Технология PCBA - Роль трафарета в процессе изготовления печатных плат

Что такое трафарет?

Самая важная функция трафарета - помогать в нанесении паяльной пасты, перенося точное количество паяльной пасты или красного клея в нужное место на пустой печатной плате.

Трафарет - это метод печати, облегчающий нанесение паяльной пасты на печатную плату, в чем-то похожий на принцип действия резинового штампа или печати. Трафареты разрабатываются с соблюдением определенных правил, прежде чем они будут сформированы и вырезаны лазером в виде трафаретов. Таким образом, трафарет является вспомогательным инструментом. Трафарет - это очень тонкий кусок стали, размер трафарета обычно устанавливается в соответствии с размером печатной машины с паяльной пастой, но толщина трафарета колеблется в пределах 0,08 мм, 0,10 мм, 0,12 мм, 0,15 мм, 0,18 мм и так далее.

Трафарет SMT

Использование трафарета

Мы часто говорим PCBA, что в печатной плате будут определенные электрические характеристики компонентов, в соответствии с настройками спецификации, номером бита и другой информацией; в соответствии с правилами нанесения пасты, а затем с помощью паяльной пасты будут выполнены компоненты на каждом конце сварки, или с использованием красного цвета. закрепите расположение компонентов с помощью сварки волновой пайкой при формировании набора печатных плат для достижения первоначальной функции схемы, чтобы изделие обладало определенным уровнем производительности и повышало производительность. Основное назначение трафарета - придать изделию определенные эксплуатационные характеристики и повысить производительность.

Основное назначение трафарета состоит в том, чтобы паяльная паста могла быть нанесена на печатную плату и оформлена, на верхней стороне трафарета будет выгравировано множество отверстий, при печати паяльной пасты вам нужно втереть паяльную пасту в верхнюю часть трафарета, и печатная плата будет иметь вид нанесите на нижнюю сторону трафарета, затем с помощью скребка (обычно это скребок, потому что паяльная паста похожа на густой материал, похожий на зубную пасту) нанесите паяльной пастой паяльную пасту на верхнюю сторону трафарета, при сжатии паяльная паста будет стекать вниз и прилипать к отверстиям трафарета. При сжатии трафарета паста будет стекать через отверстия трафарета и прилипать к верхней части платы. Когда трафарет будет снят, вы увидите, что паста была нанесена на доску. Проще говоря, трафарет подобен крышке, которую вы должны подготовить заранее при нанесении краски, а паяльная паста эквивалентна краске, на крышке выгравирован нужный вам рисунок, который будет отображаться при нанесении краски на крышку.

Выбор трафарета - это не только этап процесса сборки, но и важный шаг. Основная функция трафарета заключается в нанесении паяльной пасты. Его цель - перенести точный объем данных в нужное место на печатной плате. Чем меньше паяльной пасты остается на трафарете, тем больше ее оседает на плате. Поэтому, когда в процессе печати что-то идет не так, в реакции виноват трафарет. Однако следует помнить, что существуют более важные параметры, чем экран, которые могут повлиять на его производительность. Эти переменные включают печатную машину, размер частиц и вязкость паяльной пасты, тип, материал, твердость, скорость и давление скребка, отделение трафарета от печатной платы (эффект герметизации), плоскостность паяльной маски и плоскостность компонента.

Технология изготовления трафаретов

При изготовлении трафаретов для печатных плат используются три основные технологии: химическое травление (etch), лазерная резка и гальванопластика. Каждая из них обладает уникальными преимуществами и недостатками.Химическое травление и лазерная резка - это субстрактивные процессы, гальванопластика - это поэтапный процесс.Поэтому сравнение определенных параметров, таких как цена, может быть равносильно сравнению яблок с апельсинами.Однако главным критерием должна быть производительность в соотношении со стоимостью и временем цикла.

Как правило, трафареты с химическим травлением и другие технологии одинаково эффективны при использовании в приложениях с узким шагом 0,025 дюйма и более.И наоборот, при работе с шагами менее 0,020 дюйма следует использовать трафареты для лазерной резки и гальванопластики. В то время как последние типы трафаретов хорошо подходят для трафаретов с шагом более 0,025 дюйма, цену и время цикла может быть трудно обосновать.

