Технологии в электронной промышленности №7'2009

Решение главной проблемы технологии поверхностного монтажа: повышение качества нанесения паяльной пасты

Перевод: Ольга Зотова

Успевает ли технология трафаретной печати за ужесточающимися требованиями к качеству изделий и сложности печатных плат? И готова ли новая технология каплеструйной печати обеспечить необходимый уровень качества и гибкости нанесения паяльной пасты? Сравнительное исследование этих двух технологий нанесения паяльной пасты продемонстрировало интересные результаты. Трафаретные принтеры дают некоторые возможности оптимизации наносимых слоев паяльной пасты, но каплеструйный принтер позволяет оптимизировать процесс нанесения пасты быстрее и с меньшими усилиями. В то же время возможность нанесения паяльной пасты на отдельные участки каждой отдельной платы может стать решающим аргументом.

Не безоблачное будущее

Производители стремятся достичь хорошего качества монтажа радиоэлектронного узла. При этом им нельзя недооценивать роль качества паяного соединения. Обеспечение электрической связи — не единственное требование, которое предъявляется к паяному соединению, такое соединение должно обеспечивать и прочное механическое соединение. Ключевой этап в этом — нанесение паяльной пасты, но на качество результата этого процесса влияет очень большое количество параметров. Сегодня вопрос качества печати паяльной пасты является самым частым при перечислении причин, приводящих к ошибкам в процессе поверхностного монтажа компонентов: это примерно 70% от всего количества факторов, вызвавших появление дефектов, к которым относятся, например, отсутствие галтели, недостаточное количество припоя на контактных площадках, перемычки и т. д.

А развивающиеся в промышленности тенденции еще более усугубляют положение. Плотность монтажа компонентов на платах растет, все чаще используются очень маленькие элементы и компоненты с все более малым шагом выводов, кроме того, большие и маленькие компоненты все чаще располагаются рядом. Сегодня производители сталкиваются с все более сложными условиями производства, более высокими требованиями, предъявляемыми к качеству, и необходимостью максимальной автоматизации производственного процесса для повышения эффективности производства и сохранения конкурентоспособности в области ценообразования.

Автоматическая трафаретная печать

Стандартный способ нанесения паяльной пасты в технологии поверхностного монтажа компонентов — это трафаретный принтер с ракелями и металлическим трафаретом. Несмотря на высокий уровень автоматизации и применение передовых решений, трафаретная печать все еще является узким местом. К причинам можно отнести «тонкость» процесса нанесения пасты и тот факт, что на конечный результат влияет слишком много параметров, контролировать которые бывает порой очень сложно. Например, скорость печати, тип ракелей, угол их наклона и давление, прилегание трафарета к печатной плате, скорость разделения платы и трафарета, протирка трафарета с нижней стороны, поддержка печатных плат (особенно при нанесении пасты на вторую сторону платы), толщина трафарета и дизайн апертур. Чтобы достичь высокого качества печати, необходимо тщательно оптимизировать каждый из этих параметров. Причем для каждой партии плат необходимо настраивать параметры отдельно.

Одно из ограничений трафаретной печати заключается в том, что наносимый объем пасты в большой степени зависит от толщины трафарета. Хотя разнотолщинные трафареты частично и устраняют эту проблему, тем не менее их использование связано с дополнительными сложностями и затратами. Использование разнотолщинных трафаретов накладывает и определенные ограничения на дизайн печатных плат, где необходимо предусматривать «мертвые» зоны для сохранения свободного пространства между апертурами, находящимися в разных плоскостях.

Поэтому в подавляющем большинстве случаев производители электроники в работе используют обычные металлические трафареты одинаковой толщины.

Автоматическая каплеструйная печать

Это относительно новая технология, в которой применяется уникальный принцип нанесения паяльной пасты на печатные платы с большой скоростью. При таком бесконтактном способе печати к поверхности платы не прикладывается сила, а небольшие дозы паяльной пасты выстреливаются на плату во время печати и могут наноситься одна на другую.

Процесс печати полностью контролируется программным обеспечением, а используемые по умолчанию настройки для каждого компонента рассчитываются на основании CAD-дан-ных. Тем не менее у пользователя есть возможность изменять параметры нанесения паяльной пасты: область нанесения, высоту и толщину нанесения для каждой отдельной контактной площадки, элемента или посадочного места.

