Réponse directe
Évaluez le risque d'impression de la pâte à souder avant l'assemblage en vérifiant le rapport de surface d'ouverture du pochoir, en vérifiant la taille des particules de pâte par rapport à la plus petite ouverture, en confirmant que l'épaisseur du pochoir correspond au pas des composants et en définissant des seuils SPI qui capturent le volume et. Écarts de hauteur. Ces quatre contrôles préviennent la plupart des défauts de refusion avant qu'ils ne surviennent.
Pourquoi l'impression de pâte à souder détermine le rendement de l'assemblage
L'impression de pâte à souder est l'étape la plus efficace de PCBA car elle contrôle directement le volume de soudure déposé sur chaque pastille. Contrairement au placement des composants ou à la refusion, qui peuvent compenser des variations mineures, les erreurs de dépôt de pâte se propagent tout au long du processus d'assemblage. Un tampon avec trop peu de pâte produit un joint froid ou ouvert après refusion. Un tampon avec un excès de pâte peut relier un tampon adjacent, créant un court-circuit qui peut ne pas être visible sans inspection aux rayons X.
Le processus d'impression implique trois variables en interaction : la conception du pochoir, les caractéristiques de la pâte et les paramètres de l'imprimante. Chaque variable doit être évaluée avant le début de la production. Le coût de la détection d'un défaut lié à la pâte lors de l'assemblage est nettement plus élevé que celui de sa détection lors de l'examen de la conception du pochoir. La retouche sur une carte entièrement assemblée nécessite le retrait des composants, le nettoyage, le recollage et la refusion, ce qui risque d'endommager les composants à proximité et le PCB lui-même.
Pour une carte à technologie mixte typique avec des QFN à pas fin et des éléments discrets plus grands, le processus d'impression en pâte doit satisfaire des exigences contradictoires. Les composants à pas fin nécessitent des pochoirs fins pour éviter les ponts de soudure, tandis que les grands tampons thermiques nécessitent des pochoirs épais pour garantir un volume de soudure adéquat pour la dissipation thermique. La résolution de ce conflit nécessite une conception minutieuse des pochoirs et, dans certains cas, des pochoirs étagés.
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Règles de conception des ouvertures de pochoir qui évitent les défauts
Rapport de surface et rapport hauteur/largeur
Le paramètre de conception du pochoir le plus important est le rapport de surface, qui correspond à la surface de la paroi de l'ouverture divisée par la surface de l'ouverture de l'ouverture. Pour une ouverture rectangulaire, le rapport de surface est calculé comme suit :
Rapport de surface = (L × W) / (2 × (L + W) × T)
Où L est la longueur de l'ouverture, W est la largeur de l'ouverture et T est l'épaisseur du pochoir.
La règle générale de l'industrie est que le rapport de surface doit être supérieur à 0,66 pour une libération fiable de la pâte. En dessous de cette valeur, la pâte a tendance à coller aux parois des ouvertures au lieu de se transférer sur le tampon. Pour les ouvertures circulaires, le rapport hauteur/largeur (diamètre de l’ouverture divisé par l’épaisseur du pochoir) doit être supérieur à 1,5.
Lorsque le rapport de surface tombe en dessous de 0,66, l'efficacité du transfert de pâte diminue considérablement. Cela signifie que le volume de pâte déposé est systématiquement inférieur au volume de l'ouverture, ce qui entraîne des joints de soudure insuffisants. Le problème s'aggrave avec les composants à pas plus fin, car les dimensions de l'ouverture diminuent tandis que l'épaisseur du pochoir reste constante.
Qualité du mur d’ouverture
Les parois des ouvertures doivent être lisses et droites. Les pochoirs découpés au laser avec électropolissage produisent les meilleurs résultats. L'électropolissage élimine les aspérités et les micro-bavures laissées par le processus de découpe laser, réduisant ainsi l'adhérence de la pâte aux murs. Une paroi d'ouverture rugueuse augmente la surface d'adhésion de la pâte et réduit l'efficacité du transfert.
