Stufenschablonentechnologien und ihre Auswirkung auf den SMT-Druckprozess

Lesezeit (Wörter)

Komponenten wie Quad Flat No Lead (QFNs), Land Grid Array (LGAs), Micro Ball Grid Array (Micro BGAs), 0201 und sogar 01005 drängen Hersteller weiterhin dazu, dünnere Schablonenfolien zu verwenden, um die richtige Pastenmenge auf ihre Platinen aufzutragen , aber größere Komponenten wie Kantenverbinder erfordern immer noch größere Pastenmengen. Hierfür werden seit vielen Jahren Stufenschablonen verwendet. In der Vergangenheit war die primäre Methode zur Herstellung dieser Stufenschablonen die Verwendung eines fotochemischen Ätzverfahrens. In jüngster Zeit sind neue Methoden zur Herstellung von Stufenschablonen entstanden, darunter Laserschweißen und Mikrobearbeitung.

Das fotochemische Ätzen ist ein etabliertes Verfahren und wird seit Jahrzehnten eingesetzt. Es handelt sich um einen subtraktiven Prozess, der dem Prozess zum Ätzen von PWBs sehr ähnlich ist. Die Edelstahl-Schablonenfolie wird mit einem Fotolack beschichtet, mit einem fotografischen Verfahren bebildert und entwickelt, wobei der Lack alle Bereiche schützt, deren Dicke nicht reduziert oder geätzt werden soll. Die Folie wird in eine Ätzmaschine gelegt, wo chemisches Ätzmittel auf die Schablone gesprüht wird, das die Edelstahlfolie auflöst, bis die richtige Dicke erreicht ist.

Abbildung 1: Chemischer Ätzprozess zur Erstellung einer Stufenschablone.

Sobald die gewünschte Schablonendicke erreicht ist, wird der Fotolack entfernt. Die Tiefe der geätzten oder abgestuften Bereiche bei diesem Verfahren hängt von der Zeit ab, die die Schablone der Ätzchemie ausgesetzt ist. Der chemische Ätzprozess ist unten dargestellt (Abbildung 1).

Beim Laserschweißverfahren werden unterschiedlich dicke Schablonenfolien miteinander verschweißt. Es ist kein chemisches Ätzen erforderlich, sondern nur Laserschneiden und Laserschweißen. Die Stufenöffnungen werden aus der ersten Schablone ausgeschnitten. Aus einer zweiten Schablonenfolie der gewünschten Stärke werden die entsprechenden Stufenbereiche ausgeschnitten. Die Stufenstücke werden in die Öffnungen der ersten Schablone eingesetzt. Anschließend werden die Teile per Laser verschweißt. Die Dicke des Stufenbereichs wird durch die Dicke des verwendeten Stahls bestimmt. Der Laserschweißprozess ist unten dargestellt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Laserschweißprozess zur Erstellung einer Stufenschablone.

Der Mikrobearbeitungsprozess ist ein subtraktiver Prozess ähnlich dem Ätzprozess, bei dem jedoch keine Chemikalien zum Einsatz kommen. Beim Mikrobearbeitungsprozess wird eine hochspezialisierte computernumerisch gesteuerte (CNC) Fräsmaschine verwendet, um jeweils sehr kleine Materialmengen zu entfernen. Der Mikrobearbeitungsprozess ist unten dargestellt (Abbildung 3).

Diese drei Verfahren zur Erstellung von Stufenschablonen führen zu unterschiedlichen Texturen innerhalb des Stufenbereichs. Die Texturen der Stufenschablonen sind unten dargestellt (Abbildung 4).

Abbildung 3: Der Mikrobearbeitungsprozess zur Erstellung einer Stufenschablone.

Experimentelle Methodik

Es wurde ein Stufenschablonendesign mit unterschiedlich dicken Stufentaschen erstellt. Die Basisschablonendicke betrug 4,0 Mil (101,6 Mikrometer) und die abgesenkten Taschen waren 3,5 Mil (88,9 Mikrometer), 3,0 Mil (76,2 Mikrometer), 2,5 Mil (63,5 Mikrometer) und 2,0 Mil (50,8 Mikrometer) dick. Die Fläche jeder Stufe betrug 25,4 mm (1 Zoll im Quadrat). Das Stufendesign ist unten dargestellt (Abbildung 5).

Die Dicke jeder Stufentasche wurde mit einem FARO-Armgerät gemessen. Die Messungen für jede Schritttechnologie wurden verglichen und gegenübergestellt.

Für die folgenden Komponenten wurde ein Aperturmuster erstellt: 03015 metrisch, 01005, 0,3 mm BGA, 0,4 mm BGA und QFNs mit 0,5 mm Rastermaß. Öffnungen für jede Komponente wurden in unterschiedlichen Abständen von den Stufenkanten geschnitten; 10, 20, 30, 40 und 50 mil. Ziel war es, für jede Stufenschablonentechnologie zu ermitteln, wie nah die Lötpaste an der Stufenkante gedruckt werden kann.

Abbildung 4: Texturen der Stufenbereiche für die drei Stufentechnologien.

Abbildung 5: Step-Down-Taschendesign.

Zum Vergleich wurden auch in der Mitte jedes Stufenbereichs Öffnungen eingeschnitten.

Jede Schablone wurde mit zwei Stufen- und Öffnungssätzen hergestellt. Ein Satz Stufen und Öffnungen wurde mit einer Fluorpolymer-Nanobeschichtung (FPN) beschichtet.

Die Auswirkungen der FPN-Beschichtung wurden mit dem unbeschichteten Teil der Schablone beim Drucken von Lotpaste verglichen. Für jede Stufenschablone wurde eine 10-Druck-Studie mit der beliebten No-Clean-Lötpaste SAC305 Typ 4 durchgeführt. Die verwendeten Leiterplatten bestanden aus blankem kupferkaschiertem Material mit einer Dicke von 0,062 Zoll (1,57 mm). Der verwendete Drucker war ein DEK Horizon 02i.

Klicken Sie hier, um die vollständige Version dieses Artikels zu lesen, der in der Dezemberausgabe 2017 des SMT Magazine erschien.