Головна »Технічна інформація» Статті »Виготовлення трафаретів для нанесення паяльної пасти
Паяльна паста наноситься на контактні площадки (КП) друкованої плати через спеціальне оснащення - трафарети, що представляють собою сітку або тонкий металевий лист з отворами. Для позначення отвори заданої форми застосовуються терміни вікно або апертура. Вікна (апертури) трафарету утворюють малюнок, відповідний малюнку контактних майданчиків. Трафарети грають основну роль у формуванні відбитка паяльної пасти правильної товщини і форми на КП з необхідною точністю. За час існування технології поверхневого монтажу було розроблено кілька типів трафаретів, що розрізняються конструкцією, технологією виготовлення, областями застосування. Характерні особливості різних трафаретів розглянуті в даній статті.
конструкції трафаретів
За характером апертур трафарети поділяються на дві основні групи (рис. 1):
- трафарети з повністю відкритими апертурами (stencils);
- трафарети з частково відкритими апертурами (screens).
У першому випадку апертури повністю відкриті (виконуються хімічним травленням та іншими методами в металевій фользі або сітці) і не перешкоджають проходженню пасти. У частково відкритих апертурах трафаретів присутній сітка, що відкриває тільки 50% площі вікна для проходження пасти крізь нього. Ці відмінності зумовлюють особливості друку для трафаретів різних типів.
Мал. 1. Конструкції трафаретів з частково і повністю відкритими апертурами. Малюнок з [1].
Трафарети з повністю відкритими апертурами
Залежно від матеріалу, в якому формуються апертури, дані трафарети поділяються на (див. Рис. 2):
- Сітчасті, в яких апертури виконані селективним травленням (відрізняються від сітчастих трафаретів, розглянутих вище, тільки повністю відкритими апертурами, рис. 2а).
- Металеві (на основі латуні, нержавіючої сталі, берилієвої-мідного сплаву, нікелю; представляють собою металеву фольгу товщиною 0,05 - 0,5 мм з апертурами різної форми - круглої, квадратної (в т.ч. з округленими кутами), овальної, ромбовидної та ін. рис. 2б);
- Комбіновані (рівномірний натяг забезпечується натягом металевої частини трафарету на сітку, рис. 2в).
Мал. 2. Конструкція трафаретів з повністю відкритими апертурами: а) сітчасті; б) металеві; в) комбіновані. Фото з [1].
Сітчасті трафарети з відкритими апертурами, мають високу вартість, меншу твердість у порівнянні зі звичайними сітчастими і використовуються в даний час рідко.
Металеві трафарети, які не натягнуті на раму, використовуються тільки при контактному способі друку, так як не забезпечують рівномірного натягу. При використанні рам може застосовуватися як контактний, так і безконтактний способи. Останній забезпечує менший ризик прилипання ПП до трафарету.
Такі трафарети мають значно більший термін служби, ніж сітчасті, простіше і швидше поєднуються з ПП, менш схильні до закупорки апертур, легше очищаються, допускають селективну багаторівневу друк, допускають ширший діапазон вязкостей паяльних паст, забезпечують найкращі показники точності і повторюваності при друку. Проте, вони дорожче сітчастих.
Комбіновані трафарети забезпечують кращу рівномірність натягу, мають більш тривалий ресурс, але істотно дорожче звичайних трафаретів.
Перераховані вище гідності зумовили широке застосування металевих трафаретів (рис. 2б). Отримали переважне поширення три методи їх виробництва:
- хімічне травлення;
- гальванопластика;
- лазерне різання.
Хімічне травлення і лазерна різка є субтрактівниє процеси, гальванопластика - адитивний.
Хімічне травлення трафаретів
Даний метод отримав широке поширення завдяки своїй економічній ефективності і швидкості виготовлення трафаретів.
На металеву фольгу з двох сторін наноситься фоторезист, експонується через фотошаблон, що повторює малюнок КП на ПП, виявляється, і потім проводиться одночасне двостороннє травлення фольги. В результаті того, що травитель діє на матеріал як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямку, апертури такого трафарету мають вигляд "пісочного годинника" (рис. 3а). При наявності на платі КП для ЕК з кроком висновків, меншому 0,635 мм, ця особливість стає перешкодою для руху пасти крізь апертури. Цей недолік може бути усунутий за допомогою додаткової обробки трафарету - електрополірування (обробки шляхом мікротравленія при дії електричного струму).
Мал. 3. Вид стінок апертур трафаретів, виготовлених методом хімічного травлення: а) початковий вигляд ( «пісочний годинник»); б) згладжені стінки після застосування електрополірування; в) трапецеїдальних форма. Малюнок з [4]
В результаті в першу чергу тому, що труїть піддається внутрішня поверхня апертур, завдяки чому вона набуває згладжену форму (рис. 3б). Така форма поверхні полегшує проходження пасти через апертури, зняття трафарету після нанесення пасти, а також перешкоджає утворенню пустот при її нанесенні. Однак, якщо вся поверхня трафарету буде піддана Електрополіровка, паста може відскакувати від трафарету, не утворюючи котиться валика перед робочою поверхнею ракеля тому необхідно піддавати селективної Електрополіровка тільки внутрішню поверхню апертур.
Другим способом забезпечити застосовність таких трафаретів при наявності ЕК з малим кроком висновків є надання апертура трапецеподібні (рис. 3в). Цього можна досягти різними способами: виконанням фотошаблонів для двох сторін трафарету неоднаковими, з меншими геометричними розмірами вікон на стороні дії ракеля, або зміною тиску травителя при обробці розпиленням різних сторін трафарету. Така форма апертур значно полегшує процес зняття трафарету, запобігає змазування нанесеною пасти. Для цього достатньо, щоб ухил конуса апертур дорівнював 5 °. На додаток, трапецеїдальний відбиток пасти на КП забезпечує надійну установку ЕК і знижує ймовірність утворення перемичок.
За допомогою травлення на половину глибини трафарету можна формувати реперні знаки (заповнюються згодом епоксидним компаундом чорного кольору), що полегшують точне сполучення трафарету і ПП, а також різні написи на поверхні.
Проте, трафарети, виконані методом хімічного травлення, мають суттєві загальні недоліки: відбувається збільшення розмірів апертур через їх роз'ятрювання, при фотолітографії важко забезпечити точне сполучення малюнків фотошаблонів на обох сторонах заготовки трафарету. Крім того, мінімальне відношення ширини апертури до товщини трафарету становить 1,5, що обмежує мінімальний розмір апертури, який можливо реалізувати даним методом.
Гальванопластика
Даний метод виготовлення трафаретів полягає в гальванічному осадженні нікелю на гнучку підкладку - мідну фольгу (рис. 4).
Мал. 4. Процес гальванопластики (адитивний метод). Малюнок з [4].
На мідну фольгу товщиною 5-6 мм накочується негативний фоторезист, експонується і проявляється таким чином, щоб проявлений рельєф повторював малюнок майбутнього трафарету (в місці розташування апертур трафарету фоторезист залишається, в інших видаляється при прояві). Потім на отриману підкладку здійснюється гальванічне осадження нікелю. Форма ділянок фоторезиста визначає трапецеидальную форму апертур при нарощуванні. Після досягнення необхідної товщини трафарету процес осадження закінчується і проводиться видалення фоторезиста. Відділення нікелевого шару від мідної підкладки здійснюється за допомогою вигину міді, при якому нікель починає відшаровуватися. Товщина шару нікелю - від 0,025 до 0,300 мм.
Метод забезпечує хороші результати для ЕК з надмалим кроком висновків (від 0,2 до 0,4 мм), мікроBGA і чіп-компонентів 0201. Ставлення апертур може становити до 1: 1. Виступи, що утворюються по периметру апертур в процесі гальванопластики, контактують з ПП і перешкоджає затікання пасти під трафарет в процесі друку (так званий «gasketing effect» - ефект ущільнювальної прокладки між КП і трафаретом). Трафарети, виготовлені даним методом, відрізняються винятковою гладкістю стінок апертур, що особливо важливо для безсвинцевим паст.
