасты и, следовательно, трафарет обычно определяются в слое с именем tCream/ bCream он же CRC/ CRS, [1] [номер 1] PMC/ PMS, [2] TPS/ BPS, [3] или TSP/ BSP ( ОРЕЛ ), F.Paste/ B.Paste ( КиКад ), PasteTop/ PasteBot ( ЦЕЛЬ ), SPT/ SPB ( Оркад ), PT.PHO/ PB.PHO ( КОЛОДКИ ), PASTE-VS/ PASTE-RS ( WEdirect ), [4] GTP/ GBP ( Гербер и многие другие [5] ). Некоторые (менее распространенные) программы EDA не рассматривают маску паяльной пасты как обычную часть стека слоев печатной платы , и в этом случае маска пасты должна быть получена из маски паяльной пасты .
Для повышения точности трафареты традиционно часто устанавливались в фирменные алюминиевые рамы различных видов. Сегодня более распространено использование систем быстрого монтажа, по крайней мере, для небольших партий, с пневматическим или механическим креплением трафарета. Для этого трафарету необходимы дополнительные перфорации для выравнивания в соответствии с одним из нескольких стандартов систем крепления, включая QuattroFlex, ZelFlex, ESSEMTEC, PAGGEN, Metz, DEK VectorGuard, Mechatronic Systems и других.
Процесс печати
[ редактировать ]Процесс начинается с загрузки платы в принтер. Система внутреннего видения выравнивает трафарет по плате, после чего ракель печатает паяльную пасту. Затем трафарет и доска отделяются и выгружаются. Нижнюю часть трафарета протирают примерно через каждые десять отпечатков, чтобы удалить излишки паяльной пасты, оставшиеся на трафарете.
Типичная операция печати занимает от 15 до 45 секунд на одну доску. Скорость печатающей головки обычно составляет от 1 до 8 дюймов в секунду. Процесс печати должен тщательно контролироваться. Несовпадение движения с эталоном приводит к нескольким дефектам, поэтому до начала процесса необходимо правильно закрепить плату. Для фиксации осей X и Y платы используются нажимные и вакуумные держатели. Вакуумные держатели следует использовать с осторожностью, так как они могут повлиять на процесс печати, если они не закреплены должным образом.
Самый длительный процесс – это операция печати, за которой следует процесс разделения. Проверка после печати имеет решающее значение и обычно выполняется с помощью специальных систем 2D-видения на принтере или отдельных 3D-систем.
Печатные монтажные платы
[ редактировать ]Дизайн
[ редактировать ]Системы технического зрения в машинах для трафаретной печати используют глобальные контрольные метки для выравнивания печатной платы. Без этих ориентиров принтер не смог бы печатать паяльную пасту в точном соответствии с контактными площадками. Печатная плата должна иметь строгие допуски по размерам, чтобы она плотно прилегала к трафарету. Это необходимо для достижения необходимого выравнивания колодок припоя на контактных площадках.
Маскировка
[ редактировать ]Требуемой точности совмещения также можно добиться, контролируя поток припоя на печатной плате во время пайки оплавлением. Для этого пространство между контактными площадками часто покрывают паяльной маской . Материалы паяльной маски не имеют сродства к расплавленному припою и, следовательно, между ними не образуется никакой положительной связи по мере затвердевания припоя. Этот процесс часто называют маскированием припоя . Маска должна быть правильно отцентрирована. Маска защищает печатную плату от окисления и предотвращает образование непреднамеренных мостиков между близко расположенными контактными площадками.
Кроме того, высота паяльной маски должна быть ниже высоты площадки, чтобы избежать проблем с прокладкой. Если высота паяльной маски больше высоты площадки, то часть паяльной пасты осядет в пустом пространстве между маской и площадкой. Это то, что называется прокладкой. Это уплотнение, заполняющее пространство между двумя поверхностями для предотвращения утечек. Прокладка является проблемой, поскольку избыток паяльной пасты вокруг контактной площадки может оказаться не просто помехой для схем с очень малым расстоянием между линиями.
Отделка
[ редактировать ]Контактные площадки печатной платы изготовлены из меди и подвержены окислению. Окисление поверхности меди снижает способность припоя образовывать надежное соединение. Чтобы избежать этого нежелательного эффекта, всю открытую медь защищают поверхностной отделкой.
