О некоторых проблемах применения компонентов типоразмера 01005

Габариты компонентов типоразмера 01005 нахо­дятся в пределах от 0.304×0.2×0.1 мм до 0.4×0.2×02 мм (в зависимости от поставщика), что существенно меньше, чем габариты компонентов ти­поразмера 0201 (0.6х0.3х0.23 мм). Использование таких миниатюрных компонентов влечет за собой ряд существенных изменений в процессах монтажа, а именно: в выборе площадей для нанесения пасты, в определении размеров площадок печатной платы, а также в разработке трафарета. В статье использова­на последняя доступная авторам информация по это­му вопросу, а также их собственный опыт по исследо­ванию и оптимизации технологии монтажа компонен­тов типоразмера 01005.

Нынешняя ситуация, связанная с применением компонентов типоразмера 01005, удивительно сход­на с той, которая возникла не так давно при появле­нии компонентов типоразмера 0201, когда возникла проблема монтажа таких миниатюрных компонен­тов.

Несколько месяцев, проведенных авторами в по­исках информации, показали, что в настоящее время имеется очень мало сведений по вопросу технологии монтажа компонентов типоразмера 01005. Возникает впечатление, что лидирующие компании, занимаю­щиеся монтажом печатных плат, не стремятся делить­ся накопленным ими опытом в данной области. Одна­ко собранной авторами информации оказалось до­статочно, чтобы собственными силами разработать технологию монтажа и, что особенно важно, техноло­гию нанесения паяльной пасты.

В связи с высокой стоимостью миниатюрных ком­понентов и проблемами, связанными с их монтажом, в настоящее время они используются очень ограни­ченно, главным образом в современных портативных изделиях, размеры и вес которых являются их основ­ными преимуществами.

Во время написания этой статьи авторы попыта­лись приобрести небольшое количество компонентов типоразмера 01005. Цена их оказалась в сотни раз больше, чем компонентов типоразмера 0402. Конеч­но, с течением времени она снизится. Однако, учиты­вая нынешнюю стоимость миниатюрных компонен­тов, можно сказать, что, по крайней мере, в обозри­мом будущем они будут использоваться только в тех изделиях, для которых вопрос сокращения размера является решающим. Поэтому их цена будет оста­ваться высокой.

Одной из основных областей применения миниа­тюрных компонентов является производство мобиль­ных телефонов. В настоящее время наблюдается как увеличение объемов производства таких телефонов, так и непрерывное увеличение числа заложенных в них функций, что влечет за собой их усложнение при сохранении тех же габаритов. Все это создает бла­гоприятные предпосылки для увеличения производ­ства этих компонентов.

Особенности компонентов типоразмера 01005

Конструкция этих компонентов аналогична конструкции компонентов других типоразмеров, их размеры значительно меньше, чем компонентов ти­поразмера 0201, появившихся лишь несколько лет назад. Отношение их масс составляет примерно 1:4. Выпускаются компоненты трех различных размеров: 0.4×0.2×0.12 мм (резисторы), 0.304×0.2×0.1 мм (ре­зисторы) и 0.4×0.2×0.2 мм (конденсаторы).

Ширина областей металлизации по краям компо­нентов составляет около 0.1 мм.

Компоненты типоразмера 01005 упаковываются в стандартную ленту, как и компоненты других типораз­меров.

Процесс нанесения паяльной пасты

Размеры площадок печатной платы. Было экс­периментально опробовано несколько площадок пе­чатной платы различных размеров (некоторые из этих площадок показаны на рис. 1 и 2). По данным авторов, информация о подобных исследованиях ко времени написания статьи отсутствовала.

Разработка трафарета. Разработка трафарета, обеспечивающего необходимую точность и повторя­емость объема наносимой пасты для компонентов различных размеров, является довольно сложной за­дачей. Основное внимание при этом уделяется повы­шению эффективности выхода пасты.

