Объем наносимого слоя паяльной пасты может изменяться в зависимости от устанавливаемых компонентов и толщины трафарета.
Рис. 1. Нанесение паяльной пасты на Рис. 2. Сетчатый трафарет и фотошаблон
контактные площадки печатной
платы
Стандарт IPC-HDBK-005 (Guide to Solder Paste Assessment) американского института печатных плат (IPC) представляет собой руководство по оценке и применению паяльной пасты. В этом документе приводятся тестовые методы, направленные на помощь при выборе и испытаниях паяльной пасты, сведения о пайке материалов, рекомендации по выбору параметров процесса нанесения паяльной пасты, результаты тестов по выявлению причин появления дефектов при монтаже компонентов. К примеру, тестированием определено, что трафарет толщиной 4 мил (мил = 25,4 мкм) по сравнению с трафаретом толщиной 6 мил приводит к уменьшению количества дефектов типа "припойный бисер". Это происходит по причине уменьшения объема нанесенной пасты при уменьшении толщины трафарета.
Апертуры трафарета должны иметь трапециевидную форму и гладкие стенки, чтобы обеспечить постоянство объема пасты при ее нанесении и легкий выход пасты из апертур трафарета. Для этих же целей рекомендуется скруглять углы апертур. Кроме того, подобная геометрия апертур улучшает наложение паяльной пасты на ПП. Трафарет может быть изготовлен из различных материалов: нержавеющей стали, никеля, бронзы или полиамида. Наиболее распространенными являются трафареты из стали. Трафареты из других материалов применяются в зависимости от специфики технологического процесса нанесения паяльной пасты.
Существует два вида трафаретной печати – бесконтактный, когда между трафаретом и плоскостью печатной платы имеется зазор, и контактный, когда трафарет лежит на плате и снимается с нее после нанесения пасты. При печати по бесконтактному методу используются сетчатые трафареты.
Сетчатые трафареты
Сетчатый трафарет представляет собой жесткую рамку, на которую натянута металлическая или нейлоновая сетка с диаметром нити 0,05 мм. Для получения отверстий в сетчатом трафарете сетку покрывают с двух сторон слоем фоторезиста.После экспонирования ультрафиолетовым излучением через фотошаблон с рисунком контактных площадок и термообработки фоторезист удаляется только на тех участках, где должны быть контактные площадки. Через эти открытые поверхности паяльная паста наносится на поверхность ПП (рис. 2).
Толщина сетчатого трафарета выбирается таким образом, чтобы высота паяльной пасты на контактных площадках была в пределах 0,2–0,25 мм. Следует учитывать, что нити сетчатого трафарета затрудняют прохождение паяльной пасты сквозь отверстия. Из-за этого площадь поверхности участка пасты на плате будет меньше площади отверстия в сетчатом трафарете. Основной характеристикой сетчатого трафарета является номер сита, определяющий плотность расположения ячеек. Сторона ячейки должна в три раза превышать диаметр наибольшей частицы паяльной пасты.
Тип паяльной пасты для сетчатых трафаретов выбирают с возможно низким содержанием металла. Высота наносимого слоя пасты должна обеспечивать необходимый объем после ее оплавления. После продавливания пасты в отверстие трафарет немедленно отрывается от поверхности платы и возвращается в исходное положение (рис. 3). Величина зазора при этом должна быть в пределах 0,5–1,0 мм (зависит от конструкции оборудования). Величина зазора и сила давления ракеля во многом определяют качество трафаретной печати.
Сетчатые трафареты имеют низкую стоимость. Процесс изготовления таких трафаретов прост и позволяет иметь запас подготовленных рамок с уже натянутым полотном трафарета, покрытым светочувствительной эмульсией. Сетчатые трафареты лучше подходят для нанесения паяльной пасты через большие отверстия. Когда применение сетчатых трафаретов не позволяет получить необходимую точность печати, а повторяемость нанесения одинакового количества пасты становится невозможной, используют металлические трафареты.
Рис. 3. Процесс нанесения паяльной пасты через сетчатый трафарет
Металлические трафареты
В современном производстве печатные платы, имеющие контактные площадки с расстоянием между выводами 0,5 мм и меньше, требуют выбора специальных условий печати. Для реализации этих условий необходимо применять ряд специальных мер, одной из которых является использование металлических трафаретов. Трафарет представляет собой металлическую фольгу толщиной 0,075 - 0,2 мм с отверстиями прямоугольной, трапециевидной или круглой формы.Металлические трафареты (рис. 4) имеют значительно больший срок службы, чем нейлоновые, и могут обеспечивать нанесение паяльной пасты (или клея) различного объема. Отверстия на металлических трафаретах изготавливают методом химического травления, лазерной резкой или гальванопластикой.
Для изготовления трафарета методом двустороннего химического травления применяют латунь, бериллиевую бронзу или нержавеющую сталь. На металлической заготовке после фотолитографии с обеих сторон открытым остается позитивный топологический рисунок, который и подвергается химическому травлению. Поскольку травление происходит с обеих сторон с одинаковой скоростью, в металлической фольге образуются отверстия с ровными стенками, имеющие небольшой уклон, напоминающий форму песочных часов. Такие трафареты (рис. 4а) используют в основном для нанесения свинцовой паяльной пасты на контактные площадки с шагом не менее 0,6 мм. При химическом травлении наименьший размер отверстий составляет 1,1 - 1,2 толщины трафарета. Трафареты, выполненные методом химического травления, имеют определенные недостатки: затруднено отделение паяльной пасты из-за имеющегося в отверстиях уклона, возможно перетравливание отверстий, при фотолитографии затруднено высокоточное совмещение топологических рисунков на обеих сторонах заготовки трафарета. При переходе к бессвинцовой технологии необходимо учитывать, что бессвинцовые пасты характеризуются большей температурой плавления и меньшей растекаемостью (73 - 77% от площади контактной площадки), что требует более точного мониторинга всего технологического процесса.