Трафареты с химическим травлением

Трафареты с химическим травлением являются основным типом трафаретов в мире трафаретной печати.Они экономичны и быстро изготавливаются.Экран из нержавеющей стали с химическим травлением изготавливается путем нанесения ингибитора коррозии на металлическую фольгу, экспонирования изображения на обеих сторонах фольги с помощью фотоинструмента, расположенного на штифте, и последующего травления фольги с обеих сторон одновременно с использованием двустороннего процесса. Поскольку процесс является двусторонним, травитель проникает через отверстия, созданные в металле.

Поскольку процесс является двусторонним, травитель проникает через отверстия, проделанные в металле, и производит травление не только сверху и снизу, но и горизонтально. Особенностью технологии является формирование лезвия, или формы песочных часов (рис. 1). Такая форма позволяет блокировать паяльную пасту на расстоянии менее 0,020дюйма - дефект, который может быть сведен к минимуму с помощью усовершенствованного процесса, называемого электрополировкой.

Электрополировка - это последующий электролитический процесс, который "полирует" стенки отверстий, что приводит к уменьшению поверхностного трения, хорошему выделению пасты и уменьшению количества пустот. Это также значительно сокращает время очистки нижней стороны трафарета. Электрополировка достигается путем прикрепления металлической фольги к электроду и погружения ее в кислотную ванну.Ток заставляет травитель сначала протравливать более шероховатые поверхности отверстий, что оказывает большее воздействие на стенки отверстий, чем на верхнюю и нижнюю поверхности фольги, что приводит к эффекту ‘полировки’ (рис. 2).Затем металлическую фольгу удаляют перед нанесением травителя на верхнюю и нижнюю поверхности. Таким образом, поверхность стенки отверстия полируется, и античная пленка эффективно прокатывается (а не проталкивается) по поверхности трафарета с помощью ракеля и заполняет отверстие.

Другой технологией, позволяющей улучшить выделение паяльной пасты с шагом до 0,020 дюйма, являются отверстия трапециевидного сечения (TSA).

Отверстия трапециевидного сечения (TSA) - это отверстия в трафарете, в которых контактная (или нижняя) сторона на 0,001-0,002дюйма больше, чем сторона скребка (или верхняя) (рис. 3).Трапециевидные вырезные отверстия могут быть выполнены одним из двух способов: путем выборочной обрезки специальных деталей, т.е. контактная сторона двустороннего проявочного инструмента должна быть больше, чем сторона скребка; или путем нанесения трафарета на все трапециевидные вырезные отверстия, которые могут быть выполнены различными способами. установите давление на верхней и нижней сторонах распылителя травителя.При электрополировке геометрия стенок отверстий позволяет использовать паяльную пасту с интервалом не более 0,020 дюйма.Кроме того, в результате нанесения паяльная паста имеет форму трапециевидного ‘кирпичика’, это способствует стабильному размещению компонентов и уменьшению образования мостиков из припоя.

Двухуровневые трафареты можно легко изготовить с помощью технологии химического травления.Этот процесс позволяет уменьшить количество олова в выбранном компоненте за счет формирования понижающего отверстия.Например, в одном и том же дизайне несколько компонентов с шагом 0,050-0,025 дюйма (обычно для этого требуется трафарет толщиной 0,007 дюйма) сгруппированы вместе с несколькими QFP с шагом 0,020 дюйма (четырехслойными плоскими упаковками). Чтобы уменьшить количество паяльной пасты на QFPS, этот трафарет толщиной 0,007 дюйма создает нижнюю область толщиной 0,005 дюйма. Нижняя часть трафарета всегда должна находиться на стороне скребка, так как контактная поверхность трафарета должна быть горизонтальной по всей поверхности (рис. IV). Тем не менее, рекомендуется обеспечить расстояние не менее 0,100дюйма между QFP и окружающими компонентами, чтобы ракель мог полностью распределить паяльную пасту по обоим уровням трафарета.

Трафареты с химическим травлением также полезны для создания полутравленых справочных данных и подписей к ним.Базовые данные для выравнивания визуальной системы принтера могут быть наполовину вытравлены, а затем залиты черной смолой, чтобы создать контраст с гладким металлическим фоном, который легко распознается визуальной системой.Надписи, содержащие номер детали, дату изготовления и другую необходимую информацию, также могут быть наполовину вытравлены на трафарете для целей маркировки.Для выполнения обоих процессов требуется обработать только половину обеих сторон.

