Оптимизация процесса трафаретной печати

В статье освещаются вопросы оптимального выбора параметров процесса трафаретной печати.

А. Мельниченко

Процесс трафаретной печати представляет собой ключевое звено в технологии поверхностного монтажа (более половины дефектов монтажа появляется из-за ошибок при печати), поэтому для получения оптималь­ных результатов монтажа его необходимо понимать во всех подробностях. И, несмотря на сложность этого процесса, он может и должен быть оптимизирован.

Введение

При производстве любого вида продукции обычно существует оптимальное соотношение между време­нем, необходимым для выпуска изделия, и качеством его изготовления. Одним из способов достижения та­кого оптимума является изучение статистических данных всех аспектов производственного процесса.

В оптимизации процесса трафаретной печати важ­ную роль играют характеристики оборудования. Послед­ние модели оборудования разработаны с учетом необ­ходимости уменьшения производственных дефектов вы­пускаемой продукции и повышения объемов ее выпуска. Оборудование для трафаретной печати имеет ряд вспо­могательных систем, не относящихся непосредственно к производственному процессу: двух- и трехмерные сис­темы контроля результатов печати, системы для установ­ки угла наклона ракеля, системы вакуумной очистки ра­келя, автоматические системы установки плат и юсти­ровки их положения относительно ракеля и др.

Особенности процесса печати

Важность совершенствования навыков и методов печати для достижения высокого качества продукции невозможно переоценить. Ниже приведен перечень некоторых факторов, от которых зависит качество пе­чати:

• выбор стратегии оптимизации процесса печати
• скорость нанесения паяльной пасты
• способ движения ракеля и печатной головки
• способ нанесения пасты на платы со сквозными отверстиями
• применение резинового ракеля и выбор его опти­мальной жесткости
• эффективное использование техники “downstop” и “snapp-off”
• разработка трафарета оптимальной формы
• хорошее знание принципа работы систем контроля.

Оптимизация процесса печати

Одним из методов оптимизации процесса трафа­ретной печати является решение проблем, возникаю­щих при нанесении пасты. Учитывая то, что в большин­стве случаев система in-line-контроля не предназначе­на для проверки каждой дорожки на каждой плате, сле­дует запрограммировать ее таким образом, чтобы контроль выполнялся в наиболее характерных местах, по которым можно судить о качестве печати на всей плате. Важно также иметь как можно более полное представление о многообразии возможностей, пре­доставляемых компьютерной программой, которая уп­равляет системой контроля, чтобы наиболее эффек­тивно использовать ее в каждом конкретном случае.

Паяльная паста

Для достижения приемлемого результата печати следует поддерживать необходимое соотношение между силой давления ракеля, скоростью его движе­ния и составом паяльной пасты. Пасты одного соста­ва следует наносить быстро, в то время как скорость нанесения паст другого состава должна быть умень­шена. Если ракель оставляет на поверхности трафа­рета тонкий слой пасты, силу давления следует уве­личивать до тех пор, пока эта поверхность не станет чистой. Скатывание пасты при проходе ракеля может служить признаком того, что сила его давления близ­ка к оптимальной. Слишком большая скорость движе­ния ракеля приводит к неполному заполнению апер­тур трафарета, особенно по краям площадок. След­ствием скольжения ракеля поверх трафарета по тон­кому слою пасты может быть недостаточный выход пасты из трафарета и появление на площадках платы островков, не покрытых пастой.

Неполный выход пасты из трафарета

Иногда случается, что после прохода ракеля паста остается на трафарете. Это может происходить по двум причинам. Во-первых, несмотря на то, что давле­ние ракеля близко к оптимальному, возможно, что рас­стояние между трафаретом и платой (“downstop”) слишком мало. Во-вторых, может отсутствовать жест­кое основание под платой, из-за чего она может проги­баться. В результате изменяется угол наклона ракеля в месте касания, а также сила его давления на плату.

Печать на платы со сквозными отверстиями

Трафаретная печать также может быть использо­вана для нанесения пасты на платы со сквозными от­верстиями. Необходимая площадь апертуры трафа­рета вокруг этих отверстий должна рассчитываться с учетом заполнения их достаточным количеством при­поя. Требуемый объем припоя вычисляют как раз­ность между объемом отверстия и объемом продето­го сквозь него вывода (рис. 1). Затем рассчитывают площадь апертуры вокруг такого отверстия, чтобы объем заполняющей ее пасты вдвое превышал вы­численный объем припоя (т.к. припой занимает около 50% объема пасты). Согласно стандарту IPC-A-610 B не менее 75% объема между выводом и стенками от­верстия должны быть заполнены припоем, причем в пределах угла не менее 270° – без пропусков.

