Jet printing: nowe podejście do aplikacji pasty lutowniczej

Od wielu lat, drukowanie szablonowe stanowi standardową metodę nanoszenia pasty lutowniczej w technologii SMT. Jednakże, technologia ta powoduje jednocześnie pewne problemy. Jednym z największych wyzwań współczesnej elektroniki jest ogromne zróżnicowania stosowanych komponentów, powodujące trudności w aplikacji pasty w ilości odpowiedniej dla poszczególnych komponentów. Innym wyzwaniem jest potrzeba wykonywania serii prototypowych bez przerywania cyklu produkcyjnego wyrobów wielkoseryjnych. Każda zmiana produktu wymaga dostosowania procesu drukowania: pomimo że sam proces nakładania pasty jest szybki, zmiany produktu w produkcji high-mix są wyzwaniem dla mało elastycznej technologii drukowania szablonowego. Technologia jet printing została opracowana, aby sprostać tym wyzwaniom i oferuje doskonałe rozwiązanie wymienionych problemów. Niniejszy artykuł prezentuje technologię jet printing oraz ukazuje płynące z jej zastosowania korzyści. Dodatkowo, w artykule zaprezentowano również wyniki testów weryfikacyjnych. Drukowanie szablonowe: potrzeba większej elastyczności Pomimo faktu, iż technologia drukowania szablonowego jest dojrzałym procesem, wciąż wywiera ona największy wpływ na wyniki całego procesu lutowania. Nawet w dobrze zoptymalizowanym procesie produkcyjnym, drukowanie szablonowe odpowiedzialne jest za powstawanie około 70% błędów lutowania. Rysunek 1 Błędy lutowania po procesie reflow, gdzie niedostateczna ilość pasty, otwarte połączenia czy mostki, najczęściej powstają w procesie drukowania szablonowego. © Mydata Rysunek 2 Wzajemne zależności poszczególnych etapów montażu SMT. © Mydata W procesie drukowania szablonowego, w którym używana jest metalowo lub poliuretanowa rakla, na jakość nanoszenia pasty, a w konsekwencji na jakość procesu lutowania, wpływa kilka parametrów: • Szybkość nadruku • Nacisk na raklę • Kąt nachylenia rakli • Szczelność połączenia szablonu i płytki PCB • Szybkość separacji PCB i szablonu • Sposób podtrzymywania płytki PCB, w szczególności w przypadku nadruku na płytki dwustronne • Grubość szablonu i projekt apertur. Każdy z tych parametrów wpływa na ilość nanoszonej pasty i jeśli tylko któryś z nich nie zostanie optymalnie skonfigurowany, wpływa to ujemnie na rezultat lutowania. Optymalizacja parametrów zajmuje sporo czasu, który w rezultacie nie może być poświęcony na samą produkcję i może stanowić wąskie gardło elastyczności całego procesu produkcji. Produkcja szablonu a terminy dostaw Istnieją trzy metody wytwarzania szablonów - trawienie chemiczne, wycinanie laserowe oraz elektroformowanie - każda charakteryzująca się innymi kosztami i dopasowana do innych wymagań technologicznych. Każda płytka PCB, będąca choćby jedynie odmianą wcześniejszego projektu, wymaga wykonania osobnego szablonu, co podraża koszty i wydłuża czas dostawy: produkcja i dostawa szablonu trwa nie mniej niż jeden do dwóch dni. Ilość pasty: zawsze kompromis Zwykły szablon (tj. o stałej grubości) będzie zawsze stanowił kompromis pomiędzy niewielką ilością pasty, jakiej wymagają małe komponenty, oraz dużą ilością, odpowiednią dla dużych części. Fakt ten wywiera również wpływ na rezultaty procesu lutowania. Ów kompromis prowadzi do stosowania zbyt małych apertur, co w rezultacie oznacza niedostateczny depozyt pasty i w niektórych przypadkach również niedostateczną ilość topnika. Problem niedostatecznej