Точний підбір параметрів друку

Прогрес у мініатюризації компонентів означає підвищення важливості точної технології нанесення пасти та точного монтажу щільно упакованих компонентів.

В даний час зростає попит на портативні пристрої, які вимагають компактних розмірів, малої ваги і високої функціональності, найкращим прикладом чого є смартфони. Щоб задовольнити ці вимоги, необхідно розмістити багато компонентів на невеликій площі. Ця тенденція призвела до значного прогресу в мініатюризації компонентів (див. мал. 1 та табл. 1) і розвитку методів складання щільно упакованих систем. Як наслідок, важливість точної технології друку пастою та точного дизайну трафарету також зросла.

Малюнок 1. Зменшення розмірів компонентів

Таблиця 1: Розміри компонентів

Стандарт IPC J-STD-005A визначає розміри кульок паяльної пасти, упорядковуючи їх від найбільшого, позначеного цифрою 1, до найменшого, позначеного цифрою 7. Зараз найчастіше використовується розмір 4, однак із зростанням вимог до дуже точного друку збільшується попит на пасти розмірів 5 і 6. Таблиця 2 показує пасти виробника KOKI, призначені для надточного друку, а малюнок 2 ілюструє криві розподілу зерен за розміром окремих паст.

Таблиця 2: Розмір зерна в пастах KOKI

Тип пасти	Середній розмір	SEM зображення
Тип 4	29 мкм
Тип 5	20 мкм
Тип 6	12 мкм

Малюнок 2: Криві зернистості окремих паст

У цій статті представлено принципи точного друку паст з розміром зерна 5 і 6 на основі випробувань, проведених KOKI.

Опис тесту

З кожним взірцем пасти було надруковано 10 друкованих плат за допомогою металевого шаблону та ракеля. Типи компонентів, встановлених на тестових платах, разом із отворами наведено в табл. 3. Використовуючи отвори, рекомендовані для окремих компонентів, було розроблено два шаблони товщиною 50 мкм і 80 мкм. Перенесення пасти оцінювалося за допомогою різних розмірів зерна, товщини шаблону та тиску ракеля в залежності від розміру отвору. Таблиця 4 підсумовує всі змінні друку під час тесту.

У тесті використовувався сплав SAC305 (Sn3.0Ag0.5Cu) і той самий флюс, щоб зосередитися виключно на відмінностях, спричинених розміром зерен.

Таблиця 3: Типи компонентів і апертури, що використовувались в тесті

Таблиця 4: Зведення тестових змінних

Аналіз отриманих результатів

Важливість розміру зерна в пасті

Якщо зерна занадто великі відносно апертури в шаблоні, існує ризик того, що нанесення пасти буде недостатнім, а отвір може бути засміченим. Загальне правило полягає в тому, що діаметр отвору повинен бути у 8 разів більшим за середній розмір зерна в пасті. Таблиця 5 ілюструє мінімальні рекомендовані розміри отворів для кожного розміру зерна в пасті. Виходячи з рекомендацій щодо апертур та розміру компонента, стабільність процесу друку може бути не гарантованою для пар компонента та пасти: 0402 і пасти типу 4, 03015 і пасти типу 5, 0201 і пасти типу 6.

Таблиця 5: Розмір зерна в пасті по відношенню до розміру апертур

Ступінь перенесення паст з різним розміром зерна на 10 тестових платах показано на мал. 3. Як можна легко передбачити, у випадку пасти типу 4 перенесення значно зменшується, оскільки отвори зменшуються від 0602 до 0201. Пасти типу 5 і 6 не показують значного зменшення передачі зі зменшенням розміру отвору, тоді як паста типу 4 через розмір зерна дає незадовільні результати друку з отвором менше 03015. Незважаючи на більші зерна, паста типу 5 показала кращі результати, ніж паста типу 6, що обумовлено збільшенням площі контакту пасти в міру зменшення розміру зерна. Дедалі менші розміри збільшують силу зчеплення між зерном і стінками отвору, що спричиняє відкладення більшої кількості пасти на шаблоні.

Малюнок 3: Ступінь перенесення пасти в залежності від розміру зерна

Малюнок 4. Коливання швидкості перенесення пасти типу 5.

