Az elektronikai sorozatgyártás nélkülözhetetlen eleme, a pasztanyomtatás lényegében minden elektronikai területen jelen van, kezdve a gépjárműipartól a világítástechnikai iparon át a távközlésig. Minden alkalmazó iparág esetében igaz, hogy egyedi követelményeket támasztanak a pasztanyomtatással kapcsolatban: a gépjárműipar például kimagasló megbízhatóságot követel meg, a távközlési alkalmazásoknál pedig többnyire a sebességet és időegységre jutó nagy termelékenységet értékelik a legtöbbre

Ha azonban azt nézzük, hogy mely ipari szektor áll a technológiai fejlődés mögött, akkor a mobilkommunikációval találkozhatunk: a gyakorlat azt mutatja, hogy a mobilkommunikációs eszközök (okostelefonok, táblagépek, ultrabookok stb.) gyártói és fejlesztői azok, akik elsőként követelik meg az aktuális pasztanyomtatási csúcstechnológiákat

A mobilkommunikációt a kis méretek, a rendkívüli funkciógazdagság, a folyamatos rendelkezésre állás és a hosszú távú megbízhatóság jellemzik — hiszen a vásárlóközönségnek mindezekre szüksége van. Ahhoz, hogy mindezen elvárásoknak a termékek megfeleljenek, az elektronikai szerelési specialistáknak a néha már extrém követelmények okán a legfejlettebb rendszerekre és technológiákra van szüksége. A nagy termelékenység a jövedelmező gyártás miatt szintén fontos, és jól tudjuk, hogy a pasztanyomtatás jelentősége ebből a szempontból milyen nagy, hiszen a nyomtatott áramköri hordozók gyártásánál valamennyi hiba közel 60%-ának forrása a pasztanyomtatásban keresendő. Röviden és tömören: a megfelelő minőségű pasztanyomtatás rendkívül fontos eleme a gyártásnak, ezt biztosítani az esetek döntő többségében egyre nehezebb feladat, hiszen a geometriai méretek állandóan csökkennek, a beültetett alkatrészek sűrűsége egyre nő. A gyártók és szolgáltatók képesek voltak az igények növekedésével lépést tartani, ám ahhoz, hogy ez továbbra is így maradjon, a rövid és hosszú távú célok miatt hamarosan új megoldásokra leszszükség.

Hogyan fog tehát kinézni a pasztanyomtatási iparág a közeli és távolabbi jövőben? Semmi kétség, hogy ami ma kicsinek számít, az a jövőben még kisebb lesz, és ennek a pasztanyomtatásra drámai ráhatása lesz.

Pasztanyomtatás: a múlttól a jelenig

Mindössze 15 évvel ezelőtt az átlagos mobiltelefonok nyomtatott áramköri hordozójának mérete kb. 130×40 mm volt, és jellemzően 200-300 alkatrész került rájuk beültetésre, amelyek közül a legfinomabb raszterosztású a 0,5 mm-es kivezetőkiosztású QFP tokozású integrált áramkör volt. A mai okostelefonoknál a hordozó mérete ennek mintegy fele, míg az alkatrészszám a duplája vagy triplája, attól függően, hogy milyen készülékről beszélünk. Sok hordozót már kétoldalasan szerelnek, hogy teljesíteni tudják az igényeket (lásd 1. ábra). Ez rendkívül nagy beültetési sűrűségű, finom raszterosztású alkatrészekkel tűzdelt szerelvényt eredményez, amely meg a pasztanyomtatás során nagy pontosságot követel.

1. ábra. Az 1997-es Philips Cellnet (fent) és a 2012-es iPhone 5 (lent) nyomtatott áramköri hordozója

Míg a 0,4 mm-es kivezetőkiosztású CSP tokozású áramkörök nem is olyan sokkal ezelőtt túlzóan igényes megoldásnak tűntek, ma már csupán átlagosak a mobilkommunikációs szektorban, és ennek megfelelően gyakorlatilag bármely termék anyaglistájában lehet legalább egy ilyen alkatrésszel találkozni. E fordulat előtt már jóval előbb létezett az a nyomtatási technológia, amely támogatja ezeket a finom raszterosztású alkatrészeket, azonban a 0,4 mm-es CSP-ket és különösen a 01005 méretkódú alkatrészeket a nagy sorozatú gyártásban csak az utóbbi években kezdték széles körben támogatni a pasztanyomtatás tekintetében. Az iparág elérte azt a pontot, amelyet sokan megjósoltak, és amely a jelenlegi technológiákkal elérhető csúcspontot képviseli. Vajon ez egyben a pasztanyomtatási technológia végét is jelentené?

