Методы изготовления трафаретов для паяльной пасты и их влияние на точность позиционирования

В прошлом трафареты подвергались химическому травлению, однако затем вместо него стали использоваться более совершенные технологии. Например, проблема изготовления прецизионных трафаретов была решена за счет лазерной обработки материала. Четкость и точность в этом процессе выше, чем при химическом травлении. В производстве трафаретов с помощью лазерной резки используются жесткие сорта нержавеющей стали. При изготовлении трафаретов методом гальванопластики применяется никель. Полиимидные трафареты обрабатываются с помощью пучков УФ- или ИК-лучей [1].

В каждом методе производства трафаретов важными являются следующие параметры: 1) качество оборудования; 2) контроль процесса изготовления; 3) качество и поведение металла в процессе производства; 4) разница в температурах в разных процессах; 5) вариация нагрузки на материалы на разных этапах процесса.
 

Автомат для резки трафаретов состоит из двух систем — лазера и подвижного механизма. Необходимо, чтобы луч лазера был узконаправленным и стабильным. Размер луча определяет качество обработки очень малых деталей. Если размеры луча изменяются, как и концентрация в нем энергии, обработка с его помощью не обеспечивает ожидаемой точности, а края элементов приобретают волнистую форму (см. рис. 1).

а)	б)
Рис. 1. Обработка трафарета лазером с помощью устойчивой (а) и неустойчивой (б) системы позиционирования

Большинство лазеров генерирует последовательность мощных импульсов, которые позволяют резать металл. Прежде для резки использовались лазеры с низкой частотой следования импульсов, что приводило к образованию зубцов на кромках металла, если он перемещался слишком быстро. В настоящее время применяются лазеры с более высокой частотой следования импульсов, что исключает образование таких зубцов.
Чтобы проконтролировать стабильность размеров лазерного пучка и генерируемой мощности, необходимо установить размер полученного с его помощью отверстия, его форму и вид стенок.
Микроскоп с увеличением 40–100х позволяет увидеть, правильно ли сформирована стенка отверстия. Существуют разные конструкции подвижного механизма. Прежде для обработки использовался неподвижный лазерный пучок, относительно которого трафаретная рамка или столик с металлическим листом перемещались вдоль осей Х и Y. В некоторых лазерных системах луч перемещается вдоль оси Х, а столик — вдоль Y.
Снижение веса подвижного объекта позволяет увеличить скорость обработки, не жертвуя способностью точно производить отверстия требуемых размеров и формы. В каждом случае необходимо, чтобы оси Х и Y перемещались перпендикулярно друг другу строго вдоль прямой линии (см. рис. 1). Разумеется, система перемещения должна быть откалибрована так, чтобы обеспечить контроль с точностью до нескольких микрометров. Большинство производителей лазерных систем заявляет о точности в 5–10 мкм на заданном расстоянии.

Обычно в качестве материала для трафарета применяется нержавеющая сталь (стальной прокат) типов 302 или 304. Листы такой стали имеют высокую степень однородности, но ее толщина, как правило, варьирует в пределах 12 мкм. Для улучшения условий нанесения пасты используется ряд технологий, в т.ч. электрополировка или химическая полировка, однако не всегда с большим успехом.
В качестве материала для трафарета применяются также никелевые листы и мелкозернистая нержавеющая сталь, которая в очень большой степени способствует повышению качества процесса печати [2].

