Трафаретная печать

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Материалы без источников могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Трафаретная печать» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( август 2022 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Трафаретная печать — это процесс нанесения паяльной пасты на печатные платы (PWB) для создания электрических соединений . За ним сразу следует этап размещения компонентов . Оборудование и материалы, используемые на этом этапе, — это трафарет , паяльная паста и принтер.

Функция трафаретной печати достигается с помощью одного материала, а именно паяльной пасты, которая состоит из припоя и флюса . Паста также действует как адгезив во время размещения компонентов и оплавления припоя . Липкость пасты позволяет компонентам оставаться на месте. Хорошее паяное соединение — это то, где паяльная паста хорошо расплавилась, растеклась и смочила вывод или вывод на компоненте и контактную площадку на плате.

Чтобы добиться такого паяного соединения, компонент должен находиться в правильном месте, необходимо нанести правильный объем паяльной пасты, паста должна хорошо смачивать плату и компонент, а также должен быть остаток, который можно безопасно оставлять на плате или который можно легко очистить.

Объем припоя зависит от трафарета, процесса печати и оборудования, припойного порошка и реологии или физических свойств пасты. Хорошее смачивание припоем зависит от флюса.

Входы в процесс можно классифицировать как входные данные по проектированию, входные данные по материалам и входные данные по параметрам процесса. Выходом процесса является печатная плата, которая соответствует ограничениям спецификации процесса. Эти спецификации обычно представляют собой постоянный объем и высоту паяльной пасты, а также напечатанную паяльную пасту, выровненную на контактных площадках печатной платы. Это определяет выход процесса.

В автоматизации электронного проектирования маска паяльной пасты и, следовательно, трафарет обычно определяются в слое, называемом tCream/ bCreamон же CRC/ CRS, ^{[1] [nb 1]} PMC / PMS, ^[2] TPS / BPS, ^[3] или TSP/ BSP( EAGLE ) , F.Paste/ B.Paste( KiCadPasteTop ), / PasteBot( TARGET ), SPT/ SPB( OrCAD ), PT.PHO/ PB.PHO( PADS ), PASTE-VS/ PASTE-RS( WEdirekt ), ^[4] GTP / GBP( Gerber и многие другие ^{[5] ). Некоторое (менее распространенное) программное обеспечение EDA не обрабатывает маску паяльной пасты как обычную часть} стека слоев печатной платы , и в этом случае маска пасты должна быть получена из маски остановки припоя .

Для повышения точности трафареты традиционно часто монтировались в фирменные алюминиевые рамки различных видов. Сегодня использование систем быстрого монтажа более распространено, по крайней мере, для партий небольшого объема, с пневматическим или механическим монтажом трафарета. Для этого трафарету необходимы дополнительные перфорации для выравнивания в соответствии с одним из нескольких стандартов систем монтажа, включая QuattroFlex, ZelFlex, ESSEMTEC, PAGGEN, Metz, DEK VectorGuard, Mechatronic Systems и другие.

Процесс начинается с загрузки платы в принтер. Внутренняя система технического зрения выравнивает трафарет по плате, после чего ракель печатает паяльную пасту. Затем трафарет и плата разделяются и выгружаются. Нижняя часть трафарета протирается примерно через каждые десять отпечатков, чтобы удалить излишки паяльной пасты, оставшиеся на трафарете.

Типичная операция печати имеет скорость около 15–45 секунд на плату. 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 плату необходимо правильно закрепить перед началом процесса. Для фиксации осей X и Y платы используются зажим и вакуумные держатели. Вакуумные держатели следует использовать осторожно, так как они могут повлиять на процесс печати методом «штифт-в-пасте», если они не закреплены должным образом.

Самый длительный процесс — это операция печати, за которой следует процесс разделения. Послепечатная проверка имеет решающее значение и обычно выполняется с помощью специальных систем 2D-визуализации на принтере или отдельных 3D-систем.

Системы технического зрения в трафаретных печатных машинах используют глобальные реперные метки для выравнивания печатной платы. Без этих реперных меток принтер не будет печатать паяльную пасту в точном соответствии с контактными площадками. Печатная плата должна иметь узкие допуски размеров, чтобы она сопрягалась с трафаретом. Это необходимо для достижения требуемого выравнивания припойных блоков на контактных площадках.

Требуемая точность выравнивания также может быть достигнута путем управления потоком припоя на печатной плате во время пайки оплавлением. Для этой цели пространство между контактными площадками часто покрывается паяльной маской . Материалы паяльной маски не имеют сродства к расплавленному припою, и, следовательно, между ними не образуется положительной связи по мере затвердевания припоя. Этот процесс часто называют маскировкой припоя . Маска должна быть правильно отцентрирована. Маска защищает печатную плату от окисления и предотвращает образование непреднамеренных перемычек из припоя между близко расположенными контактными площадками припоя.

Также 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, которое заполняет пространство между двумя поверхностями для предотвращения утечек. Прокладка является проблемой, поскольку избыток паяльной пасты вокруг площадки может быть более чем неприятным фактором для схем с очень маленьким расстоянием между линиями.

