Técnicas de impresión de esténcil para aplicaciones de ensamblaje heterogéneas desafiantes

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Ha aparecido en el mercado una nueva generación de capacitores de chip SMT de tamaño casi microscópico, conocidos como 0201 (etiqueta de dimensión métrica) o 008004 (etiqueta de dimensión imperial). Los resultados de ensamblaje que utilizan estos componentes hasta ahora están en gran parte ocultos de la publicación y son altamente patentados. Se espera que todos los aspectos del proceso de ensamblaje sean desafiados para adaptarse al nivel extremo de miniaturización incorporado en este dispositivo. El objetivo de esta investigación es investigar y caracterizar el proceso de impresión de plantillas para la compatibilidad con el conjunto de condensadores M0201 (métrico 0201). Los efectos de la calidad de la placa de circuito, el grosor del stencil y el nano-recubrimiento del stencil son las variables experimentales principales reportadas contra la eficiencia de transferencia de volumen de soldadura en pasta y la distribución de impresión de volumen sin procesar.

Figura 1:Dimensiones y tolerancias del condensador M0201.

M0201

La designación M0201 implica un tamaño de caja de 0,2 mm de largo y 0,1 mm de ancho, cuando en realidad se fabrican con dimensiones nominales de 0,25 mm x 0,125 mm (Figura 1).

En una comparación de área de huella, el M0201 cubre solo el 39 % de un componente de chip M0402 (imperial 01005). Los condensadores M0201 estuvieron disponibles comercialmente por primera vez para pruebas de ensamblaje de prototipos de volumen en 2014. Todavía no se sabe que se ofrezcan pasivos de resistencia M0201.

Las opciones de diseño de PCB para M0201 se muestran en la Figura 2 según lo prescrito por el fabricante del componente. El tamaño de almohadilla más pequeño es de 125 μm x 70 μm, que coincide aproximadamente con la huella del terminal del extremo metálico. El tamaño de la almohadilla más grande casi duplica el área del tamaño de la almohadilla más pequeña a 145 μm x 120 μm.

El diseño de almohadilla de nuestra preferencia se muestra en la Figura 3, que se encuentra en el límite superior del rango de tamaño de almohadilla sugerido. La motivación para usar almohadillas de dimensiones tan considerables incluye:

Figura 2:Recomendaciones de tamaño de almohadilla del proveedor M0201.

Se espera que el Cu sobregrabado sea problemático en esta escala dimensional. El uso del diseño de almohadilla de cobre más grande debería al menos ayudar a mejorar la capacidad de fabricación de PCB.

Por lo general, el tamaño de la apertura de la plantilla imita las dimensiones de la almohadilla. El área de almohadilla más grande ofrece relaciones de área de apertura más fáciles y permite un control de volumen de impresión potencialmente mejorado.

Volumen de soldadura de requisito previo

La determinación de la capacidad de apertura de un stencil adecuado requiere un conocimiento previo de la forma adecuada de la junta de soldadura con reflujo. Se consultó la norma IPC-A-601E como referencia adecuada para determinar esto. La figura 4 ilustra el modelo utilizado para establecer la estructura de una unión de soldadura M0201 aceptable de volumen mínimo. El criterio del autor prevaleció para las dimensiones no proporcionadas explícitamente en el estándar 601E. La determinación de este volumen de soldadura más pequeño es útil para establecer un diseño de plantilla y para evaluar el rendimiento de la impresión frente a los datos de inspección de soldadura en pasta (SPI).

Figura 3:Diseño de almohadilla M0201 seleccionado para estudio de bebidas

La geometría de las terminaciones soldadas con un volumen de soldadura mínimo se ha simplificado como triángulos a los lados (V1, V2) y al final del contacto del terminal (V3), mientras que el mayor volumen que contribuye a la unión de soldadura es el área rectangular debajo (V4) . La dimensión G del grosor de la soldadura contribuye sustancialmente al volumen total de la junta de soldadura. Como el objetivo aquí es determinar un volumen de soldadura mínimo, nuestra interpretación del estándar 601E no requiere que la almohadilla esté completamente humedecida para formar una junta de soldadura aceptable. Una proporción aceptable de pasta de soldar a metal por volumen es de 2:1. A partir de esto se encuentra que cada terminación de componente de chip debe requerir al menos 0,48 nanolitros (1nl = 1 000 000 μm3) de volumen de pasta de soldadura impresa para formar una junta de soldadura con reflujo aceptable. Tenga en cuenta que esta cantidad se adapta a las dimensiones de la almohadilla seleccionada (es decir, las almohadillas más pequeñas no requerirán tanta soldadura en pasta para cumplir).

Figura 4:Modelo de terminación con volumen mínimo de soldadura.

La plantilla de impresión debe diseñarse con dimensiones de apertura que permitan la transferencia de soldadura en pasta logrando al menos 0,48 nl por pad. La dificultad para lograr esto se relaciona con las restricciones prácticas sobre el grosor de la plantilla. Para los productos que probablemente verán la implementación más temprana de M0201, el grosor de la plantilla común que se usa hoy en día es de 100 μm. La inclusión de M0201 obligará al uso de láminas de esténcil aún más delgadas para reducir el riesgo de producir depósitos de pasta de volumen insuficiente atribuidos a aberturas obstruidas. Está bien documentado que la eficiencia de transferencia de impresión (TE) de la soldadura en pasta se escala proporcionalmente a la relación del área de apertura del stencil. La relación de área (AR) se define como el área de apertura de la abertura dividida por el área de la pared de la abertura.

Los valores de AR que se reducen más allá de 0,6 aumentarán la pérdida de transferencia de pasta promedio y también aumentarán la dispersión en el tamaño y la forma del depósito impreso.

Para leer el artículo completo, que apareció en la edición de marzo de 2018 de la revista SMT007, haga clic aquí.