Заполнение и выпуск диафрагмы
[ редактировать ]Основой хорошо напечатанной печатной платы является заполнение и подача паяльной пасты в отверстие. Когда трафарет соприкасается с печатной платой, паяльная паста наносится на верхнюю поверхность трафарета с помощью ракеля. Это приводит к тому, что отверстие заполняется паяльной пастой. Затем печатную плату снимают с трафарета. Количество паяльной пасты, которая выходит из отверстий трафарета и переносится на площадки печатной платы, определяет качество печати. В идеале все объемы паяльной пасты должны быть равны объему соответствующего отверстия трафарета. Однако на самом деле это никогда не так. Следовательно, отпечаток считается хорошим, если выделяется определенная доля пасты. Одним из способов количественной оценки производительности печати является расчет эффективности переноса . Математически это выражается как:
- Эффективность перевода = (Объем печатного депозита) / (Теоретический максимальный объем)
В приведенном выше выражении теоретический максимальный объем — это просто открытый объем отверстия трафарета. В идеале желательна эффективность передачи, равная 1. Однако на самом деле, чем выше эффективность переноса, тем лучше печать. Теперь для того, чтобы заполнить отверстие пастой, требуется достаточная скорость потока и достаточное время заполнения. Не полностью заполненные отверстия не пропускают пасту на плату, что приводит к засорению трафаретов и дефектам паяных соединений. Высвобождение паяльной пасты определяется скоростью отделения платы от трафарета. Адгезия пасты к доске должна обеспечивать силу сдвига, позволяющую преодолеть прилипание пасты к стенкам трафарета. Эта гидродинамическая сила сдвига зависит от скорости разделения.
Трафареты
[ редактировать ]Трафареты используются для нанесения паяльной пасты на печатную плату. Они часто изготавливаются из нержавеющей стали или никеля и производятся с помощью различных процессов, описанных ниже.
Производственные процессы
[ редактировать ]Лазерная резка
[ редактировать ]Использование лазерной технологии позволяет добиться более жестких допусков и большей точности.
Стенки отверстия можно сгладить посредством электрополировки и/или никелирования. В результате процесса лазерной резки образуются трапециевидные отверстия, которые могут улучшить характеристики отделения паяльной пасты.
Повторяемость размеров трафаретов, вырезанных лазером, обычно лучше, чем при химическом травлении. При лазерной резке нет фотопленок, требующих точного выравнивания или защиты от влаги.
E-FAB трафарет
[ редактировать ]Этот трафарет формируется в процессе гальванопластики никеля, отсюда и название E-FAB. Никель имеет лучшие характеристики износа, чем сталь, а гальванопластика создает гладкие конические стенки отверстий. Этот процесс также создает выступ вдоль нижней части трафарета, который может улучшить прилегание трафарета к плате и привести к более равномерному высвобождению паяльной пасты.
Трафаретный дизайн
[ редактировать ]Из-за необходимости использования компонентов с малым шагом, по мере того, как размер апертуры становится все меньше и меньше, они становятся «высоко-узкими» апертурами. В таких случаях отверстия могут быть заполнены паяльной пастой, но не полностью освобождены, а иногда даже не полностью заполнены и, следовательно, не иметь отложений. Чтобы решить эту проблему, стенки проема делают максимально гладкими. Также на стенки трафарета наносятся молекулярно-слоевые нанопокрытия, чтобы паяльная паста не прилипала. Равномерное заполнение и выпуск — наиболее важный результат трафаретной печати. Когда трафарет лежит на доске, паста заполняет отверстие и контактирует с подушкой и стенками трафарета. О контакте судят по отношению этих площадей, т.е. отношению площади площадки к площади стенок. Это называется соотношением площадей . Информацию о стандартах проектирования трафаретов можно найти в спецификации IPC 7525 и других стандартах. В целом, включая трафареты с высокими и узкими отверстиями, рекомендуется соотношение площадей более 0,66.
Иллюстрации различных размеров:
| Подача | Ширина колодки | Диафрагма | Толщина трафарета | Соотношение сторон |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 15 | 12 | 6 | 2.0 |
| 20 | 12 | 9–10 | 5–6 | 1.7 |
| 15 | 10 | 7–8 | 5 | 1.4 |
| 12 | 8 | 5–6 | 4–5 | 1.2 |
Для трафаретов с мелким шагом (шаг меньше 20 мил, апертура 10 мил), даже с трафаретом толщиной 5 мил, который является наиболее часто используемой толщиной трафарета, соотношение площадей ниже 1,5. Это приводит к необходимости использования более тонкого трафарета. Для BGA/CSP и других очень маленьких апертур используется соотношение площадей. Оно должно быть больше 0,66, так как это обеспечивает высокую вероятность хорошего наполнения и выпуска. Коэффициент площади ниже 0,66 будет означать гораздо менее надежный процесс.