Гальванопластика представляет собой аддитивный процесс с использованием никеля. Четкость и точность в этом процессе выше, чем при химическом травлении. Никель хорошо осаждается электролитическим методом, образуя плотный слой без пор и пустот. Электролитический никель обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, а также повышенной механической прочностью.
После фотолитографии на медной форме образуется негативное изображение рисунка — на местах будущих отверстий в трафарете остается фоторезист. Далее на эту форму наращивают электролитический никель толщиной примерно 5–6 мм. После того как достигается требуемая толщина никелевого слоя, фоторезист удаляется, а никелевая фольга отделяется от формы методом изгиба. Снятая фольга, представляющая собой никелевый трафарет, готова для установки в рамку. Трафарет имеет клиновидные (трапециевидные) стенки апертур. Его толщина находится в пределах 0,15–0,3 мм. Минимальный размер отверс­тий может составлять 1,1 от этой толщины.
Для обеспечения однородной толщины трафарета требуется, чтобы химические реакции в ванной проходили одинаково вдоль всей поверхности трафарета. Иногда это требование трудновыполнимо, особенно в тех случаях, если плотность отверстий варьирует в больших пределах. Кроме того, вокруг отверстий может образоваться небольшая металлическая кромка, которая используется как перегородка между шаблоном и контактными площадками платы. Однако если эта перегородка не выровнена относительно площадок или повреждена, паста может протечь, образовав капли припоя.
Трапециевидный профиль стенок апертур обеспечивает хорошую отделяемость пасты от трафарета при его подъеме. Стенки апертур очень гладкие, что также способствует хорошему отделению пасты. Поверхность трафарета зеркальная, что обеспечивает хорошее скольжение ракеля. Хотя точность изготовления отверстий выше, чем при методе химического травления, трафареты, изготовленные методом гальванопластики, не используют для нанесения пасты на площадки шагом менее 0,4 мм или площадки типоразмера менее 0201.
Также к минусам таких трафаретов можно отнести их достаточно высокую хрупкость и очень высокую стоимость, которая в 3–5 раз больше стоимости трафарета, полученного лазерной резкой.

При лазерной обработке листов они закрепляются, подвергаясь воздействию механического напряжения, либо их режут после установки в рамку.
Если листы устанавливаются в рамку после резки, величина напряжения по осям X и Y отличается от напряжения при резке. То же самое, но в большей степени, происходит в том случае, если трафареты изготавливаются методом гальванопластики.
Трафарет из нержавеющей стали толщиной 125 мкм, который при изготовлении не подвергся воздействию напряжения и был помещен в рамку с натяжением 35 Н/см, деформируется в длину на 0,0131%. Для шаблона, в котором отверстия находится на расстоянии 0,5 м, такое изменение длины может привести к погрешности в 65 мкм.

Большинство производителей изготавливает трафареты в проветриваемых комнатах с температурой около 20°C. В непроветриваемых помещениях температура может варьировать в пределах 5°C и более. Такие колебания происходят и в местах использования трафаретов.
Коэффициент теплового расширения стали составляет около 17, а никеля — 13 промилле/град. Этот коэффициент указывает на степень расширения или сжатия металла в единицах мкм/(м∙град). Если у стального трафарета отверстия находятся на расстоянии 0,5 м, а разница между температурой, при которой он был изготовлен, и температурой при его эксплуатации составляет 5°C, изменение в размере трафарета может достичь 42 мкм. У никелевого трафарета это изменение составляет около 32 мкм.
При лазерной резке луч может вызвать локальный нагрев небольшого участка трафарета, в результате чего он обесцветится или даже деформируется. Управление лазерным пучком и охлаждение металла (воздушное или жидкостное) позволяют свести к минимуму этот нежелательный эффект.

У новых миниатюрных компонентов расстояние между контактными площадками на плате может быть меньше 200 мкм, поэтому для предотвращения описанных выше ошибок настоятельно рекомендуется использовать качественное оборудование и обеспечить наилучшие условия производства и эксплуатации, к которым относятся регулируемая среда. Чтобы избежать погрешностей, возникающих из-за разницы механических напряжений, следует производить резку трафарета уже в рамке.
На рисунке 2 приведен пример обработанного стального листа, который затем был установлен в рамку, а также трафарета, обработанного в рамке с помощью одного и того же лазера. Разница в ошибках очевидна.

Рис. 2. Трафарет, обработанный до установки в рамку (вверху) и подвергшийся резке в рамке (внизу)

Простейший способ установить точность изготовления трафарета состоит в его сканировании и определении положения и размера каждого отверстия. С этой целью применяются системы, обеспечивающие тестирование с точностью ±5 мкм в течение нескольких минут. Компьютерная программа определяет центроид и размер каждого просканированного отверс­тия и сравнивает полученный результат с исходным чертежом. Данные тестирования можно использовать для определения годности трафарета или в статистическом анализе.
В некоторых отверстиях прошедшего тестирование и обработанного трафарета могут остаться микрочастицы, которые легко обнаружива­ются.
Большие трафареты размером 460×300 мм с 21 тыс. отверстий тестируются с помощью откалиброванного сканера (ScanCheck) с разрешением 6 тыс. пикселов на дюйм (12 тыс. с интерполяцией). Затем полученные результаты сравниваются с данными процесса резки, чтобы выявить ошибки с помощью спецификации. Все собранные данные можно использовать в дальнейшем анализе.