Рис. 1. Расчет объема пасты для пайки в сквозные отверстия

Применение пластмассовых ракелей

Операторы должны быть знакомы с тем, что пласт­массовые ракели имеют различную твердость и знать, в каких случаях какой ракель следует использо­вать. Для трафаретной печати твердость ракелей обычно выбирают в пределах от 90 до 110 единиц по Шору (шкала А). Если использовать более мягкие по­лиуретановые ракели, то на длинных апертурах может наблюдаться явление “вычерпывания” из них пасты. Чтобы избежать этого, в таком случае предпочтитель­но использовать металлические ракели. Для трафа­ретов, имеющих лишь апертуры малых размеров, а также для ступенчатых трафаретов применение полиуретановых ракелей может обеспечить получение бо­лее плотных отпечатков, а также уменьшить износ трафарета. Ступенчатые трафареты – это трафареты, имеющие области разной толщины и использующие­ся при изготовлении плат, на которых расположены как крупногабаритные компоненты (разъемы и др.), так и компоненты с малым шагом выводов.

Контактная печать

Контактная печать характеризуется тем, что в те­чение всего процесса печати трафарет находится в контакте с платой (рис. 2). После заполнения апертур пастой его отделяют от платы.

Для контактной печати угол наклона ракеля к пла­те (без прижима) составляет обычно 60° для металли­ческих ракелей и 50° – для резиновых. При использо­вании принтера фирмы Speedline Technologies с прог­раммируемой печатной головкой (МРМ Balanced Con­trol Programmable Print Head) имеется возможность подстройки этого угла в пределах ±5° от номинально­го. Сила давления на ракель должна быть достаточ­ной для того, чтобы поверхность трафарета остава­лась чистой, однако не слишком большой, чтобы не повредить его. При чрезмерном давлении после про­хода ракеля на трафарете могут остаться следы от краев платы (этот эффект носит название “coining”). Кроме того, возможно повреждение тонких перемы­чек между апертурами.

Рис. 2. Контактная печать

Что такое “downstop” и “snapp-off”?

Термин “downstop” должен быть хорошо знаком работникам, имеющим дело с трафаретной печатью. Он обозначает расстояние, на которое под давлением ракеля опускается трафарет, закрепленный на неко­торой высоте над платой. Это расстояние не должно быть слишком большим, так как это может привести к преждевременному износу трафарета. При слишком малом расстоянии сила давления ракеля на трафарет может быть недостаточной. Чаще всего это расстоя­ние устанавливают в пределах от 1.6 до 1.9 мм.

Различают контактную печать “snapp-off” и, так на­зываемую, “медленную печать snapp-off”.

Печать “snapp-off” характеризуется наличием за­зора между платой и трафаретом. В процессе прохо­да ракеля в месте его контакта с трафаретом послед­ний прогибается до соприкосновения с платой (рис. 3). Этот способ используется при монтаже плат с высокой плотностью установки компонентов, плат с различным выходом пасты, и в случаях, когда жела­тельно сократить длительность производственного цикла.

“Медленной печатью snapp-off” называют печать, при которой после прохода ракеля происходит мед­ленное отделение трафарета от платы. Поскольку разные пасты имеют различное время выхода из апертуры, задержка при отделении трафарета позво­ляет пасте осесть. При этом процент ее выхода из апертуры увеличивается.

Рис. 3. Печать “snapp-off”

Трафарет

В некоторых случаях необходимо иметь трафарет с различными рисунками. Возникает вопрос, каким должно быть расстояние между ними?

Для контактной печати это расстояние делают, как правило, не менее трех дюймов, а с учетом некоторо­го запаса для обеспечения движения ракеля предпоч­тительно его увеличение до 4 дюймов (100 мм). При печати на принтере фирмы Speedline Technologies, в котором установлена печатная головка с дозатором пасты (MPM Rheometric Pump Print Head), расстояние между рисунками может быть уменьшено до 0.75 дюйма (19 мм).

Для получения хороших результатов печати необ­ходимо, чтобы минимальный размер трафарета соот­ветствовал определенным требованиям. Так, если ис­пользуется ракель обычной формы (trailing edge blade), то минимальная длина трафарета должна быть больше длины платы на 7 дюймов (178 мм). Если же используется ракель заостренной формы (diamond shaped blade), то она должна быть больше длины пла­ты на 1 дюйм (25 мм). Ширина трафарета должна быть больше ширины ракеля, по меньшей мере, на 1 дюйм.