ilości topnika dotyczy w szczególności układów scalonych o małej średnicy wyprowadzeń oraz wąskim odstępie pomiędzy wyprowadzeniami, gdzie często powoduje powstawanie lutów o gorszej jakości lub otwartych połączeń. Tego typu błąd jest często trudny do wykrycia, nawet przy użyciu inspekcji X-ray. Problemy z zachowaniem odstępów w szablonach o zmiennej grubości Szablony o zmiennej grubości (stopniowane) są pewnym rozwiązaniem opisywanych problemów, umożliwiającym aplikację różnych ilości pasty w zależności od wielkości komponentu. Szablony tego typu będą jednak droższe niż standardowe, wymagają one bowiem kilku etapów produkcyjnych. Odległość pomiędzy obszarami o większej grubości szablonu oraz aperturami na powierzchni o normalnej grubości szablonu powinny ponadto podlegać odpowiednim regułom. Według normy IPC-7525A opisującą wytyczne przy projektowania szablonów, minimalny dystans pomiędzy aperturą wykonaną na obszarze pogrubionym oraz krańcem obszaru to 0.65 mm, podczas gdy minimalny dystans, przypadający na każde 0.025 mm różnicy grubości szablonu, pomiędzy krańcem obszaru podwyższonego oraz aperturą wynosi 0.9 mm. Jednocześnie istnieje reguła, iż dystans powinien 36 razy przekraczać różnicę grubości szablonu. Oznaczałoby to, iż na każde 0.05 mm różnicy wysokości powinne przypadać 1.8 mm odpowiedniego dystansu. Nakładając na siebie oba opisane powyżej wymagania, należałoby przewidywać 2.5 mm pomiędzy aperturą, wykonaną w obszarze pogrubionym oraz aperturą, wykonaną na obszarze o standardowej grubości. Jeśli PCB wymaga zastosowanie szablonu o zmiennej grubości lecz jednocześnie nie jest odpowiednio dla niego zaprojektowane, nastąpią znaczne trudności w zachowaniu odległości sugerowanych przez normę IPC-7525A. Uszczelnianie i rozmazywanie się pasty Innym bardzo istotnym parametrem w procesie drukowania szablonowego jest zapewnienie odpowiedniego uszczelnienia pomiędzy szablonem a PCB. Jakakolwiek nierówność PCB, spowodowana zniekształceniem płytki, naklejką czy ścieżką na PCB może doprowadzić do słabego uszczelnienia. W rezultacie może to doprowadzić do ‘rozmazywania się’ pasty na PCB i w efekcie występowania niepożądanych kulek cyny czy nawet zmostkowania układu. Aby zredukować problem rozmazywania się pasty, dolna część szablonu jest wycierana z określoną częstotliwością, przykładowo raz na każde pięć cykli. Zjawisko rozmazywania się pasty wydłuża cykl produkcyjny oraz zwiększa koszty zużycia specjalnego papieru do wycierania. Przechowywanie szablonów Szablony muszą być czyste i nieuszkodzone. Również podczas produkcji, aby zapewnić odpowiedni depozyt pasty, wymagane jest czyszczenie szablonu. Nowoczesne drukarki są wyposażone w funkcję automatycznego czyszczenia, jednakże wciąż wymagają wkładu pracy ręcznej przy załadowywaniu specjalistycznego papieru czy detergentów. Przed zeskładowaniem, szablony muszą być starannie oczyszczone. Podsumowując, cały proces czyszczenia szablonów wymaga zaangażowania następujących zasobów: • Chemia i papier do czyszczenia • Urządzenia czyszczące • Praca ręczna, obsługa . Może powyższa lista nie brzmi zbyt imponująco, należy jednak uświadomić sobie, iż im więcej występuje kroków w procesie, tym większe jest ryzyko błędu. Należy podkreślić, iż co prawda dobry operator drukarki zapewne nie popełni błędu, to jednak wciąż finalny rezultat pracy zależny jest właśnie od czynnika ludzkiego. Rysunek 3 © Mydata Rozwiązanie: Jet