Методы организации, устройства и монтажа электронных приборов и устройств

1.

Методы организации,
устройства и монтажа
электронных
приборов и устройств
1 семестр

2.

Раздел 6: Трафаретная печать припойной
пастой.
1.
2.
3.
Трафареты. Виды трафаретов. Технология изготовления
трафаретов.
Паяльные пасты. Состав и классификация, правила работы с
пастами. Выбор припойной пасты.
Основные операции технологии трафаретной печати. Технология
нанесение клеев (адгезивов). Требования к адгезиву. Дозаторы
(диспенсоры). (часть вторая)

3.

Технология изготовления трафаретов.
• Паяльная паста наносится на КП платы через специальную
оснастку – трафарет. Рисунок окон (апертур) трафарета
соответствует рисунку КП.
• Трафарету принадлежит основная роль в формировании
отпечатка пасты правильной толщины и формы на КП с
требуемой точностью.

4.

Технология изготовления трафаретов.
• За время существования технологии поверхностного
монтажа было разработано несколько типов трафаретов,
различающихся конструкцией, технологией изготовления,
областями применения.

5.

Технология изготовления трафаретов.
• По характеру апертур трафареты подразделяются на две
основные группы:
• - трафареты с полностью открытыми апертурами (stencils);
• - трафареты с частично открытыми апертурами (screens).

6.

Технология изготовления трафаретов.
Трафареты с полностью открытыми апертурами (stencils) –
В данном случае апертуры полностью открыты (выполняются
химическим травлением и прочими методами в металлической
фольге или сетке) и не препятствуют прохождению пасты.
Трафареты с частично открытыми апертурами (screens).
В частично открытых апертурах трафаретов присутствует сетка, что
открывает только 50% площади окна для прохождения пасты
сквозь него. Эти различия обуславливают особенности печати
для трафаретов различных типов.

7.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.
• В зависимости от материала, в котором формируются
апертуры, данные трафареты подразделяются на:
• Сетчатые, в которых апертуры выполнены селективным
травлением (отличаются от сетчатых трафаретов,
рассмотренных выше, только полностью открытыми
апертурами).

8.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.

9.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.
• В зависимости от материала, в котором формируются
апертуры, данные трафареты подразделяются на:
• Металлические (на основе латуни, нержавеющей стали,
бериллиево-медного сплава, никеля; представляют собой
металлическую фольгу толщиной 0,05 – 0,5 мм с
апертурами различной формы – круглой, квадратной (в т.ч.
со скругленными углами), овальной, ромбовидной и пр.);

10.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.
• В зависимости от материала, в котором формируются
апертуры, данные трафареты подразделяются на:
• Металлические (на основе латуни, нержавеющей стали,
бериллиево-медного сплава, никеля; представляют собой
металлическую фольгу толщиной 0,05 – 0,5 мм с
апертурами различной формы – круглой, квадратной (в т.ч.
со скругленными углами), овальной, ромбовидной и пр.);

11.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.
• В зависимости от материала, в котором формируются
апертуры, данные трафареты подразделяются на:
• Комбинированные (равномерное натяжение
обеспечивается натяжением металлической части
трафарета на сетку).

12.

Трафареты с полностью открытыми
апертурами.
• В зависимости от материала, в котором формируются
апертуры, данные трафареты подразделяются на:
• Комбинированные (равномерное натяжение
обеспечивается натяжением металлической части
трафарета на сетку).

13.

Классификация трафаретов по составу
материала
• В зависимости от материала, в котором формируются апертуры,
данные трафареты подразделяются на:
• Сетчатые, в которых апертуры выполнены селективным травлением
(отличаются от сетчатых трафаретов, рассмотренных выше, только
полностью открытыми апертурами).
• Металлические (на основе латуни, нержавеющей стали,
бериллиево-медного сплава, никеля; представляют собой
металлическую фольгу толщиной 0,05 – 0,5 мм с апертурами
различной формы – круглой, квадратной (в т.ч. со скругленными
углами), овальной, ромбовидной и пр.);
• Комбинированные (равномерное натяжение обеспечивается
натяжением металлической части трафарета на сетку).

14.

Классификация трафаретов по составу
материала
• Сетчатые трафареты с открытыми апертурами, имеют
высокую стоимость, меньшую жесткость по сравнению с
обычными сетчатыми и используются в настоящее время
редко.