Контактные площадки на печатной плате изготовлены из меди и подвержены окислению. Поверхностное окисление меди будет препятствовать способности припоя образовывать надежное соединение. Чтобы избежать этого нежелательного эффекта, вся открытая медь защищена поверхностной отделкой.

Суть хорошо напечатанной печатной платы заключается в заполнении и выпуске паяльной пасты в отверстие. Когда трафарет соприкасается с печатной платой, паяльная паста наносится на верхнюю поверхность трафарета с помощью ракеля. Это приводит к заполнению отверстия паяльной пастой. Затем печатная плата опускается с трафарета. Количество паяльной пасты, которая высвобождается из отверстий трафарета и переносится на контактные площадки печатной платы, определяет, будет ли печать хорошей или нет. В идеале все объемы паяльной пасты должны быть равны объему соответствующего отверстия трафарета. Однако в реальности это никогда не происходит. Следовательно, печать считается хорошей, если высвобождается определенная часть пасты. Одним из способов количественной оценки производительности печати является расчет эффективности переноса . Математически это выражается как:

Эффективность переноса = (Объем напечатанного депозита) / (Теоретический максимальный объем)

В приведенном выше выражении теоретический максимальный объем — это просто открытый объем апертуры трафарета. В идеале желательно, чтобы эффективность переноса была равна 1. Однако в реальности, чем выше эффективность переноса, тем лучше печать. Теперь, чтобы заполнить апертуру пастой, требуется достаточная скорость потока и достаточное время заполнения. Апертуры, которые не полностью заполнены, не будут выпускать пасту на плату, что приводит к засорению трафаретов и дефектным паяным соединениям. Выделение паяльной пасты определяется скоростью отделения платы от трафарета. Адгезия пасты к плате должна обеспечивать усилие сдвига, чтобы преодолеть прилипание пасты к стенкам трафарета. Эта гидродинамическая сила сдвига зависит от скорости отделения.

Трафареты используются для печати паяльной пасты на печатной плате. Они часто изготавливаются из нержавеющей стали или никеля и производятся различными способами, описанными ниже.

Использование лазерной технологии позволяет добиться более жестких допусков и большей точности.

Стенки отверстий можно сгладить с помощью электрополировки и/или никелирования. Процесс лазерной резки приводит к трапециевидным отверстиям, которые могут обеспечить лучшие характеристики высвобождения паяльной пасты.

Повторяемость размеров в трафаретах, вырезанных лазером, как правило, лучше, чем при химическом травлении. При лазерной резке нет фотопленок, требующих точного выравнивания или защиты от влаги.

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 апертуры. Процесс также создает гребень вдоль нижней части трафарета, что может улучшить уплотнение трафарета с платой и привести к более равномерному выделению паяльной пасты.

Из-за необходимости в компонентах с малым шагом, по мере того как размер апертуры становится все меньше и меньше, они становятся «узкими и высокими». В таких случаях апертуры могут быть заполнены паяльной пастой, но не полностью выпущены, или иногда даже не полностью заполнены и, следовательно, не получают отложений. Чтобы противостоять этой проблеме, стенки апертуры делаются максимально гладкими. Кроме того, на стенки трафарета наносятся нанопокрытия с молекулярным слоем, чтобы паяльная паста не прилипала. Последовательное заполнение и выпуск являются наиболее важным результатом трафаретной печати. ​​Когда трафарет опущен на плату, паста заполняет апертуру и контактирует с площадкой и стенками трафарета. Контакт оценивается по соотношению этих площадей, т. е. отношению площади площадки к площади стенок. Это называется соотношением площадей . Информация о стандартах проектирования трафаретов доступна 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:

Для трафаретов с мелким шагом (шаг 20 мил, апертура 10 мил) даже при толщине трафарета 5 мил, которая является наиболее часто используемой толщиной трафарета, отношение площадей ниже 1,5. Это требует использования более тонкого трафарета. Для BGA/CSP и других очень маленьких апертур используется отношение площадей. Оно должно быть больше 0,66, так как это обеспечивает высокую вероятность хорошего заполнения и выпуска. Отношение площадей ниже 0,66 будет означать гораздо менее надежный процесс.

Примеры соотношений площадей для BGA:

Размер апертуры должен быть меньше размера площадки, чтобы избежать избытка паяльной пасты или образования шариков припоя. Уменьшение размера апертуры на 10–20% по сравнению с размером площадки является типичным для минимизации шариков припоя. Шарики припоя могут привести к неисправности электрической цепи.

На печатную плату может потребоваться нанесение различного количества паяльной пасты в зависимости от конструкции и размера компонентов. Нанесение равномерного максимального уровня припоя может быть не лучшим решением в этом случае, поскольку такие трафареты часто используются при использовании технологии «pin and paste» (т. е. печати паяльной пасты в сквозные отверстия для избежания пайки волной припоя) и при использовании компонентов с существенно разным шагом в одной и той же печатной плате. Для достижения различного количества припоя используются трафареты с понижением.