Хоча, як показано на малюнку 3, паста типу 5 показала найкращу середню швидкість переносу, вона також показує дуже великі коливання результатів, досягаючи навіть 0% у випадку апертур 0201. Паста 6 може бути кращим вибором, оскільки коливання результату менші, ніж у випадку з типом 5. Плати, надруковані пастою типу 6, завжди мають певний об’єм пасти за будь-якого розміру отвору (рис. 5 і табл. 6). Коли отвір малий, а зернистість велика, в отвір поміщається менше пасти, що зменшує силу зчеплення між поверхнею плати та пастою, отже, паста може залишитися на трафареті, коли його піднімають. Ймовірно, це є причиною того, що з пастами типу 5 відбувається дуже низька або навіть повна відсутність переносу.

Малюнок 5. Коливання швидкості перенесення пасти типу 6

Таблиця 6: Перенесення пасти

Товщина шаблону

Для досягнення найкращих результатів друку рекомендується підтримувати відповідне співвідношення між товщиною шаблону та розміром отвору, яке виражається співвідношенням A/R (тобто співвідношенням площі поверхні). Оптимальне значення коефіцієнта як для прямокутних, так і для круглих отворів становить 0,6 і більше і розраховується за формулою:

A/R = (площа апертури)/(площа бічної стінки апертури) ≧ 0.6

Коефіцієнт також можна розрахувати в спрощеному вигляді:

A/R = D / 4t ≧ 0.6, де

D = діаметр або довжина круглого/прямокутного отвору

t = товщина шаблону

У таблиці 7 показано співвідношення A/R в залежності від апертури для кожного розміру компонента. Згідно з правилами розрахунку, описаними вище, трафарет товщиною 50 мкм може виявитися непридатним для компонентів 0201, тоді як товщина 80 мкм може дати незадовільні результати друку у випадку компонентів 03015.

Таблиця 7. Співвідношення A/R залежно від розмірів компонентів

На малюнку 6 показано середнє перенесення пасти для 10 зразків друкованих плат для двох різних товщин трафарету. Для апертур, рекомендованих для 03015 або більше, трафарет 80 мкм дає значно кращі результати. З іншого боку, для апертур 0201 і менших трафарет 50 мкм забезпечує набагато краще перенесення пасти, ніж трафарет 80 мкм. Як показано в таблиці 7, співвідношення A/R для пари 0201 і шаблону 80 мкм становить лише 0,31, що набагато нижче рекомендованих 0,6. В результаті на плату осідає недостатня кількість пасти і, отже, сили зчеплення між пастою та платою занадто низькі. Крім того, оскільки площа отвору в трафареті 80 мкм більша, при підйомі на трафареті залишатиметься додаткова паста.

Малюнок 6. Залежність ступеня перенесення пасти від товщини трафарету

Тиск ракеля

На малюнку 7 показано середнє перенесення пасти для 10 зразків друкованих плат при різних силах тиску та з використанням трафарету 50 мкм (детальніше див. у таблиці 4). Якщо тиск стає занадто високим, ракель зішкрібає надлишки пасти, що може пояснити низьку передачу при підвищенні тиску. Тому для отримання хороших результатів друку плат рекомендується використовувати невелику, але не надто низьку силу тиску. Надто низька сила спричиняє розмазування пасти по трафарету.

Малюнок 7. Залежність ступеня перенесення пасти від тиску ракеля

Висновки

Були проведені випробування друку, в яких змінними були розмір зерна пасти, товщина шаблону та тиск ракеля. Аналіз отриманих даних дозволяє зробити наступні висновки у випадку друку на платах з високою щільністю пакування:

• Паяльна паста типу 5 показує стабільні результати друку. Однак у випадку невеликих отворів, які використовуються з 0201 або навіть меншими компонентами, паста типу 6, завдяки її меншим зернам, здається більш підходящим вибором.
• Для отримання оптимальних результатів друку використовуйте пасту з дрібним зерном і тонкими трафаретами.
• Зі збільшенням сили тиску перенесення пасти стає слабшим. Рекомендується зменшити силу тиску, але занадто низький тиск спричиняє появу смуг на трафареті, що, у свою чергу, може призвести до подальших помилок друку.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl