Многоуровневые трафареты

 

  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.

• Вы можете обеспечить большее количество пасты для определенных областей трафарета, используя трафарет, выполненный по принципу step-up (утолщение определенных областей трафарета)

  
   

• или наоборот уменьшить количество пасты для определенных областей трафарета, используя трафарет, выполненный по принципу step-down (утоньшение определенных областей трафарета)

  
   

• Если же печатная плата имеет утолщение поверхности, которое мешает плотному прилеганию трафарета, то в трафарете возможно выполнение полостей, компенсирующих неровности печатной платы, со стороны трафарета, прилегающей к ней при печати.

  Возможно использование нескольких уровней изменения толщины трафарета.

  Наш инженер поможет подготовить проект такого трафарета. Для этого вам достаточно только выделить компоненты в заказе, которые должны попасть в определенную область толщины трафарета и указать желаемую толщину для нее.

  Минимальный перепад толщин такого трафарета составляет 0,08мм.

  Срок изготовления многоуровневых трафаретов - 2-3 рабочих дня.

  

  Рассмотрим более подробно некоторые возможности использования многоуровневых трафаретов на различных примерах.

Введение:

  Изначально многоуровневые трафареты использовались для уменьшения толщины трафарета при монтаже QFP компонентов с шагом 0,64мм (25mil) и менее. Но, со временем запросы SMT технологии стали более сложными и, соответственно, повысились требования к многоуровневым трафаретам.

В настоящий момент их применение позволяет выполнять:

• Смешанную печать паяльной пасты для следующих комбинаций:

а) выводные (THT)\ поверхностно-монтируемых (SMT) компоненты

б) паяльная паста\клей или паяльная паста\флюс

с) мелко-шаговые и мелкие компоненты\обычных компоненты

• Вырезанные лазером многоуровневые трафареты являются хорошим решением для получения дополнительной высоты паяльной пасты на контактных площадках отдельных BGA и других крупных компонентов.

• Специальные многоуровневые трафареты могут применяться для нестандартных печатных плат, имеющих приподнятые области на поверхности.

• Процесс двухэтапной печати позволяет решить проблему совмещенной печати для мелких и крупных компонентов на одной и той же печатной плате.

  Рассмотрим несколько вариантов использования многоуровневых трафаретов более подробно.

 

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 было бы иметь более высокие отпечатки паяльной пасты на площадках таких компонентов. Обычно слоя пасты высотой 0,18-0,2мм достаточно для таких компонентов.

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

  Для примера рассмотрим трафарет на Рисунке 1.

Рис.1 Многоуровневый трафарет с утолщениями (step-up) для керамических BGA компонентов.

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

  Еще один пример step-up трафарета показан на Рисунке 2.

Рис.2 Пример трафарета step-up для керамического BGA компонента.

  Сам трафарет имеет толщину 0,127мм с утолщением в области под BGA компонентом до 0,2мм.

  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 0,9-1,27мм расстояния на каждые 0,03мм перепада высот.

  Например при перепаде высот на границе областей 0,127мм\0,2мм в 0,073мм, ближайшая апертуры должна располагаться по возможности не ближе чем 1,8-2,54мм от края области.

  Если данные условия выполняются то, как показывает практика, использование обычных металлических ракелей не должно вызывать проблем. Также, 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 пасты соберется на контактной площадке за счет 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.

 

Рис.3 Трафарет step-up с областью утолщения в районе расположения выводного коннектора.

  На Рисунке 3 показан трафарет с приподнятой областью со стороны ракеля для выводного коннектора. Трафарет имеет толщину 0,25мм в районе коннектора и 0,127мм 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 0,127мм.

  

Многоуровневые трафареты с рельефными карманами на контактной стороне трафарета.

• 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 приподнятия 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 можно посмотреть на Рисунке 4.

  

  Рис.4 Рельефный многоуровневый трафарет с полостями в районе контактных площадок переходных отверстий.

• 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 можно посмотреть на Рисунке 5

Рис.5 Трафарет с рельефными дорожками.

  

Многоуровневые трафареты для двухэтапной технологии смешанной печати

• 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 (0,4-0,5мм) трафаретами, а опускание областей (step-down) с 0,5мм до 0,127мм не всегда возможно 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 0,127-0,150мм. Поскольку на данном этапе паста наносится под мелкошаговые компоненты \ мелкие чипы, требующие точного совмещения печатной платы и трафарета, то на данном этапе имеет смысл использовать большой промышленный принтер с автоматическим совмещением, и пневматическим натяжением трафарета по 4-м сторонам.