Pasztanyomtatás: a közeli jövő

Az igazság az, hogy a standard pasztanyomtatási eszközök vonatkozásában a 0,4 mm-es CSP-knél és 01005 méretkódú alkatrészeknél valóban elértük a teljesítőképesség határát. Ám az elektronikai iparban nagyon hamarosan még kisebb méretű rendszerekkel kell majd dolgozni, amely jelenti a kisebb alkatrészméreteket, a nagyobb beültetési sűrűséget, a finomabb raszterosztást, a nagyobb alkatrészféleséget, valamint a még vékonyabb és akár flexibilis áramköri hordozókat. A miniatürizálás miatt rendkívül sok megszorítással kell számolni, amelyekre tekinthetünk úgy is, mint a következő generációs technológiák kifejlesztése mögötti hajtóerőre (lásd 2. ábra).

Ha jobb betekintést szeretnénk nyerni a közeljövő (a következő 2-3 év) várható ipar­ági fejleményeibe, érdemes vetnünk egy pillantást az IPC kiadásában megjelent, 2013-as technológiai útitervbe. A 3. ábra szemlélteti a CSP tokozású alkatrészek raszterosztásának finomodását a közeljövőre nézve. Realisztikusan tekintve a helyzetet, a 0,3 mm-es CSP formátum a következő három évben elfogadásra és alkalmazásra kerül az iparban, ehhez pedig a szabványosítotthoz képest valamelyest eltérő nyomtatási eszközöket kell használni, amelyeknek egy része már ma is elérhető.

3. ábra. Az IPC 2013-as technológiai útiterve a közeljövőre nézve ultrafinom raszterosztású CSP alkatrészek tömeges eljövetelét vetíti előre

Bár a pasztanyomtatásnak számos fontos eleme és lehetséges végkimenetele van, a legfontosabb mindezek közül mindenképpen a kiváló pasztaátviteli hatékonyság. A 0,3 mm-es raszterosztású, CSP tokozású alkatrészek azért váltak támogathatóvá a pasztanyomtatásban, mert sikerült megoldani, hogy a megfelelő mennyiségű szerelési anyag (forraszpaszta) kerüljön jól középpontosítva a forrasztási felületekre. Az igazi kihívást valójában nem a kis pasztamennyiség, hanem a nagyobb mennyiségek melletti kis pasztamennyiség nyomtatása jelenti. Az áramvonalasított és nagy termelékenységű folyamat, valamint a kicsi és nagy pasztamennyiségek egy menetben történő nyomtatása szempontjából az egyszeres vastagságú stencil az ideális megoldás. A területarány (a nyitott apertúraterület és az apertúrafal területe közötti arány) határozza meg alapvetően a nyomtatás pasztaátviteli hatékonyságát. Korábban a mérnökök 0,6-ot meghaladó aránnyal dolgoztak a siker érdekében, azonban a korábbi évek vívmányaiként elérhető anyagok jóvoltából egészen 0,5-ig le lehetett szorítani ezt az arányt. Sőt, a jövőben ennek az aránynak a még további csökkentésére is lehet számítani (lásd 4. ábra).

