Трафаретная печать. Теория.

Трафаретный принтер DEK 8

Операции трафаретной печати является нанесение заданного количества паяльной пасты на контактные площадки с определенной точностью и контролируемой повторяемостью через трафарет. Рассмотрим основные моменты на которые стоит уделить внимание.

Необходимое количество паяльной пасты

Качество паяных соединений описано в стандартах IPC, которые устанавливают требования к форме галтели, подразумевая определенное количество припоя. Однако количество припоя, требуемое для образования качественного соединения, зависит от формы выводов, размеров контактных площадок, компланарности выводов, коробления ПП, смачиваемости и т.д. Многие из этих факторов обычно игнорируются на практике, и рекомендуемое количество пасты задается исходя из размеров контактной площадки.
Припой наносится на ПП в виде пасты и, следовательно, масса наносимого припоя определяется объемом пасты. Количество паяльной пасты должно лежать в определенных пределах. Верхний предел определяется образованием перемычек и шариков припоя в процессе пайки, нижний – слишком тонким слоем припоя в паяном соединении или необходимостью удержания компонентов во время технологических операций, следующих за трафаретной печатью. Таким образом, надежность и технологичность играют здесь важную роль.
В общем, технологические пределы при применении компонентов с малым шагом выводов до 0,3 мм могут быть более строгими, чем предел надежности . Это проиллюстрировано на рисунке ниже.

Рис.1

Выбор паяльной пасты.

Паяльная паста представляет собой массу, состоящую из смеси порошкообразного припоя с частицами, обычно сферической формы, и флюса-связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц порошкообразного припоя и типа флюса.
К паяльным пастам предъявляются следующие требования:
• высокое качество паяных соединений, без разбрызгивания и образования сопутствующих шариков припоя;
• хорошие клеящие свойства для удержания компонентов до пайки;
• высокая стойкость к растеканию при предварительном нагреве;
• минимальное количество легко удаляемых остатков флюса после пайки;
• возможность нанесения методом трафаретной печати или дозированием;
• длительное хранение без изменения свойств.

Тип частиц припоя Не более 1% частиц с размерами, мкм Диаметр частиц припоя, мкм Не более 10% частиц с размерами, мкм
Тип 1 150 150-75 20
Тип 2 75 75-45 20
Тип 3 45 45-25 20
Тип 4 45 38-20 20
Тип 5 25 25-15 15
Тип 6 15 15-5 5

Паяльные пасты можно классифицировать по размеру частиц припоя в соответствии со стандартом IPC/EIA J-STD-005. При выборе паст с малым размером частиц следует помнить, что такая паста будет легко наноситься даже через маленькие отверстия трафарета, однако процесс пайки может сопровождаться образованием шариков припоя.
Реология паст довольно сложна. Паяльные пасты – неньютоновские жидкости с высокой тиксотропностью, вязкость которых зависит от коэффициента сдвига. Вязкость пасты выше при меньшем коэффициенте сдвига и ниже – при большем. Чем меньше вязкость, тем больше паста напоминает жидкость. Паяльная паста должна легко проникать через отверстия трафарета и перемещаться по поверхности трафарета, но отпечатки на ПП должны сохранять форму. С точки зрения нанесения пасты, предпочтительна средняя и высокая вязкость. Паста с низкой вязкостью (500 тыс. сП) склонна к расслаиванию, паста с очень высокой вязкостью (1400 тыс. сП) может закупорить отверстия трафарета или даже вовсе не проникнуть в них. Как правило, рекомендуется к применению паста с вязкостью 700-900 тыс. сП.

Состав и классификация

Состав паяльных паст оговорен в следующих стандартах:
• IPC/EIA J-STD-004 “Требования к флюсам для пайки”;
• IPC/EIA J-STD-005 “Требования к паяльным пастам”;
• IPC/EIA J-STD-006 “Требования к сплавам припоя с флюсом и без флюса, применяемым в пайке электроники”.
Для трафаретной печати следует использовать пасту с содержанием припоя 89-91% по весу.