15.

Классификация трафаретов по составу
материала
• Металлические трафареты, не натянутые на раму,
используются только при контактном способе печати, так
как не обеспечивают равномерного натяжения. При
использовании рам может применяться как контактный,
так и бесконтактный способы. Последний обеспечивает
меньший риск прилипания ПП к трафарету.

16.

Классификация трафаретов по составу
материала

17.

Классификация трафаретов по составу
материала
• Такие трафареты имеют значительно больший срок
службы, чем сетчатые, проще и быстрее совмещаются с
ПП, менее склонны к закупорке апертур, легче очищаются,
допускают селективную многоуровневую печать,
допускают более широкий диапазон вязкостей паяльных
паст, обеспечивают лучшие показатели точности и
повторяемости при печати. Тем не менее, они дороже
сетчатых.

18.

Классификация трафаретов по составу
материала
• Комбинированные трафареты обеспечивают лучшую
равномерность натяжения, имеют более длительный
ресурс, но существенно дороже обычных трафаретов.

19.

Крепление трафарета
• Трафареты для использования в установках печати должны
быть предварительно закреплены на специальных рамах.
Такое закрепление обеспечивает необходимую
плоскостность и равномерное натяжение трафарета, что, в
свою очередь, обеспечит равномерное распределение
паяльной пасты по всем апертурам и отсутствие смещения
рисунка апертур трафарета относительно КП платы.

20.

Крепление трафарета
• Трафарет может натягиваться на раму по двум или
четырем сторонам. С точки зрения равномерности
натяжения (в особенности для ЭК с малым шагом
выводов), предпочтительно использовать рамы с
креплением по четырем сторонам, несмотря на их
большую стоимость, так как при этом искажения рисунка
апертур в плоскости будут гораздо меньше, чем в случае
натяжения по двум сторонам.

21.

Крепление трафарета
• Трафарет может натягиваться на раму по двум или
четырем сторонам. С точки зрения равномерности
натяжения (в особенности для ЭК с малым шагом
выводов), предпочтительно использовать рамы с
креплением по четырем сторонам, несмотря на их
большую стоимость, так как при этом искажения рисунка
апертур в плоскости будут гораздо меньше, чем в случае
натяжения по двум сторонам.

22.

23.

Крепление трафарета
• Трафареты, вклеенные в металлическую сетку, в
настоящий момент используются преимущественно для
крупносерийного производства, так как они существенно
дороже обычных трафаретов из-за наличия собственной
рамы, но имеют более длительный ресурс работы, чем
обычные металлические трафареты. Кроме того, требуется
много свободного места для хранения рам.

24.

Крепление трафарета
• Для натяжения трафаретов в настоящее время
преимущественно используются специальные рамы с
пневматическим натяжением. На раме имеются ряды штырьков,
расположенные с двух или четырех сторон, а на трафарете –
краевая перфорация под эти штырьки.
• Такая перфорация необходима для всех рам под
автоматическую печать. Трафарет надевают на штырьки, а затем
он равномерно растягивается при помощи сжатого воздуха,
раздвигающего штырьки в стороны. Далее рама устанавливается
в устройство трафаретной печати. Производителями рам
выпускаются их модификации под конкретные модели
оборудования.

25.

Крепление трафарета
• Для натяжения трафаретов в настоящее время
преимущественно используются специальные рамы с
пневматическим натяжением. На раме имеются ряды штырьков,
расположенные с двух или четырех сторон, а на трафарете –
краевая перфорация под эти штырьки.
• Такая перфорация необходима для всех рам под
автоматическую печать. Трафарет надевают на штырьки, а затем
он равномерно растягивается при помощи сжатого воздуха,
раздвигающего штырьки в стороны. Далее рама устанавливается
в устройство трафаретной печати. Производителями рам
выпускаются их модификации под конкретные модели
оборудования.

26.

Паяльные пасты
• Паяльная паста (припойная паста) — механическая смесь
порошка припоя, связующего вещества (или
смазки), флюса и некоторых других компонентов.
• Паяльные пасты широко применяются
в радиоэлектронной
промышленности для монтажа планарных (SMD)
компонентов на печатную плату. Специальные паяльные
пасты нашли применение при монтаже медных и
латунных труб и фитингов в системах водоснабжения.

