پاسخ مستقیم
خطر چاپ خمیر لحیم کاری را قبل از مونتاژ با بررسی نسبت سطح دیافراگم شابلون، تأیید اندازه ذرات خمیر در برابر کوچکترین دیافراگم، تأیید ضخامت شابلون مطابق با زیر و بمی اجزا، و تنظیم آستانه های SPI که حجم و حجم را نشان می دهد، ارزیابی کنید. انحرافات ارتفاع این چهار بررسی از اکثر عیوب جریان مجدد قبل از وقوع جلوگیری می کند.
چرا چاپ خمیر لحیم کاری بازده مونتاژ را تعیین می کند
چاپ خمیر لحیم کاری بالاترین مرحله اهرمی در PCBA است، زیرا مستقیماً حجم لحیم کاری را که روی هر پد قرار می گیرد کنترل می کند. بر خلاف قرار دادن اجزا یا جریان مجدد، که می تواند تغییرات جزئی را جبران کند، خطاهای رسوب خمیر در کل فرآیند مونتاژ منتشر می شود. یک پد با خمیر خیلی کم، یک مفصل سرد ایجاد می کند یا پس از جریان مجدد باز می شود. یک پد با خمیر اضافی میتواند به یک پد مجاور پل بزند و یک لایه کوتاه ایجاد کند که ممکن است بدون بررسی اشعه ایکس قابل مشاهده نباشد.
فرآیند چاپ شامل سه متغیر متقابل است: طراحی شابلون، ویژگیهای خمیر و تنظیمات چاپگر. هر متغیر باید قبل از شروع تولید ارزیابی شود. هزینه یافتن عیب مربوط به خمیر در هنگام مونتاژ به طور قابل توجهی بالاتر از تشخیص آن در طول بررسی طراحی شابلون است. کار مجدد روی یک برد کاملاً مونتاژ شده مستلزم حذف اجزا، تمیز کردن، چسباندن مجدد و جریان مجدد است که خطر آسیب رساندن به اجزای مجاور و خود PCB را دارد.
برای یک برد معمولی با فناوری ترکیبی با QFNs ریز و گسسته های بزرگتر، فرآیند چاپ خمیر باید الزامات متناقض را برآورده کند. قطعات ریز به شابلون های نازک برای جلوگیری از پل زدن لحیم کاری نیاز دارند، در حالی که لنت های حرارتی بزرگ به شابلون های ضخیم نیاز دارند تا از حجم کافی لحیم کاری برای اتلاف گرما اطمینان حاصل کنند. حل این تضاد مستلزم طراحی دقیق شابلون و در برخی موارد شابلون های پلکانی است.
---
قوانین طراحی دیافراگم استنسیل که از نقص جلوگیری می کند
نسبت مساحت و نسبت ابعاد
مهمترین پارامتر طراحی شابلون نسبت مساحت است که مساحت دیواره دیافراگم بر مساحت دهانه دیافراگم تقسیم می شود. برای دیافراگم مستطیلی، نسبت مساحت به صورت زیر محاسبه می شود:
نسبت مساحت = (L × W) / (2 × (L + W) × T)
در جایی که L طول دیافراگم، W عرض دیافراگم و T ضخامت شابلون است.
قانون کلی صنعت این است که نسبت مساحت باید بیشتر از 0.66 باشد تا خمیر قابل اطمینان آزاد شود. در زیر این مقدار، خمیر به جای انتقال به پد، تمایل دارد به دیواره های دیافراگم بچسبد. برای دیافراگم های دایره ای، نسبت تصویر (قطر دیافراگم تقسیم بر ضخامت شابلون) باید بیشتر از 1.5 باشد.
وقتی نسبت مساحت به زیر 0.66 می رسد، راندمان انتقال خمیر به طور چشمگیری کاهش می یابد. این بدان معناست که حجم خمیر رسوبشده به طور مداوم کمتر از حجم دیافراگم است که منجر به اتصالات لحیم کاری ناکافی میشود. مشکل با اجزای گام ریزتر بدتر می شود زیرا ابعاد دیافراگم کوچک می شود در حالی که ضخامت شابلون ثابت می ماند.