В идеале паяльная паста должна иметь, как минимум, 4-часовой срок службы трафарета. Срок службы трафарета определяется как период времени, в течение которого не произойдет никаких существенных изменений в характеристиках материала паяльной пасты. Паяльная паста с более длительным сроком службы трафарета будет более надежной в процессе печати. ​​Фактический срок службы трафарета для пасты должен определяться на основе спецификаций производителя и проверки на месте.

Чтобы улучшить срок службы и производительность трафаретов, их необходимо очищать после использования, удаляя с них или из отверстий всю паяльную пасту. Очищенные трафареты хранятся в защищенном месте. Перед использованием трафареты проверяются на предмет износа или повреждений. Трафареты обычно идентифицируются по номерам заданий, чтобы снизить риск неправильного обращения или потери.

Ракели используются для распределения припоя по трафарету и для равномерного заполнения всех отверстий. Ракели бывают двух типов: металлические или полиуретановые. Металлические ракели предпочтительнее полиуретановых. ^{[ необходима цитата ]} Они обеспечивают очень равномерный объем припоя и устойчивы к вычерпыванию паяльной пасты из отверстий при печати. ​​Кроме того, они имеют лучшие характеристики износа, что обеспечивает более длительный срок службы.

Недостаточное количество паяльной пасты может привести к плохому соединению и контакту между компонентами и платой. Распространенными причинами недостаточного количества паяльной пасты являются плохая прокладка, засоренные отверстия трафарета, недостаточный размер шарика паяльной пасты, использование пасты/трафарета сверх рекомендуемого срока службы, невычищенный трафарет или слабое давление ракеля.

Основными причинами образования подтеков/перемычек являются чрезмерное давление ракеля, недостаточная очистка трафарета, плохой контакт между платой и трафаретом, высокая температура или влажность, а также низкая вязкость паяльной пасты.

Типичная несоосность печати обычно вызвана тем, что система технического зрения не распознает реперные знаки, растяжением печатной платы или трафарета, плохим контактом между платой и трафаретом или слабой поддержкой платы.

Неправильно зафиксированная во время печати паяльной пасты печатная плата дает плохие результаты и увеличивает проблемы, связанные с пайкой. Обычно оборудование для печати паяльной пасты может справиться с короблением от 1,0 до 3,0 мм, но за пределами этого предела требуются специальные приспособления или крепления для удержания печатной платы. Может быть сложно справиться с толстыми и маленькими платами по сравнению с тонкими и большими платами.

Более 50% дефектов при сборке электроники вызваны проблемами печати паяльной пасты. В этом процессе задействовано много параметров, что затрудняет поиск конкретной проблемы и оптимизацию процесса. Тщательное статистическое исследование процесса может быть использовано для значительного улучшения производительности. Количество возможностей для дефекта характеризует дефекты, а не фактическое количество дефектных деталей.

Пример:

Если паяльная паста нанесена на контактные площадки для 68-контактного QFP-корпуса, то

Общее количество возможных дефектов = 68 выводов + 1 для компонента = 69 возможных дефектов только для печати.

Таким образом, существует 69 возможностей для дефектов, чтобы произвести один дефектный компонент. Подсчет возможностей дефектов является наиболее надежным монитором процесса. Процессы обычно оцениваются с точки зрения количества дефектов на миллион возможностей (DPM). Например, процесс, приводящий к 100 дефектам при 1 миллионе возможностей дефектов, будет иметь рейтинг 100 DPM. Процессы печати мирового класса имеют уровень дефектов около 20 DPM.

Низкий DPM-процесс печати может быть достигнут путем использования статистических методов для определения эффектов отдельных параметров или взаимодействия между различными параметрами. Затем важные параметры процесса могут быть оптимизированы с использованием методов проектирования экспериментов (DOE). Затем эти оптимизированные параметры могут быть реализованы и может быть начата оценочная маркировка процесса. Затем статистический контроль процесса может быть использован для постоянного мониторинга и улучшения уровней DPM печати.

• Трафарет
• Пошуар

• Ласки, Рональд «Рон»; Холл, У. Джеймс «Джим»; Хики, 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 повышения квалификации для электронной промышленности . Великобритания: Университет Болтона . Архивировано из оригинала 28.05.2014.[3]
• Padmanapan, Sakthivel (2014-05-30). "Workshop on SMT Stencils" (PDF) . Ченнаи, Индия: Ассоциация технологий поверхностного монтажа (SMTA). Архивировано (PDF) из оригинала 2018-06-17 . Получено 2018-06-17 .
• Мерситс, Кристофер (2012) [2010]. Исследование заполнения и выпуска апертур для современных разработок процесса трафаретной печати паяльной пасты . Бингемтон, Нью-Йорк, США: Государственный университет Нью-Йорка. С. 4–5, 9–10. 1535200. ProQuest  1328395402.