Pour les ouvertures à pas fin inférieur à 0,5 mm, la finition du mur devient critique. Une bavure ou une rugosité sur le mur peut bloquer complètement l’écoulement de la pâte ou provoquer un dépôt irrégulier. Lors de l'évaluation d'un fournisseur de pochoirs, demandez les spécifications d'électropolissage et vérifiez la finition du mur avec un microscope sur le premier article.
Modifications de la forme de l'ouverture
Pour les ouvertures dont les rapports de surface sont inférieurs au seuil recommandé, les concepteurs de pochoirs peuvent modifier la forme de l'ouverture pour améliorer le démoulage de la pâte. Les modifications courantes incluent :
- Formation de congé : arrondir les coins de l'ouverture pour réduire les bords tranchants où la pâte peut coller
- Parois coniques : création d'une légère conicité de sorte que l'ouverture du côté de la raclette soit plus grande que celle du côté du tampon.
- Pochoirs abaisseurs : réduction de l'épaisseur du pochoir dans des zones spécifiques pour améliorer le rapport de surface pour les composants à pas fin
Ces modifications doivent être évaluées avec attention car elles modifient le volume de pâte déposé. Une forme de congé réduit le volume de l'ouverture, ce qui peut être acceptable pour les petits composants mais pourrait entraîner une soudure insuffisante pour les pastilles plus grandes.
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Sélection du collage et son impact sur le risque d'impression
Classification granulométrique
La pâte à souder est classée par granulométrie selon la norme IPC J-STD-005. La pâte de type 3 a des tailles de particules allant de 25 à 45 microns, tandis que le type 4 va de 20 à 38 microns et le type 5 de 15 à 25 microns. La taille des particules doit correspondre à la plus petite ouverture du pochoir.
La règle générale est qu'au moins cinq particules de soudure doivent s'adapter à la largeur de l'ouverture. Pour un pas de 0,4 mm QFN avec une ouverture carrée de 0,2 mm, une pâte de type 4 ou de type 5 est requise. L’utilisation d’une pâte de type 3 dans cette application risque de boucher l’ouverture et de déposer de la pâte de manière incohérente.
Cependant, les particules plus fines présentent un inconvénient. Ils ont un rapport surface/volume plus élevé, ce qui signifie qu’ils s’oxydent plus rapidement et nécessitent plus de flux pour obtenir les mêmes performances de mouillage. La pâte a également une durée de vie du pochoir plus courte et nécessite des contrôles de qualité d'impression plus fréquents.
Sélection des alliages et compatibilité par refusion
L'alliage de soudure doit correspondre au profil de refusion et aux exigences thermiques des composants. La norme SAC305 (96,5 % d'étain, 3 % d'argent, 0,5 % de cuivre) a un point de fusion autour de 217°C et fonctionne bien pour la plupart des applications. Cependant, pour les composants ou substrats sensibles à la chaleur, les alliages à basse température tels que le SAC305 avec des ajouts de bismuth peuvent réduire la température de refusion maximale.
Le choix de l'alliage affecte la rhéologie de la pâte. Les alliages à basse température contenant du bismuth ont tendance à être plus visqueux et peuvent nécessiter des paramètres d'imprimante différents. Lors du changement d'alliage, le processus d'impression doit être revalidé avec un premier passage d'article.
Stockage et manipulation des pâtes
La pâte à souder est un matériau périssable. Il doit être conservé au réfrigérateur à la température spécifiée par le fabricant, généralement entre 2°C et 10°C. Avant utilisation, la pâte doit être ramenée à température ambiante pour éviter la condensation, qui peut provoquer des boules de soudure et des vides.
La durée de conservation de la pâte est généralement de six mois à compter de la date de fabrication lorsqu'elle est stockée correctement. Une fois ouverte, la pâte a une durée de vie de 8 à 12 heures, selon le type et les conditions ambiantes. L’utilisation de pâte périmée ou mal manipulée présente un risque qui ne peut être détecté par la seule inspection visuelle.
