Malé součástky představují výzvu pro osazování

Malé elektronické součástky, které se v současnosti používají, i ty, které se teprve vyvíjejí, představují velkou výzvu nejenom pro proces aplikace pájecí pasty, ale také pro osazování desek SMT součástkami. Řešení této výzvy spočívá:

• v nástrojích (planžety, nože stěrky, spodní podpěra desky...),
• v materiálech (pájecí pasta i materiál samotné desky),
• ve vybavení (zařízení pro aplikaci pájecí pasty, osazovací automaty...).

Obvykle, i když ne vždy, uvažuji o těchto výzvách ve dvou kategoriích: přesnost polohování ve všech fázích osazování a aplikace pájecí pasty.

O jaké součástky jde a proč je s nimi takový problém?

• Součástky s pouzdry CSP s roztečí pinů 0,3 mm.
• Součástky s pouzdry QFN s roztečí pinů 0,3 mm.
• Pasivní součástky s pouzdry 01005.

Přesnost polohování je výzvou jak pro samotnou DPS, tak i pro aplikaci pájecí pasty, strojové umístění součástky i výrobní planžetu. Malé součástky vyžadují přesné dodržení doporučených rozměrů pájecích plošek na DPS, které se obvykle pohybují v rozmezí od 125 do 200 mikronů (5–8 mil). Tolerance jednotlivých výrobních procesů uvedených výše se navzájem sčítají a každá hraje svoji roli. Není těžké si představit, že u pájecích plošek širokých pouhých 125 mikrometrů (5 mil) může dojít při nanesení pájecí pasty k posunutí i o polovinu šířky pájecí plošky mimo střed. Výsledkem jsou zkraty a další problémy s plošnými spoji.

Obecně se dá říct, že tento problém není až tak značný na malých DPS, kde jsou všechny malé součástky relativně blízko u sebe. Problém to je spíše u mnohem větších desek, kde jsou tyto součástky navzájem poměrně vzdálené. Jaká jsou řešení? Podle mého názoru by měli dodavatelé neosazených desek i planžet poskytnout také data s tolerancemi svých výrobků. Když potom technik, který má na starosti osazení desky, přezkoumá všechna data, může se stát, že vrátí planžetu zpět výrobci s požadavkem na úpravu tak, aby přesně odpovídala reálnému stavu DPS.

Velkým problémem může ovšem být i samotná aplikace pájecí pasty na desku. Obvykle totiž máme na desce malé součástky spolu s většími, jako jsou například obvody v QFP pouzdrech či pasivní součástky s pouzdry 0603 a 0805. Větší pouzdra vyžadují v porovnání s malými součástkami nanesení většího množství pájecí pasty. Jedním z možných řešení je například tzv. přetisk, tedy opakovaná aplikace pasty na větší pájecí plošky, ovšem i ta má vzhledem k velké hustotě součástek na desce svá omezení. Pro dosažení optimálního pájeného spoje (a tím i dostatečného objemu pasty), je obvykle nutné použít v případě klasických SMT součástek planžetu s tloušťkou minimálně 100 mikronů (4 mil). Nicméně, použití takto silné planžety je problematické při aplikaci pasty u velmi malých součástek s pájecími ploškami v rozmezí od 125 do 200 mikronů (5 až 8 mil). Obvykle se jedná o dvoufázový proces: V prvním kroku dojde k protlačení pájecí pasty do otvorů v planžetě a stěrkou je zarovnán její povrch. Ve druhém kroku je pak pasta z otvorů planžety převedena na pájecí plošky desky, která je od planžety oddělena.

Jednoduchou analogií procesu, který jsem zmínil, je klasická hra přetahování lanem: stěny planžety se snaží držet pastu uvnitř otvoru, kdežto pájecí plošky na desce se naopak snaží pastu z otvoru vytáhnout. Vítěz je určen jednoduchým poměrem plochy vnitřních stěn otvoru a plošky na DPS. V průběhu let vznikla v oboru nanášení pájecí pasty celá řada základních pokynů a doporučení, týkajících se optimálního poměru ploch (plochy pájecí plošky pod otvorem planžety vs. plocha stěn otvoru v planžetě). Základní hodnotou je poměr 0,66, který je platný pro všechny standardní planžety, případně nyní také nově 0,5 pro speciální typy s hladkým povrchem stěn otvoru, které jsou definovány ve standardu IPC 7525 rev A.

Nicméně hlavní problém nám stále přetrvává. Planžety silné jen 100 mikronů (4 mil), které se používají pro velmi malé součástky, mají poměr ploch v rozmezí od 0,4 do 0,5, tedy hluboko pod doporučenou hodnotou. Tato situace představuje skutečnou výzvu, kterou je potřeba řešit.

Na konferenci SMTAI 2009 vzniklo na toto téma 6 technických dokumentů, na výstavě a konferenci APEX 2010 pak další tři, které se této problematice věnují.

Domnívám se, že pro problém s nanášením pasty existují dvě možná řešení:

• nanášení pájecí pasty ve více krocích použitím tzv. „Step Stencils“,
• snížení povoleného poměru ploch až na přijatelnou hodnotu 0,4.

Postupné nanášení pájecí pasty s použitím Step Stencils je poměrně „hrubá“ metoda, která má své limity. Těmi jsou např. mezery mezi otvory planžet. V současné době se proto celá řada výrobců snaží přijít s odpovídajícím řešením pro úspěšné použití planžet s poměrem ploch 0,4. Optimálního výsledku lze dosáhnout vhodně zvolenou pájecí pastou, speciálním systémem stěrky a planžetou se zvláštní povrchovou úpravou hran otvorů.

www.photostencil.com