Многоуровневые трафареты

В некоторых случаях монтаже печатных плат возникают ситуации, когда нанесение требуемого количества паяльной пасты под все компоненты через трафарет одной толщины не представляется возможным. В этом случае становится актуальным применение трафарета с различной толщиной металла в разных областях печати

Многоуровневый трафарет дает возможность обеспечить разное количество пасты при трафаретной печати для тех электронных сборок, где применяются компоненты с различными количественными требованиями по нанесению пасты на одной печатной плате. Возможно использование нескольких уровней изменения толщины трафарета.

Многоуровневые трафареты

Рис. 1. Трафарет, выполненный по принципу step-up

Рис. 2. Трафарет, выполненный по принципу step- down

  • Вы можете обеспечить большее количество пасты для определенных областей трафарета, используя трафарет, выполненный по принципу step-up (утолщение определенных областей трафарета) — Рис. 1.
  • Или наоборот, уменьшить количество пасты для определенных областей, используя трафарет, выполненный по принципу step-down (утоньшение определенных областей трафарета) — Рис. 2.
  • Если же печатная плата имеет утолщение поверхности, которое мешает плотному прилеганию, то в трафарете возможно выполнение полостей, компенсирующих неровности печатной платы, со стороны трафарета, прилегающей к ней при печати.

Изначально многоуровневые трафареты использовались для уменьшения толщины трафарета при монтаже QFP компонентов с шагом 0,64 мм (25mil) и менее. Но со временем технологии стали более сложными и требования к многоуровневым трафаретам повысились. В настоящий момент их применение позволяет:

  1. Выполнять смешанную печать паяльной пасты для следующих комбинаций:
    • выводные поверхностно-монтируемых компоненты;
    • паяльная паста\клей или паяльная паста\флюс;
    • мелко-шаговые и мелкие компоненты\обычных компоненты;
  2. Получать дополнительную высоту паяльной пасты на контактных площадках отдельных BGA и других крупных компонентов
  3. Применять специальные многоуровневые трафареты для нестандартных печатных плат, имеющих приподнятые области на поверхности
  4. Решить проблему совмещенной печати для мелких и крупных компонентов на одной и той же печатной плате при двухэтапном процессе печати

Керамические BGA компоненты

Использование керамических BGA компонентов вносит определенные трудности в процесс печати пасты для поверхностного монтажа. Поскольку высокая температура оплавления (из-за керамического корпуса, поглощающего тепло) препятствует оплавлению шариковых выводов при обычных температурах, любая малейшая неравномерность трафарета и печатной платы может привести к образованию непропаев шариковых выводов. Для предотвращения этой проблемы желательно иметь более высокие (обычно слоя пасты высотой 0,18-0,2 мм достаточно) отпечатки паяльной пасты на площадках для таких компонентов.

С другой стороны, компоненты с шагом выводов 0,5 мм и менее, чипы 0402 и другие мелкие компоненты несовместимы по использованию с трафаретами толщиной 0,2 мм. Их апертуры слишком малы, чтобы при такой толщине трафарета был нормальный выход пасты из них.

Для примера рассмотрим трафарет на Рис. 3. Трафарет выполнен как комбинация базового трафарета толщиной 0,127 мм с областями утолщений до 0,2 мм в местах расположения компонентов BGA. Для достижения хорошего выхода паяльной пасты у таких трафаретов рекомендуется использования финальной электрополировки.

Многоуровневый трафарет для керамических BGA компонентов

Рис. 3. Многоуровневый трафарет с утолщениями (step-up) для керамических BGA компонентов

Пример многоуровнего трафарета step-up для керамического BGA компонента

Рис. 4. Пример трафарета step-up для керамического BGA компонента

Еще один пример трафарета показан на Рис 4. Сам трафарет имеет толщину 0,127 мм с утолщением в области под BGA компонентом до 0,2 мм. Обычно выступающая часть области находится со стороны ракеля принтера. На вышеуказанных примерах как раз показан такой вариант.