Бестрафаретная технология печати позволяет гораздо быстрее приступить к сборке изделий по сравнению с трафаретной печатью, так как отсутствуют потери времени, затрачиваемого на заказ, доставку и отмывку трафаретов, программы нанесения пасты разрабатываются удаленно, и время на настройку и переналадку принтера также сведено к минимуму. Кроме того, внесение изменений в рисунок нанесения паяльной пасты и другие настройки осуществляется легко и быстро на любом этапе производства.

Полностью автоматическая технология каплеструйной печати была разработана компанией MYDATA automation AB (Швеция). Первое поколение каплеструйных принтеров (MY500) появилось в 2007 году, а новое поколение было выпущено на рынок в следующем, 2008 году.

Итак, что можно сказать о качестве капле-струйной печати по сравнению с трафаретной, если сравнивать эти две технологии в реальных производственных условиях?

Сравнительное исследование в реальных производственных условиях

Исследование проводилось на базе крупного европейского контрактного производителя электроники. Эта компания — лидер в области производства высокотехнологичной продукции и сертифицирована согласно стандартам ISO 9001-2000 и 14001, AQAP 2120-2003, IEC 61508 и TL 9000. Ее заказчики работают в секторе здравоохранения и телекоммуникаций, авиационной и оборонной областях промышленности.

В ходе исследования, которое проводилось одну неделю, оценивалось качество нанесения паяльной пасты на платы, собираемые в ходе обычной работы компании по выполнению заказов. Изучалось12 партий печатных плат (рис. 1), в каждой из которых было по 14 плат. На половину плат партии паяльная паста наносилась на трафаретном принтере, а на другую половину — на каплеструйном. (Примечание. На две партии плат паста наносилась только на каплеструйном принтере) В исследовании использовались три трафаретных принтера MPM с трафаретами разной толщины (таблица).

Рис. 1. Одна из плат заказчика, использованная в ходе исследования

Таблица. Раскладка по количеству плат в партиях, собранных в ходе исследования

    Каплеструйная печать   Трафаретная печать
№ партии плат Покрытие Кол-во плат Паяльная паста Кол-во плат Паяльная паста Толщина трафарета, мкм Принтер
1 Иммерсионное золото 6 Senju M705-LFAC19 7 Alpha OM-338-T 120 MPM Accuflex
2 Горячее лужение 8 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Ultraprint 1500
3 Горячее лужение 3 Senju 2062-AC19F13 0 нет нет нет
4 Иммерсионное золото 5 Senju M705-LFAC19 0 нет нет нет
5 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Ultraprint 1500
6 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Ultraprint 1500
7 Горячее лужение 7 Senju M705-LFAC19 7 Alpha OM-338-T 125 MPM Ultraprint 1500
8 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Accuflex
9 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Ultraprint 1500
10 Иммерсионное золото 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Accuflex
11 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 150 MPM Ultraprint 2000
12 Горячее лужение 7 Senju 2062-AC19F13 7 Alpha OM-5100 125 MPM Ultraprint 1500

Примечание. При необходимости результаты исследования можно проиндексировать для компенсации различий в количестве печатных плат в некоторых партиях.

После нанесения паяльной пасты платы проверялись с помощью системы трехмерной инспекции объема пасты компании Koh Young Technology (рис. 2). Все измерения проводились на предприятии, после чего платы снова включались в производственную цепочку. Производитель также выполнял обычные процедуры по оценке качества выполнения операций до и после установки компонентов согласно строгим внутренним правилам контроля качества.

Рис. 2. Система трехмерной инспекции компании Koh Young Technology (способна осуществлять 100%-ное трехмерное измерение слоя нанесенной паяльной пасты)

В ходе исследования были получены данные об измерениях более чем 100 000 слоев паяльной пасты. Анализ этих данных проводился по следующим пяти ключевым параметрам качества нанесения паяльной пасты: общее качество нанесения, объем, повторяемость, предсказуемость результатов и точность.

Общее качество нанесения: качество допустимое

Как и следовало ожидать от компетентного и надежного производителя электроники, все платы отличались хорошим качеством. Компания соблюдала строгую процедуру проверки качества собираемых изделий согласно стандартам IPC, а любые незначительные обнаруженные ошибки выявлялись и исправлялись в ходе соблюдения обычного производственного процесса. Таким образом, все платы прошли контроль качества и были отосланы заказчикам.

Итак, если качество всех плат оказалось допустимым, то в чем же заключаются отличия между двумя технологиями, если таковые имеются?

Объем пасты: компромиссный или индивидуальный подход?