Примеры соотношений площадей для BGA:
| БГА | Подушка | Диафрагма | Толщина | Коэффициент площади |
|---|---|---|---|---|
| 60 тысяч | 32 | 30 | 6–8 | 1.25 – 0.94 |
| 50 тысяч | 25 | 22 | 6–8 | 0.92 – 0.69 |
| 20 тысяч | 12 | 10 | 5–6 | 0.50 – 0.42 |
Размер апертуры должен быть меньше размера площадки, чтобы избежать избытка паяльной пасты или образования шариков припоя. Уменьшение размера отверстия на 10–20 % по сравнению с размером площадки типично для минимизации количества шариков припоя. Шарики припоя могут привести к неисправности электрической цепи.
Другие соображения
[ редактировать ]Трафареты
[ редактировать ]На печатную плату может потребоваться различное количество паяльной пасты в зависимости от конструкции и размера компонентов. Нанесение одинакового максимального количества припоя может быть не лучшим решением в этом случае, поскольку эти трафареты часто находят применение при использовании технологии «булавка и паста» (т. шаг используются в одной и той же печатной плате. С этой целью, чтобы добиться различного количества припоя, используются трафареты с понижением.
Срок службы трафарета паяльной пасты
[ редактировать ]В идеале паяльная паста должна иметь срок службы трафарета не менее 4 часов. Срок службы трафарета определяется как период времени, в течение которого не происходит существенных изменений в характеристиках материала паяльной пасты. Паяльная паста с более длительным сроком службы трафарета будет более прочной в процессе печати. Фактический срок службы трафарета для пасты следует определять на основе спецификаций производителя и проверки на месте.
Обращение и хранение трафаретов
[ редактировать ]Чтобы продлить срок службы и улучшить характеристики трафаретов, их необходимо очищать после использования, удаляя с них или из отверстий паяльную пасту. Очищенные трафареты хранятся в защитном помещении. Перед использованием трафареты проверяют на предмет износа или повреждений. Трафареты обычно обозначаются номерами заданий, чтобы снизить риск неправильного обращения или неправильного размещения.
Ракель
[ редактировать ]Ракели используются для нанесения припоя на трафарет и равномерного заполнения всех отверстий. Ракели бывают двух разных типов на основе металла или полиуретана. Металлические ракели предпочтительнее полиуретановых. [ нужна ссылка ] Они производят очень равномерный объем припоя и устойчивы к выскальзыванию паяльной пасты из отверстий при печати. Кроме того, они имеют лучшие характеристики износа, что приводит к увеличению срока службы.
Общие трудности
[ редактировать ]Недостаточное количество паяльной пасты
[ редактировать ]Недостаточное количество паяльной пасты может привести к ухудшению соединения и контакта между компонентами и платой. Распространенными причинами недостаточного количества паяльной пасты являются плохая прокладка, засорение отверстий трафарета, недостаточный размер шариков паяльной пасты, использование пасты/трафарета по истечении рекомендованного срока службы, непротирание трафарета или низкое давление ракеля.
Размазывание/перекрытие
[ редактировать ]Основными причинами образования пятен/перемычек являются чрезмерное давление ракеля, недостаточная очистка трафарета, плохой контакт между платой и трафаретом, высокая температура или влажность, а также низкая вязкость паяльной пасты.
Несовпадение печати
[ редактировать ]Типичная несовпадающая печать обычно возникает из-за того, что система технического зрения не обнаруживает контрольные точки, растягивание печатной платы или трафарета, плохой контакт между платой и трафаретом или слабая поддержка платы.
Лук и поворот
[ редактировать ]Печатная плата, не закрепленная должным образом во время печати паяльной пастой, дает плохие результаты и увеличивает проблемы, связанные с пайкой. Обычно оборудование для печати паяльной пасты способно выдерживать коробление от 1,0 до 3,0 мм, но за пределами этого предела требуются специальные приспособления или приспособления для удержания печатной платы. С толстыми и маленькими досками может быть сложнее справиться, чем с тонкими и большими досками.
Статистический контроль процессов
[ редактировать ]Более 50% дефектов сборки электроники связаны с проблемами печати паяльной пасты. В этом процессе участвует множество параметров, что затрудняет поиск конкретной проблемы и оптимизацию процесса. Тщательное статистическое исследование процесса может быть использовано для значительного улучшения результатов. Количество возможностей возникновения дефекта характеризует дефекты, а не фактическое количество бракованных деталей.