а) б)
Рис. 4. Металлические трафареты, выполненные травлением (а) и лазерной резкой (б)
При изготовлении трафаретов методом лазерной резки луч фокусируют на заданной точке трафарета и выжигают отверстие требуемого размера. Изготовление трафаретов производится непосредственно по данным файлов Гербера. Для изменения размеров выжигания файлы Гербера могут быть легко скорректированы. Высокая управляемость процесса выжигания позволяет получать размеры отверстий с высокой точностью. Другим преимуществом трафаретов, изготовленных лазерной резкой, является возможность программирования конусности стенок. Лазерный луч, обрабатывающий апертуры трафарета, имеет коническую форму, поэтому отверстия получаются трапецеидальной формы.
Трафареты, выполненные лазерной резкой, обеспечивают высокую точность апертур (±0,005 мм), позволяют наносить на контактные площадки платы точно дозированное количество паяльной пасты, могут быть использованы для монтажа любых ПП, применимы для монтажа компонентов с шагом выводов менее 0,6 мм. Трафареты изготавливаются из нержавеющей стали или металлов с низким содержанием цинка. Трафарет из нержавеющей стали (рис. 4б) меньше изнашивается, имеет гладкую полированную поверхность, не требует никакой дополнительной механической обработки перед эксплуатацией, имеет малую степень растяжения. За счет этого он не меняет своей формы. Рисунок апертур не перекашивается даже после 10 000 циклов печати, что делает такой трафарет практически вечным.
Однако у этого трафарета есть свои недостатки. При выполнении процесса лазерной резки могут возникнуть пилообразные края отверстий и образование окалины на поверхности трафарета. После окончания лазерной резки окалина удаляется электрополированием. Необходимо учесть, что электрополирование удалит выступы и неровности на поверхности трафарета и придаст ему большую гладкость. Но большая гладкость может привести к неправильному вращению валика во время нанесения пасты, снижению сцепления пасты с поверхностью трафарета и ее проскальзыванию по поверхности.
Гальванопластика – это аддитивный процесс с использованием никеля. Четкость и точность в этом процессе выше, чем при химическом травлении. Использование никеля не случайно. Электролитический никель обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Он не теряет механическую прочность при отрицательных температурах. Вследствие сильно выраженной склонности к пассивированию никель достаточно стоек к атмосферной коррозии.
Для изготовления трафарета никель наносится на медную форму, толщина которой примерно 5 - 6 мм. После фотолитографии на медной форме образуется негативное изображение рисунка (остаются изображения отверстий, покрытые слоем фоторезиста). Далее на эту форму наращивают электролитический никель. После того, как будет достигнута необходимая толщина никелевого слоя, фоторезист удаляют, а никелевую фольгу отделяют от формы методом изгиба. Медная форма может использоваться повторно. Снятая фольга представляет собой никелевый трафарет, готовый для установки в рамку. Трафарет имеет клиновидные (трапециевидные) стенки апертур. Толщина трафарета лежит в пределах 0,25–0,3 мм. Минимальный размер отверстий может составлять 1,1 от этой толщины.
Метод гальванопластики позволяет изготавливать также ступенчатые трафареты. Преимуществом этого метода является хорошая отделяемость пасты от стенок апертур трафарета. В результате, просачивание пасты под трафарет сводится к минимуму, уменьшая вероятность появления перемычек.
Выступ, формируемый в процессе гальванопластики вокруг отверстий в трафарете, также препятствует затеканию пасты под трафарет. При этом уменьшается образование шариков припоя во время выполнения печати. Еще отметим, что трафареты, выполненные методом гальванопластики, не требуют больших усилий для нанесения паяльной пасты.
Комбинированный (ступенчатый) трафарет (рис. 5) используют в тех случаях, когда требуется обеспечить нанесение на контактные площадки паяльной пасты разной высоты. Большие отверстия в трафарете выполняются методом химического травления, а малые – лазерной резкой. В комбинированных трафаретах используют следующие размеры отверстий: 0,1–0,15 мм для малого шага контактных площадок и 0,18–0,2 мм (и более) для шага более 0,5 мм. В качестве материала для такого трафарета чаще всего используют нержавеющую сталь.
Рис. 5. Комбинированный (ступенчатый) трафарет
Условия качественной печати
Мы рассмотрели преимущества и недостатки разных трафаретов, применяемых в технологии поверхностного монтажа.Очевидно, что для обеспечения требуемого качества печати и паяных соединений необходимо правильно выбрать паяльный материал (с нужными реологическими свойствами, вязкостью, содержанием металлов, необходимым размером частиц порошка и наименьшей активностью флюса), надлежащий инструмент (трафарет и ракель) и соответствующее оборудование, управление которым должно производиться на высоком профессиональном уровне. При современной тенденции дальнейшей миниатюризации SMD-компонентов эти три фактора становятся еще более актуальными.
Литература
1. Стандарт IPC-HDBK-005 «Руководство по оценке паяльных паст» (Guide to Solder Paste Assessment).2. Стандарт IPC-7525A «Руководящие указания по конструированию трафаретов» (Stencil Design Guidelines).
3. Стандарт IPC-7527 «Руководящие указания по контролю качества нанесения паяльной пасты» (Requirements for Solder Paste Printing).