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Paramètres de l'imprimante et contrôle du processus
Pression et vitesse de la raclette
La pression de la raclette détermine dans quelle mesure la pâte est forcée dans les ouvertures. Une pression trop faible laisse un remplissage incomplet de la pâte, tandis qu'une pression trop forte peut faire sortir la pâte des ouvertures à pas fin ou provoquer un saignement de la pâte sous le pochoir. La pression optimale dépend de la dureté de la raclette, de la viscosité de la pâte et du modèle du pochoir.
Pour les raclettes métalliques, la pression est généralement réglée entre 6 et 10 kg. Pour les raclettes en polyuréthane, la pression est plus faible, de l'ordre de 4 à 6 kg. La vitesse de la raclette varie généralement de 20 à 80 mm par seconde. Des vitesses plus lentes laissent plus de temps à la pâte pour remplir les ouvertures, ce qui est bénéfique pour les composants à pas fin.
Vitesse de séparation
La vitesse de séparation, également connue sous le nom de vitesse de séparation, contrôle la rapidité avec laquelle le pochoir se soulève du PCB après l'impression. Une vitesse de séparation lente permet à la pâte de se détacher proprement des parois des ouvertures. La vitesse de séparation recommandée est généralement de 1 à 3 mm par seconde.
Si la vitesse de séparation est trop rapide, la pâte peut former des pics ou laisser des dépôts sur la face inférieure du pochoir, provoquant des bavures lors de l'impression suivante. Ce défaut est particulièrement problématique pour les composants à pas fin où la tolérance du volume de pâte est serrée.
Nettoyage sous le pochoir
Le nettoyage sous le pochoir (USC) élimine les résidus de pâte du bas du pochoir entre les impressions. La fréquence de nettoyage dépend du type de pâte, de la densité d'ouverture et des conditions ambiantes. Un cycle de nettoyage typique est effectué toutes les 5 à 10 impressions, en utilisant un chiffon sec suivi d'un aspirateur ou d'un chiffon au solvant.
Un nettoyage insuffisant entraîne une accumulation de pâte sur la face inférieure du pochoir, ce qui provoque des bavures et des billes de soudure sur le PCB. Le papier de nettoyage et le solvant doivent être compatibles avec la chimie de la pâte pour éviter toute contamination.
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Seuils SPI et stratégie d'inspection
Définition des limites de volume et de hauteur
Les systèmes d'inspection de pâte à souder (SPI) mesurent le volume, la hauteur et la surface de chaque dépôt de pâte. Les seuils SPI doivent être définis en fonction des exigences des composants et de la capacité du processus. Pour les composants à pas fin, la tolérance de volume est généralement de ±30 % de la valeur nominale. Pour les composants plus grands, ±50 % est acceptable.
La mesure de la hauteur est importante car elle est en corrélation avec le risque de pontage de soudure. Un dépôt de pâte trop important peut toucher le tampon adjacent lors de la refusion, provoquant un court-circuit. Le seuil de hauteur doit être défini en fonction du pas des composants et de l'espacement des plots.
Couverture et échantillonnage SPI
Les systèmes SPI peuvent inspecter 100 % des dépôts de pâte sur une planche, mais cela augmente le temps de cycle et le coût. Pour une production en grand volume, une stratégie d'échantillonnage peut être utilisée, en inspectant un sous-ensemble de cartes de chaque cycle de production. Toutefois, pour les nouveaux produits ou lorsque le processus n’est pas encore stable, une inspection à 100 % est recommandée.
Les données SPI doivent être analysées pour détecter les tendances, et pas seulement les résultats de réussite/échec. Un déplacement progressif du volume de pâte vers la limite supérieure ou inférieure indique une dérive du processus qui finira par provoquer des défauts. Des cartes de contrôle doivent être conservées pour les composants critiques.
Corrélation avec les défauts de refusion
Les données SPI ne sont utiles que si elles sont en corrélation avec les résultats de redistribution. Un dépôt de pâte qui réussit le SPI mais échoue après la refusion indique un problème avec le profil de refusion ou le placement des composants, et non avec le processus d'impression. Les seuils SPI doivent être validés en comparant les résultats SPI avec les résultats radiographiques ou AOI des mêmes cartes.
