A forraszpaszta-nyomtatási folyamatban a következő tényezők idézhetnek elő hibákat egyedül vagy kombinációban:
- a stencil pontatlan illesztése a rajzolathoz,
- a panel és/vagy stencil minőségi hibái,
- a panel rossz alátámasztása a nyomtatás alatt,
- a stencil apertúrafala és a paszta közötti túlzott tapadás,
- a stencilelválasztási sebesség rossz beállítása,
- a nyomtatási sebesség rossz beállítása,
- rosszul megválasztott pasztaösszetétel vagy forraszszemcseméret,
- a felvitt paszta mennyiségének a tűrésből felfelé vagy lefelé való "kilógása".
A hibák előfordulási gyakoriságának csökkentésére a nyomtatóberendezés és a választott anyagok képességeit (hordozó, forraszpaszta, stencilrajzolat, nyomtatókés típusa), a nyomtatás beállításait (késsebesség, késnyomás, stencilelválasztási sebesség) kell alaposan megvizsgálni.
Kivonat
Amint az széleskörűen ismert és elfogadott, a hibalehetőségek zömét a forraszpaszta-nyomtatási folyamatban kereshetjük. A legtöbb elektronikai gyártásban minden forrasztási ponthoz és ezeken felül minden alkatrészhez definiálnak egy hibalehetőséget.
Példaképpen: egy 256 kivezetős Quad Flat Pack (QFP) alkatrés 256 forrasztott kötés + 1 alkatrész = összesen 257 hibalehetőség.
Másik példa: chipellenállás vagy -kapacitás: 2 forrasztott kötés + 1 alkatrész = összesen 3 hibalehetőség.
Ezt a megközelítést alkalmazva kiszámítható, hogy a hibalehetőségek több mint 80%-ában a forraszanyag felvitele szerepet játszik. Igaz ez az összes forrasztással kapcsolatos folyamatban, mint a nyomtatás, a hullámforrasztás, a szelektív vagy kéziforrasztás. Kulcsfontosságú a teljes folyamat hibaarány-javításában a pasztanyomtatási folyamat optimalizálása, amelynek a legjelentősebb hatása lehet a hibaarány csökkentésére és az elsődleges kihozatal maximalizálására.
Az SMT-technológia kialakítása óta hatalmas erőfeszítések történtek a forraszpaszta-nyomtatási folyamat értelmezésére és fejlesztésére. A kritikus tényezőket - mint a forraszpaszta-választás, a stencilgeometria és -gyártástechnológia, a késsebesség, a késnyomás, a dőlésszög, a stencilelválasztás sebessége - tervezett kísérletek (DOE) és statisztikai elemzések sorával mérték és határozták meg, majd optimalizálták. [1], [2], [3], [4]
A természetes fejlődés a termékfejlesztésben a 0201 passzív alkatrészméreten és a 0,4 mm-es lábkiosztású CSP alkatrész méretén is túlvisz minket, a 01005 méretű passzív alkatrészek és a 0,3 mm-es lábkiosztású CSP-k használata felé. Az egykor alaposan tanulmányozott folyamat-paramétereket újra meg kell vizsgálni, hogy meghatározhassuk, milyen anyagokkal és beállításokkal érhetünk el magas kihozatalt és alacsonyabb gyártási költségeket, mert a nyomtatási folyamat "nehézségi foka" drámaian nő.
A felületarány fogalma, mint a forraszpaszta nyomtathatóképességének határát jelző szám elterjedt a gyakorlatban. Miután nagyobb pasztalenyomatokat is alkalmazni kell azon termékeken is, amelyeken az elérhető legkisebb passzív és aktív alkatrészeket is használják, 100%-os kihozatalra törekedve a finomrajzolatú eszközöknél előfordulhat, hogy elégtelen mennyiségű forrasz kerül a nagyobb felületekre, s így a nagyobb CSP vagy BGA eszközöknél úgynevezett "head in pillow" hibák keletkeznek (a golyók nem megfelelően érik el a kontaktusfelületet).
Ezen megfontolások az ún. "szélessávú nyomtatás" elvéhez vezetnek. Számtalanszor feltett kérdés, hogy kialakítható-e forraszpaszta-nyomtatási folyamat miniatűr alkatrészekhez. Az első válasz: az a kérdés, hogy milyenek a panelen található egyéb alkatrészek? Ha a hordozón csak miniatűr alkatrészek lennének, a nyomtatási folyamat kialakítása viszonylag egyszerű lenne, mivel vékony stencil használatával és 4-es szemcseméret-osztályú forraszpaszta alkalmazásával elfogadható eredményt lehetne elérni. Tudomásunk szerint sajnos nincsenek kizárólag kisméretű alkatrészekkel szerelt termékek, ezért a folyamat tervezésekor minden alkatrészre tekintettel kell lennünk a panelen, kicsikre és nagyokra egyaránt.
