Многоуровневые трафареты Alphametals для поверхностного монтажа

Метод трафаретной печати получил широкое распространение наряду с дисперсионным методом нанесения паяльных паст и клея на печатные платы. Опытные технологи знают, насколько важен в технологии поверхностного монтажа такой компонент как трафарет (см. рис. 1), который необходим для формирования отпечатка паяльной пасты на печатной плате.
Под трафаретной печатью в сборке электронных устройств понимается нанесение паяльной пасты на контактные площадки при помощи ракеля, двигающегося по поверхности трафарета, через находящиеся на ней окна. Значимость процесса нанесения паяльной пасты демонстрируют рисунки 2 и 3, где изображены сформированные отпечатки на контактных площадках.

Рис. 1. Фрагмент многоуровневого трафарета

Рис. 2. Неравномерное формирование отпечатка паяльной пасты на контактных площадках

Рис. 3. Равномерное расположение паяльной пасты на контактных площадках

Дефекты, показанные на рисунке 2, возникают как из-за неправильно подобранной паяльной пасты, так и по причине некачественного изготовления трафарета. Очевидно, что при названных дефектах теряется одно из основных преимуществ использования трафаретной печати при сборке электроники — повторяемость процесса. Как выглядит отпечаток паяльной пасты в процессе с высокой повторяемостью, показывает рисунок 4.

Рис. 4. Отпечаток паяльной пасты с высокой повторяемостью процесса

Наиболее используемыми сегодня как у зарубежных, так и у российских производителей являются следующие основные методы производства трафаретов для поверхностного монтажа:
– метод химического травления;
– метод лазерной фрезеровки.

При технологии химического травления трафарета фоторезист наносится с обеих сторон заготовки. Далее следует этап экспонирования и травления металла для получения заданных апертур. В этом случае кромка отверстия получается негладкой (см. рис. 5). Неровный характер стенок апертур трафарета является одним из недостатков технологии химического травления. Возникающий при этом эффект «песочных часов» значительно ухудшает прохождение пасты через сформированные окна, что препятствует использованию данного метода при монтаже компонентов с шагом менее 0,5 мм. В связи с этим после процесса химического травления требуется применять электрополировку или гальваническое осаждение никеля для достижения требуемого качества края апертуры.
 Достоинством метода химического травления является его относительно низкая стоимость.

Рис. 5. Края апертуры трафарета, эффект «песочных часов»

При использовании метода лазерной фрезеровки исключается появление неровностей на краях окон. Следовательно, размеры апертур становятся более точными. Одним из преимуществ использования метода лазерной резки является возможность выполнения стенок апертур в конической форме для облегчения нанесения паяльной пасты. На рисунке 6 изображены стенки апертур трафарета, полученные методом лазерной фрезеровки. К преимуществам изготовления трафаретов методом лазерной фрезеровки относится возможность формирования апертур шириной 0,1 мм и с точностью 0,01 мм, что особенно важно при использовании компонентов с малым шагом выводов.
Одним из основных недостатков метода лазерной фрезеровки является невозможность получения многоуровневых трафаретов. Стоит заметить, что многоуровневые трафареты получают все большее признание на российском рынке. Ввиду большого количества компонентов на печатной плате и широкого разнообразия видов современных печатных плат предъявляются высокие требования к объему паяльной пасты, наносимой на контактные площадки платы. Неудивительно, что актуализируется проблема выбора толщины трафарета. Многие производители решают задачи нанесения различного объема пасты на контактные площадки одной и той же заготовки с использованием много­уровневых трафаретов. При изготовлении многоуровневых трафаретов есть возможность объединить преимущества как метода химического травления, так и метода лазерной фрезеровки: на первом этапе происходит химическое травление областей, которые должны быть тоньше основного материала, а на втором этапе лазером вырезаются апертуры.

Рис. 6. Края апертур трафарета, полученных методом лазерной фрезеровки

Рис. 7. Трафарет, выполненный по технологии step-up (100/130 мкм)

Сегодня известны два принципа формирования многоуровневых трафаретов:
– step-up — утолщение определенных областей на трафарете с целью увеличения количества пасты. На рисунке 7 показан двухуровневый трафарет, выполненный по принципу step-up (толщина основного материала 100 мкм, область утолщения 130 мкм).
– step-down — уменьшение толщины трафарета (выполнение поднутрений) для определенных областей трафарета с целью сокращения количества нанесенной пасты или обеспечения более плотного прилегания трафарета к заготовке при наличии у нее сложного рельефа. На рисунке 8 показан фрагмент трафарета, выполненный по технологии step-down (толщина основного материала 180 мкм, поднутрения 120 мкм). Необходимость выполнения поднутрений обусловлена наличием на плате шлейфовых перемычек.
Использование многоуровневого трафарета оправдано и в том случае, когда контактные площадки на плате расположены слишком близко к краю рамы принтера трафаретной печати, как это показано на рисунке 9.

Рис. 8. Трафарет, выполненный по технологии step-down (180/120 мкм), вид со стороны заготовки

Рис. 9. Расположение заготовки печатной платы с контактами, близко примыкающими к краю платы

Рисунки 10 и 11 иллюстрируют возможности одноуровневого и многоуровневого трафаретов. На рисунке 10 показано, что в результате близкого расположения контактных площадок к краю и как следствие — неплотного прилегания печатной платы к трафарету на контактной площадке образовался нечеткий отпечаток, поскольку паста попала в зазор между платой и трафаретом. Дефект при нанесении паяльной пасты приводит к образованию перемычек на печатной плате. Рисунок 11 позволяет судить о преимуществах использования многоуровневого трафарета для решения подобной задачи.
Однако стоит заметить, что при изготовлении многоступенчатых трафаретов, впрочем  так же как и одно­уровневых трафаретов методом лазерной фрезеровки, нужно иметь в виду ряд ограничений по толщине основного материала. Современные технологии позволяют изготавливать одно- и многоуровневые трафареты на следующих толщинах: 100, 120, 130, 150, 180, 200, 250 и 300 мкм (или 4, 5, 6, 8, 10, 12 mil).
Чаще всего трафареты, используемые для автоматического нанесения паяльной пасты, снабжают специальными технологическими полями, имеющими много вырезов, для равномерного натяжения на раме принтера трафаретной печати. Из-за многократного натяжения трафаретов на раму принтера возможна деформация поверхности трафарета и, как следствие, появление дефектов при нанесении паяльной пасты из-за неплотного прилегания поверхности трафарета к печатной плате. Подобные ситуации возникают, когда приходится менять трафареты на линии в связи с широкой номенклатурой выпускаемых изделий при их относительно малой серийности.

Рис. 10. Плохой отпечаток паяльной пасты из-за плохого прилегания трафарета к печатной плате (одноуровневый трафарет)

Рис. 11. Хороший отпечаток паяльной пасты на контактных площадках (многоуровневый трафарет)

Трафареты на раме Alphametals, в том числе многоуровневые трафареты на раме — это  относительно новые продукты на российском рынке, которые, однако, завоевывают все большее признание среди технологов благодаря своим неоспоримым преимуществам. Одним из основных достоинств является возможность быстрой смены трафарета сразу же после получения печатных плат на линии монтажа, что облегчает работу оператора и уменьшает вероятность выхода бракованных изделий при частой смене трафаретов.
Трафареты Alphametals — результат сочетания использования современных технологий, опыта производства свыше полумиллиона трафаретов и накопленных профессиональных знаний, которые могла аккумулировать только та компания, которая одновременно является  производителем трафаретов и паяльных паст.