  Второй этап печати выполняется с применением трафарета толщиной 0,4мм, 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 0,1мм 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 0,03-0,05мм, что намного меньше, чем для обычной SMT печати.

  Технология двухэтапной печати хорошо подходит и в этом случае. Сначала выполняется печать флюса через тонкий (0,03-0,05мм) трафарет, после чего, вторым этапом, наносится паяльная паста через трафарет толщиной 0,127мм. Второй трафарет имеет рельефные полости в месте расположения Flip-chip компонентов со стороны контакта с печатной платой. На Рисунке 6 показан трафарет толщиной 0,127мм, с полостями глубиной 0,08мм.

Рис. 6 Многоуровневый трафарет с полостями под печать флюса.

• Толстый трафарет с глубокими полостями под клей

  По времени, цикл нанесение клея через трафарет меньше, чем нанесение его через диспенсер, поскольку нужно меньше времени для перенастройки на 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 будет подаваться из них частями. Зависимость высоты отпечатка клея от размеров апертур, при величине резервуара под клей 1,27мм показана на Рисунке 7

Рис.7 Зависимость высоты отпечатка клея от диаметра апертуры трафарета.

  Рисунок 7_1 иллюстрирует тот факт, что некоторое количество клея может оставаться в апертурах трафарета в зависимости от их размера.

Рис.7_1 Различие высот отпечатков клея, в зависимости от диаметра апертур трафарета.

  Такой вариант очень удобен, когда на печатной плате есть компоненты с различными высотами подъема от печатной платы.

  Например рассмотрим печатную плату с чип-компонентами, имеющими высоту поднятия брюшка над поверхностью платы 0,1мм и SOIC компонент, имеющий высоту поднятия 0,4мм. Схематично это показано на Рисунке 8. Понятно, что под данные компоненты необходимо нанести разные по высоте капли клея. Путем использования 0,4мм трафарета размер апертур подбирается таким, чтобы получить отпечатки клея высотой 0,15мм для чип-компонентов и 0,4мм для SOIC компонента.

Рис.8 Чип-компонент и SOIC компонент с различными высотами поднятия над печатной платой.

    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, таким образом обеспечивая перенос клея с трафарета на плату при относительно небольшом давлении ракеля. На Рисунке 8_2 видно резервуарные полости вокруг клеевых апертур со стороны ракеля.

Рис.8_2 Резервуарные полости на трафарете для накопления клея.

• Двухэтапная печать клея после паяльной пасты

  Как ранее упоминалось, трафаретное нанесение клея, в сравнении с диспенсированием, более удобно для больших и сложных печатных плат.

Мы можем использовать следующий процесс:

1. Сначала нанесем паяльную пасту на контактные площадки компонентов

2. Затем, используя трафарет 0,5мм, с рельефными полостями, глубиной 0,4мм на стороне трафарета, прилегающей к печатной плате, мы наносим клей

  Следующий рисунок схематически поясняет поперечное строение такого трафарета для нанесения клея.

Рис.9 Клеевой трафарет толщиной 0,5мм с рельефными полостями под отпечатки пасты, глубиной 0,4мм.

  На Рисунке 10 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 — 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.

Рис.10 Отпечатки клея и паяльной пасты для компонента 0805.

• 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, который имеет рельефный высокий карман На Рисунках 12 и 13 показан такой трафарет с обеих сторон.

Рис.12 Вид на трафарет с рельефным карманом со стороны прилегания к печатной плате.

Рис.13 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 0,2мм 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 0,3мм шагом BGA компонентами, чипами 01005 одновременно с крупными компонентами, такими как QFP, SMT-коннекторы и другие. Наглядно проблема показана на Рисунках 14 и 15.

Рис.14 Последовательность печати для толстого 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 всухую, без припоя.

Рис.15 Последовательность печати для тонкого трафарета.

  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 Рисунке 16. Она иллюстрирует приемлемые толщины трафаретов для компонентов 01005 и 0,4мм микроBGA компонентов.

Рис.16 Матрица соотношений размеров апертур и толщин трафаретов.

  Одно из возможных решений проблемы такой сложной печати — это применение двухэтапного процесса печати, где сначала будут печататься отпечатки пасты для мелких компонентов.

Рис.17 Пример трафарета толщиной 0,08мм 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.

Рис.18 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.

  

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