В процессе нанесения пасты на печатную плату на нее действуют две силы. Одна из них – это сила сцеп­ления пасты с площадкой платы, способствующая вы­ходу пасты из трафарета. Другая – это сила сцепления пасты со стенками апертуры, удерживающая пасту в трафарете. Только при применении грамотно разрабо­танного трафарета можно быть уверенным в том, что паста выйдет из апертуры и осядет на площадки платы.

Чтобы правильно спроектировать трафарет, следует соблюдать два основных правила: правило отношения линейных размеров и правило отношения площадей.

Рис. 1. Примеры расположения площадок печатной платы для компонентов типоразмера 01005

Рис. 2. Размеры площадок для компонентов типоразмера 01005

Отношение линейных размеров – это отношение ширины апертур к толщине трафарета. Это отноше­ние должно быть не менее 1.5 (рис. 3), чтобы создать трафарет, обеспечивающий достаточно высокий про­цент выхода паяльной пасты на площадки печатной платы.

Рис. 3. Примеры выхода паяльной пасты при соблюдении (а) и несоблюдении (б) правила отношения линейных размеров

До появления миниатюрных компонентов правило отношения линейных размеров было основным при разработке трафарета.

При разработке апертуры для миниатюрных ком­понентов возникает ситуация, когда площадь ее сте­нок сравнима с площадью отверстия. В этом случае следует преимущественно руководствоваться прави­лом отношения площадей. Оно заключается в том, что для обеспечения хорошего выхода пасты отношение между площадью отверстия апертуры и суммой пло­щадей ее стенок должно быть не менее 0.6 (рис. 4).

Рис. 4. Апертура, изготовленная с нарушением правила отношения площадей

Учитывая весьма малый объем пасты, необходи­мый для монтажа компонентов типоразмера 01005, очень важно создать такие условия, при которых про­цент ее выхода был бы максимально возможным.

Не менее важным является обеспечение повторя­емости объема пасты, наносимого на каждую пло­щадку платы (рис. 5). При несоблюдении этого усло­вия можно ожидать появления ряда проблем, в том числе возникновения эффекта “надгробной плиты”.

Правило отношения площадей для апертур, пред­назначенных для компонентов типоразмера 01005, можно выполнить, используя тонкий трафарет. Однако такой трафарет не позволит обеспечить достаточный объем пасты для крупных компонентов. В этом случае можно, конечно, использовать трафареты со ступен­чато изменяемой толщиной. Такие трафареты исполь­зуются уже несколько лет, но они имеют свои “слабые места”, например, сложность выбора оптимального шага изменения толщины и трудность соблюдения не­обходимой точности при его изготовлении, выбор оп­тимального ракеля и т.д. Если же различие в объемах пасты для малых и больших компонентов слишком ве­лико, то в этом случае даже использование ступенча­тых трафаретов может оказаться недостаточным.

Рис. 5. Пример хорошей повторяемости объема пасты на каждой из площадок платы

В исследованиях, проведенных компанией Flex­tronics, были испытаны три варианта печатных плат для монтажа компонентов типоразмера 01005. Для двух из трех плат удалось получить отношение площа­дей не менее 0.6 при использовании трафаретов тол­щиной 76 мкм. Для третьей платы необходимого от­ношения площадей не удалось достичь даже при ис­пользовании столь тонкого трафарета.

Решение о том, можно ли с помощью трафарета тол­щиной 76 мкм обеспечить нанесение пасты в объеме, достаточном для больших компонентов, или необходи­мо использовать ступенчатый трафарет, следует прини­мать отдельно для каждого конкретного случая.

Существует альтернативный вариант, применение которого может удовлетворить требования нанесения необходимого объема пасты как для миниатюрных, так и для крупных компонентов. Эта технология называется “два трафарета – два принтера”. Первый (тонкий) тра­фарет позволяет выполнить правило отношения пло­щадей для миниатюрных компонентов. Второй, более толстый трафарет, обеспечивает достаточный объем пасты для больших компонентов. Для того чтобы не повредить островки пасты, нанесенные с помощью тон­кого трафарета, толщина второго трафарета со сторо­ны печатной платы в местах их расположения уменьше­на. Такая технология успешно использовалась уже в те­чение нескольких лет. Ее недостатком является необхо­димость разработки двух трафаретов и использования двух принтеров для нанесения паяльной пасты.