В измерениях использовались трафареты, изготовленные с помощью разных методов, автоматов и технологий. Трафареты были получены с использованием лазерной резки и методов гальванопластики. Для тестирования были отобраны четыре лазерные системы разных марок и семь разных типов автоматов.
Трафареты были изготовлены на нескольких разных производствах в разных внешних условиях. При этом отдельно не устанавливалось, как повлияла разница температур на качество продукции.
Допуск на отклонение от требуемой величины составил ±10 мкм. Это стандартное значение, которого придерживаются многие крупные контрактные производители. Для каждого трафарета была рассчитана кривая распределения ошибок. Величина Ср указывает частоту, с которой эти данные распределены в допустимом диапазоне (см. рис. 3). Было установлено, что только у одного из этих очень больших и сложных трафаретов значение Ср оказалось больше 1 (см. рис. 4). На графиках зеленые полоски указывают пределы среднеквадратического отклонения. В граничных точках коэффициент ошибок составляет 2,750 промилле. Разумеется, более предпочтительной была бы точность в пределах 6 сигма, при которой коэффициент ошибок равен 0,002 промилле. Поскольку трафарет можно переместить и выровнять относительно платы в печатающем устройстве, значение Cpk определено не было.

Рис. 3. Гауссова кривая измерений. Красные вертикальные отрезки указывают диапазоны требований ±10 мкм

Рис. 4. Анализ результатов измерений

Результирующие значения Ср для всей группы трафаретов показаны на рисунке 4.
Желтые полоски указывают значения Ср для тех трафаретов, которые подвергались резке как свободные листы, а голубые полоски соответствуют обработке трафаретов в рамке. Для измеренных отверстий погрешность составляет 35–185 мкм (коричневые полоски).
Видно, что данные группируются в соответствии с определенными методами производства. Трафареты, подвергшиеся резке в рамке, обеспечивают намного большую точность положения отверстий, чем обработанные свободные листы.
На рисунке 5 представлено распределение данных при использовании двух методов резки — для закрепленного в рамке трафарета и свободного листа. Заметный разброс этих данных обусловлен разным механическим напряжением, которые испытали трафареты.

Рис. 5. Сравнение двух методов резки

Еще одним фактором, обусловливающим точность положения отверстий, является выбор лазерной системы. В целом, можно утверждать, что большинство лазерных систем нового поколения, выпущенных менее трех лет назад, обеспечивает более высокую точность позиционирования по сравнению с теми системами, которые были произведены 3–15 лет назад. Однако новые системы существенно отличаются друг от друга по точности позиционирования. Эта разница, вероятно, обусловлена различиями в архитектурах и методах калибровки. На рисунке 6 видно, что разброс данных меняется при использования разных лазерных систем для резки двух трафаретов, установленных в рамку.

Рис. 6. Одинаковые трафареты, подвергшиеся резке с помощью двух разных лазерных современных систем

При печати платы, компоненты которой имеют большие контактные площадки и большое расстояние между ними, значительное расхождение между положением отверстий трафарета и контактных площадок платы не ведет к серьезным проблемам — припой в расплавленном состоянии так или иначе попадет на контактные площадки.
Однако если речь идет о платах с миниатюрными компонентами, контактные площадки которых близко расположены друг к другу, такие ошибки приводят к образованию перемычек. Кроме того, бессвинцовые припои не растекаются так же хорошо, как свинцовые припои.
Таким образом, погрешности, обнаруженные при тестировании некоторых трафаретов, оказались недопустимыми.
Выбор метода изготовления трафарета с высокой точностью позиционирования основан на трех фактах: 1) лазерная резка обеспечивает лучшие результаты по сравнению с фотохимическим процессом; 2) точность обработки установленных в рамку трафаретов выше; 3) точность резки трафаретов с помощью новых лазеров значительно выше.
Следует заметить, что дополнительные погрешности при печати могут возникать также из-за низкого уровня натяжения сетки, неправильно установленного давления ракеля или недостаточно хорошего крепления платы.