کیفیت دیوار دیافراگم
دیوارهای دیافراگم باید صاف و مستقیم باشند. شابلون های برش لیزری با پولیش الکتریکی بهترین نتیجه را به همراه دارند. الکترو پولیش لبه های زبر و ریز سوراخ های باقی مانده از فرآیند برش لیزری را از بین می برد و چسبندگی خمیر به دیوارها را کاهش می دهد. یک دیواره دهانه ناهموار باعث افزایش سطح برای چسبندگی خمیر شده و راندمان انتقال را کاهش می دهد.
برای دیافراگم های ریز زیر 0.5 میلی متر، پرداخت دیوار بسیار مهم است. یک سوراخ یا نقطه زبر روی دیوار می تواند به طور کامل جریان خمیر را مسدود کند یا باعث رسوب ناسازگار شود. هنگام ارزیابی یک تامین کننده شابلون، مشخصات الکترو پولیش را بخواهید و در مقاله اول با میکروسکوپ دیوار را بررسی کنید.
تغییرات شکل دیافراگم
برای دیافراگمهایی با نسبت مساحت کمتر از آستانه توصیهشده، طراحان شابلون میتوانند شکل دیافراگم را برای بهبود انتشار خمیر تغییر دهند. اصلاحات رایج عبارتند از:
- شکل دادن فیله: گرد کردن گوشه های دیافراگم برای کاهش لبه های تیز که در آن خمیر می تواند بچسبد.
- دیوارهای مخروطی: ایجاد یک مخروط جزئی به طوری که دهانه دیافراگم در سمت اسکاج بزرگتر از سمت پد باشد
- استنسیل های پله ای: کاهش ضخامت شابلون در نواحی خاص برای بهبود نسبت مساحت برای اجزای ریزپیچ
این تغییرات باید به دقت ارزیابی شوند زیرا حجم خمیر رسوبشده را تغییر میدهند. شکل فیله، حجم دیافراگم را کاهش می دهد، که ممکن است برای قطعات کوچک قابل قبول باشد، اما می تواند باعث لحیم کاری ناکافی برای لنت های بزرگتر شود.
---
انتخاب چسب و تأثیر آن بر ریسک چاپ
طبقه بندی اندازه ذرات
خمیر لحیم کاری بر اساس اندازه ذرات طبق استاندارد IPC J-STD-005 طبقه بندی می شود. خمیر نوع 3 دارای اندازه ذرات بین 25 تا 45 میکرون است، در حالی که نوع 4 از 20 تا 38 میکرون و نوع 5 از 15 تا 25 میکرون است. اندازه ذرات باید با کوچکترین روزنه روی شابلون مطابقت داشته باشد.
قاعده کلی این است که حداقل پنج ذره لحیم کاری باید در عرض دیافراگم قرار گیرند. برای گام 0.4 میلی متری QFN با دیافراگم مربع 0.2 میلی متر، خمیر نوع 4 یا نوع 5 مورد نیاز است. استفاده از خمیر نوع 3 در این برنامه باعث مسدود شدن دیافراگم و رسوب ناسازگار خمیر می شود.
با این حال، اندازه ذرات ریزتر جنبه منفی دارد. نسبت سطح به حجم بالاتری دارند، به این معنی که سریعتر اکسید میشوند و برای دستیابی به عملکرد مرطوبکنندگی یکسان به شار بیشتری نیاز دارند. این خمیر همچنین طول عمر شابلون کوتاه تری دارد و به بررسی های مکرر کیفیت چاپ نیاز دارد.
سازگاری انتخاب آلیاژ و جریان مجدد
آلیاژ لحیم کاری باید با مشخصات جریان مجدد و الزامات حرارتی اجزا مطابقت داشته باشد. SAC305 استاندارد (96.5% قلع، 3% نقره، 0.5% مس) دارای نقطه ذوب در حدود 217 درجه سانتیگراد است و برای اکثر کاربردها به خوبی عمل می کند. با این حال، برای قطعات یا بسترهای حساس به حرارت، آلیاژهای با دمای پایین مانند SAC305 با افزودن بیسموت میتوانند دمای اوج جریان مجدد را کاهش دهند.