Факторы, влияющие на процесс нанесения паяльной пасты

На процесс нанесения пасты влияет множество факторов, а именно:

• способ изготовления трафарета (лазерная резка, химическое травление, гальванопластика и т.д.)
• выбор паяльной пасты
• способ изготовления печатной платы и покрытия ее площадок (OSP, золото на никеле, иммерсион­ное серебро и т.д.)
• крепление платы во время печати
• технологические параметры (скорость ракеля, его давление на трафарет и т.д.)
• выбор ракеля
• квалификация оператора и т.д.

Все эти факторы нашли отражение во множестве документов, статей и книг. Крайне важно, чтобы все необходимые рекомендации были тщательно соблю­дены. Лишь в этом случае можно надеяться на полу­чение положительного результата.

Дефекты, возникающие при монтаже компонентов типоразмера 01005

Как уже было упомянуто, многие факторы оказы­вают влияние на появление дефектов в процессе монтажа компонентов типоразмера 01005. Одни из них не зависят от размера компонентов, другие свойственны лишь миниатюрным компонентам. Ав­торам неизвестна информация, каков процент этих дефектов, рассчитанный на основе данных, получен­ных в процессе изготовления крупных партий изде­лий. Однако, проделанная ими теоретическая и экс­периментальная работа позволила выделить не­сколько областей возможного возникновения проб­лем.

На рис. 6 приведены примеры, иллюстрирующие возможные дефекты монтажа: избыточное и недоста­точное количество припоя в соединении, а также по­явление эффекта “надгробной плиты”. Эти дефекты могут быть вызваны неправильным количеством на­несенной пасты, ошибками при размещении компо­нентов, несоблюдением требуемого профиля пайки и другими причинами.

Рис. 6. Различные дефекты монтажа компонентов типоразмера 01005

Особенности бессвинцовой технологии

Одновременно с появлением миниатюрных ком­понентов в промышленности осуществляется пере­ход к бессвинцовой технологии. Проблемы, возника­ющие во время этих процессов, не связаны между со­бой. Однако, действуя совместно, они значительно уменьшают допуски на параметры процесса, или, как это обычно называют, “окно процесса”. Известно, что бессвинцовые припои хуже растекаются по площад­кам платы, из-за чего после оплавления концы пло­щадок могут остаться непокрытыми припоем. Чтобы избежать этого, некоторые производители увеличи­вают площадь апертуры. Хотя в стандарте IPC610D указано, что неполное покрытие площадок припоем не следует расценивать как дефект.

Заключение

Нет сомнения, что в последующие годы компонен­ты типоразмера 01005 будут и далее использоваться в тех изделиях, в которых габариты и масса являются определяющими параметрами. И если компания на­мерена когда-либо применить такие компоненты, то, возможно, настало время начать детальную разра­ботку технологии, чтобы досконально понять, какие мероприятия нужно осуществить, чтобы применение этих компонентов не добавило проблем. Необходимо проверить, обеспечивает ли оборудование достаточ­ную точность нанесения паяльной пасты, и выяснить, какие профилактические работы и проверки следует выполнить на оборудовании, чтобы добиться опти­мальной его производительности.

Следует также обратить внимание на обучение персонала и поддержание необходимой технологи­ческой дисциплины. Каждый должен знать свою зада­чу и выполнять ее безусловно и ежедневно. Все ра­ботники: операторы, техники, инженеры – должны быть хорошо обучены и дисциплинированы, чтобы достичь оптимальных результатов.

Наконец, необходимо выяснить мнение поставщи­ков оборудования и материалов по вопросу монтажа компонентов типоразмера 01005, так как они могут стать источником ценной информации.