Про деякі проблеми застосування компонентів типорозміру 01005

Габарити компонентів типорозміру 01005 знаходяться в межах від 0,304×0,2×0,1 мм до 0,4×0,2×0,2 мм (залежно від постачальника), що суттєво менше, ніж габарити компонентів типорозміру 0201 (0,6×0,3×0,23 мм). Використання таких мініатюрних компонентів тягне за собою ряд суттєвих змін у процесах монтажу, а саме: у виборі площ для нанесення пасти, у визначенні розмірів майданчиків друкованої плати, а також у розробці трафарету. У статті використана остання доступна авторам інформація з цього питання, а також їхній власний досвід дослідження та оптимізації технології монтажу компонентів типорозміру 01005.

Сучасний стан застосування компонентів 01005

Нинішня ситуація, пов’язана із застосуванням компонентів типорозміру 01005, дивовижно схожа на ту, яка виникла не так давно при появі компонентів типорозміру 0201, коли виникла проблема монтажу таких мініатюрних компонентів.

Кілька місяців, проведених авторами в пошуках інформації, показали, що наразі існує дуже мало відомостей щодо технології монтажу компонентів типорозміру 01005. Виникає враження, що провідні компанії, які займаються монтажем друкованих плат, не прагнуть ділитися накопиченим ними досвідом у цій галузі. Однак зібраної авторами інформації виявилося достатньо, щоб власними силами розробити технологію монтажу і, що особливо важливо, технологію нанесення паяльної пасти.

У зв’язку з високою вартістю мініатюрних компонентів і проблемами, пов’язаними з їх монтажем, наразі вони використовуються дуже обмежено, головним чином у сучасних портативних виробах, розміри та вага яких є їхніми основними перевагами.

Під час написання цієї статті автори спробували придбати невелику кількість компонентів типорозміру 01005. Ціна їх виявилася в сотні разів вищою, ніж компонентів типорозміру 0402. Звичайно, з плином часу вона знизиться. Однак, враховуючи нинішню вартість мініатюрних компонентів, можна сказати, що, принаймні, в осяжному майбутньому вони використовуватимуться лише у тих виробах, для яких питання скорочення розміру є вирішальним. Тому їхня ціна залишатиметься високою.

Однією з основних сфер застосування мініатюрних компонентів є виробництво мобільних телефонів. Наразі спостерігається як збільшення обсягів виробництва таких телефонів, так і безперервне збільшення кількості закладених у них функцій, що тягне за собою їх ускладнення при збереженні тих самих габаритів. Усе це створює сприятливі передумови для збільшення виробництва цих компонентів.

Особливості компонентів типорозміру 01005

Конструкція цих компонентів аналогічна конструкції компонентів інших типорозмірів, їхні розміри значно менші, ніж компонентів типорозміру 0201, які з’явилися лише кілька років тому. Співвідношення їхніх мас становить приблизно 1:4. Випускаються компоненти трьох різних розмірів: 0,4×0,2×0,12 мм (резистори), 0,304×0,2×0,1 мм (резистори) та 0,4×0,2×0,2 мм (конденсатори).

Ширина областей металізації по краях компонентів становить близько 0,1 мм.

Компоненти типорозміру 01005 упаковуються в стандартну стрічку, як і компоненти інших типорозмірів.

Процес нанесення паяльної пасти

Розміри майданчиків друкованої плати

Було експериментально випробувано кілька майданчиків друкованої плати різних розмірів (деякі з цих майданчиків показані на рис. 1 і 2). За даними авторів, інформація про подібні дослідження на момент написання статті була відсутня.

Розробка трафарету

Розробка трафарету, який забезпечує необхідну точність і повторюваність об’єму наносеної пасти для компонентів різних розмірів, є досить складним завданням. Основна увага при цьому приділяється підвищенню ефективності виходу пасти.

У процесі нанесення пасти на друковану плату на неї діють дві сили. Одна з них — це сила зчеплення пасти з майданчиком плати, яка сприяє виходу пасти з трафарету. Інша — це сила зчеплення пасти зі стінками апертури, яка утримує пасту в трафареті. Лише при застосуванні грамотно розробленого трафарету можна бути впевненим у тому, що паста вийде з апертури і осяде на майданчики плати.

Щоб правильно спроектувати трафарет, слід дотримуватися двох основних правил: правила відношення лінійних розмірів і правила відношення площ.

Рис. 2. Размеры площадок для компонентов типоразмера 01005

Відношення лінійних розмірів – це відношення ширини апертур до товщини трафарету. Це відношення має бути не менше 1.5 (рис. 3), щоб створити трафарет, що забезпечує досить високий відсоток виходу паяльної пасти на майданчики друкованої плати.

До появи мініатюрних компонентів правило відношення лінійних розмірів було основним при розробці трафарету.

При розробці апертури для мініатюрних компонентів виникає ситуація, коли площа її стінок порівнянна з площею отвору. У цьому випадку слід переважно керуватися правилом відношення площ. Воно полягає в тому, що для забезпечення хорошого виходу пасти відношення між площею отвору апертури і сумою площ її стінок має бути не менше 0,6 (рис. 4).

Враховуючи дуже малий об’єм пасти, необхідний для монтажу компонентів типорозміру 01005, дуже важливо створити такі умови, за яких відсоток її виходу був би максимально можливим.

Не менш важливим є забезпечення повторюваності об’єму пасти, що наноситься на кожен майданчик плати (рис. 5). При недотриманні цієї умови можна очікувати появи низки проблем, у тому числі виникнення ефекту «надгробної плити».