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Vérification du premier article avant la production complète
Vérification dimensionnelle du pochoir
Avant la première exécution de production, le pochoir doit être vérifié par rapport aux fichiers Gerber. Les dimensions de l'ouverture, les positions et l'épaisseur du pochoir doivent être mesurées et comparées aux données de conception. Une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) ou un système de vision peut effectuer cette vérification.
La tolérance de position d'ouverture est généralement de ±25 microns pour les composants à pas fin. Une ouverture mal alignée peut provoquer un dépôt de pâte décentré, entraînant des ponts de soudure ou un mouillage insuffisant. La tension du cadre du pochoir doit également être vérifiée, car une tension insuffisante peut entraîner un affaissement et un mauvais alignement du pochoir pendant l'impression.
Impression et redistribution du premier article
Une impression du premier article doit être effectuée sur un PCB nu, suivie d'une inspection SPI de tous les dépôts de pâte. Les résultats SPI doivent être comparés aux valeurs attendues pour chaque type de composant. Tout dépôt en dehors des limites des spécifications doit être étudié avant de continuer.
Après l'impression du premier article, un assemblage complet avec composants et refusion doit être effectué. Les cartes assemblées doivent être inspectées avec AOI et rayons X pour vérifier la qualité du joint de soudure. Cela valide l'ensemble du processus, y compris l'impression de la pâte, le placement des composants et le profil de refusion.
Évaluation de la capacité du processus
Les données du premier article doivent être utilisées pour calculer l'indice de capacité de traitement (Cpk) pour les dépôts de pâte critiques. Un Cpk de 1,33 ou plus est généralement acceptable, tandis qu'un Cpk inférieur à 1,0 indique que le procédé n'est pas capable de répondre aux spécifications. Si le Cpk est faible, la conception du pochoir, la sélection de la pâte ou les paramètres de l'imprimante doivent être ajustés avant la production complète.
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Erreurs courantes dans l'évaluation des risques liés à l'impression de pâte
Ignorer la plus petite ouverture
L'erreur la plus courante consiste à se concentrer sur la taille d'ouverture moyenne tout en ignorant les plus petites ouvertures de la carte. Les plus petites ouvertures sont les plus susceptibles de tomber en panne et déterminent les exigences en matière de type de pâte et d'épaisseur de pochoir. Une carte comportant principalement de grandes ouvertures mais quelques composants à pas fin nécessite le même type de pâte qu'une carte comportant uniquement des composants à pas fin.
Utilisation d'une épaisseur de pochoir standard
De nombreux fabricants utilisent une épaisseur de pochoir standard de 0,1 mm ou 0,125 mm pour tous les produits. Cette approche échoue lorsque la carte comporte un mélange de composants à pas fin et de grande taille. Un pochoir étagé ou une épaisseur de pochoir différente peut être nécessaire pour répondre aux exigences contradictoires.
Surveiller l'efficacité du transfert de pâte
Le calcul du rapport de surface suppose une libération idéale de la pâte, mais l'efficacité réelle du transfert dépend de la rhéologie de la pâte, de la finition de la paroi de l'ouverture et des paramètres de l'imprimante. Une conception qui réussit le calcul du rapport de surface peut toujours échouer en production si le processus n'est pas optimisé. La vérification du premier article est essentielle pour confirmer l’efficacité réelle du transfert.
Définition des seuils SPI trop lâches
Des seuils SPI trop lâches laissent passer des dépôts marginaux de pâte, ce qui peut provoquer des pannes intermittentes sur le terrain. Les seuils doivent être basés sur les exigences des composants et la capacité du processus, et non sur les paramètres par défaut du système SPI.
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Exemple pratique : pas de 0,4 mm QFN Évaluation
Considérons une carte avec un pas de 0,4 mm QFN, un pas de 0,5 mm BGA et plusieurs 0603 discrets. Le QFN a des ouvertures carrées de 0,2 mm et le BGA a des ouvertures rondes de 0,25 mm.