انتخاب آلیاژ بر رئولوژی خمیر تأثیر می گذارد. آلیاژهای با دمای پایین با بیسموت چسبناک تر هستند و ممکن است به تنظیمات چاپگر متفاوتی نیاز داشته باشند. هنگام تغییر آلیاژ، فرآیند چاپ باید با اجرای مقاله اول مجدداً تأیید شود.
ذخیره سازی و مدیریت چسباندن
خمیر لحیم کاری یک ماده فاسد شدنی است. باید در یخچال در دمای مشخص شده توسط سازنده نگهداری شود، معمولاً بین 2 تا 10 درجه سانتیگراد. قبل از استفاده، خمیر باید به دمای اتاق برسد تا از متراکم شدن آن جلوگیری شود، که می تواند باعث لحیم شدن و خالی شدن لحیم شود.
زمان ماندگاری رب معمولاً شش ماه از تاریخ تولید است که به درستی ذخیره شود. پس از باز شدن، عمر رب بسته به نوع و شرایط محیطی بین 8 تا 12 ساعت است. استفاده از خمیر تاریخ مصرف گذشته یا استفاده نادرست خطری را ایجاد می کند که تنها با بازرسی بصری قابل تشخیص نیست.
---
پارامترهای چاپگر و کنترل فرآیند
فشار و سرعت Squeegee
فشار Squeegee تعیین می کند که خمیر چقدر به روزنه ها وارد می شود. فشار خیلی کم باعث پر شدن خمیر ناقص میشود، در حالی که فشار زیاد میتواند خمیر را از روزنههای ریز خارج کند یا باعث خونریزی خمیر در زیر شابلون شود. فشار بهینه به سختی اسکاج، ویسکوزیته خمیر و طرح شابلون بستگی دارد.
برای اسکاج های فلزی، فشار معمولاً بین 6 تا 10 کیلوگرم تنظیم می شود. برای اسکاج های پلی اورتان، فشار کمتر است، حدود 4 تا 6 کیلوگرم. سرعت چرخش معمولاً بین 20 تا 80 میلی متر در ثانیه است. سرعتهای آهستهتر به خمیر فرصت بیشتری میدهد تا دیافراگمها را پر کند، که برای اجزای ریزپیچ مفید است.
سرعت جداسازی
سرعت جداسازی که به عنوان سرعت قطع شدن نیز شناخته میشود، سرعت بلند شدن شابلون را از PCB پس از چاپ کنترل میکند. سرعت جداسازی آهسته به خمیر اجازه می دهد تا به طور تمیز از دیواره های دیافراگم آزاد شود. سرعت جداسازی توصیه شده معمولاً 1 تا 3 میلی متر در ثانیه است.
اگر سرعت جداسازی بیش از حد سریع باشد، خمیر می تواند به اوج برسد یا در قسمت زیر شابلون رسوباتی ایجاد کند و باعث لکه دار شدن چاپ بعدی شود. این نقص مخصوصاً برای اجزای ریز گام که تحمل حجم خمیر کم است مشکل ساز است.
تمیز کردن زیر شابلون
تمیز کردن زیر شابلون (USC) بقایای خمیر را از پایین شابلون بین چاپ ها پاک می کند. فرکانس تمیز کردن به نوع خمیر، چگالی دیافراگم و شرایط محیطی بستگی دارد. یک چرخه تمیز کردن معمولی هر 5 تا 10 چاپ است، با استفاده از یک دستمال خشک و به دنبال آن یک دستمال پاک کننده با خلاء یا حلال.
تمیز کردن ناکافی منجر به تجمع خمیر در قسمت زیر شابلون می شود که باعث لکه گیری و لحیم شدن توپ ها روی PCB می شود. کاغذ تمیزکننده و حلال باید با ترکیب شیمیایی خمیر سازگار باشد تا از آلودگی جلوگیری شود.