27.

Паяльные пасты

28.

Паяльные пасты
• "Водорастворимую" паяльную пасту (остатки флюса после
пайки растворяются водой), требующую обязательной
отмывки из-за содержания активного флюса, отмывают
последовательно обычной, дистиллированной и
деионизированной водой, причем на каждом этапе
применяют струйную отмывку или ультразвук. Для
"водорастворимых" паст, не требующих обязательной
отмывки, процесс ограничивается дистиллированной
водой.

29.

Паяльные пасты
Активность флюса
(% содержание
галогенов)
Канифольные Rosin Синтетические
(RO)
Resin (RE)
Органические
Organic (OR)
Необходимость
отмывки
Низкая (0%)
ROL0
REL0
ORL0
Нет
Низкая (<0,5%)
ROL1
REL1
ORL1
Нет
Средняя (0%)
ROM0
REM0
ORM0
Рекомендуется
Средняя (0,5 –
2,0%)
ROM1
REM1
ORM1
Рекомендуется
Высокая (0%)
ROH0
REH0
ORH0
Обязательно
Высокая (>2,0%)
Обязательно

30.

Паяльные пасты
• С пастами, требующими отмывки специальными
жидкостями, ситуация иная. Вне зависимости от наличия в
составе галогенов, такие пасты основаны на канифольных
флюсах, поэтому для их отмывки после пайки
рекомендуется применять растворитель типа HCFC и
омыляющий реагент. Потом отмывочные жидкости, в свою
очередь, отмываются дистиллированной, а затем
деионизированной водой.

31.

Паяльные пасты
• Вместе с тем, многие паяльные пасты, не содержащие
галогенов, отмываются трудно и оставляют на поверхности
плат белесый остаток флюса. При этом стойкость к осадке
считается важнее отмываемости.
• Большинство паяльных паст, не требующих отмывки,
освобождают производство от этого технологического
процесса. Флюсы таких паст защищают паяное соединение
от коррозии подобно лаку. Сосредоточимся на пастах, не
требующих отмывки: они наиболее технологичны.

32.

Паяльные пасты

33.

Паяльные пасты

34.

Паяльные пасты
• В идеале, для пайки без отмывки нужна паста без галогенов, но
с паяемостью, как у галогенсодержащей пасты.
• Трудность заключается в повышении химической активности
безгалогенных безотмывочных паст. В большинстве таких паст в
качестве активатора вместо галогенсодержащих соединений
используются органические кислоты, причем чем меньше
молекулярный вес кислоты, тем больше способность активации.
Поскольку активирующее действие органических кислот гораздо
слабее, чем у галогенсодержащих компонентов, стараются
ввести в систему флюса пару десятков относительно активных
органических кислот.

35.

Паяльные пасты
Вот примеры популярных типов паст:
• паяльная паста для высокоскоростной печати;
• паяльная паста с высокой смачивающей способностью;
• паяльная паста для автоматического внутрисхемного
тестирования;
• универсальная паста с чрезвычайно длительным
временем жизни на трафарете.

36.

Паяльные пасты
Стадии жизненного цикла паяльной пасты
Контролируемые характеристики
Хранение
Неизменность вязкости и паяемости
Нанесение пасты
Тонкая печать с шагом 0,5 мм и сверхтонкая — с шагом 0,4 мм.
Время жизни после нанесения. Растекаемость пасты.
Отделяемость от стенок апертур трафарета. Скорость печати
(нормальная — до 100 мм/с, скоростная — 200 мм/с и более).
Тиксотропный индекс (изменение вязкости в процессе
оплавления). Полнота заполнения апертур. Размазываемость
пасты по трафарету (паста должна образовывать плотный валик
перед ракелем).
Монтаж компонентов
Клейкость. Стойкость пасты к осадке (растеканию).
Оплавление
Образование перемычек (короткие замыкания). Наличие частиц
припоя в остатках флюса. Выворачивание и отрыв компонентов
(tombstoning). Смачиваемость (образование галтели припоя).
Контроль качества
Остатки флюса должны обеспечивать бесперебойную работу АОИ
— автоматической оптической инспекции. Для паяльных паст,
предназначенных для последующего ICT-контроля, остатки
флюса должны быть пластичными и оставаться на зондах.
Качество отмывки
При необходимости отмывки от остатков флюса она должна быть
полной, без белого налета.