Базовое правило о расстоянии между краем области повышения\понижения и первой апертурой составляет 0,9-1,27 мм расстояния на каждые 0,03 мм перепада высот.

Например при перепаде высот на границе областей 0,127 мм\0,2 мм в 0,073 мм, ближайшая апертура должна располагаться по возможности не ближе чем 1,8-2,54 мм от края области. Если данные условия выполняются то, как показывает практика, использование обычных металлических ракелей не должно вызывать проблем. Как вариант, возможно применение мягкого полиуретанового ракеля.

Многоуровневые трафареты для смешанной печати выводных\SMT компонентов

Возможно использование комбинированной печати паяльной пасты, позволяющей выполнить совместный монтаж выводных \ SMT компонентов в едином цикле. Используется несколько вариантов:

  • Печать паяльной пасты с апертурой слегка увеличенной по сравнению с контактной площадкой выводного компонента (overprint). Этот прием позволяет получить на кольце большее количество пасты после оплавления за счет того, что при оплавлении паста соберется на контактной площадке из-за сил поверхностного натяжения, действующих на расплавленный припой.

    Следует аккуратно относится к данному способу при использовании бессвинцовых паяльных паст, поскольку они обладают меньшей способностью стягивать припой на контактные площадки компонента.

  • Использование трафарета с утолщенной областью в месте размещения выводных компонентов со слегка увеличенными апертурами (step-up и overprint).
  • Двухэтапная трафаретная печать. В этом случае на втором этапе нанесения пасты используется более толстый трафарет, обеспечивающий большее количество нанесенной паяльной пасты.

Ниже показан трафарет с приподнятой областью со стороны ракеля для выводного коннектора. Трафарет имеет толщину 0,25 мм в районе коннектора и 0,127 мм в остальных местах. В данном случае направление печати ракеля идет по краю выступа по всей его длине и при печати ракель принтера преодолевает выступ высотой 0,127 мм.

Трафарет step-up с областью утолщения в районе расположения выводного коннектора
Трафарет step-up с областью утолщения в районе расположения выводного коннектора

Многоуровневые трафареты с рельефными карманами

Рассмотрим примеры использования трафаретов с рельефными карманами, расположенными на его контактной стороне. Они могут применяться, когда на печатной плате имеются приподнятые площадки переходных отверстий, штрих-кодовые этикетки или наращенные дорожки.

Приподнятые переходные отверстия на печатной плате

Если на печатной плате есть приподнятые площадки переходных отверстий, то они будут мешать плотному прилеганию трафарета к печатной плате. Для получения хорошего контакта в местах таких площадок на контактной стороне трафарета необходимы карманы под них. Обычно глубины кармана в половину толщины трафарета вполне достаточно для компенсации выступов на печатной плате. Пример такого трафарета приведен на Рис. 5.

Рельефный многоуровневый трафарет с полостями в районе контактных площадок

Рис. 5. Рельефный многоуровневый трафарет с полостями в районе контактных площадок переходных отверстий

Трафарет с рельефными дорожками

Рис. 6. Трафарет с рельефными дорожками

Штрих-кодовые этикетки на печатной плате

Многие печатные платы могут иметь штрих-кодовые этикетки, наклеенные на поверхность плат. Если она слишком близко клеится к площадкам компонентов, то она может мешать плотному прилеганию трафарета к печатной плате при печати. В этом случае использование трафарета, имеющего рельефную полость в месте нахождения этикетки, устранит эту проблему.

Печатные платы с наращенными дорожками

Иногда на печатных платах возможны варианты наращенных дорожек, выполненных как альтернатива проводам при корректировке разводки печатной платы уже после их изготовления. Иногда это могут быть графитовые дорожки в местах пересечений, где было невозможно организовать иным способов прохождение дорожек при проектировании печатной платы в одном медном слое.