Printing Technologia jet printing została opracowana rozwiązanie zapewniające większą elastyczność produkcji bez utraty zdolności produkcyjnych. Aby osiągnąć owo połączenie elastyczności i zachowania zdolności produkcyjnych, technologia ta opiera się na drukowaniu bez użycia szablonu oraz aplikacji pasty metodą jet printing. Technologia ta może być porównana do drukowania dokumentu w zwykłej drukarce atramentowej. Innymi słowy, oznacza to, iż dane CAD czy Gerber dla konkretnej PCB są przetwarzane off-line i wysyłane bezpośrednio do drukarki, wykonującej pożądaną ilość kopii. Jet Printing: szybkie dozowanie pasty Szybkie dozowanie pasty lutowniczej możliwe jest dzięki unikalnej metodzie aplikacji. Technika polega na aplikacji na płytkę drobnych kropel pasty z kartridżu za pomocą mechanizmu dozującego, bezpośrednio w miejscach przewidzianych przez projekt PCB. System dozowania został przetestowany do maksymalnej szybkości 500 kropel na sekundę, co umożliwia błyskawiczne dozowanie pasty. Dozowanie w metodzie jet printing musi sprostać przyśpieszeniom nawet do 3G, co wymaga z kolei zastosowania solidnego mechanizmu. Podstawa urządzenia Mydata do jet printing skonstruowane są z granitu. Kartridż Specjalnie dostosowana do jet printing pasta lutownicza dostarczana jest w standardowych kartridżach typu 30 cc Iwashita. Celem opracowania odpowiednich past, MYDATA połączyła siły z kilkoma producentami, w tym między innymi NIHON ALMIT Co., Ltd. czy Senju Metal Industry Co., Ltd. Także inni producenci past opracowują swoje produkty, przeznaczone dla jet printing. Sam kartridż jest ładowany do kasety zatrzaskiwanej bezpośrednio do urządzenia. Umożliwia to natychmiastowe przeładowanie kasety i przechodzenie z technologii ołowiowej na bezołowiową dosłownie w kilka sekund. Naklejka z kodem paskowym, umieszczona na kartridżu, a także chip identyfikacyjny na kasecie, uniemożliwiają pomyłkowe załadowanie niewłaściwego typu pasty czy pasty po upływie daty jej przydatności do użycia. Elektroniczna identyfikacja za pomocą kodu kreskowego oraz pamięć wbudowana do kasety umożliwiają automatyczne nastawienie samej drukarki. Kiedy tylko kod pasty zostanie wprowadzony, można rozpocząć drukowanie. Bezdotykowe dozowanie Bezdotykowy proces dozowania nie wywiera żadnego nacisku na PCB, stąd też nie zachodzi potrzeba stosowania systemów podtrzymywania płytki. Dodatkowo, oprogramowanie automatycznie wyrównuje i dostosowuje rozmieszczenie płytki do fiduciali. Kontrola temperatury zapewnia odpowiednią lepkość pasty przy każdym jej użyciu, co z kolei prowadzi do dokładniejszej aplikacji. Oprogramowanie Jako że cały proces jest kontrolowany przez oprogramowanie, ilość dozowanej pasty może być zmieniana za pomocą prostego polecenia. Drukarka MY500 zapewnia precyzyjną kontrolę depozytu pasty we wszystkich trzech wymiarach. Możliwe jest precyzyjne ustawienie ilości naniesionej pasty, pokrywanej powierzchni, wysokości i ilości warstw pasty dla poszczególnych padów czy komponentów. Jeśli konieczne są poprawki, lub jeśli specyfikacja klienta zostanie zmieniona, również dane CAD mogą być w łatwy sposób zmienione. MY500 może nadrukowywać pady dla komponentów z pitch o wymiarach 0.4 mm (16 mil). Urządzenie mając możliwości ścisłej kontroli, umożliwia dozowanie małych depozytów bezpośrednio przy znacznie większych, przykładowo nadruk dla komponentu o rozmiarze 0201 w pobliżu nadruku wyprowadzeń konektora. Proces