Vývoj technologie planžet

Za posledních 20 let se velikost pouzder elektronických součástek výrazně zmenšila a zároveň došlo ke zvýšení hustoty jejich pinů. Navíc se jedná o dlouhodobou tendenci, takže stejný vývoj se dá očekávat i do budoucna. Důsledkem jsou dramatické změny ve strojovém osazování a samozřejmě i v procesu nanášení pájecí pasty. V 80. letech byla poměrně běžně využívána silná filmová plátna – planžety, která pro tehdejší SMD součástky poskytovala dostatečnou přesnost. Postupem času se však i v této oblasti objevily nové technologie a bylo nutné zajistit nové postupy výroby planžet. Vznikly tak nové technologie pro chemickou, laserovou či dokonce galvanickou (elektrochemickou) výrobu, což umožnilo zvýšení produktivity a hustoty elektronických zařízení.

V počátcích strojového osazování SMD součástek se používala silná filmová plátna; vedení jednotlivých vláken v okolí otvorů však narušovalo přesné umístění pájecí pasty. Z toho důvodu vznikly chemicky vyráběné planžety, které díky dokonalejšímu provedení v okolí jednotlivých otvorů umožňovaly použití i pro SMD obvody s piny 0,8 mm. Lichoběžníkový tvar otvorů je možné vyrovnat následnými procesy galvanizace a niklování, které zlepší jejich hrany a umožní přesné nanesení pájecí pasty. Bohužel však tato technologie není dokonalá a při výrobě planžet má problémy s vytvořením různě velkých otvorů v jediném výrobním cyklu. Řešením je použití tzv. „BandEtch“ technologie, která má pro změnu problém s malými otvory. Z toho důvodu byla na počátku 90. let představena technologie laserem řezaných planžet. Dalo by se říct, že přišla právě včas, aby mohla být použita při osazování obvodů s piny 0,65 mm. Princip je takový, že tenkým laserovým paprskem se v materiálu vyřežou otvory a to s velmi vysokou přesností jak v případě malých, tak i velkých otvorů. Hladký řez je opět podpořen použitím následných procesů galvanizace a niklování. První laserové řezací stroje však byly poměrně pomalé, takže se častěji používala tzv. hybridní technologie, kdy velké otvory byly chemicky vyleptané a malé otvory řezal laser. Další problém se ukázal s do té doby vyhovujícími gumovými stěrkami, které měly problém s redukcí pájecí pasty ve velkých otvorech. Z toho důvodu se přešlo na používání kovových nožů, které pro svou vysokou přesnost tímto problémem netrpí. Dále byly také představeny dávkovací hlavy, obsahující pájecí pastu ve svém těle. Tyto systémy pracují tak, že na zvýšený tlak reagují nanesením pasty do otvorů připravené planžety a jejím částečným setřením pomocí kovových nožů se deska očistí.

Výroba planžet elektrolýzou byla zavedena v polovině 90. let. Vzhledem k tomu, že chemická a laserová výroba šablon jsou subtraktivními procesy – otvory jsou vytvořeny leptáním či řezáním materiálu z pevné kovové fólie – je elektrochemický proces výroby pouze doplňkovou technologií. Základním materiálem je zde nikl s nanesenou fotorezistivní vrstvou. Hlavní výhodou této technologie je, že délkou a intenzitou ozáření je možné ovlivnit tloušťku leptané šablony. Na konci procesu je fotorezistivní vrstva smyta a výsledná šablona má ve vzniklých otvorech velmi hladké hrany. To je proto, že se nejedná o destruktivní proces výroby a jednotlivé molekuly nejsou porušeny. Následné procesy, jako je galvanizace a niklování, nejsou díky tomu nutné. Elektrochemický proces výroby planžet se používá především pro malá pouzdra integrovaných obvodů typu microBGA s roztečí pinů 0,5 a 0,4 mm, QFP s roztečí 0,4 mm, QFN s 0,4 mm a také pro pasivní součástky velikosti 0201 a 01005.

Pro některé specifické aplikace jsou používány tzv. složené nebo také různě silné planžety. Především je tomu u pouzder typu CBGA, jejichž pájecí kuličky během standardního reflow procesu netají. To je samozřejmě problém, který se musí řešit tloušťkou planžety až 0,2 mm pro CBGA a jen 0,125 mm pro zbývající SMT součástky. Planžety s různou tloušťkou se vyrábějí výhradně pomocí elektrochemického procesu, neboť jiné technologie, jako je třeba řezání laserem, tuto schopnost nemají.

Tzv. Intrusive reflow je výrobní proces, při kterém je pájecí pasta aplikována jak pro SMT, tak i klasické (nožičkové) součástky. Oba typy prvků jsou pak na desku osazeny současně a k jejich zapájení dojde během jediného reflow procesu. Další proces, například pájení vlnou není potřeba. Klasické součástky však vyžadují nanesení většího množství pájky, než je obvyklé v případě SMT součástek, takže je nutné použít speciální, k tomu určené planžety. Ideální tloušťka planžety je v tomto případě 0,3 mm a pokud se proces nanesení pasty provede dvakrát, je výsledek prakticky dokonalý. Běžně používaných 0,125 mm je vhodných pouze pro nanesení pasty pro SMT součástky. Ještě silnější planžety (typicky 0,4 mm) se používají výhradně pro klasické součástky. Ty mají svůj reliéf leptaný ze strany kontaktů (strana desky) tak, aby se při práci nepoškodila dříve nanesená pasta pro SMT součástky. Obvykle je zde necháván prostor o 0,1 mm silnější, než jaká je tloušťka SMT planžety.

Závěr

V časech zrodu SMT technologie byl optimální poměr stran, tedy poměr velikosti otvoru k tloušťce planžety, řešen pomocí všeobecných návrhových pravidel a průvodců. Při poměru stran, definovaných jako šířka otvoru (W) děleno tloušťkou planžety (T) více než 1,5 byl zajištěn dobrý výsledek. Takový poměr je dobrým průvodcem v případě, kdy je délka otvoru větší (alespoň 5×), než je jeho šířka. Se zavedením nových pouzder typů BGA a QFN se však situace zcela změnila. Nová pouzdra nejen že neustále zmenšují plochu svých pinů, ale hlavně vyžadují zcela jiné poměry. Z toho plyne potřeba použití nové techniky, při které se počítá s poměrem plochy otvoru, dělené plochou jeho stěny. To je z toho důvodu, že okraje otvoru se snaží pastu držet na svém místě, ale pájecí ploška pod otvorem má snahu ji odvést pryč. Pro hrubou orientaci je možné použít obecné zásady poměru ploch, ze kterých plyne optimální hodnota 0,66. Praktické výsledky však ukazují, že i 0,5 je přijatelná hodnota pro planžety vyráběné elektrochemickým procesem. Tento jednoduchý výpočet je dobrým pomocníkem při určení mezní hodnoty, kterou je možné opravit ještě dříve, než dojde k samotné výrobě planžety.

www.photostencil.com