Проте, такі трафарети досить дороги і рекомендуються до застосування при наявності на ПП мініатюрних ЕК (наприклад, 0201), ЕК з малим і надмалим кроком висновків, BGA-компонентів. Так як використовується фотошаблон, існує потенційна похибка рассовмещенія шаблону і мідної фольги. Ефект «ущільнювальної прокладки» може бути зведений нанівець в разі нерівномірного гальванічного осадження нікелю. При проведенні занадто інтенсивного очищення ПП виступи, що викликають даний ефект, можуть бути видалені.
Лазерне різання трафаретів
Так як лазерна різка трафаретів проводиться безпосередньо за даними Gerber, і відсутні проміжні фотолітографічного операції, досягається високий ступінь точності і повторюваності формування малюнка вікон. Іншою перевагою є можливість управління конусностью стінок апертур за допомогою фокусування лазерного променя. Сучасні установки лазерного різання практично не утворюють окалину на поверхні трафарету, а її незначна кількість його можна видалити Електрополіровка. Метод дозволяє формувати сверхмалі апертури (100 мкм з кроком 50 мкм) з високою геометричною точністю (± 0,005 мм). Товщина трафарету становить від 50 до 500 мкм. Ці особливості зумовили широке застосування металевих трафаретів, особливо для операцій, що потребують максимально точного нанесення пасти.
Головним недоліком лазерного методу є те, що кожна апертура виконується індивідуально, і кількість апертур багато в чому визначає час виготовлення і вартість трафарету.
Трафарети з частково відкритими апертурами
Дана група представлена сітчастими трафаретами (рис. 5), що складаються із твердої алюмінієвої рами, що забезпечує необхідну жорсткість і натяг трафарету, і натягнутою на неї сітки (з нержавіючої сталі, нейлону або поліестеру). Вікна в сітчастому трафареті отримують покриттям сітки з двох сторін шаром фоторезиста з подальшим експонуванням ультрафіолетовим випромінюванням через фотошаблон з малюнком контактних майданчиків і термообробкою. Фоторезист видаляється з поверхні сітки в місцях майбутніх КП.
Сітка з поліестеру більш еластична, ніж металева, і служить довше. Діаметр сітки і розмір вікон в ній визначають номер сітки - кількість осередків на кв. дюйм. Для поверхневого монтажу найбільш часто використовується сітка 80. Діаметр сітки і товщина емульсійного шару, а також зазор між трафаретом і ПП в процесі друку, визначають товщину шару, що наноситься пасти.
Мал. 5. Конструкція сітчастого трафарету з частково відкритими апертурами. Фото з [1].
Сітчасті трафарети активно використовуються в гібридної толстопленочной технології, і були адаптовані до технології поверхневого монтажу головним чином, через свою низьку вартість. Такі трафарети краще підходять для нанесення паяльної пасти в разі апертур великої площі. Головними їх недоліками є складність точного суміщення апертур і КП (особливо при ручному друку), тому що частково відкриті апертури ускладнюють видимість ПП, відносно невисока точність і повторюваність нанесення пасти. Також сітчасті трафарети придатні виключно до безконтактної друку (з обов'язковим зазором між трафаретом і ПП, зазвичай 0,5 - 1,0 мм), так як тільки в цьому випадку можливе нанесення на КП достатньої кількості пасти і недопущення її розмазування по трафарету при заповненні апертур . Застосовуються пасти з більш низькою в'язкістю і менші швидкості її нанесення, ніж для трафаретів з повністю відкритими апертурами. Крім того, потрібна велика висота поділу трафарету і ПП (зазвичай мм). Необхідно підтримувати паралельність ПП і трафарету в межах 0,05 мм.