niezależny od operatora = poprawa jakości Duża liczba zmiennych (nacisk rakli, szybkość druku i separacji itp), która może wpływać na przebieg drukowania szablonowego i w konsekwencji rezultaty procesu drukowania, jest drastycznie zredukowana w procesie jet printing. Przypadku firm specjalizujących się w PCBA, jak również w przypadku innych zaawansowanych gałęzi przemysłu, im mniejszy jest wpływ operatora, tym łatwiej jest osiągnąć i zachować wyższy poziom jakości. Aby zminimalizować ryzyko błędu, w technologii jet printing każdy operator może włączyć program drukujący, jeśli tylko został on zatwierdzony do produkcji. Aby zapewnić wysoki stopień elastyczności, programy drukowania MY500 mogą być łatwo poprawiane na stacji off-line. Generalnie, redukcja liczby parametrów i kroków procesu poprawia niezawodność. W procesie drukowania szablonowego, istnieje 10 różnych operacji (wliczając w to proces produkcji szablonu), których parametry wpływają na wyniki druku. W technologii jet printing, liczbę takich parametrów można określić na dwa lub trzy. Wraz z każdym wyeliminowanym parametrem rośnie niezawodność procesu. Testy technologii jet printing Celem zweryfikowania wyników lutowania po zastosowaniu technologii jet printing, przeprowadzono trzy serie testów. W każdej z serii zostały użyte różne płytki PCB i różne komponenty: • QFP, pitch 0.4 mm • QFP, pitch 0.5 mm • BGA z łączeniami SAC305 i pitch 0.5 mm Wybrane komponenty stanowią typowe układy, spotykane w większości urządzeń elektronicznych. Jednocześnie, uważa się je za komponenty wymagające specjalnej uwagi w procesie drukowania. Z tego też powodu, dobre wyniki testów dla technologii jet printing potwierdziłyby przydatność tej technologii. Wyniki były weryfikowane po każdym etapie produkcji: jet printing, położeniu komponentu oraz lutowaniu. Bardzo ważną jest analiza ilości zmierzonej pasty po dokonaniu wydruku oraz wygląd połączeń lutowanych po procesie lutowania rozpływowego. Metodologia testu Celem zapewnienia odpowiedniej poprawności badań statystycznych, jako bazę analizy wybrano 100.000 połączeń lutowniczych. Według używanego oprogramowania statystycznego Minitab3, minimalna próba, przy której wyniki statystyczne właściwie oddają rzeczywiste rezultaty, to 88.000 połączeń. Mając na uwadze zarówno niezbędną liczbę połączeń lutowniczych, jak i wymaganą liczbę połączeń przypadających na komponent (QFP128 oraz BGA132), przetestowano 20 różnych rodzajów płytek dla każdego typu komponentu (tabela poniżej). PCB zostały zaprojektowane tak, aby w każdym rzędzie i w każdej kolumnie znalazło się po 6 komponentów tj. łącznie na płytce znajdowało się 36 komponentów. Tabela 1 © Mydata Rozmiar płytki wynosił 285 mm x 263 mm, natomiast grubość 1.6 mm (PCB wyprodukowała firma Multi-Cad AB ze Szwecji). Test przeprowadzono w następującym układzie technologicznym: 1. Pasta została nałożona za pomocą MY500 Jet Printer 2. Komponenty zostały położone przez MY9 pick & place 3. Proces lutowania rozpływowego został przeprowadzony w piecu Heller 4. Inspekcja połączeń lutowniczych QFP i BGA została przeprowadzona odpowiednio za pomocą AOI oraz X-ray. Drukowanie, położenie elementów, lutowanie oraz część inspekcji została przeprowadzona w siedzibie MYDATA w Bromma w Szwecji. Inspekcja optyczna QFP została przeprowadzona przy zastosowaniu maszyny Marantz AOI w firmie Frontside (Mölnlycke, Szwecja), natomiast kontrola BGA X-rays w