La impresión con esténcil es el proceso de depositar pasta de soldadura sobre las placas de circuito impreso (PWB) para establecer conexiones eléctricas . Inmediatamente después viene la etapa de colocación de componentes . Los equipos y materiales utilizados en esta etapa son un esténcil , pasta de soldadura y una impresora.
La función de impresión con plantilla se logra a través de un único material, la pasta de soldadura, que consta de metal de soldadura y fundente . La pasta también actúa como adhesivo durante la colocación de los componentes y el reflujo de la soldadura . La pegajosidad de la pasta permite que los componentes permanezcan en su lugar. Una buena unión de soldadura es aquella en la que la pasta de soldadura se ha derretido bien y ha fluido y humedecido el cable o la terminación del componente y la almohadilla de la placa.
Para lograr este tipo de unión de soldadura, el componente debe estar en el lugar correcto, se debe aplicar el volumen correcto de pasta de soldadura, la pasta debe humedecer bien la placa y el componente, y debe haber un residuo que sea seguro dejar en la placa o uno que se pueda limpiar fácilmente.
El volumen de soldadura es una función de la plantilla, el proceso de impresión y el equipo, el polvo de soldadura y la reología o las propiedades físicas de la pasta. Una buena humectación de la soldadura es una función del fundente.
Las entradas del proceso se pueden clasificar como entrada de diseño, entrada de material y entrada de parámetros del proceso. La salida del proceso es una placa de circuito impreso que cumple con los límites de especificación del proceso. Estas especificaciones suelen ser un volumen y una altura de pasta de soldadura consistentes y una pasta de soldadura impresa alineada en las almohadillas de la placa de circuito impreso. Esto determina el rendimiento del proceso.
En la automatización del diseño electrónico , la máscara de pasta de soldadura y, por lo tanto, la plantilla, generalmente se definen en una capa denominada tCream/ bCreamtambién conocida como CRC/ CRS, [1] [nb 1] PMC / PMS, [2] TPS / BPS, [3] o TSP/ BSP( EAGLE ), F.Paste/ B.Paste( KiCad ), PasteTop/ PasteBot( TARGET ), SPT/ SPB( OrCAD ), PT.PHO/ PB.PHO( PADS ), PASTE-VS/ PASTE-RS( WEdirekt ), [4] GTP / GBP( Gerber y muchos otros [5] ). Algunos programas EDA (menos comunes) no tratan la máscara de pasta de soldadura como una parte regular de la pila de capas de una PCB , en cuyo caso la máscara de pasta debe derivarse de la máscara de detención de soldadura .
Para mejorar la precisión, las plantillas se montaban tradicionalmente en marcos de aluminio patentados de diversos tipos. Hoy en día, el uso de sistemas de montaje rápido es más común, al menos para lotes de bajo volumen, montando la plantilla neumática o mecánicamente. Para ello, la plantilla necesita perforaciones adicionales para la alineación siguiendo uno de los diversos estándares de sistemas de montaje, incluidos QuattroFlex, ZelFlex, ESSEMTEC, PAGGEN, Metz, DEK VectorGuard, Mechatronic Systems y otros.
El proceso comienza con la carga de la placa en la impresora. El sistema de visión interno alinea la plantilla con la placa, después de lo cual la escobilla de goma imprime la pasta de soldadura. A continuación, la plantilla y la placa se separan y se descargan. La parte inferior de la plantilla se limpia aproximadamente cada diez impresiones para eliminar el exceso de pasta de soldadura que queda en la plantilla.
Una operación de impresión típica tiene una velocidad de alrededor de 15 a 45 segundos por placa. La velocidad del cabezal de impresión es típicamente de 1 a 8 pulgadas por segundo. El proceso de impresión debe controlarse cuidadosamente. La desalineación del movimiento con respecto a la referencia da como resultado varios defectos, por lo que la placa debe asegurarse correctamente antes de comenzar el proceso. Se utilizan un ajustador y soportes de vacío para asegurar los ejes X e Y de la placa. Los soportes de vacío deben usarse con cuidado, ya que pueden afectar el proceso de impresión con pasador en pasta si no se aseguran correctamente.