Ограничения химического травления.Помимо недостатков лезвиеобразных кромок, экраны с химическим травлением имеют еще одно ограничение: соотношение сторон. Проще говоря, это соотношение ограничивает количество отверстий, которые могут быть протравлены, в зависимости от толщины используемого металла.Как правило, для трафарета с химическим травлением соотношение сторон определяется как 1,5:1. Таким образом, для трафарета толщиной 0,006 дюйма отверстие должно составлять 0,009 дюйма (0,006 дюйма х 1,5 = 0,009 дюйма). В отличие от этого, для трафаретов, изготовленных методом гальванопластики и лазерной резки, соотношение сторон составляет 1:1, т.е. на трафарете толщиной 0,006 дюйма может быть выполнено отверстие диаметром 0,006 дюйма любым способом.

Трафарет

Гальванопластика

Гальванопластика - это постепенный, а не убывающий процесс, в результате которого получается никель-металлический трафарет с уникальными характеристиками уплотнения, которые уменьшают образование паяных пробок и необходимость очистки нижней поверхности трафарета. Этот процесс обеспечивает почти идеальное позиционирование без геометрических ограничений, имеет гладкие стенки отверстия трапециевидной формы и низкое поверхностное натяжение для улучшения выделения паяльной пасты.

Это достигается путем нанесения фоторезиста на подложку (или оправку), на которой должны быть сформированы отверстия, и последующего нанесения гальванического покрытия на трафарет вокруг фоторезиста атом за атомом, слой за слоем. Как видно на рисунке 5, фоторезист отклоняет атомы никеля, создавая трапециевидную структуру. Затем, когда трафарет удаляется с подложки, верхняя поверхность становится контактной, создавая эффект уплотнения. Можно выбрать непрерывную толщину никеля в диапазоне 0,001 ~ 0,012 дюйма. Этот процесс идеально подходит для получения изображения с ультратонким шагом (0,008 ~ 0,016 дюйма) или других применений. При этом достигается соотношение сторон 1:1.

Что касается дефектов, то, поскольку для этого используется фотографический инструмент (пусть и односторонний), возможно неправильное расположение. Если процесс нанесения покрытия будет неравномерным, эффект герметизации будет утрачен. Кроме того, при слишком интенсивной очистке может быть удален уплотнительный блок. 

Трафареты для лазерной резки

Трафареты для лазерной резки из нержавеющей стали, изготовленные непосредственно на основе исходных данных Gerber заказчика, отличаются тем, что не требуют фотографирования. Это исключает вероятность смещения. Трафареты изготавливаются с высокой точностью позиционирования и воспроизводимостью. Файл Gerber с необходимыми изменениями передается на лазерный станок (и непосредственно управляется им). Меньшее физическое воздействие означает меньшую вероятность ошибки. Хотя лазерный луч создает

Несмотря на то, что существует серьезная проблема с металлическим шлаком (испарившимся расплавленным металлом), образующимся с помощью лазерного луча, современные лазерные фрезы производят очень мало шлака, который можно легко удалить.

Также существует проблема "зубчатой" формы отверстия, что приводит к шероховатости стенок отверстия. Хотя это увеличивает поверхностное трение, шероховатость находится в вертикальной плоскости.Однако современные лазерные станки оснащены системой внутреннего обзора, которая позволяет резать фольгу без границ.Это имеет смысл, поскольку трафарет может быть изготовлен путем химического травления компонентов со стандартным шагом, а затем лазерной резки компонентов с мелким шагом. Этот "гибридный" или комбинированный трафарет сочетает в себе преимущества обеих технологий, меньшую стоимость и более быструю обработку.Кроме того, весь трафарет можно отполировать электрополировкой, чтобы обеспечить гладкие стенки отверстий и хорошее отделение паяльной пасты. Основным недостатком процесса лазерной резки является то, что станок вырезает каждое отверстие индивидуально. Естественно, чем больше отверстий, тем больше времени это занимает и тем выше стоимость трафарета. Тем не менее, если позволяет конструкция, затраты можно снизить, используя гибридный процесс трафаретной резки. Трапециевидные отверстия создаются автоматически в соответствии с направлением лазерного луча.Отверстия вырезаются с контактной стороны трафарета; затем трафарет переворачивается и устанавливается ракельной стороной вверх.