Pour les ouvertures QFN avec une épaisseur de pochoir de 0,1 mm, le rapport de surface est :
Rapport de surface = (0,2 × 0,2) / (2 × (0,2 + 0,2) × 0,1) = 0,04 / 0,08 = 0,5
Ce rapport de surface est inférieur à la valeur recommandée de 0,66, indiquant un risque élevé de transfert de pâte insuffisant. Les options pour améliorer le ratio de superficie comprennent :
- Réduire l'épaisseur du pochoir à 0,08 mm, ce qui donne un rapport de surface de 0,625
- Utilisation d'un pochoir étagé avec une section plus fine pour la zone QFN
- Modification de la forme de l'ouverture avec des congés
Pour la sélection de la pâte, l'ouverture de 0,2 mm nécessite une pâte de type 4 ou de type 5. La pâte de type 3 contiendrait des particules trop grosses pour un remplissage fiable.
Les seuils SPI pour le QFN doivent être définis à ± 30 % pour le volume et une hauteur maximale qui empêche le pontage. Le BGA et les discrets peuvent utiliser une tolérance de volume de ± 50 %.
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Quand impliquer le fabricant
Le fabricant PCB et le fabricant de l'assemblage doivent être impliqués dès le début du processus de conception, et non une fois la conception terminée. Le fabricant peut fournir des commentaires sur la conception du pochoir, la sélection de la pâte et les capacités du processus. Ils peuvent également identifier les problèmes potentiels liés à la conception de la carte, tels que des tailles de pads trop petites ou trop rapprochées.
Pour les cartes complexes avec des composants à pas fin, un examen de la conception pour la fabricabilité (DFM) doit être effectué avant que la carte ne soit mise en production. L'examen DFM doit inclure la conception du pochoir, le processus d'impression de la pâte et le profil de refusion. Cet examen peut éviter des retouches coûteuses et des retards.
Les évaluations associées doivent également prendre en compte la manière dont le processus d'impression de pâte interagit avec d'autres risques d'assemblage. Par exemple, l'article Comment évaluer le risque d'assemblage SMT lié aux tendances FOPLP et au traitement thermique couvre les considérations liées au traitement thermique qui affectent la sélection de la pâte. L'article Comment évaluer le risque d'assemblage SMT lié à la capacité de fabrication et aux tendances des pochoirs explique comment la capacité de fabrication affecte les choix de conception de pochoirs.
L'article Comment évaluer les risques de transfert des fournisseurs IMS PCB et PCBA avant l'assemblage aborde les problèmes de communication avec les fournisseurs qui peuvent affecter la qualité d'impression des pâtes. L'article Comment évaluer le risque d'assemblage SMT du PDG et les tendances REACH couvre les problèmes de conformité importants qui peuvent restreindre les formulations de pâte. Enfin, l'article Comment évaluer le risque d'assemblage SMT à partir des tendances de fabrication et d'approvisionnement PCB explique comment la finition de surface PCB affecte le mouillage et l'impression de la pâte.
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Recommandations pratiques pour la réduction des risques
> 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.
Les actions suivantes doivent être prises pour chaque introduction de nouveau produit :
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
Ces étapes prennent du temps et ajoutent des coûts au processus d'introduction du produit, mais elles sont nettement moins coûteuses que de retravailler une carte défectueuse ou de gérer des pannes sur le terrain. Le processus d’impression sur pâte est le fondement de la qualité de l’assemblage et mérite la même attention que les processus de placement des composants et de refusion.
Lorsque vous travaillez avec un fournisseur EMS comme Omini, fournissez-lui les fichiers de conception de pochoir et les données SPI du premier article. Ces informations permettent au fabricant d'optimiser le processus et d'identifier les problèmes potentiels avant qu'ils ne se transforment en défauts. Une approche collaborative de l’évaluation des risques liés à l’impression sur pâte produit les meilleurs résultats tant pour l’équipe de conception que pour l’équipe de fabrication.
> Engineering handoff note: How to Evaluate SMT Assembly Risk from Manufacturing Capacity and Stencil Trends before the release package is frozen.