Test: Wpływ jakości i technologii wykonania szablonu na wyniki drukowania

Rozwój Internetu Rzeczy jest czynnikiem stymulującym miniaturyzację obudów komponentów i wpływającym na proces montażu PCB. Coraz częściej zastosowanie znajdują komponenty 008004 czy CSP lub BGA o rozmiarach 0.3 mm, a druk staje się jednym z krytycznych procesów, decydujących o jakości montażu SMT. Powszechnie przyjmuje się, że 50–70% defektów całego procesu SMT bierze swój początek na etapie drukowania. Oczywiście jest wiele zmiennych, wpływających na jakość druku, takich jak konfiguracja maszyny, sposób obchodzenia się z pastą, jakość szablonu, projekt apertur, parametry druku itp. Artykuł przedstawia statystyczną ocenę wpływu jakości szablonu na proces drukowania, poprzez porównanie wydruku o rastrze 0.35 mm na padach pod komponenty 01005. 

W przeszłości, kiedy okno procesu wybaczało o wiele więcej a druk oparty był na dużych aperturach, współczynnik powierzchni wynoszący ≥0.66 (stosunek powierzchni otworu do powierzchni ścianek apertury) oraz przestrzeganie reguły ‘pięciu kulek’ (apertura powinna pomieścić co najmniej 5 kulek lutowia w każdym kierunku) były łatwe do osiągnięcia i wystarczający do uzyskania wysokiej jakości druku. Jednak obecnie, wraz z pomniejszeniem apertur pod wymiar 01005 czy nawet 008004, się to zmieniło i inne czynniki stają się krytyczne dla zapewnienia dobrej wydajności transferu.

Czym właściwie jest dobry transfer? Wydajność transferu jest równa procentowi rzeczywistej objętości depozytu pasty w stosunku do teoretycznej objętości pasty na danym padzie. Aby uzyskać dobrą wydajność transferu, pasta musi być naniesiona na żądany obszar w odpowiedniej objętości i o odpowiedniej wysokości. Rysunek 1 przedstawia liczne czynniki, które mogą wpływać na wydajność procesu drukowania – niniejszy artykuł skupia się na wpływie jakości wykonania szablonu. 

Źródło: © 'Process Control in a High-Noise Environment Using a Limited Number of Measurements'

Niniejszy artykuł opisuje eksperyment, jaki przeprowadzili Jeffrey Len Yung Kwuan, Leon Rao, Evan Yip, Wisdom Qu, Jonas Sjoberg z Indium Corporation a wnioski zawarli w artykule ‘Impact of Stencil Quality & Technology on Solder Paste Printing Performance’. 

Każdy dostawca szablonów może używać innego sprzętu do cięcia laserowego, charakteryzującego się różną dokładnością, rozmaitych materiałów do wykończenia nanopowłoką czy wręcz stosować różne procesy produkcyjne. Na Rysunku 2 przedstawiono kilka zdjęć z mikroskopu elektronowego, obrazujących różnicę jakości wytworzonej między dwoma polerowanymi szablonami laserowymi. Dla celów eksperymentu autorzy artykułu wybrali 6 dostawców szablonów, oznaczając je od A do F (1 europejski oraz 5 z Dalekiego Wschodu), którzy dostarczyli po dwa szablony: szablon laserowy polerowane elektrolitycznie (szablon EP) oraz szablon laserowy, polerowany elektrolitycznie i wykończony nanopowłoką. Natomiast jako punkt odniesienia zastosowano oznaczony jako G szablon elektroformowany ( EF).

W eksperymencie stosowano pastę SAC305, którą drukowano płytkę testową, zawierającą okrągłe pady 0.35 mm (okrąg 0,22), pady kwadratowe 0.2 mm pod komponenty 01005 i kilka różnych innych padów od 0.18 mm do 0.24 mm w kształcie okrągłym i kwadratowym. Na potrzeby badania autorzy skupili się na analizie depozytów utworzonych na okrągłym padzie 0.22mm i prostokątnym padzie 0.2 mm. Wyniki nadruku badano SPI. Szczegółowy opis testy znajdziecie w oryginalnym tekście artykułu tutaj. 