El proceso más largo es la operación de impresión, seguida del proceso de separación. La inspección posterior a la impresión es crucial y normalmente se realiza con sistemas de visión 2D especiales en la impresora o con sistemas 3D independientes.
Los sistemas de visión de las máquinas de impresión por esténcil utilizan marcas de referencia globales para alinear la placa de circuito impreso. Sin estas marcas de referencia, la impresora no imprimiría la pasta de soldadura en una alineación exacta con las almohadillas. La placa de circuito impreso debe tener tolerancias dimensionales estrechas para que se acople a la plantilla. Esto es necesario para lograr la alineación requerida de los bloques de soldadura en las almohadillas.
La precisión requerida en la alineación también se puede lograr controlando el flujo de soldadura en la placa de circuito impreso durante la soldadura por reflujo. Para este propósito, el espacio entre las almohadillas a menudo se recubre con una máscara de soldadura . Los materiales de la máscara de soldadura no tienen afinidad con la soldadura fundida y, por lo tanto, no se forma una unión positiva entre ellos a medida que la soldadura se solidifica. Este proceso a menudo se conoce como enmascaramiento de soldadura . La máscara debe estar centrada correctamente. La máscara protege la placa de circuito impreso contra la oxidación y evita que se formen puentes de soldadura no deseados entre almohadillas de soldadura muy espaciadas.
Además, la altura de la máscara de soldadura debe ser menor que la altura del pad para evitar problemas de formación de juntas. Si la altura de la máscara de soldadura es mayor que la del pad, parte de la pasta de soldadura se asentaría en el espacio vacío entre la máscara y el pad. Esto es lo que se conoce como formación de juntas. Es un sello que llena el espacio entre dos superficies para evitar fugas. La formación de juntas es un problema ya que el exceso de pasta de soldadura alrededor del pad puede ser más que un factor molesto para los circuitos que tienen un espaciado de línea muy pequeño.
Las almohadillas de la placa de circuito impreso están hechas de cobre y son susceptibles a la oxidación. La oxidación de la superficie del cobre inhibirá la capacidad de la soldadura para formar una unión confiable. Para evitar este efecto no deseado, todo el cobre expuesto está protegido con un acabado de superficie.
El núcleo de una placa de circuito impreso bien impresa reside en el llenado y la liberación de pasta de soldadura en la abertura. Cuando la plantilla está en contacto con la placa de circuito impreso, se aplica pasta de soldadura sobre la superficie superior de la plantilla utilizando una escobilla de goma. Esto hace que la abertura se llene con pasta de soldadura. A continuación, se baja la placa de circuito impreso desde la plantilla. La cantidad de pasta de soldadura que se libera de las aberturas de la plantilla y se transfiere a las almohadillas de la placa de circuito impreso determina si la impresión es buena o no. Lo ideal es que todos los volúmenes de pasta de soldadura sean iguales al volumen de la abertura de la plantilla correspondiente. Sin embargo, en la realidad, este nunca es el caso. Por lo tanto, se considera que una impresión es buena si se libera una determinada fracción de la pasta. Una forma de cuantificar el rendimiento de la impresión es calcular la eficiencia de transferencia . Esto se expresa matemáticamente como:
En la expresión anterior, el volumen máximo teórico es simplemente el volumen abierto de la abertura de la plantilla. Lo ideal es una eficiencia de transferencia de 1. Sin embargo, en la realidad, cuanto mayor sea la eficiencia de transferencia, mejor será la impresión. Ahora bien, para llenar la abertura con pasta se requiere un caudal suficiente y un tiempo de llenado suficiente. Las aberturas que no están completamente llenas no liberarán pasta sobre la placa, lo que da como resultado plantillas obstruidas y juntas de soldadura defectuosas. La liberación de pasta de soldadura está determinada por la velocidad de separación de la placa de la plantilla. La adhesión de la pasta a la placa tiene que proporcionar la fuerza de corte para superar la adhesión de la pasta a las paredes de la plantilla. Esta fuerza de corte hidrodinámica depende de la velocidad de separación.