Вероятно, основное отличие между этими двумя технологиями заключается в различных возможностях нанесения объемов пасты (рис. 3). При трафаретной печати с использованием обычного трафарета всегда приходиться искать компромисс в объеме нанесения паяльной пасты, необходимой для маленьких компонентов (мало пасты) и больших компонентов (много пасты). Существует тенденция подбирать трафарет такой толщины, чтобы она была оптимальна для ключевых компонентов. В то же время важно, чтобы на каждой контактной площадке было достаточно паяльной пасты для образования паяного соединения. Это значит, что наносят больше пасты, чем это необходимо.

Рис. 3. Сравнение общего объема пасты, нанесенного на каждую партию печатных плат

При каплеструйной же технологии нанесения паяльной пасты ее объем можно настраивать индивидуально для каждой конкретной площадки. То есть можно нанести оптимальный объем пасты для каждого отдельного компонента, в результате чего не возникает необходимость наносить избыточное количество пасты.

Это отличие можно увидеть при анализе результатов исследований: во всех партиях собранных плат при каплеструйной технологии нанесения пасты расходовалось меньше. На одну конкретную плату каплеструйный принтер нанес 55% пасты от того количества, которое потребовалось трафаретному принтеру. Если сравнивать средние показатели объема нанесенной паяльной пасты на все десять партий печатных плат, то каплеструйный принтер наносит 65% того объема пасты, который расходуется трафаретным принтером.

Каплеструйная печать не только позволяет индивидуально подобрать количество наносимой пасты (рис. 4), но и нанести индивидуальный рисунок из пасты на контактную площадку. Пользователи могут самостоятельно настраивать размер, положение, рисунок и высоту (толщину) слоя наносимой пасты. То есть слой наносимой пасты можно оптимизировать, чтобы избежать образования некачественных паяных соединений или повысить их функциональность. Например, для полной свободы при работе с теплоотводами, достижения хорошей смачиваемости и одновременно качественного покрытия контактной площадки, а также для нанесения слоя пасты в форме треугольника, что позволяет избежать образования шариков припоя в результате выдавливания пасты из-под компонента.

Рис. 4. Пример нанесения слоя пасты в форме треугольника каплеструйным принтером

Если говорить о нанесении пасты на 70 плат, то общий объем пасты, нанесенной трафаретным принтером, составил 83 г, а каплеструй-ным — 54 г. Здесь не учитывается дополнительный расход пасты, связанный с процессом трафаретной печати: разбрызгивание пасты и протирка трафарета и т. д., что отсутствует при каплеструйной печати, где используются кассеты с паяльной пастой, которые просто устанавливаются в печатную голову.

Повторяемость: достижение одного и того же результата с течением времени

При изучении объемов наносимой паяльной пасты для некоторых компонентов во всех партиях печатных плат выявилась интересная разница между двумя технологиями. Для основных компонентов, например, BGA (рис. 5) и QFP с малым шагом выводов, результаты в обоих случаях были похожи. При трафаретной печати эти сложные компоненты чаще всего и влияют на выбор толщины трафарета, благодаря чему достигается однородность результатов. На самом деле, если рассматривать все компоненты, то обе технологии демонстрируют похожие результаты, хотя стандартное отклонение при каплеструйной технологии и было ниже в 10 из 12 партий.

Рис. 5. Гистограмма наносимых объемов пасты при трафаретной и каплеструйной печати для BGA-компонентов

Тем не менее, когда дело дошло до некоторых более мелких компонентов, трафаретные принтеры показали больший разброс результатов. Например, гистограмма для компонентов 0603 (рис. 6) состоит из трех пиков, а гистограмма для компонента 0805 (рис. 7) — из двух. При трафаретной печати с использованием трех трафаретов различной толщины на гистограмме для компонента 0603 видно три пика, а при каплеструйной печати результаты более однородны. Трафаретные принтеры продемонстрировали неоднородные результаты. Оптимальный объем пасты, наносимой для компонента 0805, был достигнут путем компромисса между двумя трафаретами различной толщины. Объяснить этот факт можно следующим образом: эти компоненты входили в разные партии печатных плат, для которых использовались трафареты различной толщины, то есть, чтобы нанести оптимальное количество паяльной пасты для этих чипов, приходилось искать компромисс при нанесении оптимального количества пасты для других компонентов, расположенных на этой же плате.

Рис. 6. Гистограмма наносимых объемов пасты при трафаретной и каплеструйной печати для компонентов 0603

Рис. 7. Гистограмма наносимых объемов пасты при трафаретной и каплеструйной печати для компонентов 0805

При каплеструйной печати ассортимент компонентов на плате не имеет значения, так как объем наносимой пасты всегда высчи-тывается оптимальным образом для каждого компонента. Итак, даже при работе с маленькими компонентами каплеструйный принтер продемонстрировал хорошую повторяемость результатов для всех партий печатных плат.

