Schablonendrucktechniken für anspruchsvolle heterogene Montageanwendungen

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Eine neue Generation von SMT-Chipkondensatoren in nahezu mikroskopischer Größe ist auf dem Markt erschienen, bekannt als 0201 (Etikett mit metrischen Maßen) oder 008004 (Etikett mit imperialen Maßen). Montageergebnisse unter Verwendung dieser Komponenten bleiben der Veröffentlichung bisher weitgehend verborgen und sind in hohem Maße proprietär. Es wird erwartet, dass alle Aspekte des Montageprozesses herausgefordert werden, um dem extremen Miniaturisierungsgrad dieses Geräts gerecht zu werden. Das Ziel dieser Forschung besteht darin, den Schablonendruckprozess auf Kompatibilität mit der Kondensatorbaugruppe M0201 (metrisch 0201) zu untersuchen und zu charakterisieren. Die Auswirkungen der Leiterplattenqualität, der Schablonendicke und der Nanobeschichtung der Schablone sind die wichtigsten experimentellen Variablen, die im Zusammenhang mit der Effizienz der Lotpasten-Volumenübertragung und der Rohvolumen-Druckverteilung berichtet werden.

Abbildung 1:Abmessungen und Toleranzen des M0201-Kondensators.

M0201

Die Bezeichnung M0201 impliziert eine Gehäusegröße von 0,2 mm Länge und 0,1 mm Breite, obwohl diese tatsächlich mit Nennabmessungen von 0,25 mm x 0,125 mm hergestellt werden (Abbildung 1).

Im Vergleich der Grundfläche deckt der M0201 nur 39 % einer M0402-Chipkomponente (imperial 01005) ab. M0201-Kondensatoren waren erstmals im Jahr 2014 für Massenprototypenmontagetests kommerziell erhältlich. Es ist noch nicht bekannt, dass passive Widerstände M0201 angeboten werden.

In Abbildung 2 sind die vom Komponentenhersteller vorgeschriebenen PCB-Anschlussflächendesignoptionen für M0201 dargestellt. Die kleinste Padgröße beträgt 125 μm x 70 μm, was ungefähr der Grundfläche des Metallendanschlusses entspricht. Die größte Pad-Größe verdoppelt nahezu die kleinste Pad-Größenfläche von 145 μm x 120 μm.

Das von uns bevorzugte Pad-Design ist in Abbildung 3 dargestellt und liegt an der Obergrenze des empfohlenen Pad-Größenbereichs. Zu den Beweggründen für die Verwendung derart großer Polsterabmessungen gehören:

Figur 2:Empfehlungen zur Pad-Größe des Herstellers M0201.

Überätztes Cu dürfte bei diesem Größenmaßstab problematisch sein. Die Verwendung des größten Cu-Pad-Designs sollte zumindest dazu beitragen, die Herstellbarkeit von Leiterplatten zu verbessern.

Typischerweise spiegelt die Größe der Schablonenöffnung die Abmessungen des Polsters wider. Die größte Pad-Fläche bietet einfachere Öffnungsflächenverhältnisse und ermöglicht möglicherweise eine verbesserte Kontrolle des Druckvolumens.

Vorausgesetztes Lotvolumen

Die Bestimmung einer geeigneten Schablonenöffnungskapazität erfordert grundlegende Kenntnisse über die geeignete Form der Reflow-Lötverbindung. Um dies festzustellen, wurde der IPC-A-601E-Standard als geeignete Referenz herangezogen. Abbildung 4 zeigt das Modell, mit dem die Struktur einer akzeptablen M0201-Lötverbindung mit minimalem Volumen ermittelt wurde. Für Abmessungen, die nicht ausdrücklich im 601E-Standard vorgesehen sind, hatte die Beurteilung des Autors Vorrang. Die Bestimmung dieses kleinsten Lotvolumens ist hilfreich bei der Erstellung eines Schablonendesigns und zur Bewertung der Druckleistung anhand von SPI-Daten (Solder Paste Inspection).

Figur 3:Ausgewähltes M0201-Pad-Design für die Untersuchung von Flüssigkeiten

Die Geometrie der Lötanschlüsse mit minimalem Lötvolumen wurde als Dreiecke an den Seiten (V1, V2) und am Ende des Anschlusskontakts (V3) vereinfacht, während der rechteckige Bereich darunter den größten Volumenbeitrag zur Lötstelle leistet (V4). . Das Lotdickenmaß G trägt wesentlich zum gesamten Lötstellenvolumen bei. Da das Ziel hier darin besteht, ein Mindestlötvolumen zu bestimmen, erfordert unsere Interpretation des 601E-Standards nicht, dass das Pad vollständig benetzt sein muss, um eine akzeptable Lötverbindungsform zu bilden. Ein akzeptables Volumenverhältnis von Lotpaste zu Metall beträgt 2:1. Daraus ergibt sich, dass jeder Chip-Komponentenanschluss mindestens 0,48 Nanoliter (1 nl = 1.000.000 μm3) gedrucktes Lotpastenvolumen erfordern sollte, um eine akzeptable Reflow-Lötverbindung zu bilden. Beachten Sie, dass sich diese Menge an die ausgewählten Pad-Abmessungen anpasst (dh kleinere Pads benötigen nicht so viel Lotpaste, um den Anforderungen zu entsprechen).

Figur 4:Anschlussmodell mit minimalem Lötvolumen.

Die Druckschablone muss mit Öffnungsabmessungen ausgestattet sein, die einen Lotpastentransfer von mindestens 0,48 nl pro Pad ermöglichen. Die Schwierigkeit, dies zu erreichen, hängt mit praktischen Beschränkungen der Schablonendicke zusammen. Für die Produkte, bei denen M0201 voraussichtlich erstmals zum Einsatz kommen wird, beträgt die heute übliche Schablonendicke 100 μm. Die Einbeziehung von M0201 wird die Verwendung noch dünnerer Schablonenfolien erfordern, um das Risiko unzureichender Pastenablagerungen aufgrund verstopfter Öffnungen zu verringern. Es ist gut dokumentiert, dass die Druckübertragungseffizienz (TE) von Lotpaste proportional zum Flächenverhältnis der Schablonenöffnung skaliert. Das Flächenverhältnis (AR) ist definiert als die Aperturöffnungsfläche dividiert durch die Aperturwandfläche.

Wenn sich die AR-Werte weiter von 0,6 entfernen, erhöht sich der durchschnittliche Pastenübertragungsverlust, während gleichzeitig die Streuung in der Größe und Form der gedruckten Ablagerungen zunimmt.

Um den vollständigen Artikel zu lesen, der in der Märzausgabe 2018 des SMT007 Magazine erschien, klicken Sie hier.