Las plantillas se utilizan para imprimir pasta de soldadura en la placa de circuito impreso. Suelen estar hechas de acero inoxidable o níquel y se fabrican mediante diferentes procesos que se describen a continuación.
El uso de la tecnología láser permite tener tolerancias más estrechas y mayor precisión.
Las paredes de las aberturas se pueden alisar mediante pulido electrolítico o niquelado. El proceso de corte por láser genera aberturas trapezoidales que pueden generar mejores características de liberación de la pasta de soldadura.
La repetibilidad de las dimensiones en las plantillas cortadas con láser es generalmente mejor que la del grabado químico. Con el corte por láser, no hay películas fotográficas que requieran una alineación precisa o protección contra la humedad.
Esta plantilla se forma mediante el proceso de electroformado de níquel, de ahí el nombre E-FAB. El níquel tiene mejores características de desgaste que el acero y el electroformado crea paredes de aberturas cónicas y suaves. El proceso también crea una cresta a lo largo de la parte inferior de la plantilla que puede mejorar la estanqueidad de la plantilla con la placa y dar como resultado una liberación más uniforme de la pasta de soldadura.
Debido a la necesidad de componentes de paso fino, a medida que el tamaño de la abertura se hace cada vez más pequeño, se convierten en aberturas "altas y estrechas". En tales casos, las aberturas pueden llenarse con pasta de soldadura pero no liberarse completamente, o a veces ni siquiera llenarse completamente y, por lo tanto, no se forman depósitos. Para contrarrestar este problema, las paredes de la abertura se hacen lo más lisas posible. Además, se colocan nano recubrimientos de capa molecular en las paredes de la plantilla para que la pasta de soldadura no se pegue. El llenado y la liberación consistentes son el resultado más importante de la impresión con esténcil. Cuando la plantilla está abajo en la placa, la pasta llena la abertura y está en contacto con la almohadilla y las paredes de la plantilla. El contacto se juzga tomando la relación de estas áreas, es decir, la relación del área de la almohadilla con el área de las paredes. Esto se llama relación de área . La información sobre los estándares para el diseño de esténciles está disponible en la Especificación IPC 7525 y otros estándares. En general, incluidas las plantillas con aberturas altas y estrechas, se recomienda una relación de área mayor a 0,66.
Ilustraciones de las distintas dimensiones:
En el caso de plantillas de paso fino (paso más pequeño de 20 milésimas de pulgada, apertura de 10 milésimas de pulgada), incluso con una plantilla de 5 milésimas de pulgada, que es el grosor de plantilla más comúnmente utilizado, la relación de área es inferior a 1,5. Esto requiere el uso de una plantilla más delgada. Para BGA/CSP y otras aperturas muy pequeñas, se utiliza la relación de área. Debe ser mayor que 0,66, ya que esto garantiza una alta probabilidad de un buen llenado y liberación. Una relación de área inferior a 0,66 significaría un proceso mucho menos confiable.
Ejemplos de proporciones de área para BGA:
El tamaño de la abertura debe ser menor que el tamaño de la almohadilla para evitar el exceso de pasta de soldadura o la producción de bolas de soldadura. Una reducción del 10 al 20 % en el tamaño de la abertura en comparación con el tamaño de la almohadilla es típica para minimizar las bolas de soldadura. Las bolas de soldadura pueden provocar un mal funcionamiento del circuito eléctrico.
Es posible que sea necesario aplicar distintas cantidades de pasta de soldadura a una placa de circuito impreso según el diseño y el tamaño de los componentes. En este caso, es posible que no sea una buena solución aplicar un nivel máximo uniforme de soldadura, ya que estas plantillas suelen utilizarse cuando se utiliza tecnología de "pin y pegar" (es decir, imprimir pasta de soldadura en orificios pasantes para evitar la soldadura por ola) y componentes con un paso significativamente diferente en la misma placa de circuito impreso. Para este fin, para lograr una cantidad de soldadura variable, se utilizan plantillas reductoras.