Лазерная технология - это процесс, который позволяет переделывать существующие трафареты, например, улучшать отверстия, увеличивать существующие отверстия или улучшать исходные данные.

Другие достижения в области трафаретов

Помимо лазерной резки и гальванопластики, важным достижением в производстве экранов является электронная передача данных. Еще в 1995 году большинство изображений, поставляемых производителям экранов, были пленочными позитивами, которые полностью соответствовали изображению на фотокопировальном аппарате. Ретушь отдельных отверстий требует большого фотографического мастерства и ручной работы. Этот процесс также зависит от качества предоставляемого позитивного материала. Пошаговое воспроизведение изображения - трудоемкая задача.

Сегодня электронная передача файлов через модем и электронную почту является распространенным методом предоставления графических данных в режиме реального времени. Выборочная ретушь, пошаговое повторение графических изображений и преобразование геометрических форм могут быть выполнены легко. А за счет отказа от рассылки позитивов по почте время обработки может сократиться почти на целый день.

С помощью передачи файлов Gerber геометрия пэдов может быть изменена с квадратов и прямоугольников на "домашнюю табличку’, ‘сетку’, ‘zip’ и т.д. (Рис. 1) Геометрия контактной площадки может быть изменена с квадратной и прямоугольной на "домашнюю", "сетку", "молнию" и т.д. (рис. 6) для уменьшения количества паяльной пасты. Регулировка количества паяльной пасты путем изменения геометрии в сочетании с выбором нужной толщины металлической пластины также устраняет необходимость в понижающей пластине. Трафареты одной толщины

Правильно спроектированный трафарет одной толщины всегда лучше с технологической точки зрения, чем двухэтапный инструмент.

Трафарет для склеивания

Электронные файлы также упрощают оператору системы автоматизированного проектирования (САПР) определение центра масс формы подложки. С помощью этой функции слой паяльной пасты в файле дизайна может быть преобразован в круглую или эллиптическую форму. Файл дизайна можно использовать для определения размера детали (рис. 7). Вместо капель клея можно использовать трафарет для ‘печати’. Печать выполняется быстрее, чем склеивание, что позволяет использовать это оборудование для других работ.

Веб-редакция Rework.

Относительно недавно в области переделок появилось новое решение. В настоящее время существуют "мини" трафареты, разработанные специально для переделки или восстановления отдельных компонентов. Трафареты можно приобрести для отдельных компонентов, таких как стандартные QFP и шариковые сетки (BGA). Конечно, есть также соответствующие скребки или маленькие скребки.

Трафарет

Сравнение цен на трафареты

Цена трафарета для химического травления зависит от размера рамки. В то время как фольга является основным элементом процесса изготовления трафарета, рамка представляет собой единую дорогостоящую фиксированную стоимость. Размер в значительной степени определяется типом печати. Однако большинство принтеров могут использовать несколько размеров рамки. (Размеры рамки являются промышленным стандартом). Большинство поставщиков трафаретов имеют в своем арсенале стандартные рамки размером от 5x5 до 29x29 дюймов. Поскольку стоимость пустой фольги не так велика, как стоимость рамок, толщина металла не влияет на цену. А поскольку все отверстия вытравливаются одновременно, количество отверстий не имеет значения.

Цена трафарета, нанесенного методом гальванопластики, в первую очередь зависит от толщины металла. Основным фактором является нанесение покрытия нужной толщины: более толстые трафареты стоят дешевле, чем более тонкие.

Цена трафаретов для лазерной резки зависит от количества спроектированных отверстий.

Чем больше отверстий вырезает лазер, тем выше стоимость. Также укажите необходимый размер рамки.Гибридный трафарет с узкими рамками для лазерной резки и стандартными рамками для химической коррозии может быть экономически эффективным методом, когда требуется много отверстий. Однако для конструкций с менее чем 2500 отверстиями может оказаться более экономичным вырезать лазером весь трафарет целиком.

Подводя итог, можно сказать, что какими бы ни были потребности процесса PCBA, в настоящее время существует технология трафаретной печати, которая удовлетворяет этим потребностям.Некоторые из обсуждаемых инноваций, такие как трапециевидная перфорация, гибридные трафареты и преимущества электронной передачи данных, были разработаны и усовершенствованы за последние три-четыре года.Индустрия трафаретной печати традиционно не только реагирует на новые требования, но и опережает их в развитии.