Один из методов борьбы с эффектом “надгробного камня” основан на применении новых типов паяльных паст со специальным припоем типа 63S4 (Sn62,5/Pb36,5/Ag1). Сплав 63S4 получается путем смешивания частиц припоя с разными размерами (типа 3 и типа 5 по стандарту J-STD-005) и разными сплавами Sn62 и Sn63. Частицы меньшего диаметра с более низкой температурой плавления (179°C) расплавляются быстрее, чем более крупные частицы сплава Sn63 (183°C), в этом случае изменение сил поверхностного натяжения происходит медленнее и равномернее, чем у эвтектических припоев. В результате испытаний было установлено, что количество дефектов типа “надгробного камня” в таком случае сокращается в десятки раз по сравнению с традиционными припоями.
Бессвинцовые припои призваны заменить свинцовосодержащие, так как решением европейской комиссии по законодательству запрещено использование свинца в производстве электроники с 01.01.2006. Припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 с температурой плавления 217°C позволяют заменить традиционный припой Sn62/Pb32/Ag2 по электрическим и механическим параметрам. Бессвинцовые сплавы обладают высокой прочностью по сравнению со сплавами олово-свинец, более высокой устойчивостью к термоциклированию и рекомендуются для пайки компонентов с разными тепловыми коэффициентами линейного расширения. Главными недостатками этих сплавов являются матовость паяных соединений, высокая цена вследствие большого содержания олова и серебра и высокая температура плавления, требующая увеличения температуры пайки до 245-260°C. 

Флюс.

В состав флюса входят: растворитель, канифоль/смола, активаторы, корректировщики реологии и другие вещества.

Флюс в составе пасты выполняет следующие функции:
• образует однородную структуру с припоем;
• обеспечивает необходимые реологические свойства паяльной пасты;
• способствует сохранению формы отпечатков пасты;
• обеспечивает клеящие свойства паяльной пасты для фиксации компонентов после их установки;
• удаляет оксиды с поверхностей, подлежащих пайке, и частиц припоя;
• создает защитную пленку для предотвращения повторного окисления в процессе пайки;
• содействует самоцентрированию компонентов в процессе пайки;
• содействует передаче тепла при пайке.
В соответствии с международным стандартом IPC/EIA J-STD-004 флюсы классифицируются по основе химического состава на 3 группы. В каждую группу входит по шесть типов флюса, отличающихся уровнем активности. Тип флюса обозначается четырехзначным буквенно-цифровым кодом. Первые две буквы этого кода несут информацию о веществе, лежащем в основе флюса: RO (Rosin) – канифоль, RE (Resin) – синтетические смолы, OR (Organic) – органические кислоты. Третья буква свидетельствует об уровне активности флюса: L (Low) – низкий, M (Middle) – средний, H (High) – высокий.

По одному из старейших, но по-прежнему действующему американскому федеральному стандарту QQ-S-571E флюсы классифицируются по активности на следующие типы:
• R (Rosin) – канифольный флюс, в состав которого входит лишь канифоль, из-за чего он обладает очень низкой флюсующей активностью;
• RMA (Rosin Middle Activated) – канифольный среднеактивированный флюс, состоящий из канифоли и таких активаторов, как амины, хлористые амины, органические кислоты;
• RA (Rosin Activated) – канифольный активный флюс, включающий в себя канифоль и такие активаторы, как полярные соли аминов, галогены, органические кислоты;
• OA (Organic Activated) – органический активный, в основе которого лежат галогены и органические кислоты.
Уровень активности флюса свидетельствует о коррозионных и проводящих свойствах остатков флюса после пайки и необходимости их удаления. Удаление остатков флюсов на основе чистой канифоли (R) и слабо активированных флюсов (RMA, ROL0, RЕL0), как правило, не требуется. Остатки средне активированных флюсов (RA, ROН0, ROН1, RЕН0, RЕН1) обычно необходимо удалять с помощью специальных растворителей. Остатки органических флюсов (OA, OR) подлежат обязательной отмывке в воде.