---
آستانه SPI و استراتژی بازرسی
تنظیم محدودیت های صدا و ارتفاع
سیستم های بازرسی خمیر لحیم کاری (SPI) حجم، ارتفاع و مساحت هر رسوب خمیر را اندازه گیری می کنند. آستانه های SPI باید بر اساس الزامات جزء و قابلیت فرآیند تنظیم شوند. برای اجزای با گام ریز، تحمل حجم معمولاً 30% ± مقدار اسمی است. برای اجزای بزرگتر، ± 50٪ قابل قبول است.
اندازه گیری ارتفاع مهم است زیرا با خطر پل زدن لحیم کاری مرتبط است. رسوب خمیری که بیش از حد بالا باشد می تواند در حین جریان مجدد، پد مجاور را لمس کند و باعث کوتاهی آن شود. آستانه ارتفاع باید بر اساس گام اجزا و فاصله پد تنظیم شود.
پوشش SPI و نمونه برداری
سیستمهای SPI میتوانند 100% از رسوبهای خمیر را روی تخته بازرسی کنند، اما این باعث افزایش زمان چرخه و هزینه میشود. برای تولید با حجم بالا، ممکن است از یک استراتژی نمونهگیری استفاده شود که زیرمجموعهای از تابلوها را از هر دوره تولید بررسی میکند. با این حال، برای محصولات جدید یا زمانی که فرآیند هنوز پایدار نیست، بازرسی 100٪ توصیه می شود.
دادههای SPI باید برای روندها تجزیه و تحلیل شوند، نه فقط نتایج عبور یا شکست. تغییر تدریجی حجم خمیر به سمت حد بالا یا پایین نشاندهنده تغییر فرآیند است که در نهایت باعث ایجاد نقص میشود. نمودارهای کنترلی باید برای اجزای حیاتی نگهداری شوند.
همبستگی با نقصهای جریان مجدد
داده های SPI تنها زمانی مفید است که با نتایج جریان مجدد مرتبط باشد. رسوب خمیری که از SPI عبور میکند اما پس از جریان مجدد از کار میافتد، نشاندهنده مشکل در نمایه جریان مجدد یا قرار دادن قطعه است، نه فرآیند چاپ. آستانه SPI باید با مقایسه نتایج SPI با نتایج اشعه ایکس یا AOI از همان بردها تأیید شود.
---
تأیید مقاله اول قبل از تولید کامل
تأیید ابعاد استنسیل
قبل از اولین اجرای تولید، شابلون باید در برابر فایل های Gerber تأیید شود. ابعاد دیافراگم، موقعیت ها و ضخامت شابلون باید اندازه گیری و با داده های طراحی مقایسه شود. یک دستگاه اندازه گیری مختصات (CMM) یا یک سیستم بینایی می تواند این تأیید را انجام دهد.
تلورانس موقعیت دیافراگم معمولاً 25± میکرون برای اجزای با گام ریز است. دیافراگم نامناسب می تواند باعث رسوب خمیر در خارج از مرکز شود و منجر به پل زدن لحیم کاری یا خیس شدن ناکافی شود. کشش قاب شابلون نیز باید بررسی شود، زیرا کشش ناکافی می تواند باعث افتادگی و ناهماهنگی شابلون در حین چاپ شود.
First-Article Print and Reflow
چاپ مقاله اول باید روی یک PCB خالی انجام شود، و پس از آن بازرسی SPI از تمام رسوبات خمیر انجام شود. نتایج SPI باید با مقادیر مورد انتظار برای هر نوع جزء مقایسه شود. هر گونه سپرده خارج از حدود مشخصات باید قبل از اقدام بررسی شود.
پس از چاپ مقاله اول، یک مونتاژ کامل با اجزا و جریان مجدد باید انجام شود. تخته های مونتاژ شده باید با AOI و اشعه ایکس بررسی شوند تا کیفیت اتصال لحیم کاری تایید شود. این کار کل فرآیند را تأیید می کند، از جمله چاپ خمیر، قرار دادن اجزا و نمایه جریان مجدد.