Такие наращенные дорожки создают дополнительную толщину на поверхности печатной платы. Для ее компенсации на трафарете выполняются рельефные полостные дорожки. Пример такого трафарета показан на Рис. 6.

Многоуровневые трафареты для смешанной печати

Перейдем к использованию многоуровневых трафаретов при двухэтапной печати. Рассмотрим случаи монтажа выводных\SMT компоненты, Flip-chip\SMT компонентов, способы нанесению толстого слоя клея, дополнительную печать клея после паяльной пасты, трафареты для монтажа гибко-жестких плат, печать с очень мелкими и крупными компонентами на одной и той же печатной плате.

Технология совмещенной печати под выводные\SMT компоненты

Если увеличение апертур для выводных компонентов по сравнения с их контактными площадками (overprint) не обеспечивает достаточного объема паяльной пасты при оплавлении, то необходимо использовать более толстый трафарет. В то же время обычные компоненты не могут использоваться с толстыми (0,4-0,5 мм) трафаретами, а опускание областей (step-down) с 0,5 мм до 0,127 мм не всегда имеет смысл. Как вариант, печатная плата может содержать выводные компоненты, разбросанные по всей ее площади и невозможно их сгруппировать в области, где можно было бы сделать утолщение до большей толщины. Как быть?

В этом случае используется печать паяльной пасты в два этапа. Сначала мы выполняем печать пасты с помощью обычного трафарета толщиной 0,127-0,150 мм. Поскольку на этом этапе паста наносится под мелкошаговые компоненты\мелкие чипы, требующие точного совмещения печатной платы и трафарета, то имеет смысл использовать большой промышленный принтер с автоматическим совмещением, и пневматическим натяжением трафарета по четырем сторонам.

Второй этап печати выполняется с применением трафарета толщиной 0,4 мм, имеющего рельефные полости со стороны прилегания к печатной плате в тех местах, где на первом этапе наносилась паяльная паста на контактные площадки мелких компонентов. Это позволяет закрыть отпечатки паяльной пасты первого этапа и нанести более толстые отпечатки через второй трафарет. В результате мы получим печатную плату с отпечатками паяльной пасты, разбросанными в произвольных местах платы и имеющими разную высоту. Как правило, достаточно сделать глубину полостей на 0,1 мм глубже, чем высота первых отпечатков пасты (толщины первого трафарета).

Поскольку на втором этапе используется более толстый трафарет под более крупные компоненты и нет необходимости высокоточного совмещения, то эту операцию можно выполнять на более простом, ручном трафаретном принтере, вручную. Это позволяет без излишних финансовых инвестиций организовать на участке монтажа достаточно сложную технологию многоуровневой печати паяльной пасты, произвольным образом комбинируя количество и расположение разновысотных отпечатков паяльной пасты.

Смешанная печать для Flip-chip\SMT компонентов

Возможны случаи, когда необходимо нанести на печатную плату как паяльную пасту, так и флюс под Flip-chip компоненты. После такой смешанной печати выполняется общая пайка в печи. Обычно толщина трафарета для печати под Flip-chip компоненты составляет 0,03-0,05 мм, что намного меньше, чем для обычной SMT-печати.

Технология двухэтапной печати хорошо подходит и в этом случае. Сначала выполняется печать флюса через тонкий (0,03-0,05 мм) трафарет, после чего, вторым этапом, наносится паяльная паста через трафарет толщиной 0,127 мм. Второй трафарет имеет рельефные полости в месте расположения Flip-chip компонентов со стороны контакта с печатной платой. На Рис. 7 показан трафарет толщиной 0,127 мм, с полостями глубиной 0,08 мм.

Трафарет с полостями под печать флюса

Рис. 7. Многоуровневый трафарет с полостями под печать флюса

Толстый трафарет с глубокими полостями под клей

Временной цикл нанесение клея через трафарет обычно меньше, чем нанесение его через диспенсер, поскольку нужно меньше времени для перенастройки под каждую плату и процесс нанесения выполняется за один проход сразу для всей платы, а не по отдельным точкам.