Виды трафаретов.

Как правильно выбрать толщину или размеры отверстий трафарета, из каких материалов и каким методом можно изготавливать трафареты? Эти и другие вопросы рассмотрены ниже на основании практического опыта и авторитетных зарубежных источников информации, в том числе международного стандарта IPC-7525 “Руководство по конструированию трафаретов” (Stencil Design Guidelines).

В настоящее время для нанесения паяльной пасты используются трафареты, изготовленные из металлической фольги. При изготовлении трафаретов наиболее часто используются следующие материалы: нержавеющая сталь, никель, медь, латунь или бериллиевая бронза.
Существует три основных метода изготовления трафаретов:
• метод химического травления;
• метод лазерной резки;
• метод гальванопластики.

Метод химического травления.

Изготовление трафаретов химическим травлением, применяется достаточно часто, т.к. используется стандартная технология с невысокими затратами на изготовление. Для изготовления трафаретов используются зеркальные фотошаблоны, и производится двустороннее травление.
Возникновение бокового растрава в процессе травления ограничивает возможность нанесения паяльной пасты на контактные площадки компонентов с малым шагом (меньше 0,65 мм). Электрохимическая обработка стенок отверстий позволяет сделать их более ровными, при этом минимальный размер отверстия трафарета составляет 0,1 мм + 50% толщины трафарета.

Метод лазерной резки.

Метод лазерной резки позволяет получить точный рисунок с практически любым шагом, но имеет более высокую стоимость изготовления. Трафареты изготавливаются из нержавеющей стали.

Для улучшения качества нанесения паяльной пасты, особенно под компоненты с малым шагом, необходимо произвести обработку поверхности трафарета для удаления заусенцев после лазерной резки и обработку отверстий для лучшего прохождения паяльной пасты. Для уменьшения вероятности размазывания паяльной пасты по поверхности трафарета рекомендуется подвергать трафарет дополнительной обработке, делая более шероховатой сторону, контактирующую с ракелем, для того, чтобы паяльная паста катилась по трафарету в виде валика.
Метод лазерной резки дает возможность формирования реперных знаков на половину толщины трафарета, резки пазов и выемок, поэтому применение лазерной резки в сочетании с методом химического травления позволяет изготавливать гибридные трафареты. Гибридные трафареты применяются для нанесения разного количества пасты, например, для стандартных компонентов и под компоненты с малым шагом (см. Рис. 1.10), а также для нанесения пасты в отверстия для монтажа штырьковых компонентов на паяльную пасту.

Гибридный трафарет

Минимальный размер отверстий трафарета может быть равен толщине трафарета.

Метод гальванопластики.

Данный метод позволяет получить очень точный рисунок отверстий трафарета, уменьшить вероятность образования перемычек и загрязнения трафарета с нижней стороны в процессе работы. Основной материал при изготовлении трафаретов – никель. Однако из-за очень высокой стоимости изготовления метод гальванопластики не получил широкого распространения в нашей стране.

На толщину трафарета и конструкцию отверстий оказывают влияние различные факторы, в том числе: тип электронных компонентов, размеры контактных площадок, тип паяльной пасты и другие факторы.
Правило трех шариков является простой формулой для определения толщины и минимальной ширины отверстий трафарета в зависимости от размеров частиц припоя входящих в состав паяльной пасты. Правило трех шариков гласит: максимальная толщина трафарета должна быть близка трем максимальным диаметрам частиц припоя, входящих в состав паяльной пасты. Минимальная ширина отверстия трафарета тоже должна быть равна трем максимальным диаметрам шариков припоя. Однако с точки зрения обеспечения высокой надежности паяных соединений, хорошей и стабильной формы отпечатков паяльной пасты в независимости от метода изготовления трафарета предпочтительная ширина отверстий трафарета должна быть не меньше пяти диаметров частиц припоя.