4. ábra. A pasztanyomtatás alapszabályai a területarány tükrében

A heterogén, vagyis finom raszterosztású és standard alkatrészeket is tartalmazó szerelvényeknél a jó és konzisztens pasztaátviteli hatásfok eléréséhez új eszközöket és technikákat kell bevetni, hiszen biztonsággal megállapíthatjuk, hogy a jó hatásfokot 0,3 mm-es CSP-knél és nagyméretű csatlakozóknál hagyományos módszerekkel és eszközökkel nem fogjuk elérni. A kisméretű alkatrészek nagy sűrűséggel történő beültetéséhez az SMT-mérnököknek mindent elő kell venniük a bűvészkalapjukból, ami csak elérhető, így például:

• aktív nyomtatókést a heterogén, szimpla vastagságú stenciles konfigurációhoz a jó pasztaátviteli hatékonyságért,
• nanotechnológiás stencilbevonatot annak érdekében, hogy megakadályozzák a paszta hozzáragadását a stencil alsó oldalához és ezzel stabilabb nyomtatási minőséget biztosítsanak és kevésbé legyen szükség tisztításra,
• tudatosabb apertúraforma-tervezést (szögletes, kontra kerek) a jobb átviteli hatásfok elérése érdekében,
• finomabb részecskeméretű forraszpasztákat (pl. Type 4.5 és változatai).

Ezek közül többre, de valószínűleg mindegyikre szükség lesz ahhoz, hogy az IPC technológiai útitervében a közeljövőre vonatkozó követelményeket kielégíthessük. A jó hír az, hogy ezek az eszközök már léteznek és elérhetők, ám nem lehet felhőtlen a boldogságunk, hiszen nem elég a kiváló pasztaátviteli hatásfok az egyre csökkenő nyomtatási térfogatoknál, mert ennek nagy sorozatban megismételhetőnek is kell lennie. Ez azt jelenti, hogy a kihívást nemcsak a miniatürizálás, hanem a miniatürizálás és a nagy sorozatú gyárthatóság kombinációja jelenti, ehhez pedig a nyomtatási technológia több tényezőjének együttállása szükséges (l. 5. ábra).

5. ábra. A nyomtatási technológiai paraméterek befolyása a gyártási kihozatalra

A jó gyártási kihozatal egész egyszerűen az időegység alatt gyártott, specifikációknak megfelelő kártyák számát jelenti. Bár van néhány tekintetben átlapolódás a miniatürizálással kapcsolatos problémákkal (pl. az első jó gyártmány elérése és a folyamat fenntarthatósága), a jó kihozatal elsősorban a folyamatban működő berendezések képességeitől és csak másodsorban a gyártástechnológiától függ. A pasztanyomtatás kötelező kelléke a közeljövőtől kezdődően már nemcsak zárt hurkú, forraszpaszta-vizsgálatalapú (SPI) ofszetkorrekciós és tisztításoptimalizálós visszacsatolás, hanem a jobb nyomtatókihasználtságot és gyártási kihozatalt biztosító intézkedések is lesznek. A holt­idő és ciklusidő csökkentését kiválóan támogatja a gyors transzport, igazítás és tisztítás, valamint a párhuzamos feldolgozás. Realisztikus elvárásnak tekinthető, hogy mindezen nyomtatási eszközök kiszolgálják a közeljövő nyomtatási igényeit, és máris rendelkezésre állnak.

Pasztanyomtatás: a távoli jövő

A következő 3-4 év kihívásaira választ adó nyomtatási technológiák a 2000-es évek derekától már léteztek, mivel az innovátorok mindig néhány lépéssel az ipar előtt jártak. Az optimista hozzáállás szerint ez az alapfelállás a jövőre nézve is érvényes marad (öt­éves távlatban legalább), azonban a paradigmaváltás elkerülhetetlen lesz.

A már említett IPC technológiai útiterv alapján a 0,25 mm-es raszterosztású kivezetőkkel rendelkező CSP alkatrészek alkalmazása 2019-ig széles körű és általános lesz, csakúgy, mint a 0201 méretkódú kondenzátorok — ez utóbbiakból rövidesen a mintapéldányok is rendelkezésre állnak majd. A távoli jövő tehát korábban elérkezik, mint ahogy azt az ipar várná (szeretné), és a 4. ábrán mutatott területarány-táblázatot még tovább kell majd finomítani (bővíteni).

A nyomtatási folyamatra nézve mind­ennek sok következménye van, amelyekhez a hagyományostól eltérő megközelítésre van szükség. Ha a mai szabványos megoldásokkal az említett kisméretű alkatrészeket nagyobb méretűek mellett szeretnénk nyomtatni, lépcsős stencilre vagy két munkamenetes nyomtatásra, valamint a felsorolt eszközökre és megoldásra van szükség. A múltban tapasztalt innovációs hajlam alapján bátor, de reális elképzelés az, hogy ennél a heterogén konfigurációnál ezt a célt egy stencilvastagsággal is elérhetjük a közeljövőben.