Для хорошего отделения трафарета от платы ри­сунки на нем рекомендуется располагать ближе к его середине. Если рисунок смещен в сторону, то после снятия трафарета на плате может возникнуть рисунок в виде шершавой кожицы из-за того, что при отделении трафарета преодолеваются силы сцепления флюса, который просачивается между трафаретом и платой.

Для выравнивания положения трафарета относи­тельно платы рекомендуется использовать маркеры. Если стандартные маркеры отсутствуют, приемлемые результаты можно получить, используя вместо них площадки платы и апертуры трафарета. Для этого лучше всего подходят площадки, не похожие на дру­гие, например, площадка под крайний вывод микро­схемы QFP (рис. 4). Система автоматического вырав­нивания положения платы может ее легко распознать. Перед выравниванием следует проверить, не загряз­нена ли используемая для этого апертура.

Рис. 4. Пример правильного выбора площадки для привязки трафарета к плате (вывод микросхемы в корпусе QFP)

На рис. 5 показан пример неправильного выбора площадки для привязки. Это место на плате не явля­ется единственным, поэтому система выравнивания может ошибочно выполнить привязку к другому мес­ту, имеющему аналогичный вид.

Рис. 5. Пример неправильного выбора площадки для привязки (вывод микросхемы в корпусе DIP)

Система 2D-контроля

Часто задают вопрос, каким образом следует ис­пользовать систему 2D-контроля. Эта система предназ­начена лишь для оперативной проверки и не заменяет сложные системы контроля. Наличие системы 2D-конт- роля лишь помогает в разработке технологического процесса и придает уверенность в его управляемости.

Если технологический процесс не претерпевал из­менений, то, казалось бы, нет и необходимости в систе­ме контроля. Однако некоторые из плат содержат перс­пективные компоненты, особенно компоненты с малым шагом выводов, точность нанесения пасты для которых необходимо контролировать. Система 2D-контроля и предназначена для того, чтобы удостовериться в том, что отпечатки находятся в нужных местах и процент вы­хода пасты соответствует заданному. Применение сис­темы контроля помогает своевременно произвести коррекцию технологического процесса и, исключив бракованные платы, сэкономить время и средства.

Статистика показывает, что примерно 90% дефек­тов печати можно обнаружить путем проверки количе­ства пасты, нанесенной на площадки платы. Так, недостаточное количество пасты на площадке может привести к возникновению дефекта при пайке. Наибо­лее эффективным способом контроля процента выхо­да пасты является сравнение изображений площадок с нанесенными на них отпечатками пасты с изображе­ниями непокрытых пастой площадок (рис. 6).

Рис. 6. Расчет процента выхода пасты

Преимущества параллельного выполнения операций

В современных принтерах для нанесения пасты предусмотрена возможность выполнения ряда допол­нительных операций. Однако это имеет смысл лишь в том случае, если они активно используются в работе. Большим неудобством является то, что чаще всего эти операции могут выполняться лишь последовательно.

В идеальном случае желательно, чтобы некоторые (если не все) дополнительные операции могли выпол­няться одновременно с основной. Это позволит оптими­зировать как время производственного цикла, так и увеличить объем выпускаемой продукции. Например, если чистка трафарета будет выполняться одновременно с позиционированием очередной платы с помощью опти­ческой системы, две дополнительные операции будут выполняться одновременно. В результате сокращается цикл производства и повышается качество продукции.

Применение оборудования, в котором предусмот­рена возможность параллельного выполнения нес­кольких операций, дает ощутимые преимущества. Та­кие операции как, например, очистка трафарета и контроль готовых изделий могут выполняться чаще без снижения скорости выпуска продукции.

Заключение

В электронной промышленности прослеживается тенденция уменьшения размеров компонентов. Учи­тывая это, а также то, что в настоящее время происхо­дит переход к бессвинцовым припоям, для компаний, стремящихся достичь успеха на рынке, все более ак­туальным становится требование “делать все хорошо с первого раза”. Исправление дефектов – довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс. К тому же, при более высоких температурах, характерных для бес- свинцовых припоев, он может привести к перегреву как платы, так и компонентов.

Подробное исследование всех проблем, возника­ющих при печати, будет способствовать оптимизации процесса монтажа и улучшению качества выпускае­мых изделий.