Пример:
- Если паяльная паста напечатана на контактных площадках для 68-контактного QFP, то
- Общее количество возможных дефектов = 68 контактов + 1 для компонента = 69 возможных дефектов только для печати.
Следовательно, существует 69 возможностей для дефектов произвести один дефектный компонент. Подсчет возможных дефектов является наиболее надежным способом мониторинга процесса. Процессы обычно оцениваются по количеству дефектов на миллион возможностей (DPM). Например, процесс, в результате которого возникло 100 дефектов при наличии 1 миллиона возможных дефектов, будет иметь рейтинг 100 DPM. Процессы печати мирового класса имеют уровень дефектов около 20 DPM.
Процесс печати с низким DPM может быть достигнут путем использования статистических методов для определения влияния отдельных параметров или взаимодействия между различными параметрами. Затем важные параметры процесса можно оптимизировать с помощью методов планирования экспериментов (DOE). Затем можно реализовать эти оптимизированные параметры и начать тестирование процессов. Статистический контроль процесса затем можно использовать для постоянного мониторинга и улучшения уровня DPM печати.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Буквы «C» и «S» в от EAGLE . старых Gerber расширениях имен файлов
.CRC/.CRSверхний и нижний слои кремовой рамки возникли в те времена, когда печатные платы обычно оснащались компонентами со сквозными отверстиями, расположенными только на одной стороне платы, так называемая «сторона компонентов» (верхняя) по сравнению со «стороной припоя». (внизу), где эти компоненты были припаяны.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Подготовка производственных данных: файлы Gerber для фотоплоттеров с колесами переменной диафрагмы». EAGLE — Легко применимый редактор графического макета — Руководство — Версия 3.55 и более поздние (PDF) (2-е изд.). Делрей-Бич, Флорида, США: CadSoft Computer, Inc., 1999. с. 88–90 [89]. Архивировано (PDF) из оригинала 30 августа 2022 г. Проверено 30 августа 2022 г.
- ^ «Руководство по преобразованию EAGLE в Gerber» (на немецком языке). Евросхемы. 2016. Архивировано из оригинала 30 августа 2022 г. Проверено 30 августа 2022 г.
- ^ autodeskguest (2009–2010). «Поколение Гербера» . element14.com . Архивировано из оригинала 28 августа 2022 г. Проверено 30 августа 2022 г. (Примечание. Gerber Расширения файлов
.TPS/.BPSгде используется только некоторыми старыми версиями EAGLE для плат с более чем двумя слоями.) - ^ «Lagenbezeichnungen» [Обозначения слоев]. WEdirekt (на немецком языке). Рот-ам-Зее, Германия: Wurth Elektronik GmbH & Co. KG . 2020. Архивировано из оригинала 29 августа 2022 г. Проверено 29 августа 2022 г. [1]
- ^ «Параметры вывода Gerber» (PDF) . 1.3. Альтиум Лимитед . 27 июля 2011 г. [26 марта 2008 г., 5 декабря 2005 г.]. Архивировано (PDF) из оригинала 29 августа 2022 г. Проверено 29 августа 2022 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ласки, Рональд «Рон»; Холл, У. Джеймс «Джим»; Хикки, Кэтрин; Тейт, Дженнифер (2014). Справочник по сборке электроники и Руководство по сертификации SMTA (1-е изд.). Ассоциация технологий поверхностного монтажа (SMTA). ISBN 978-0-98888731-2 . [2]
- Тарр, Мартин (2013). «Трафаретная и трафаретная печать» . Онлайн-курсы последипломного образования для электронной промышленности . Великобритания: Университет Болтона . Архивировано из оригинала 28 мая 2014 г. [3]
- Падманапан, Шактивел (30 мая 2014 г.). «Мастер-класс по SMT-трафаретам» (PDF) . Ченнаи, Индия: Ассоциация технологий поверхностного монтажа (SMTA). Архивировано (PDF) из оригинала 17 июня 2018 г. Проверено 17 июня 2018 г.
- Мерситс, Кристофер (2012) [2010]. Исследование заполнения и выхода апертуры для современных разработок процесса трафаретной печати паяльной пасты . Бингемтон, Нью-Йорк, США: Государственный университет Нью-Йорка. стр. 4–5, 9–10. 1535200. ПроКвест 1328395402 .