37.

Порошок припоя
• Для производства порошка припоя используют методы
газового и центробежного распыления. Особенности
метода газового распыления:
• — получение частиц малого размера;
• — легкость управления процессом образования окисной
пленки на поверхности частиц;
• — низкий уровень окисления частиц припоя.

38.

Порошок припоя
• Полученные частицы
порошка припоя имеют
размеры 1–100 мкм. На
распределение размеров
частиц припоя и их
диаметр влияет скорость
подачи припоя, скорость
вращения шпинделя и
содержание кислорода.

39.

Порошок припоя
• Порошок получают в емкости высотой
около 5 м и диаметром 3 м, которая
заполнена азотом и кислородом очень
малой плотности
• Слитки припоя плавят в тигле,
расположенном в верхней части
резервуара. Расплавленный припой
капает вниз на шпиндель,
вращающийся с большой скоростью.
• Когда капли припоя попадают на
шпиндель, происходит разбрызгивание
припоя в направлении стенок
резервуара, при этом припой
приобретает сферическую форму и
затвердевает до того, как эти частицы
достигнут стенки резервуара.

40.

Флюс
• Флюс должен:
• — удалить оксидную пленку и предотвратить повторное окисление в
процессе пайки. Металлические поверхности в условиях высоких температур
при оплавлении быстро окисляются. Твердые компоненты флюса при этих
температурах размягчаются и переходят в жидкое состояние, покрывая и
защищая спаиваемые поверхности от повторного окисления. Флюс
восстанавливает металл и удаляет оксидную пленку с поверхности контактов
электронных компонентов, финишного покрытия печатной платы и
поверхности порошка припоя;
• — удалить загрязнения. Впрочем, флюс не справится с большим количеством
пото-жировых отпечатков, поэтому лучше плату брать в руки в перчатках;
• — обеспечить стабильность вязкости пасты, требующуюся при печати и
оплавлении.

41.

Флюс
Группа
Вещества
На что влияют
Активаторы Аминхлоргидрат.
Активирующая
Органические кислоты и т.д. способность
(паяемость).
Надежность
(поверхностное
сопротивление
остатков флюса,
уровень
электромиграции и
коррозии). Срок
хранения.
Пояснение
Именно эти
компоненты в
основном
обеспечивают
эффективное удаление
окислов. Активаторы не
только размягчают и
переводят в жидкую
форму древесные
смолы, они также
смачивают поверхность
металла и реагируют с
окислами.

42.

Флюс
Канифоли Древесная канифоль. Печать. Паяемость. Стойкость к
Гидрированная
осадке. Клейкость. Цвет остатков
канифоль.
флюса. Контролепригодность.
Диспропорционирован
ная канифоль.
Полимеризующаяся
канифоль. Канифоль,
денатурированная
фенолом. Канифоль,
денатурированная
эфиром.
Эти виды канифоли размягчаются на стадии
предварительного нагрева (температура
размягчения 80–130°С) и растекаются по
поверхности частиц припоя и по подложке. Фирма
«KOKI» обычно использует натуральные
древесные канифоли. В зависимости от вида
обработки они имеют различный цвет (чаще всего
желтый или желто-оранжевый), активирующую
способность и температуру размягчения. Для
управления технологическими свойствами
(осадкостойкостью, клейкостью и т. д.), а также
свойствами остатка (его цветом, пластичностью,
способностью обеспечивать тестируемость схемы)
обычно в состав флюса входит не менее 2–3
различных видов канифоли.

43.

Флюс
Тиксотропные Пчелиный воск. Четкость печати. Эти компоненты позволяют
материалы
Гидрированное Вязкость.
обеспечить стойкость пасты к
касторовое
Тиксотропность. напряжениям сдвига,
масло.
Стойкость к
возникающим в процессе
Алифатические осадке. Запах.
печати и установки
амиды.
Отмываемость. компонентов на плату, и
восстанавливают вязкость
пасты после нанесения ее на
подложку. Дополнительные
компоненты обеспечивают
легкое отделение пасты от
трафарета, что улучшает
качество печати.