ارزیابی قابلیت فرآیند
داده های مقاله اول باید برای محاسبه شاخص قابلیت فرآیند (Cpk) برای رسوبات خمیر بحرانی استفاده شود. Cpk 1.33 یا بالاتر به طور کلی قابل قبول است، در حالی که Cpk کمتر از 1.0 نشان می دهد که فرآیند قادر به برآورده کردن مشخصات نیست. اگر Cpk کم باشد، طراحی استنسیل، انتخاب چسب یا پارامترهای چاپگر باید قبل از تولید کامل تنظیم شوند.
---
اشتباهات رایج در ارزیابی ریسک چاپ چسب
نادیده گرفتن کوچکترین دیافراگم
رایجترین اشتباه تمرکز بر اندازه متوسط دیافراگم و نادیده گرفتن کوچکترین دیافراگمهای روی برد است. کوچکترین دیافراگم ها بیشترین احتمال شکست را دارند و نوع خمیر و ضخامت شابلون را تعیین می کنند. تختهای با دیافراگمهای عمدتاً بزرگ، اما تعداد کمی از اجزای ریز به همان نوع خمیری نیاز دارد که تختهای با تمام اجزای ریز گام.
استفاده از ضخامت شابلون استاندارد
بسیاری از تولیدکنندگان از ضخامت شابلون استاندارد 0.1 میلی متر یا 0.125 میلی متر برای همه محصولات استفاده می کنند. این رویکرد زمانی که تخته دارای ترکیبی از اجزای ریز و بزرگ باشد شکست می خورد. شابلون پلکانی یا ضخامت شابلون متفاوت ممکن است برای برآوردن الزامات متناقض مورد نیاز باشد.
نادیده گرفتن کارایی انتقال چسب
محاسبه نسبت مساحت، آزادسازی خمیر ایدهآل را فرض میکند، اما راندمان انتقال واقعی به رئولوژی خمیر، پوشش دیواره دیافراگم و تنظیمات چاپگر بستگی دارد. طرحی که از محاسبه نسبت مساحت عبور می کند، ممکن است در صورت بهینه نشدن فرآیند، همچنان در تولید شکست بخورد. تأیید مقاله اول برای تأیید کارایی انتقال واقعی ضروری است.
تنظیم آستانه های SPI خیلی شل است
آستانه های SPI که خیلی شل هستند اجازه می دهند رسوبات خمیر حاشیه ای عبور کنند، که می تواند باعث خرابی های متناوب در زمینه شود. آستانه ها باید بر اساس الزامات مؤلفه و قابلیت فرآیند باشد، نه بر اساس تنظیمات پیش فرض سیستم SPI.
---
مثال عملی: 0.4 میلی متر گام QFN ارزیابی
تخته ای با گام 0.4 میلی متری QFN، گام 0.5 میلی متری BGA و چندین گسسته 0603 را در نظر بگیرید. QFN دارای دیافراگم های مربع 0.2 میلی متری و BGA دارای دیافراگم های گرد 0.25 میلی متری است.
برای دیافراگم های QFN با ضخامت شابلون 0.1 میلی متر، نسبت مساحت برابر است با:
نسبت مساحت = (0.2 × 0.2) / (2 × (0.2 + 0.2) × 0.1) = 0.04 / 0.08 = 0.5
این نسبت مساحت کمتر از 0.66 توصیه شده است که نشان دهنده خطر بالای انتقال ناکافی خمیر است. گزینه هایی برای بهبود نسبت مساحت عبارتند از:
- کاهش ضخامت شابلون به 0.08 میلی متر، که نسبت مساحت 0.625 را به دست می دهد.
- استفاده از شابلون پلکانی با بخش نازکتر برای ناحیه QFN
- تغییر شکل دیافراگم با فیله
برای انتخاب خمیر، دیافراگم 0.2 میلی متری به خمیر نوع 4 یا نوع 5 نیاز دارد. خمیر نوع 3 دارای ذراتی است که برای پر کردن قابل اعتماد بسیار بزرگ هستند.