Для трафаретів з частковим відкриттям апертур необхідний режим роботи обладнання «заповнення / друк» ( «flood» / «print»). Цей режим прийшов з гібридною плівковою технології і для поверхневого монтажу застосовується досить рідко. При першому проході за допомогою інструменту ( «flood bar») паста розподіляється по поверхні трафарету, одночасно заповнюючи частково відкриті апертури, при другому (з додатком тиску) - продавлюється ракелем через них на поверхню ПП.
Деякі особливості геометрії апертур
Для отримання якісних відбитків пасти, співвідношення розмірів трафарету (stencil aspect ratio, SAR1) має визначатися наступною формулою:
SAR1 = ширина (діаметр) апертури / товщина трафарету = W / T.
При цьому, рекомендується витримувати це співвідношення великим 1,5 (рис. 6). В іншому випадку, можлива закупорка трафарету частинками пасти.
Мал. 6. До розрахунку співвідношень трафарету. Малюнок з [3].
Співвідношення площ трафарету (stencil area ratio, SAR2), разом з коректним підбором типу пасти, відповідає за правильне відділення трафарету від ПП. Для прямокутної апертури з довжиною L, шириною W і висотою трафарету T (рис. 6) воно розраховується наступним чином:
SAR2 = площа апертури / площа стінок апертури = L · W / (2 · (L + W) · T)
Прийнятним вважаються значення SAR2, великі 0,66, хоча, згідно з дослідженнями, деякі трафарети, виготовлені методом гальванопластики, забезпечують коректне відділення пасти при значеннях SAR2 до 0,50 [3].
Докладні відомості про конструювання трафаретів можна знайти в міжнародному стандарті IPC-7525 (Stencil Design Guideline, Настанови щодо конструювання трафаретів) [5].
кріплення трафарету
Трафарети для використання в установках друку повинні бути попередньо закріплені на спеціальних рамах. Таке закріплення забезпечує необхідну площинність і рівномірний натяг трафарету, що, в свою чергу, забезпечить рівномірний розподіл паяльної пасти по всьому апертурою і відсутність зсуву малюнка апертур трафарету щодо КП плати.
Трафарет може натягатися на раму за двома або чотирьох сторонах. З точки зору рівномірності натягу (особливо для ЕК з малим кроком висновків), переважно використовувати рами з кріпленням по чотирьох сторонах, незважаючи на їх велику вартість, так як при цьому спотворення малюнка апертур в площині будуть набагато менше, ніж в разі натягу по двом сторонам.
Застосовуються наступні способи натягу трафарету:
- вручну (швидкозажимні рамки-принтери, рис. 7);
- механічним способом (рами натягу трафаретів і вбудовані системи натягу трафаретів в деяких моделях пристроїв друку);
- за допомогою стиснутого повітря (спеціальні рами з пневматичним натягненням трафаретів);
- трафарети, вклеєні в металеву сітку (поставляються з власної рамою).
Мал. 7. Швидкозатискна рамка-принтер для двостороннього натягу. Фото: LPKF.
Трафарети, вклеєні в металеву сітку, зараз використовуються переважно для великосерійного виробництва, так як вони істотно дорожче звичайних трафаретів через наявність власної рами, але мають більш тривалий ресурс роботи, ніж звичайні металеві трафарети. Крім того, потрібно багато вільного місця для зберігання рам.
Мал. 8. Пневматична рама для чотиристороннього натягу. Фото: LPKF.
Для натягу трафаретів в даний час переважно використовуються спеціальні рами з пневматичним натягом (рис. 8). На рамі є ряди штирьков, розташовані з двох або чотирьох сторін, а на трафареті - крайова перфорація під ці штирі. Така перфорація необхідна для всіх рам під автоматичну друк. Трафарет надягають на штирі, а потім він рівномірно розтягується за допомогою стиснутого повітря, розсовує штирі в сторони. Далі рама встановлюється в пристрій трафаретного друку. Виробниками рам випускаються їх модифікації під конкретні моделі обладнання.