В силу разности физических свойств клей попадает на трафарет на плату немного иначе, чем паяльная паста и может частично оставаться в апертурах трафарета. Изменяя размер апертуры под клей, возможно варьировать количество попадающего на плату клея при одной и той же толщине трафарета. Большие апертуры будут полностью отдавать клей при подъеме трафарета, тогда как в более мелких апертурах клей будет застревать и подаваться частями. Зависимость высоты отпечатка клея от размеров апертур при величине резервуара под клей 1,27 мм показана на Рис. 8.

Зависимость высоты отпечатка клея от диаметра апертуры трафарета

Рис. 8. Зависимость высоты отпечатка клея от диаметра апертуры трафарета

Различие высот отпечатков клея в зависимости от диаметра апертур трафарета

Рис. 9. Различие высот отпечатков клея, в зависимости от диаметра апертур трафарета

Рис. 9 иллюстрирует тот факт, что некоторое количество клея может оставаться в апертурах трафарета в зависимости от их размера. Такой вариант очень удобен, когда на печатной плате есть компоненты с различными высотами подъема от печатной платы.

Рассмотрим печатную плату с чип-компонентами, имеющими высоту поднятия брюшка над поверхностью платы 0,1 мм и SOIC-компонент, имеющий высоту поднятия 0,4 мм. Схематично это показано на Рис. 10. Понятно, что под данные компоненты необходимо нанести разные по высоте капли клея. Путем использования 0,4 мм трафарета размер апертур подбирается таким, чтобы получить отпечатки клея высотой 0,15 мм для чип-компонентов и 0,4 мм для SOIC-компонента.

Чип-компонент и SOIC-компонент с различными высотами поднятия над печатной платой

Рис. 10. Чип-компонент и SOIC компонент с различными высотами поднятия над печатной платой

Резервуарные полости на трафарете для накопления клея

Рис. 11. Резервуарные полости на трафарете для накопления клея

При печати клея могут использоваться трафареты с рельефными полостями. Основное предназначение рельефных резервуаров для клея — это уменьшение пути прохождения клея через мелкие апертуры в толстом трафарете, что обеспечивает перенос клея с трафарета на плату при относительно небольшом давлении ракеля. На Рис. 11 показаны резервуарные полости вокруг клеевых апертур со стороны ракеля.

Двухэтапная печать клея после паяльной пасты

Как ранее упоминалось, трафаретное нанесение клея в сравнении с диспенсированием более удобно для больших и сложных печатных плат. Можно использовать следующий процесс: cначала наносим паяльную пасту на контактные площадки компонентов, а затем, используя трафарет 0,5 мм (с рельефными полостями глубиной 0,4 мм на стороне трафарета, прилегающей к печатной плате), наносим клей. Рис. 12 схематически поясняет поперечное строение такого трафарета для нанесения клея.

Клеевой трафарет (поперечный разрез)
Клеевой трафарет с рельефными полостями под отпечатки пасты

Рис. 12. Клеевой трафарет толщиной 0,5 мм с рельефными полостями под отпечатки пасты глубиной 0,4 мм

Отпечатки клея и паяльной пасты для компонента 0805

Рис. 13. Отпечатки клея и паяльной пасты для компонента 0805

На Рис. 13 показан результат комбинированной печати паяльной пасты и клея для компонента. После этого компоненты расставляются на свои места и выполняется общее оплавление в печи. Как результат — получаем припаянные и одновременно приклеенные компоненты в едином цикле производства, что исключает необходимость разделения данных операций на различные этапы с применением дополнительного дорогостоящего оборудования.

Как и в случае с двухэтапной печатью паяльной пасты для нанесения клея может использоваться простой ручной принтер, который как правило всегда есть на большинстве участков монтажа в дополнение к промышленному автоматическому принтеру.

