Все о трафаретах в SMD-монтаже

Трафарет — технологическая оснастка, применяемая для получения отпечатка паяльной пасты на поверхности контактных площадок. В технологии пастопечати применяются металлические трафареты.

Проектирование трафарета — это создание шаблона определенной толщины с апертурами, отвечающими требованиям технологии пастопечати. Проектирование и разработка трафарета происходит на основании IPC-7525A «Руководство по конструированию трафаретов» и требований, указанных в технической документации (Datasheet) на конкретный компонент.

Апертуры трафарета разрабатываются в программе CAM350 на основе Gerber-файлов, созданных разработчиками печатной платы. Gerber — файловый формат, представляющий собой описание и визуализацию проекта печатной платы. Файл Gerber содержит изображения слоев платы: шелкография, маска, верхний токопроводящий слой, внутренние токопроводящие слои, контур печатной платы, слой металлизации (меди), металлизированные и неметаллизированные отверстия и т. д.

Для того чтобы при отделении трафарета от платы паяльная паста полностью оставалась на поверхности контактных площадок, и объем отпечатка соответствовал объему апертуры трафарета, необходимо соблюдать следующие рекомендации при проектировании:

1. Отношение площади апертуры к площади внутренних стенок апертур должно быть больше 0,66.
2. Ширина апертур должна быть в 1,5 раза больше толщины трафарета.
3. Минимальное расстояние между апертурами должно составлять 0,21 мм. Данный параметр характеризует вероятность образования перемычек между ближайшими отпечатками пасты. Для определения максимальной толщины трафарета должны быть учтены размеры минимальной апертуры трафарета.

При несоблюдении рекомендаций паста остается в апертурах трафарета в процессе отрыва трафарета от печатной платы. Это происходит из-за несоблюдения отношения площади апертуры к площади внутренних стенок апертур.

Проектирование трафарета выполняется в программе CAM350, которая имеет функцию автоматической проверки соотношения площади апертур к площади стенок апертур, соотношения ширины апертуры к толщине трафарета, а также проверяет минимальное расстояние между апертурами. Для каждого вида площадок существуют свои правила относительно размеров и форм апертур. Правила конструирования апертур описаны в IPC-7525А и технической документации на компонент.

1. Апертуры трафарета должны быть скруглены для уменьшения прилипания паяльной пасты к стенкам и углам при отрыве трафарета в процессе пастопечати.
2. Подрезка апертур чип-компонентов выполняется одним из методов: «основная база», «галстук-бабочка», овальная апертура. После подрезки апертуры должны быть скруглены. На основании рекомендаций Panasonic было установлено, что тип подрезки «галстук-бабочка» позволяет исключить образование бусинок припоя между контактными площадками компонента. Подрезка осуществляется на глубину, равную от 1/5 до 1/3 длины апертуры.
3. Overprint (когда апертуры больше контактной площадки) необходим в том случае, если стандартного количества паяльной пасты (когда апертура меньше или равна контактной площадке) недостаточно, чтобы обеспечить требуемую высоту паяного соединения.
4. Разбиение больших апертур — апертуры площадью больше 10 мм² должны быть разбиты на «оконные стекла» с минимальным шагом 0,1 мм между ними, чтобы предотвратить вычерпывание паяльной пасты ракелем в процессе пастопечати, а также для выхода паров флюса в процессе пайки.
5. Апертуры для компонентов с BGA-выводами (шариковых) с малым шагом должны быть квадратными, со стороной квадрата, равной диаметру площадки на плате. Углы апертур должны быть скруглены, радиус скругления 0,06–0,09 мм.
6. Апертуры для компонентов, имеющих площадку под корпусом для отвода тепла, и для корпусов QFN, LGA рекомендуется уменьшить на 50–80% и разбить на «оконные стекла» с минимальным шагом 0,1 мм между ними. Апертуры не должны попадать на сквозные переходные отверстия.

Ступенчатый трафарет — это трафарет, который имеет на своей поверхности зоны с уменьшенной или увеличенной толщиной металла, благодаря этим зонам (ступеням) меняется высота отпечатка паяльной пасты. В трафарете необходима ступень, если для определенного компонента не соблюдается отношение площади апертуры к площади внутренних стенок апертур, или в спецификации компонента прописаны рекомендации по конфигурации и высоте апертур в трафарете.

Существует несколько основных видов ступенчатых трафаретов:

1. Трафарет, выполненный по принципу step-up — утолщение определенных областей трафарета.
2. Трафарет, выполненный по принципу step-down — утоньшение определенных областей трафарета.

Ступенчатый трафарет может изготавливаться, если печатная плата имеет утолщение поверхности, которое мешает плотному прилеганию трафарета. В таком случае в трафарете возможно выполнение полостей, компенсирующих неровности печатной платы. Утолщениями являются приподнятые переходные отверстия, штрихкодовые этикетки на печатной плате и печатные платы с наращенными дорожками.

BGA-трафареты для реболлинга — это оснастка для сложного ремонта компонентов, имеющих BGA-выводы. Почему необходим ремонт, если можно просто заменить компонент? Компоненты с BGA-выводами являются дорогостоящими и сложными в изготовлении, поэтому разработана система ремонта выводов-шариков с использованием трафарета для реболлинга.

Этапы процесса реболлинга:

1. С компонента снимаются выводы-шарики (при помощи флюса и оплетки).
2. Компонент устанавливается в держатель.
3. На очищенную поверхность компонента наносится флюс.
4. Зафлюсованный компонент в держателе закрывается трафаретом для реболлинга и надежно фиксируется крепежами.
5. В отверстия трафарета «накатываются» новые шарики припоя — в каждое отверстие попадает шарик необходимого диаметра.
6. Держатель с компонентом, трафаретом и новыми шариками помещается в специальную печь оплавления — станцию для реболлинга горячим воздухом.
7. После оплавления конструкция разбирается в обратной последовательности, и проводится визуальный контроль установки шариков-выводов при помощи микроскопа.

Использование трафаретов для реболлинга несет экономические преимущества и используется на высокотехнологичных производствах.

Наличие царапин, заломов и вмятин на трафарете приводит к некачественному отпечатку паяльной пасты на контактных площадках. Упаковка и хранение трафарета строго регламентированы. Трафареты хранятся в вертикальном положении в специальных конвертах.

Срок службы трафарета зависит от материалов трафарета и ракеля, может составлять от 10 000 до 50 000 проходов ракеля (металлические ракели приводят к большему износу трафаретов). Почему у трафарета есть срок службы? При длительном использовании трафарета происходит деформация материала (растяжение), а также уменьшается его толщина. Результат работы на дефектном трафарете: смещение отпечатка паяльной пасты и уменьшение его объема.