A pasztanyomtatási technológia távolabbi jövőjének legnagyobb kihívásai mégsem a nyomtatási folyamatból erednek. Az áramköri hordozók (amelyek többségében nyomtatott áramköri kártyák) minősége (különös tekintettel a toleranciákra és a planaritásra) még ma is sokszor komoly problémát jelent, hát még a következő öt év megnövekedett követelményei fényében! Ha a hordozó toleranciái kívül esnek a stencil tűrésein (szakzsargonnal élve „kártyanyúlás"), igazítási hiba, végül pedig pontatlanul adagolt forraszpaszta lesz az eredmény. A növekvő alkatrészsűrűség és csökkenő kivezetéstérközök miatt a kártyatoleranciáknak a sikeres nyomtatáshoz rendkívül szűknek kell lenniük. Erre megoldást jelenthet az, ha méretre darabolás helyett egyből az adott méretre kerülnének legyártásra a panelek. Ebben az esetben minden kártya igazítása során a toleranciákból és félreigazításokból adódó hibák mindegyike kiküszöbölhető lenne anélkül, hogy ez hátrányosan érintené a termelékenységet. A nyomtatott huzalozású kártyákat gyártó cégek már ma is rendelkeznek ezzel a technológiával, hiszen alapvetően a felületszerelési iparág felelős azért, hogy a paneldarabolás bevett szokássá vált. Ez a virtuális paneles megközelítés lehetővé teszi, hogy mindkét világ előnyeit kombináljuk: az egyedi gyártású kártyákét és a többkártyás, panelekbe rendezett szerelvényekét. Annyi azonban biztos, hogy a nyomtatott huzalozású hordozók minőségének fejlődnie kell már középtávon is, mert enélkül falba ütközünk.

Milyen további jellemzői lesznek a távoli jövő nyomtatási technológiájának? Valószínűleg tovább fog bővülni a forraszpaszta-vizsgálati szolgáltatások köre. Ma az SPI-t többnyire csak a stenciltisztítás optimalizálására és igazításra vonatkozó visszacsatolásra használjuk, a jövőben azonban aktív szabályozásra is egyre inkább alkalmasak lesznek ezek az információk a nagyobb kihozatal és az operátortól való függés elkerülése érdekében. A nyomtatók intelligens jellemzői szintén nagyobb hangsúlyt kapnak a jövőben.

Mit mond a kristálygömb?

Jövőbe látó kristálygömbje természetesen egyikünknek sincs, vannak azonban megbízhatónak vehető adataink, amelyek a jövőbeli iparági igényeket körvonalazzák alkatrészméret és szerelési alkatrészsűrűség tekintetében (lásd 6. ábra).

6. ábra. Az elektronika jövője: 24/7 online üzemelés, WiFi-hálózat mozgó gépjárműben, szuperkomputerek teljesítményével vetekedő mobilprocesszor

Vitán felül áll, hogy a ma rendelkezésre álló nyomtatási technológia a közeljövő igényeit teljes mértékben képes lesz kiszolgálni, így a távoli jövőre kell koncentrálni ahhoz, hogy továbbra is egy lépéssel az aktuális igények előtt maradjunk. Az új adagolási módszerek, új stencilarchitektúrák, „virtuális" darabolású nyomtatott áramköri hordozók, gyorsabb és jobb kihasználtságú nyomtatóplatformok, az SPI-adatok teljesebb felhasználása a legfontosabb és legütőképesebb eszközök, amelyekkel a távolabbi jövő igényei is kielégíthetők.

A végcél a „bombabiztos", operátor nélküli nyomtatás. Azt, hogy ez valaha megvalósul-e, csak az idő mondja meg. Ne feledjük azonban, hogy tíz éve még senki sem gondolta volna, hogy 0,4 mm-es raszterosztású CSP-ket nagy sorozatban tudunk gyártani, és a 0,3 mm-esek is elérhető közelségbe kerülnek.

A DEK International honlapja