Lo ideal es que una pasta de soldadura tenga, como mínimo, una vida útil de 4 horas. La vida útil de la plantilla se define como el período de tiempo en el que no se producirán cambios significativos en las características del material de la pasta de soldadura. Una pasta de soldadura con una vida útil de la plantilla más prolongada será más resistente en el proceso de impresión. La vida útil real de la plantilla de una pasta debe determinarse a partir de las especificaciones del fabricante y de la verificación in situ.
Para mejorar la vida útil y el rendimiento de las plantillas, se deben limpiar después de su uso eliminando cualquier resto de pasta de soldadura que haya quedado sobre ellas o dentro de las aberturas. Las plantillas limpias se guardan en un área protegida. Antes de su uso, se inspeccionan para detectar desgaste o daños. Las plantillas suelen identificarse por números de trabajo para reducir el riesgo de manipulación incorrecta o colocación incorrecta.
Las escobillas de goma se utilizan para esparcir la soldadura sobre la plantilla y rellenar todas las aberturas de manera uniforme. Las escobillas de goma vienen en dos tipos diferentes, de metal o de poliuretano. Las escobillas de goma de metal son preferibles a las de poliuretano. [ cita requerida ] Producen volúmenes de soldadura muy uniformes y son resistentes a la extracción de la pasta de soldadura de las aberturas durante la impresión. Además, tienen mejores características de desgaste, lo que conduce a una vida útil más larga.
La falta de pasta de soldadura puede provocar uniones y contactos deficientes entre los componentes y la placa. Las causas más comunes de falta de pasta de soldadura son juntas deficientes, orificios de la plantilla obstruidos, tamaño insuficiente de la gota de pasta de soldadura, uso de la pasta o la plantilla más allá de su vida útil recomendada, plantilla que no se limpia o presión baja de la escobilla de goma.
Las principales causas de las manchas o la formación de puentes son la presión excesiva de la escobilla de goma, la limpieza inadecuada de la plantilla, el mal contacto entre la placa y la plantilla, la temperatura o la humedad altas o la baja viscosidad de la pasta de soldadura.
Una desalineación de impresión típica generalmente es causada por un sistema de visión que no detecta los puntos de referencia, un estiramiento de la placa de circuito impreso (PWB) o de la plantilla, un contacto deficiente entre la placa y la plantilla o un soporte débil de la placa.
Una placa de circuito impreso que no se fija correctamente durante la impresión con pasta de soldadura produce malos resultados y aumenta los problemas relacionados con la soldadura. Normalmente, los equipos de impresión con pasta de soldadura pueden soportar deformaciones de entre 1,0 y 3,0 mm, pero más allá de este límite se necesitan plantillas o accesorios especiales para sujetar la placa de circuito impreso. Puede resultar difícil trabajar con placas gruesas y pequeñas en comparación con placas delgadas y de mayor tamaño.
Más del 50% de los defectos en el ensamblaje de componentes electrónicos se deben a problemas de impresión de la pasta de soldadura. Hay muchos parámetros involucrados en este proceso, lo que dificulta la detección del problema específico y la optimización del proceso. Se puede utilizar un estudio estadístico cuidadoso del proceso para mejorar significativamente el resultado. La cantidad de oportunidades de que se produzca un defecto caracteriza los defectos, no la cantidad real de piezas defectuosas.
Ejemplo:
Por lo tanto, existen 69 oportunidades de que los defectos produzcan un componente defectuoso. Contar las oportunidades de defectos es la forma más válida de controlar el proceso. Los procesos se suelen clasificar en términos de cantidad de defectos por millón de oportunidades (DPM). Por ejemplo, un proceso que genere 100 defectos cuando se le dan 1 millón de oportunidades de defectos tendría una clasificación de 100 DPM. Los procesos de impresión de primera clase tienen niveles de defectos de alrededor de 20 DPM.
Se puede lograr un proceso de impresión con un DPM bajo empleando técnicas estadísticas para determinar los efectos de parámetros individuales o interacciones entre diferentes parámetros. Los parámetros importantes del proceso se pueden optimizar luego utilizando técnicas de diseño de experimentos (DOE). Estos parámetros optimizados se pueden implementar y se puede comenzar con la evaluación comparativa del proceso. Luego se puede utilizar el control estadístico del proceso para monitorear y mejorar continuamente los niveles de DPM de impresión.
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