Analiza danych uzyskanych podczas eksperymentu pokazała następujące rezultaty:

• Najlepsze średnie rezultaty, zarówno w przypadku okrągłego padu 0.22 mm jak i prostokątnego padu 0.20 mm miał jeden szablon, pochodzący od europejskiego dostawcy 
• W dalszej części testu badano współczynniki Pk i Ppk ustanawiając dopuszczalne okno procesu. Badania pokazały znaczne różnice pomiędzy poszczególnymi szablonami. 
• Ponadto przeprowadzono analizę wariancji ANOVA (od ang. analysis of variance). Jest to metoda statystyczna służąca do badania obserwacji, które zależą od jednego lub wielu działających równocześnie czynników. Metoda ta wyjaśnia, z jakim prawdopodobieństwem wyodrębnione czynniki mogą być powodem różnic między obserwowanymi średnimi grupowymi. Ponownie, poszczególne szablony różniły się znacząco pomiędzy sobą. 
• Zbadano również pracę szablonów w przypadku padów o bardzo małej powierzchni, 0.18 mm, w przypadku których apertury miały współczynnik powierzchni równy 0.59. Trzy spośród badanych szablonów sprawowały się ewidentnie gorzej od pozostałych. 
• Na koniec eksperymentu, autorzy przyjrzeli się różnicom pomiędzy szablonami wykończonymi nanopowłokami oraz zwykłymi. Autorzy artykułu przypominają, iż w kilku opublikowanych wcześniej pracach przedstawiono bardzo różne opinie na temat wpływu nanopowlekanych szablonów na efektywność transferu druku. Opierając się jednak na wynikach swoich badań stwierdzają, iż większość szablonów z nanopowłoką zapewniała mniejszą zmienność objętości depozytu w porównaniu ze zwykłymi szablonami EP.  Zdaniem autorów, zróżnicowane wyniki uzyskane w różnych publikowanych wcześniej artykułach mogą wynikać z różnych czynników, takich jak rodzaj zastosowanych nanomateriałów oraz metody nanoszenia warstwy wykończenia na szablon. Co więcej, nowy i używany szablon z tym samym materiałem nanopowłoki też może się różnić, ponieważ efekt jaki daje nanopowłoka pogarsza się wraz z upływem czasu.

W podsumowaniu swojej pracy autorzy podają następujący zbiór wniosków:

• Wszystkie szablony EP i szablony z nanopowłoką, z wyjątkiem jednego szablonu E, były w stanie uzyskać dobrą wydajność drukowania przy Ppk> 1,67 na prostokątnym padzie 0.20mm i padzie okrągłym 0.22mm.
• W przypadku okrągłego padu 0.22mm, szablon D osiągnął wysoką wydajność transferu zarówno w zwykłej wersji EP jak i wersji z nanopowłoką. Analiza ANOVA wykazała, że występując znaczące średnie różnice zarówno w przypadku szablonów EP, jak i szablonów z nanopowłoką. 
• Podobnie działo się w przypadku prostokątnego padu 0.20mm: wszystkie szablony wykonane w obu standardach znacznie się różniły. 
• Wpływ jakości szablonu na druk jest większy, gdy współczynnik powierzchni zmniejsza się do 0,59
• Szablony z nanopowłoką zapewniały mniejsze różnice objętości depozytu w porównaniu do szablonów EP.

Na podstawie tego badania można wywnioskować, że różne szablony zapewnią różną wydajność drukowania. Istnieje kilka możliwości, które mogą przyczynić się do powstawania różnic – na pewno warto wymienić dokładność wymiarów apertury, jednolita grubość arkusza blachy z jakiej wykonany jest szablon, stopień wygładzenia bocznych ścianek apertur, zastosowany nanomateriał oraz sposób jego nanoszenia. 

Źródło podstawowe: Jeffrey Len Yung Kwuan, Leon Rao, Evan Yip, Wisdom Qu, Jonas Sjoberg z © Indium Corporation, 'Impact of Stencil Quality & Technology on Solder Paste Printing Performance’.