Ha áttekintjük a nyomtatott huzalozású lemezek szereléstechnológiájának jelentős változásait az elmúlt 20 évben, folyamat- és technológiaváltásokat figyelhetünk meg. Némelyek, mint például az SMT bevezetése a tömeggyártásba, nyilvánvalóan technológiaváltás, hiszen új folyamatokat, berendezéseket, alkatrésztípusokat stb. hozott.
De mi a helyzet az olyan jelentős változásokkal, mint a finomrajzolatú (0,65 mm és 0,5 mm lábkiosztású QFP-k) alkatrészek megjelenése? Ezek folyamatváltozások, mivel ugyanazon technológiát és berendezéseket használják (finombeállítással) az új alkatrészek SMT gyártórendszerekbe való alkalmazásához.
És mit jelentett az ólommentes forrasztás bevezetése? Ez is technológiaváltás volt, mivel új anyagok bevezetésével és jelentős folyamatbeállítási és működtetési változásokkal járt.
Jelenleg milyen változás a 01005 méretű passzív alkatrészek és a 0,3 mm-es kivezetősűrűségű CSP-k bevezetése? Ez is technológiaváltás, mivel részletes stenciltervezési és gyártási tesztelést, forraszpaszta-kiválasztást követel meg, és a folyamatok megértésére és optimalizálására a nyomtatási paraméterek tervezett kikísérletezését, kutatását kell megvalósítani.
A kisméretű alkatrészek bevezetése - különös tekintettel a "széles spektrumú" nyomtatási elvárásokra - jelentős változás az SMT-folyamatban, és aprólékos mérnöki munkára és a beszállítók támogatására és tapasztalataira is építkezni kell, hogy megértsük és optimalizáljuk a folyamatot.
Megfontolások folyamatoldalról
A forraszpaszta áramköri hordozóra nyomtatása egy gyártási folyamat
A folyamat definíciója
"Független és összekapcsolt eljárások sorozata, amely minden állomásában egy vagy több erőforrást (munkaidő, energia, gép, anyagiak) használ a bemenetek (adatok, anyagok, részegységek stb.) kimenetekké alakítása érdekében. Ezen kimenetek azután a következő fázisban bemenetekként szerepelnek, amíg egy ismert célt vagy végeredményt el nem érünk."
Minden "összekapcsolt eljárás" és "bemenet" részletesen megismerendő, megértendő, optimalizálandó és ellenőrzendő a "kimenet" maximalizálása érdekében.
A forraszpaszta-nyomtatási folyamatban a bemenetek a forraszpaszta, a stencil rajzolata és gyártástechnológiája, a hordozó (nyomtatott huzalozású lemez), a hordozó alátámasztása, a nyomtatóberendezés, a nyomtatókés anyaga, szöge és vastagsága [5], [6], [7]. A működési változók magukban foglalják a kés sebességét és nyomását, a stencil és a panel elválasztási sebességét, a stenciltisztítást (folyamatát és gyakoriságát egyaránt), a hőmérsékletet és a vízzel lemosható forraszpaszták esetén a páratartalmat is. Az operátorok képzettsége és fegyelmezettsége szintén kulcsfontosságú a stabil, nagy kihozatalú folyamathoz. A kimenetek a jó és a selejtes termékek.
Csak egyetlen módja van a hatékony, nagy kihozatalú és stabil elektronikai gyártási folyamat kifejlesztésének. Ez kísérletezést és statisztikai elemzések végzését igényli a kritikus folyamatbemenetek és működési paraméterek meghatározására és optimalizálására. A folyamatot próbálgatásos módszerrel optimalizálni bizonyosan szabályozatlan folyamathoz vezet. Az ilyen módon beállított folyamatnak lesznek "jó és rossz napjai". Professzionális gyártórendszerekben senki sem engedheti meg magának, hogy egy bizonyos napon a folyamataiban előállított termékek csak remélhetőleg legyenek jók.
A folyamat tervezésének és optimalizálásának számos szempontja hatékony és pontos kísérletezést igényel. Ahhoz, hogy a lehető legtöbb információt nyerjük ki a lehető legkisebb költséggel, idő- és erőforrás-ráfordítással, statisztikailag tervezett kísérleti program szükséges. A kísérletekből levont következtetések meghatározóak a legjobb akcióterv kidolgozásához, hogy folyamatunkat kialakíthassuk. Így annak szabályozható változói adatokkal alátámasztott és objektív módon állíthatók be optimális szintekre úgy, hogy a kívánt eredményt adják. Ez a megközelítés szükséges olyan folyamatbemeneti változók szerepének megértéséhez és optimalizálásához, mint a forraszpaszta és a stencil.