Правило відношення площ для апертур, призначених для компонентів типорозміру 01005, можна виконати, використовуючи тонкий трафарет. Однак такий трафарет не дозволить забезпечити достатній об’єм пасти для великих компонентів. У цьому випадку можна, звичайно, використовувати трафарети зі ступінчасто змінною товщиною. Такі трафарети використовуються вже кілька років, але вони мають свої «слабкі місця», наприклад, складність вибору оптимального кроку зміни товщини і труднощі дотримання необхідної точності при його виготовленні, вибір оптимального ракеля тощо. Якщо ж різниця в об’ємах пасти для малих і великих компонентів надто велика, то в цьому випадку навіть використання ступінчастих трафаретів може виявитися недостатнім.

У дослідженнях, проведених компанією Flextronics, були випробувані три варіанти друкованих плат для монтажу компонентів типорозміру 01005. Для двох із трьох плат вдалося отримати відношення площ не менше 0,6 при використанні трафаретів товщиною 76 мкм. Для третьої плати необхідного відношення площ не вдалося досягти навіть при використанні настільки тонкого трафарету.

Рішення про те, чи можна за допомогою трафарету товщиною 76 мкм забезпечити нанесення пасти в об’ємі, достатньому для великих компонентів, або необхідно використовувати ступінчастий трафарет, слід приймати окремо для кожного конкретного випадку.

Існує альтернативний варіант, застосування якого може задовольнити вимоги нанесення необхідного об’єму пасти як для мініатюрних, так і для великих компонентів. Ця технологія називається «два трафарети — два принтери». Перший (тонкий) трафарет дозволяє виконати правило відношення площ для мініатюрних компонентів. Другий, більш товстий трафарет, забезпечує достатній об’єм пасти для великих компонентів. Для того щоб не пошкодити острівці пасти, нанесені за допомогою тонкого трафарету, товщина другого трафарету зі сторони друкованої плати в місцях їх розташування зменшена. Така технологія успішно використовувалася вже протягом кількох років. Її недоліком є необхідність розробки двох трафаретів і використання двох принтерів для нанесення паяльної пасти.

Фактори, що впливають на процес нанесення паяльної пасти

На процес нанесення пасти впливає безліч факторів, а саме:

• спосіб виготовлення трафарету (лазерне різання, хімічне травлення, гальванопластика тощо);
• вибір паяльної пасти;
• спосіб виготовлення друкованої плати та покриття її майданчиків (OSP, золото на нікелі, іммерсійне срібло тощо);
• кріплення плати під час друку;
• технологічні параметри (швидкість ракеля, його тиск на трафарет тощо);
• вибір ракеля;
• кваліфікація оператора тощо.

Усі ці фактори знайшли відображення в безлічі документів, статей і книг. Крайньо важливо, щоб усі необхідні рекомендації були ретельно дотримані. Лише в цьому випадку можна сподіватися на отримання позитивного результату.

Дефекти, що виникають при монтажі компонентів типорозміру 01005

Як уже було зазначено, багато факторів впливають на появу дефектів у процесі монтажу компонентів типорозміру 01005. Одні з них не залежать від розміру компонентів, інші властиві лише мініатюрним компонентам. Авторам невідома інформація, який відсоток цих дефектів, розрахований на основі даних, отриманих у процесі виготовлення великих партій виробів. Однак виконана ними теоретична та експериментальна робота дозволила виділити кілька областей можливого виникнення проблем.

На рис. 6 наведені приклади, які ілюструють можливі дефекти монтажу: надмірна та недостатня кількість припою в з’єднанні, а також поява ефекту «надгробної плити». Ці дефекти можуть бути викликані неправильною кількістю нанесеної пасти, помилками при розміщенні компонентів, недотриманням потрібного профілю пайки та іншими причинами.

Особливості безсвинцевої технології

Одночасно з появою мініатюрних компонентів у промисловості здійснюється перехід до безсвинцевої технології. Проблеми, що виникають під час цих процесів, не пов’язані між собою. Однак, діючи спільно, вони значно зменшують допуски на параметри процесу, або, як це зазвичай називають, «вікно процесу». Відомо, що безсвинцеві припої гірше розтікаються по майданчиках плати, через що після оплавлення кінці майданчиків можуть залишитися непокритими припоєм. Щоб уникнути цього, деякі виробники збільшують площу апертури. Хоча в стандарті IPC610D зазначено, що неповне покриття майданчиків припоєм не слід розцінювати як дефект.

Висновок

Немає сумніву, що в наступні роки компоненти типорозміру 01005 продовжуватимуть використовуватися у тих виробах, у яких габарити та маса є визначальними параметрами. І якщо компанія має намір коли-небудь застосувати такі компоненти, то, можливо, настав час почати детальну розробку технології, щоб досконало зрозуміти, які заходи потрібно здійснити, щоб застосування цих компонентів не додало проблем. Необхідно перевірити, чи забезпечує обладнання достатню точність нанесення паяльної пасти, і з’ясувати, які профілактичні роботи та перевірки слід виконати на обладнанні, щоб досягти оптимальної його продуктивності.

Слід також звернути увагу на навчання персоналу та підтримання необхідної технологічної дисципліни. Кожен повинен знати своє завдання і виконувати його безумовно і щодня. Усі працівники: оператори, техніки, інженери — повинні бути добре навчені та дисципліновані, щоб досягти оптимальних результатів.

Нарешті, необхідно з’ясувати думку постачальників обладнання та матеріалів щодо питання монтажу компонентів типорозміру 01005, оскільки вони можуть стати джерелом цінної інформації.