Saab Microwave Systems AB (Mölndal, Szwecja). Rezultaty testu W czasie kontroli 279.360 połączeń lutowniczych nie odnaleziono żadnych mostków ani niewypełnionych połączeń. Rezultaty testu wskazują, że przy zastosowaniu MY500 Jet Printer można uzyskać stabilny proces ułatwiający zachowanie wysokiej jakości gotowych produktów. Wyniki inspekcji są podsumowane w tabeli poniżej. Tabela 2 © Mydata Zdjęcie 1: A/ Naniesiony depozyt pasty w technologii jet printing na przykładzie komponentu QFP. B/ Zdjęcie po etapie lutowania. C/ Obraz z kontroli X-ray (BGA). © Mydata Dodatkowe korzyści technologii jet printing W drukowaniu szablonowym zmiana produktu wymaga usunięcia pasty ze starego szablonu, jego demontaż, załadowanie nowego, aplikacji nowej pasty oraz kalibracji szablonu i PCB. Jako że w technologii jet printing nie zachodzi potrzeba usuwania starego szablonu, możliwe jest programowanie zmiany off-line, która następnie może być przeprowadzona w kilka sekund. W efekcie, produkcja każdej partii produkcyjnej może być rozpoczęta i zakończona w możliwe najbardziej efektywny sposób. MY500 używa tych samych plików CAD oraz Gerber, których używają maszyny P&P. Maszyna automatycznie przetwarza dane z plików, generując ‘wirtualny szablon’. Funkcja ‘auto dostosowanie’ określa, ile pasty powinno zostać nałożone na każdy z padów. Operator może wybrać z dostępnej biblioteki kształtów depozytów, lub samemu stworzyć nowy wzór dla kłopotliwego lub nietypowego komponentu. Kiedy operator skończy swoją pracę, MYCam generuje program drukujący i wysyła go do drukarki. Aby zmaksymalizować czas działania urządzenia, wiele wysiłku włożono w opracowanie przyjaznego interfejsu, który wraz z ekranem dotykowym umożliwia skrócenie czasu przestoju do mniej niż 60 sekund. Nawet w jednej serii prototypowej, MY500 umożliwia zastosowanie różnych ilości deponowanej pasty oraz różnych kształtów uformowanego padu na różnych płytkach na tym samym panelu, umożliwiając tym samym jednoczesne wyprodukowanie kilku wersji. Umożliwia to uzyskanie perfekcyjnej kombinacji kształtu i ilości deponowanej pasty, oszczędzając czas na etapie prototypowania. Pomimo teoretycznych możliwości wykonania takiego szablonu o zmiennej grubości, który umożliwiłby wykonanie padów o różnych kształtach i rozmiarach na tym samym panelu, to jednak według naszej wiedzy, w rzeczywistości nigdy nie podjęto takiej próby. Brak szablonu oznacza również redukcję takich kategorii kosztów jak: • Specjalny papier do wycierania spodniej powierzchni szablonu. • Brak konieczności posiadania maszyny do czyszczenia szablonów. • Brak kosztów składowania szablonów. • Brak ryzyka uszkodzenia szablonu. Uszkodzenie szablonu powoduje powstanie nieprawidłowych połączeń lutowniczych, które następnie wymagają retuszu lub naprawy. Czas dostawy szablonu może opóźnić produkcję i w konsekwencji także dostawę do klienta. Podsumowanie Technologia jet printing: • Łączy szybkie drukowanie z elastycznością oraz możliwością wykonania depozytu o rozmiarach i w kształcie odpowiednich dla każdego typu komponentu. • Drukowanie staje się procesem niezależnym od operatora i redukuje liczbę zmiennych, zwiększając tym samym niezawodność i solidność procesu drukowania. • Umożliwia szybkie zmiany produkcji, zmniejszając czas postoju poniżej 60 sekund. Artykuł powstał dzięki uprzejmości firmy MyData. Redakcja evertiq dziękuje firmie Scanditron, za pomoc w przygotowaniu artykułu.