Таким образом, для большинства применений рекомендуется использовать трафареты толщиной 125-200 мкм. Трафареты толщиной меньше 100 мкм применять не рекомендуется, т.к. они легко деформируются при многократном проходе ракеля.
Одно из основных правил конструирования отверстий трафарета заключается в том, что размер отверстий должен быть уменьшен по сравнению с размерами контактных площадок. Уменьшение размера отверстий трафарета или даже изменение геометрической формы вызваны необходимостью улучшения результатов нанесения паяльной пасты, пайки и очистки трафарета.
Уменьшение размеров отверстий трафарета снижает вероятность неточного совмещения и нанесения пасты на контактные площадки без образования шариков и перемычек припоя в процессе пайки.
Рекомендуемый размер отверстий трафарета составляет 75-90% от размера контактной площадки. Общее правило для интегральных микросхем: размер отверстий трафарета должен быть на 0,1 мм меньше размера контактных площадок, но не меньше ½ шага выводов компонента.

Для снижения вероятности образования шариков припоя за счет выдавливания паяльной пасты за пределы контактных площадок при установке чип-компонентов может использоваться специальная конструкция отверстий трафарета. Эти рекомендации основаны на требованиях международного стандарта IPC-7525 “Руководство по конструированию трафаретов”.
С целью предотвращения вычерпывания паяльной пасты при нанесении на большие контактные площадки рекомендуется поделить большие отверстия трафарета на несколько с меньшими размерами: 2,0х2,0 мм максимум.

Влияние конструкции трафарета на заполнение паяльной пастой контактных площадок. Количество паяльной пасты, которое наносится на контактные площадки, определяется размером отверстий трафарета и толщиной фольги трафарета. Паяльная паста должна полностью заполнять поверхность контактных площадок после разделения трафарета с ПП. С точки зрения конструкции трафарета существует вероятность неполного заполнения поверхности контактных площадок за счет прилипания паяльной пасты к стенкам трафарета. На это оказывают влияние три фактора:

1.Соотношение между площадью стенок трафарета и контактной площадкой. Общее правило для обеспечения качественного нанесения паяльной пасты: отношение ширины отверстия (L) трафарета к толщине (e) должно составлять не менее 1,5 , а отношение площади контактной площадки к площади стенок отверстия трафарета не менее 0,66. Если площадь контактных площадок больше чем 66% площади стенок трафарета, то можно гарантировать полное нанесение паяльной пасты на контактные площадки.

2. Форма стенок отверстий трафарета. Для уменьшения прилипания паяльной пасты к стенкам трафарета рекомендуется делать углы отверстий в трафарете скругленными.

3. Финишная обработка стенок трафарета. Как уже отмечалось, обработка отверстий после изготовления трафарета улучшает результаты трафаретной печати.
Срок службы трафаретов. В зависимости от материалов трафарета и ракеля срок жизни трафаретов может составлять от 10000 до 50000 проходов ракеля (металлические ракели приводят к большему износу трафаретов). По некоторым данным срок жизни трафаретов из нержавеющей стали, может составлять до 300000 проходов ракеля, однако длительное использование трафаретов приводит к деформации, уменьшению их толщины и стиранию реперных знаков.

Технологические параметры. Выбор технологических параметров

Основные технологические параметры процесса трафаретной печати таковы:

  • усилие прижима ракеля к трафарету;
  • скорость движения ракеля;
  • зазор между трафаретом и ПП;
  • угол наклона ракеля;
  • твердость ракеля;
  • температура.

Усилие. Усилие оказывает очень существенное влияние на процесс нанесения пасты. Эмпирическое правило: 1 кг / 100 мм длины ракеля при скорости 10 мм/с. Но это приблизительное значение, с которого следует начинать подбор. При этом при увеличении скорости в два раза усилие также следует удвоить.

В идеале, скорость движения ракеля и усилие должны задаваться так, чтобы верхняя поверхность трафарета оставалась чистой. Если усилие недостаточно, то паста будет размазываться по трафарету, высота отпечатков будет слишком большой и трудно контролируемой. Если усилие слишком велико, то ракель будет вычерпывать пасту из отверстий трафарета, что приведет к малой высоте отпечатков. Если длина ракеля существенно превышает длину ПП, то при использовании металлических ракелей слишком большое усилие может привести к изменению угла наклона ракеля по причине его деформации.

