Оптимизация трафаретной печати

Как инженеру по технической поддержке компании-поставщика паяльной пасты мне часто приходится заниматься поиском технологических неисправностей производственной SMT-линии клиентов. Помимо нескольких проблем, связанных с монтажом компонентов и оплавлением, производство изделия может быть обречено на неуспех, если не оптимизирован процесс трафаретной печати. Известно несколько параметров, определяющих настройку трафаретного принтера.
Прежде чем приступить к процессу печати, следует в первую очередь обратить внимание на то, как обработаны несмонитрованные платы для печати. Хранились ли они в азотном боксе с осушенной и очищенной атмосферой вдалеке от источников влажности? Не остались ли на платах жирные пятна от рук операторов, не надевших перчатки? Не загрязнились ли платы как-то иначе? На эти вопросы следует ответить при оценке условий хранения и обращения с платами. Чтобы устранить возможность попадания влаги на поверхность плат, некоторые изготовители помещают их в специальные печи для испарения влаги. Достаточно выдержать плату в течение примерно 15-ти минут при температуре 150°C, чтобы удалить влагу.
Условия окружающей среды в помещении с поточной линией SMT также существенно сказываются на действии паяльной пасты в процессе трафаретной печати. Обычно рекомендуется температура в диапазоне 22…27°C и относительная влажность 30—60%. При несоблюдении этих параметров паяльная паста может прилипнуть к ракелю, а трафарет — плохо очиститься. Кроме того, срок эксплуатации паяльной пасты в трафарете может значительно сократиться.
Следует также учесть количество паяльной пасты, помещаемой на трафарет. Если на нем находится слишком большое количество пасты, то ее шарик будет касаться держателей ракеля. В результате паста прилипнет к нему. Шарик пасты следует довести до необходимого размера, чтобы при печати он катился как следует. Если этого не сделать, требование к объему накладываемой на плату пасты не будет соблюдено. Общепринятая методика поддержания заданного размера шарика паяльной пасты во время печати сводится к использованию ракелей с защитными кромками, как показано на рисунке 1. Они препятствуют попаданию пасты за края ракелей, что может привести к уменьшению размера шарика.

Рис. 1. Ракели с защитными кромками

Состояние трафарета также очень важно для процесса печати. На его поверхности не должно быть выемок и вмятин, которые приводят к неоднородному распределению паяльной пасты. Кроме того, при чрезмерном давлении ракеля часть пасты может попасть под трафарет. Необходимо убедиться в том, что он был очищен перед загрузкой в принтер. Это позволит исключить возможные затруднения с апертурами, в которых из-за недостаточной очистки после предыдущего использования трафарета осталась паяльная паста.
Состояние кромок ракеля так же важно, как и состояние трафарета. Если кромки имеют вмятины или какие-либо заметные повреждения, их следует заменить. Однако не всегда можно оценить, насколько изношен ракель. Со временем кромки изнашиваются, что ухудшает его функции. Одним из признаков износа кромок является ситуация, когда приходится устанавливать большее давление ракеля на одну кромку, чем на другую, чтобы начисто протереть всю поверхность трафарета. Если кромки регулярно использовались больше года, они перестают функционировать столь же безупречно, как изначально, и их следует заменить.
Метод закрепления платы оказывает существенное влияние на эффективность нанесения пасты. Неправильное закрепление платы зачастую компенсируется за счет увеличения давления ракеля, из-за чего могут преж­девременно износиться и его кромки, и трафарет. Один из наилучших способов фиксации платы в принтере — использование вакуумного крепления основания, разработанного специально для печатной платы. Применение магнитных штифтов — другая общепринятая методика крепления. Необходимо убедиться, что они обеспечивают правильное крепление платы. Если какая-либо ее часть не протирается начисто ракелем во время печати, следует проверить, достаточно хорошо ли она закреплена.
В зависимости от платы, необходимо также учитывать различие между стандартными зажимами плат и нефольгированными зажимами. Если в некоторых моделях трафаретных принтеров контактные площадки платы слишком близко расположены к ее краям, они могут с недостаточной силой прижиматься к трафарету из-за пространства между фольгой на стандартных зажимах плат. Пример на рисунке 2 наглядно иллюстрирует этот случай.

Рис. 2. Стандартные зажимы на плате с фольгой создают зазор между платой и трафаретом

Несмотря на то, что трафарет прогибается под давлением ракеля, он не может прогнуться настолько, чтобы установился требуемый контакт с контактными площадками платы, слишком близко расположенными к ее краям. Фольга толщиной около 0,005 дюйма накладывается на плату и перекрывает ее в этих машинах приблизительно на 0,080 дюйма. Наименьшее приемлемое расстояние между краем платы и контактной площадкой составляет 10 мм. Если эта фольга имеет вмятины, возникнет неоднородный зазор, который затруднит печать ближе к краю платы. Нефольгированные зажимы для данного типа принтера позволяют устранить эту проблему, поскольку они вплотную прижимаются к верхней части платы и не создают зазоров между нею и трафаретом. На рисунке 3 изображены стандартный и нефольгированный зажимы платы.

Рис. 3. Фольгированный и нефольгированный зажимы для платы

При печати необходимо также обеспечить уплотнение между трафаретом и платой, эффективность которого проверяется путем загрузки платы в трафаретный принтер и ее подгонкой по высоте с загруженным трафаретом. При несильном нажатии трафарета в различных местах в пределах зоны печати необходимо отметить минимальное отклонение трафарета, где он контактирует с поверхностью платы. При слишком большом зазоре паста может попасть под трафарет во время печати уже на следующую монтажную плату. Напротив, следует избегать случаев, когда плата давит на трафарет слишком сильно, поскольку это может привести к его повреждению.
В зависимости от конструкции платы/трафарета, обязательно также учитывать скорость их разделения после печати. В результате испытаний было установлено, что большая скорость разделения обеспечивает наилучшие результаты нанесения паяльной пасты на детали диаметром 0,012 дюйма и менее. При моделировании использовался трафаретный принтер DEK Europa. Данная модель принтера обеспечивает наибольшую скорость разделения при установке нулевого зазора, причем эта скорость выше, чем в том случае, когда устанавливается ее максимальное значение.
Еще одной дискутируемой проблемой процесса печати по трафарету является частота очистки под трафаретом, а также сама очистка. При использовании большинства новых моделей трафаретных принтеров имеется возможность очищать пространство под трафаретом с использованием одного из трех способов: сухого протирания, влажного протирания с помощью очистителя (изопропилового спирта в нашем случае) или вакуумной очистки. Эти варианты можно использовать по отдельности или в заданной последовательности. Несколько раз я был свидетелем того, как оператор выполнял очистку под трафаретом после каждого завершения процесса печати. Если принтер настроен оптимальным образом, частая уборка не является необходимой. Наконец, она приводит к расходу бумаги, очистителя и времени. Испытывая паяльную пасту, мы изготовили более 20-ти печатных плат, не очищая пространство под трафаретом. Мы заметили, что в некоторых случаях эффективность нанесения пасты при первой печати после паузы и вакуумной очистки не была столь высока, как при первой печати после паузы, вслед за которой очистка не производилась. Возможно, этот результат был достигнут благодаря циклу очистки, позволившей после первой печати удалить остаток флюса со стенок апертур шаблона и затруднившей проникновение паяльной пасты на контактные площадки платы через апертуры.
Рассмотренные факторы — лишь несколько из тех, которые следует принимать во внимание при настройке или диагостике трафаретной печати. Некоторые описанные проблемы можно увидеть воочию, тогда как другие заметны только в результате измерения эффективности нанесения паяльной пасты с помощью соответствующей системы контроля. Знание о том, какие затруднения бывают и что делать при их возникновении, позволяет предотвратить дорогостоящий простой и оперативно возобновить работу оборудования.