Георгий Александров
Главный инженер компании ProSMD
Горбы, хвосты и плевки – наверное, здесь прошел верблюд.
Недавно мне показали фото свеженамазанной платы от клиента. Выглядело изделие как попытка пьяного кондитера нарисовать зодиакальное поздравление. На вопрос о сути происходящего, технолог выдал универсальный ответ: «Паста плохая». Спойлер – попутный визит нашего наладчика показал, что паста ни при чем. Виновником был трафарет новенького принтера, который, как в анекдоте про бабку и врача, тоже надо мыть. Не последнюю роль сыграла и влажность в цеху, пляшущая на 50% туда-сюда, в зависимости от того, открыта ли дверь на склад.
Трафаретная печать пастой – процесс, который выглядит примитивно лишь до тех пор, пока не разберешься, сколько переменных на него влияет. Разберем три классических напасти: паста не отделяется от ракеля, толщина отпечатка скачет от площадки к площадке, а ровная капля норовит расползтись лужей.
Неполное отделение пасты от трафарета при подъеме
Идеальный цикл печати заканчивается, когда трафарет поднимается, а вся паста из апертуры остается на плате ровным куличиком. На практике часть массы таки налипает на стенках окна, порой слой за слоем постепенно сужая рабочее сечение апертуры – со всеми вытекающими (не вытекающими) для следующих отпечатков.
Настройки принтера. Скорость и способ подъема трафарета – первый рычаг влияния. Резкий, быстрый отрыв не дает пасте времени равномерно "выйти" из апертуры под собственным весом и клейкостью к меди контактной площадки; медленный, ступенчатый подъем (там, где принтер это позволяет) обычно улучшает результат. Второй момент – зазор между платой и трафаретом непосредственно перед подъемом: если механизм печати не обеспечивает плотного, но не чрезмерного контакта в момент нанесения, часть пасты размажется по внутренней поверхности сразу при печати.
Геометрия и состояние апертур. Соотношение area ratio (диаметр апертуры к ее глубине) согласно IPC-7525 должно превышать 0.66 – при более низком значении паста физически не успевает полноценно переместиться из объема апертуры на площадку, часть остается на стенках при любых настройках принтера. Не менее важен профиль стенки: современная лазерная резка с обратным конусом (трапецеидальные апертуры, где нижнее отверстие чуть шире верхнего) заметно облегчает выход пасты по сравнению с прямыми или, тем более, зауженными книзу стенками, оставшимися от устаревшего оборудования резки. И, конечно, шероховатость – необработанная стенка после лазерной резки цепляет частицы пасты как наждак; электрополировка или нанопокрытие(углерод, менее нано - тефлон) снижают адгезию к металлу на порядок.
Паста. Высокая адгезия к металлу (tack), не соответствующая паспорту, или паста с крупной фракцией припоя относительно ширины апертуры. Помните эмпирическое правило – не менее пяти шаров на минимальную ширину апертуры!
Качество покрытия платы. Финишное покрытие контактных площадок влияет на перенос сильнее, чем кажется на первый взгляд: окисленная или неровная поверхность (например, состаренный OSP или неравномерный ENIG) хуже принимает пасту, чем эталонно ровная и смачиваемая поверхность, из-за чего часть массы предпочитает остаться на металле трафарета, а не перейти на медь.
Климат. Высокая влажность увеличивает скорость образования флюсо-воздушной эмульсии на поверхности пасты – за счет повышенной липкости к металлу, прямая дорога к хвостам на ракеле и к соплям на трафарете тоже. Норма для большинства паст – 40-60% относительной влажности при 23±3℃.
Диагностика и устранение. Начните с расчета area ratio для проблемных апертур по актуальной топологии платы – если значение ниже 0.66, вопрос решается не настройками принтера, а перезаказом трафарета с корректной толщиной металла. Осмотрите стенки апертур под микроскопом на предмет шероховатости и накопленных остатков – если трафарет не проходил электрополировку или покрытие ободралось, это уже не лечится регулировками. Проверьте профиль скорости подъема в программе принтера и попробуйте замедленный или ступенчатый отрыв. Сверьте паспорт пасты (тип, вязкость) с реальным применением, не пренебрегайте и условиями хранения. Если Вы перфекционист - удостоверьте соответствие паспортной вязкости методом на ротационном вискозиметре (обычно указывается по Brookfield при заданной скорости шпинделя).
Нестабильная толщина слоя пасты
Здесь беда иная – вроде бы отпечаток есть, но высота его гуляет от площадки к площадке и от отпечатка к отпечатку, давая на выходе разброс объема пасты, несовместимый со стабильностью процесса оплавления.
Настройки принтера. Давление ракеля – ключевой и самый очевидный параметр. Недостаточное давление оставляет часть пасты на поверхности трафарета вместо продавливания в апертуры; избыточное – выдавливает пасту глубже, чем нужно, вымывая ее из-под кромок окон и попутно ускоряя износ оснастки. Второй фактор – компланарность рабочего стола и трафарета: перекос в доли миллиметра на большой плате дает заметную разницу давления по краям и в центре.
Качество трафарета. При отклонении area ratio высота отпечатка на мелких площадках непредсказуемо просаживается. Засорение апертур – отдельная тема: остатки пасты, застывшие в узких окнах между циклами протирки, дают классический эффект «горбов», когда одна площадка перепечатана, а соседняя недопечатана.
Паста. Крупная фракция металлического порошка (тип 3 вместо необходимого для мелкого шага типа 4 или 5) банально не проходит в узкие апертуры равномерно – частицы застревают, забивая часть отверстия неполноценно.
Прочие причины. Изношенные направляющие или люфт в механизме подъема стола ТПА-принтера (да, они тоже стареют и ломаются, как девочки контролеры) дают паразитную вибрацию во время печати, добавляющую случайный разброс к ошибкам, разобранным выше.
Диагностика и устранение. В арсенале современного производства для этого есть SPI (Solder Paste Inspection) – 3D-инспекция отпечатка, дающая объективную карту высоты и объема по каждой площадке. Без нее любые рассуждения о причинах – гадание на кофейной гуще. Дальше – по цепочке: проверка планшетности стола (щуп или уровень), контроль частоты автоматической протирки трафарета, ревизия area ratio при проектировании трафарета согласно IPC-7525, и, разумеется, соответствие типа пасты минимальному шагу площадок на плате.
Смазывание отпечатка
Самый уродливый дефект – паста расползается за границы площадки, часто с образованием мостиков между соседними контактами, что при мелком шаге прямиком ведет к коротким замыканиям после оплавления.
Настройки принтера. Излишнее давление ракеля продавливает пасту не только в апертуру, но и под трафарет по краям окна (в англоязычном SMD-жаргоне это называется «месячные») – при следующем контакте с платой она размазывается вбок. Слишком быстрое разделение трафарета и платы после печати (высокая скорость снятия при недостаточном зазоре) реже, но тоже может вызвать похожий эффект.
Качество трафарета. Грязная нижняя сторона трафарета – классика. Если протирка (сухая/влажная/вакуумная) настроена на слишком редкий цикл, накопившаяся под трафаретом паста при следующем прижиме размазывается по соседним площадкам как масло по бутерброду.
Качество платы и покрытия. Неровности паяльной маски, избыточная толщина покрытия ENIG/OSP на границе площадки, или банальное коробление платы по краям (особенно на тонких без должной поддержки) – все это мешает трафарету плотно прилегать к поверхности, оставляя зазор, через который паста охотно затекает туда, где ее не ждали.
Диагностика и устранение. Регулярно (и не по остаточному принципу) проверяйте нижнюю поверхность трафарета на предмет остатков пасты – визуально, на просвет. Настройте цикл автоматической протирки по фактическому состоянию, а не по паспортным рекомендациям производителя принтера – они усредненные и часто оптимистичные. Проверьте вакуумный прижим платы к трафарету (там, где предусмотрен) на герметичность. Пересмотрите расстановку опорных штифтов под конкретную плату. При системных проблемах с короблением – вопрос уже не к принтеру, а к технологии изготовления самой платы.
Три дефекта – а причины у каждого расползаются по десятку направлений: от механики принтера до влажности воздуха и качества покрытия трафарета. Прежде чем менять пасту или писать гневное письмо поставщику, потратьте час на систематическую проверку по пунктам выше – в девяти случаях из десяти причина буквально под носом.
С Вами был Магистр Георгий, прошу делиться опытом.
Что почитать
IPC-7525C – Stencil Design Guidelines.
IPC-7912 – Solder Paste Printing Defect Reduction Guideline.
IPC J-STD-005A – Requirements for Soldering Pastes.
IPC-TM-650 – Test Methods Manual
IPC-A-610 – Acceptability of Electronic Assemblies.
SMTA International Proceedings