Использование твердого ракеля может привести к снижению влияния данного эффекта. Однако в случае применения ступенчатого трафарета ракель должен быть достаточно гибким для прогибания в области минимальной толщины, в которых имеются отверстия.

Если усилие слишком велико, то будет наблюдаться не только вычерпывание, но паста будет затекать под трафарет и стремится образовывать перемычки. Это приведет к необходимости частой очистки нижней поверхности трафарета.

Как только определено подходящее усилие, системы создания давления с обратной связью, использующиеся в автоматах трафаретной печати, будут поддерживать заданное значение во время нанесения пасты, обеспечивая повторяемость и устраняя необходимость регулировки.

Скорость движения ракеля. Скорость движения ракеля обычно задается в соответствии с вязкостью пасты. Чем больше вязкость, тем меньше скорость движения ракеля, следовательно, чем меньше вязкость, тем выше скорость. Как правило, скорость движения ракеля выбирается в пределах 12-50 мм/с.

Проблема, ассоциируемая со скоростью движения ракеля, заключается в недостаточном времени для заполнения пастой отверстий трафарета. Если выбрана скорость, равная 12 мм/с, то заполнение пастой отверстия шириной 0,3 мм потребует 25 мс. Следовательно, скорость движения ракеля может быть снижена, чтобы увеличить вероятность успешного нанесения пасты через столь малые отверстия. Если это не приводит к успеху, то, возможно, требуется изменение конструкции трафарета. Необходимо заметить, что уменьшение скорости движения ракеля приведет к увеличению давления на пасту. И наоборот, увеличение скорости движения снизит прилагаемое давление. Изменение скорости движения ракеля повлечет за собой корректировку усилия.

Необходимо отметить, что в настоящее время существует целый класс паст, предназначенных для нанесения на повышенной скорости. Эти пасты характеризуются высоким тиксотропным коэффициентом, благодаря чему при приложении усилия вязкость ее резко уменьшается, и паста продавливается в отверстия трафарета. После снятия усилия вязкость пасты быстро восстанавливается до первоначального значения. При использовании паст такого типа возможно качественное нанесение пасты под компоненты с шагом 0,5мм со скоростью около 100мм/с.

Твердость ракеля. Твердость ракелей определяется по методу Шора. Существует несколько уровней твердости ракелей, но не все из них распространены. Наиболее широко применяются ракели трех типов:

  • мягкий, с твердостью 65 единиц;
  • средний, с твердостью 75 единиц;
  • жесткий, с твердостью 90 единиц.

Тип ракеля подбирается, исходя из используемого трафарета: ракель средней жесткости для ступенчатого трафарета, жесткий – для трафарета фиксированной толщины.

            Важно правильно установить ракель в держателе. Если ракель расположен неровно, то и отпечатки будут неровными. Это проявляется тем заметнее, чем выше твердость ракеля. Мягкий ракель будет стремиться самовыравниваться, хотя вероятность вычерпывания пасты из отверстий трафарета будет высокой. Отклонение ракеля от горизонтального положения может компенсироваться увеличением усилия, но вновь будет происходить вычерпывание пасты.

            В настоящее время наиболее широко используются металлические ракели, так как они обеспечивают лучшее управление технологическим процессом. Как правило, срок службы металлических ракелей больше, и их применение позволяет снизить вероятность вычерпывания пасты. Развитие в области конструирования ракелей привело к появлению различных покрытий, скругленных краев, увеличивающих срок службы трафарета, а также к использованию ракелей с различными углами наклона. Уменьшение угла наклона ракеля увеличивает качество и повторяемость нанесения пасты на контактные площадки под компоненты с малым шагом выводов. Металлические ракели “полируют” поверхность трафарета, что является одним из их отличий от полиуретановых ракелей.

Оставляйте свои вопросы или замечания в комментариях ниже.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.