آستانه SPI برای QFN باید 30% برای حجم و حداکثر ارتفاعی که از پل زدن جلوگیری می کند تنظیم شود. BGA و گسسته ها می توانند از تحمل حجم ± 50٪ استفاده کنند.
---
چه زمانی باید سازنده را درگیر کرد
سازنده PCB و سازنده مونتاژ باید در مراحل اولیه طراحی شرکت کنند، نه پس از تکمیل طراحی. سازنده می تواند در مورد طراحی استنسیل، انتخاب خمیر و قابلیت های فرآیند بازخورد ارائه دهد. آنها همچنین می توانند مشکلات بالقوه طراحی تخته را شناسایی کنند، مانند اندازه های پد که خیلی کوچک یا خیلی نزدیک به هم هستند.
برای تخته های پیچیده با اجزای ریز، طرحی برای بررسی قابلیت ساخت (DFM) باید قبل از عرضه برد برای تولید انجام شود. بررسی DFM باید شامل طرح شابلون، فرآیند چاپ خمیری و نمایه جریان مجدد باشد. این بررسی می تواند از دوباره کاری های پرهزینه و تاخیر جلوگیری کند.
ارزیابیهای مرتبط باید نحوه تعامل فرآیند چاپ خمیر با سایر خطرات مونتاژ را نیز در نظر بگیرند. برای مثال، مقاله How to Evaluate SMT Risk Assembly from FOPLP and Thermal Processing Trends ملاحظات پردازش حرارتی را پوشش می دهد که بر انتخاب خمیر تأثیر می گذارد. مقاله نحوه ارزیابی ریسک مونتاژ SMT از ظرفیت تولید و روند استنسیل در مورد چگونگی تأثیر ظرفیت تولید بر انتخاب طراحی شابلون بحث می کند.
مقاله How to Evaluate IMS PCB and PCBA Supplier Handoff Risk Before Assembly به مشکلات ارتباطی تامین کننده می پردازد که می تواند بر کیفیت چاپ چسباندن اثر بگذارد. مقاله How to Evaluate SMT Risk Assembly from CEO and REACH Trends مسائل مربوط به انطباق مواد را پوشش می دهد که ممکن است فرمولاسیون خمیر را محدود کند. در نهایت، مقاله نحوه ارزیابی خطر مونتاژ SMT از PCB روندهای ساخت و منبع یابی به این موضوع می پردازد که چگونه سطح PCB بر خیس شدن و چاپ خمیر تاثیر می گذارد.
---
توصیه های عملی برای کاهش ریسک
> Rule of thumb: If the smallest aperture on your stencil has an area ratio below 0.66, do not proceed with production until you have addressed the design. This single check catches most paste printing failures before they occur.
اقدامات زیر باید برای هر معرفی محصول جدید انجام شود:
1. Calculate the area ratio for the smallest aperture on each component type 2. Select the paste type based on the smallest aperture 3. Verify the stencil dimensions against the Gerber files 4. Perform a first-article print and SPI inspection 5. Validate the SPI thresholds against reflow results 6. Maintain control charts for the critical paste deposits
این مراحل زمان می برد و به فرآیند معرفی محصول هزینه اضافه می کند، اما به طور قابل توجهی ارزان تر از کار مجدد برد معیوب یا مقابله با خرابی های میدانی است. فرآیند چاپ خمیر پایه و اساس کیفیت مونتاژ است، و سزاوار همان توجهی است که فرآیندهای قرار دادن قطعات و جریان مجدد.
هنگام کار با ارائهدهنده EMS مانند Omini، فایلهای طراحی استنسیل و دادههای SPI را از مقاله اول در اختیار آنها قرار دهید. این اطلاعات به سازنده اجازه می دهد تا فرآیند را بهینه کند و مشکلات احتمالی را قبل از تبدیل شدن به نقص شناسایی کند. یک رویکرد مشترک برای ارزیابی ریسک چاپ خمیر بهترین نتایج را هم برای تیم طراحی و هم برای تیم سازنده ایجاد می کند.
> Engineering handoff note: How to Evaluate SMT Assembly Risk from Manufacturing Capacity and Stencil Trends before the release package is frozen.