Ha a folyamat már stabil, statisztikai folyamat-ellenőrzéssel (SPC) kell megfigyelni. A legjobb elérhető eredmény érdekében életbevágóan fontos a folyamat monitorozása, hogy a hiba-előfordulást megelőzzük. Ez sokkal fontosabb, mint a végtermék-ellenőrzés, amely már csak az előállott folyamathibák feltárását kísérli meg.
Minden miniatűr alkatrészhez tartozó nyomtatási folyamat különleges, mivel mindnél más kombinációja áll elő a bemeneti paramétereknek, működési beállításoknak, valamint a ciklusidő- és kihozatali céloknak. Csak ezekkel a folyamatra egyedien jellemző paraméterekkel folytatott kísérletek képesek optimalizálni az adott folyamatot. Mégis általános iránymutatást lehet adni a kísérletezéshez és a folyamatfejlesztéshez.
Anyagválasztási megfontolások
A nyomtatott huzalozású lemez sajátosságai
Az NYHL-nek elég merevnek kell lennie (vagy a nyomtatás alatt nagyon jó alátámasztás szükséges), és amennyire lehet, mentesnek kell lennie mindenféle furatoktól és kontúrmarásoktól. Ez kihívást jelenthet a felgyorsuló miniatürizálás világában. A vékonyabb panelek ugyanis nagyobb tervezési szabadságot kínálnak a kisméretű, hordozható berendezések konstruktőrei részére. Minimális elvárás, hogy az NYHL tartalmazzon legalább 3 illesztőjelet az áramköri rézfólián és ne a csatlakozó panelfelületen. Az NYHL-geometriákat és a gyártási anyagok és módszerek sokféleségét kell először megvizsgálnunk, és három kritikus tényezőre fókuszálnunk, amelyek közvetlenül befolyásolják a nyomtatás folyamatát. Ezek: a nyomtatási felületek mérete, a felületek bevonata és a forrasztásgátló maszk milyensége. Ezen paraméterek együttesen meghatározzák az anyagokat és eszközöket a folyamat kialakításához.
A stencil rajzolata
A helyes stenciltervezés biztosítja, hogy a tapadási erő, amely a paszta és a nyomtatási felület között ébred, meghaladja azt az erőt, amely a pasztát a stencilapertúrában igyekszik tartani. A két mérőszám, amelyekre figyelemmel kell lenni az apertúrák tervezésénél a paszta nyomtatási hatékonyságának maximalizálásához, az a nézetarány és a felületarány.
A nézetarány az apertúra szélességének és a stencil vastagságának az aránya.
A múltban az "ökölszabály" a maximális nyomtatási hatékonyság és a minimális apertúraeltömődés biztosítása érdekében az 1,5 vagy nagyobb nézetarány és a 0,66 vagy afölötti felületarány betartása volt.
1. táblázat. Nézetarány (1,5 vagy nagyobb ajánlott)
Kiszámítva egy 0,3 mm raszterű CSP alkatrész nyomtatási adatait, vagy túlzottan vékony stencilt kell használni, vagy kutatnunk kell alacsonyabb felületarányt lehetővé tevő apertúra/forraszfelület kombinációk lehetőségei után. Maradjunk a következőkben a metrikus számításoknál!
Tegyük fel, hogy 180 µm átmérőjű, kör alakú nyomatot szeretnénk létrehozni 0,3 mm-es raszterű CSP számára. 100 µm vastag stencilt használva 0,45-ös felületarány adódik. A stencil vastagságát 90 mikrométerre választva 0,5 a felületarány, de ez még mindig a legtöbb tervező által korábban ökölszabályként használt érték alatt van.
Ha feltesszük, hogy két 200×200 µm méretű négyzetet kell nyomtatnunk, hogy rövidzár és "sírkő" hibajelenség nélkül tudjunk forrasztani 01005 méretkódú chipalkatrészt, 100 µm vastagságú stencillel 0,5 felületarány adódik. 90 µm-re vékonyítva a stencilt 0,56-ig tornázhatjuk fel a felületarányt. Ezek az értékek testesítik meg a soron következő kihívást a magasabb gyártóképességű forraszpaszták fejlesztése előtt.
2. táblázat. Felületarány (0,66 vagy nagyobb ajánlott)
(folytatjuk)