Трафареты для специальных гибко-жестких печатных плат

Предположим, что у нас есть две жесткие печатные платы, соединенные гибким коннектором, приподнятым над поверхностью печатной платы. Для нормальной печати паяльной пасты этот коннектор будет представлять проблему, поскольку мешает плотному прилеганию трафарета к печатной плате. Выход — в создании трафарета, имеющего рельефный высокий карман. На Рис. 14 и 15 показан такой трафарет с обеих сторон.

Вид на трафарет с рельефным карманом со стороны прилегания к печатной плате

Рис.14. Вид на трафарет с рельефным карманом со стороны прилегания к печатной плате

Вид на трафарет с рельефным карманом со стороны нанесения паяльной пасты

Рис.15. Вид на трафарет с рельефным карманом со стороны нанесения паяльной пасты

Поскольку в данном случае выступ идет вдоль всего трафарета, для данного проекта делается специальное лезвие ракеля, с выемкой под выступ. Как правило, такие лезвия изготавливаются из стали толщиной 0,2 мм и могут быть заказаны одновременно с трафаретом.

Двухэтапная печать с очень мелкими и крупными компонентами на одной и той же печатной плате

Часто возникает проблема, когда необходимо выполнить трафаретную печать скажем с мелкими (0,3 мм шагом) BGA-компонентами, чипами 01005 одновременно с крупными компонентами, такими как QFP, SMT-коннекторы и другие. Наглядно проблема показана на Рис. 16 и 17.

Последовательность печати для толстого трафарета

Рис.16. Последовательность печати для толстого трафарета

Последовательность печати для тонкого трафарета

Рис.17. Последовательность печати для тонкого трафарета

Если используется толстый трафарет, то при хорошем выходе пасты из крупных апертур это дает крупные отпечатки паяльной пасты. В то же время мелкие апертуры будут не полностью передавать пасту, поскольку нарушается соотношение ширины апертуры к толщине трафарета, что приводит к закупориванию апертур, недостатку пасты на контактных площадках и, как следствие, пайка компонента происходит всухую, без припоя.

С другой стороны, тонкий трафарет обеспечивает хороший выход пасты как для крупных, так и для мелких компонентов. Но, поскольку для крупных компонентов пасты будет недостаточно, будут образовываться обедненные припоем пайки.

Матрица соотношений размеров апертур и толщин трафаретов показана на Рис. 18. Она иллюстрирует приемлемые толщины трафаретов для компонентов 01005 и 0,4 мм микро BGA-компонентов. Одно из возможных решений проблемы такой сложной печати — это применение двухэтапного процесса печати, где сначала будут печататься отпечатки пасты для мелких компонентов.

Матрица соотношений размеров апертур и толщин трафаретов

Рис. 18. Матрица соотношений размеров апертур и толщин трафаретов

Пример трафарета толщиной 0,08мм для первого этапа трафаретной печати

Рис.19. Пример трафарета толщиной 0,08 мм для первого этапа трафаретной печати

После нанесения пасты тонким трафаретом на автоматическом трафаретном принтере выполняется второй этап печати для крупных компонентов. Поскольку на этом этапе особо точного совмещения трафарета не требуется, данный этап вполне может выполняться на обычном ручном трафаретном принтере, которые обычно есть на многих участках монтажа помимо основного автоматического.

Трафарет с рельефными карманами для второго цикла печати

Трафарет с рельефными карманами для второго цикла печати

Многоуровневый трафарет с рельефными карманами для второго цикла печати

Рис.20. Трафарет с рельефными карманами для второго цикла печати

На втором трафарете во всех местах, где наносилась паста через первый трафарет, выполняются рельефные карманы со стороны прилегания к печатной плате (Рис. 20).

Данная статья является адаптированным переводом статьи William E. Coleman из компании PHOTOStencil, опубликованной в журнале SMTonline.com в августе 2011 года.

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *