Методи нанесення матеріалів на друковану плату для поверхневого монтажу
Існує п'ять основних методів нанесення клеїв, флюсів та паяльних паст на друковану плату.
- Нанесення (перенесення) матеріалів за допомогою стрижнів.
- Трафаретний друк.
- Дозування матеріалів за допомогою пульсационного нагнетательного насоса-дозатора.
- Дозування матеріалів за допомогою гвинтового насоса.
- Дозування матеріалів за допомогою поршневого насоса.
Використання останніх трьох методів нанесення матеріалів (флюсів, клеїв, припоїв) на друковану плату з застосуванням систем дозування реагентів дозволяють нанести по одній точці відповідного матеріалу за один раз. Перші ж два способи (метод стрижнів і трафаретний друк) дозволяють наносити матеріали відразу в декількох місцях за один крок. Відповідно кожен з п'яти представлених методів нанесення матеріалів на друковану плату працює по-своєму, має свої переваги і недоліки.
Метод стрижнів - найпростіший спосіб нанесення клею або флюсу на друковану плату. Незважаючи на те, що один стрижень може бути використаний для нанесення клею (або паяльного флюсу) тільки в одному місці за один раз, для нанесення матеріалу в кількох місцях можна використовувати матрицю стрижнів. Основні етапи роботи обладнання для нанесення клею. працює за методом стрижнів, представлені на малюнку 1.
Малюнок 1 - нанесення матеріалів на друковану плату методом стрижнів
Як і було зазначено раніше, даний метод в основному використовують для нанесення клеїв і флюсів, однак він погано підходить для нанесення паяльної пасти. Стрижень занурюють в резервуар з матеріалом, який буде наноситися на друковану плату. Довжина і діаметр стрижня визначають кількість матеріалу, набраного в резервуарі. Потім стрижень опускають на друковану плату в тому місці, де потрібно нанести точку клею або флюсу. Поверхневий натяг змушує частина клею або флюсу стекти на плату. У цей момент важливо, щоб стрижень не торкався плати, оскільки це порушить форму точки матеріалу. Для цього методу нанесення потрібна відносно плоска і рівна підкладка. Використання матриці стрижнів дозволяє наносити клей на друковані плати навіть після установки компонентів в наскрізні отвори.
Аналогічний принцип використовується для нанесення флюсу на кульки припою DCA / FC-корпусів. Кристал занурюють у ванну з тонкою плівкою флюсу. Глибина флюсу дозволяє смачиваться тільки кулькам припою, таким чином, кульки стають стрижнями, які переносять краплі флюсу. Флюс на кульках припою переноситься на друковану плату, де фіксують кульки, і виконує функції флюсу під час наступної пайки оплавленням.
Важливою проблемою методу нанесення матеріалів (клеїв і флюсів) за допомогою методу стрижнів є використання відкритих ванн з клеєм або флюсом. Клеї легко вбирають вологу з повітря. У флюсів легко випаровується носій (вода або спирт) і, можливо, інші компоненти. Будь-який з цих процесів призводить до зміни властивостей матеріалу, що впливає на кількість рідини на стрижні і розмір точки на друкованій платі (включаючи процес змочування кульок припою перевернутого кристала, описаний вище). Клеї повинні мати достатню «міцністю рідини», а флюси - утримувати компонент на місці протягом всього терміну розміщення компонента на друкованій платі і подальшого транспортування друкованої плати в піч для затвердіння клею або оплавлення припою.
Технологія трафаретного друку
Трафаретний друк може використовуватися для клеїв, а також паяльної пасти. Низька в'язкість більшості флюсів перешкоджає їх успішному нанесення цим методом. Метод трафаретного нанесення матеріалів на друковану плату заснований на тому, що клей або паяльна паста наносяться через отвори в трафареті, які називаються апертурами. Апертури трафарету розташовані над тими місцями друкованої плати, на які потрібно нанести клей або паяльну пасту. Нанесення матеріалу здійснюється ракелем, який під час проходу над трафаретом продавлює кілька клею або паяльну пасти в його апертури, як це показано на малюнку 2.
Малюнок 2 - Технологія трафаретного друку
На малюнку 2 також показано відмінність між трафаретами з частково закритими (сітчастими) і відкритими апертурами. Конструкції обох типів визначають специфіку і області застосування обох пристроїв в технології трафаретного друку. Трафарет з частково закритими апертурами складається з двох шарів: шару емульсії і плівки, яка утримує емульсію. Апертури, через які клей або паяльна паста наносяться на плату, створюються шляхом фотохімічного фрезерування. Клей або паяльна паста просто протікають крізь сітку, якою закриті апертури.
Трафарет з відкритими апертурами є лист металу або сплаву (зазвичай з молібдену, нікелю, латуні або нержавіючої сталі), в якому виконані отвори. Апертури можуть бути отримані за допомогою однієї з наступних технологій або їх комбінації:
- фототехнології (метод фотохімічного фрезерування);
- лазерне різання;
- гальванопластика.
Вибір технології виготовлення залежить від необхідних розмірів і щільності розташування апертур. Трафарети з частково закритими апертурами в більшості випадків замінили трафарети з повністю відкритими апертурами не тільки через простої конструкції, але і тому, що їх можна пристосувати до друку матеріалів на платах з високою щільністю дрібних компонентів.
Від товщини трафаретів і розміру окремих апертур залежить кількість клею або паяльної пасти, нанесеною на друковану плату. Вторинними факторами, що визначають якість трафаретного друку, є якість стінок апертури, в'язкість матеріалу, твердість і швидкість ракеля. У випадку з паяльною пастою, її кількість, фактично нанесене на друковану плату, зазвичай менше обсягу апертури, який розраховують як твір довжини, ширини діафрагми та товщини трафарету. Ступінь цієї невідповідності називається фактором переносу або коефіцієнтом перенесення. Значення даного коефіцієнта можуть варіюватися від 60% для дуже маленьких апертур до майже 100% для великих апертур.
Трафаретний друк є найбільш широко використовуваним засобом для нанесення паяльної пасти при поверхневому монтажі друкованих плат. Для трафаретного друку через сітчастий трафарет (80 отворів на кв. Дюйм) переважно вибирати паяльну пасту з в'язкістю від 250 до 550 КСПЗ (кілосентіпуазов). У разі трафаретного друку через трафарет з повністю відкритими отворами потрібна паста з в'язкістю 400-800 КСПЗ. Для високих обсягів електронного монтажу на одну друковану плату необхідно нанести декілька десятків тисяч точок паяльної пасти. Цей процес в даний час розробляється для друку в отвори і PIP-технології.
Трафаретний друк паяльної пасти також здійснюють з використанням ступінчастих трафаретів. Такі трафарети виготовляють двох типорозмірів з різною товщиною, їх використовують, коли на друкованій платі потрібно встановити настільки широкий діапазон пристроїв різноманітних конфігурацій з різним кроком, що за допомогою одного трафарету неможливо нанести всі необхідні точки паяльної пасти. При нанесенні паяльної пасти для пристроїв з малим кроком використовують тонкі секції трафарету, а для компонентів з великим кроком - товсті. Ці трафарети дорожче у виготовленні, ніж трафарети однієї товщини.
Трафаретний друк клею або паяльної пасти має ряд недоліків.
- Метод трафаретного друку повинен виконуватися за один прохід. Якщо ж паста була нанесена неправильно, друковану плату видаляють і відмивають перед наступним проходом.
- По-друге, технологія трафаретного друку на увазі, що поверхня друкованої плати повинна бути плоскою і не мати нерівностей, які можуть перешкодити щільному накладення трафарету на її поверхню, оскільки паста або клей будуть продавлюватися ракелем в апертури. Таким же чином необхідно очищати трафарет від залишків паяльної пасти перед наступним використанням з метою зведення до мінімуму дефектів трафаретного друку, які можуть згодом призвести до дефектів паяних з'єднань, якщо не будуть виявлені перед процесом пайки оплавленням припою.
- По-третє, трафарети зношуються з часом, в результаті збільшується число дефектів друку. Чим міцніше метал або сплав трафарету, тим довше термін його експлуатації. Наприклад, латунні трафарети, які відносно дешеві, мають короткий термін служби Трафарети з нержавіючої сталі мають більш тривалий термін служби але вони значно дорожче.
При друку через трафарети з відкритими апертурами для монтажу компонентів з периферійними і матричними виводами і кроком більше 0,5 мм безсвинцеві припойні пасти демонструють ті ж властивості, що й олов'яно-свинцеві. При менших кроків і відповідно менших розмірах апертур коефіцієнт перенесення безсвинцевим паст дещо знижується. Ймовірною причиною є знижена щільність частинок безсвинцевим сплавів, тому їх меншу кількість проходить через апертури трафарету. Отже, потрібно злегка збільшити розмір апертур, щоб нанести кількість безсвинцевої пасти, необхідне для отримання паяного з'єднання.
Пульсаційний нагнітальний насос-дозатор відноситься до систем дозування реагентів для нанесення на друковану плату і дозволяє наносити пасту за допомогою додатка до резервуару з матеріалом імпульсу тиску протягом певного часу (рисунок 3). З сопла насоса обраного діаметра видавлюється точно контрольоване (дозується) кількість клею або паяльної пасти і наноситься на плату. Часто матеріал поставляється вже розфасованим в шприци, які вставляють в монтажний автомат.
Малюнок 3 - Нанесення паяльної пасти і клею за допомогою насоса дозатора
Як і в разі інших технологій нанесення матеріалів, властивості клею або паяльної пасти грають важливу роль і визначають сталість розмірів точок на різних місцях. При експлуатації насоса-дозатора слід строго дотримуватися вимог до терміну придатності матеріалів, особливо тих, що знаходяться всередині дозатора через їх швидкого розкладання на відкритому повітрі в умовах складального цеху. Бажана в'язкість матеріалів для нанесення через сопло насоса становить від 100 до 400 КСПЗ.
Автомати з встановленими поршневими насосами-дозаторами здатні наносити матеріали на одній друкованій платі у вигляді точок різного розміру. Один з методів використання насоса-дозатора полягає в установці на одну головку сопел або шприців різного розміру і додатку однакового імпульсу тиску. Другий підхід полягає в попередньому програмуванні часу і сили тиску в насосі-дозаторі, щоб отримати точки матеріалу різного розміру з одного і того ж сопла або шприца. Ця технологія з використанням насоса-дозатора займає набагато більше часу, ніж трафаретний друк. Тим не менш, вона забезпечує більшу гнучкість з точки зору суворого контролю кількості та розташування точок клею або паяльної пасти.
У гвинтовому насосі для нанесення паяльної пасти або клею використаний архимедів гвинт, який через сопло виштовхує певну порцію матеріалу (рисунок 4). Швидкість і тривалість повороту гвинта, а також розмір отвору, визначають кількість клею або пасти, нанесеною на друковану плату. Як і в разі поршневого насоса-дозатора, за допомогою різних шпинделів (головок) або комп'ютерних програм, що змінюють швидкість обертання гвинта або тривалість його повороту, можна змінювати обсяг точок матеріалу, що наносяться через сопло з отвором однакового розміру. Всі інші міркування щодо підбору в'язкості клею або паяльної пасти і їх термін придатності також слід враховувати при використанні даного насоса.
Малюнок 4 - Гвинтовий насос для нанесення паяльної пасти і клею
У поршневому насосі для контролю кількості клею, що наноситься використовується рух поршня, а не імпульс тиску повітря. Цей метод застосовується в основному для нанесення клею (рисунок 5) По-перше, сопло занурюють у ванну з клеєм, з якої насос всмоктує постійне кількість клею. Воно заповнює отвір і невеликий циліндр у верхній частині отвори. Для цього методу краще використовувати рідини з низькою в'язкістю. Порівняно важко набрати в насос дуже в'язкі рідини, такі як припойні паста і деякі клеї. Далі поршень рухається вниз в циліндрі, видавлюючи точну кількість клею з сопла на друковану плату. При використанні цього методу на друковану плату видавлюється постійний обсяг матеріалу. Крім того, розміри циліндра, швидкість, з якою переміщається поршень, а також в'язкість клею сильно впливають на обсяг клейовий точки. Необхідно також використовувати матеріали відповідно до їх терміном придатності.
Малюнок 5 - Нанесення клею за допомогою поршневого насоса
Основна мета кожної з п'яти технологій нанесення матеріалу - нанесення строго певного і постійного кількості клею або паяльної пасти на кожному заданому ділянці друкованої плати. Занадто мала клейова точка, особливо по висоті, не зможе закріпити компонент на друкованій платі. Занадто велика кількість клею розтечеться по контактній площадці і порушить якість пайки. Через недостатню кількість пасти стане неможливим отримання якісного паяного з'єднання, а в гіршому випадку може статися обрив ланцюга. Надлишок паяльної пасти пов'язаний з утворенням галтелів, які важко виявити після пайки, а також з імовірністю коротких замикань між сусідніми міжз'єднаннями.