Предсказуемость: соответствует ли теория реальности?

При сравнении фактического объема нанесенной паяльной пасты с ожидаемым результаты трафаретной печати оказались достаточно точными, несмотря на влияние многих параметров. Каплеструйный же принтер продемонстрировал отличные результаты, так как фактический объем пасты оказался практически равным номинальному (рис. 8). Причин тому может быть несколько, включая и тот факт, что оператор меньше влияет на работу каплеструйного принтера, то есть и объем пасты задается программно, и подача пасты полностью контролируется программным обеспечением. Весь процесс замкнут, поэтому вся наносимая паста оказывается на плате. Кроме того, так как каплеструйная печать — это бесконтактный способ нанесения пасты, то результат печати не зависит от коробления платы.

Рис. 8. Ожидаемый объем расхода пасты при каплеструйной печати

При трафаретной печати на расход пасты влияют различные факторы. Например, качество трафарета, поддержка плат, давление ракелей, паяльная маска. От всего этого может зависеть объем наносимой пасты. Паста часто остается в апертурах, когда трафарет отделяют от платы, особенно если речь идет о компонентах с малым шагом выводов. Может понадобиться более частая протирка трафарета и/или использование вибрации до подъема трафарета, это связано с вовлечением оператора в процесс печати, а значит, повышается риск появления ошибок.

Точность: попадание в цель

Вполне очевидно, что для достижения хорошего качества паяного соединения необходима высокая точность нанесения пасты. В ходе исследования обеих технологий были продемонстрированы очень похожие результаты (рис. 9).

Рис. 9. Результаты повторяемости каплеструйной и трафаретной печати

При бесконтактной печати, благодаря использованию реперных знаков на платах, используемых видеосистемой каплеструйного принтера в качестве опорных точек, на точность принтера не влияет качество печатных плат. Точность печати — результат программно контролируемых перемещений головки по осям X и Y.

Точность же нанесения пасты в трафаретном принтере напрямую зависит от качества платы или панели, включая такие параметры, как обрезка, растяжение, коробление плат, качество паяльной маски и т. д. Кроме того, качество самого трафарета и совмещения трафарета и платы — это еще два важных параметра, которые влияют на точность трафаретной печати.

Заключение

У каждого типа компонентов свои индивидуальные характеристики: геометрия выводов, рисунок контактных площадок для выводов, вес. Все они влияют на нанесение паяльной пасты. Чтобы достичь высокого качества паяных соединений на всей поверхности печатной платы, необходимо нанести правильное количество пасты и закрыть правильную площадь контактной площадки.

Хотя трафаретные принтеры и хорошо послужили электронной промышленности, тем не менее некоторые трудности с их использованием возникают. Судя по результатам исследования, достичь хорошего качества печати с помощью трафарета возможно, хотя необходимо идти на некоторые компромиссы. Кроме того, так как в трафаретной печати задействовано множество характеристик, то оптимизация параметров для конкретной партии печатных плат может занять много времени и требует большого мастерства оператора. Как и в любом процессе: чем больше параметров и звеньев цепочки, тем труднее добиться однородности результатов. В то же время, чем больше вовлечен в процесс оператор, тем выше вероятность возникновения ошибок.

В каплеструйных же принтерах MY500 компании MYDATA реализован принцип бесконтакт-ной печати, где паяльная паста закрыта от воздействия окружающей среды, а количество параметров, влияющих на конечный результат, существенно меньше. Как показано в примерах, полученных в ходе проведения исследования на действующем производстве, каплеструйный принтер превосходит высококачественные трафаретные принтеры по всем параметрам.

Благодаря автоматическому программному управлению каплеструйный принтер обладает большими возможностями оптимизации процесса нанесения паяльной пасты. Пользователь может сам изменять объем наносимой паяльной пасты, область нанесения, высоту и количество слоев для каждой отдельной контактной площадки, компонента или корпуса на печатной плате.

Простота доступа к этому уровню управления и гибкость, скорее всего, будут привлекать производителей электроники, так как компоненты и шаг выводов становятся все меньше и меньше, а плотность монтажа и номенклатура компонентов увеличиваются.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

http://www.kavkazstore.ru
кубачинское серебро в москве.
kavkazstore.ru
Деволт официальный сайт
Официальный сервер. Сайт сериала
de-walt.ru
Женские брюки оптом
Всероссийский женский сайт. Информационный женский портал
polline.ru