Tecnologia serigrafica ad alta affidabilità

    Secondo gli standard IPC, devono essere tenuti sotto controllo tanto la dimensione del filetto quanto il volume del giunto; le norme sono più restrittive per i prodotti che richiedono elevata affidabilità, mentre dettano requisiti meno rigorosi per i prodotti definiti consumer. In ogni caso la stesura serigrafica deve produrre depositi dalla geometria ben definita, con contorni quanto più possibile squadrati, la superficie superiore del deposito deve essere ben piana e non devono essere invase le aree di rispetto. Tutte queste caratteristiche devono essere mantenute e non degenerare dopo per un tempo sufficientemente lungo da permettere il piazzamento dei componenti e il completamento della successiva fase di rifusione. Un deposito di pasta può essere geometricamente ben definito, ma avere un eccesso di volume che potenzialmente può generare corti in rifusione. Per assurdo, il deposito può non essere perfettamente centrato sulla piazzola né possedere una buona definizione geometrica, ma possedere un corretto volume che darà luogo alla formazione di un buon giunto. Il volume di pasta depositato è quindi uno dei fattori critici che concorre alla corretta formazione del giunto di saldatura; dipende dallo spessore dello stencil e dalle misure delle aperture, che a loro volta sono dimensionate in base alle esigenze di ogni componente. Ci sono comunque anche fattori quali i parametri di stampa e il tipo di racle utilizzato che influenzano il volume di pasta depositato.

    La scelta dello stencil
    Stencil con spessore di 150 micron trovano applicazione generalizzata; lavorando con componenti ultra-fine-pitch (0,4 e 0,3 mm) vengono utilizzati stencil con spessori inferio-ri ai 150 micron. Normalmente si utilizza la regola secondo cui lo spessore dello stencil non dovrebbe essere superiore ai due terzi della minima larghezza dell’apertura. È stato empiricamente dimostrato che, non rispettando questa, regola la pasta tende a rimanere ancorata alle pareti delle aperture dello stencil piuttosto che aderire alle piaz-zole sulla scheda. Informazioni sulla corretta dimensione delle piazzole sono fornite tanto dai produttori di componenti quanto dai costruttori di sistemi di serigrafia e dagli organismi internazionali di standardizzazione. Alcuni costruttori di stencil suggeriscono per gli integrati una apertura pari alla metà del loro passo, per componenti 1206 e similari le aperture suggerite sono del 20% inferiori rispetto alla dimensione della piazzola, mentre per componenti 0805 e di dimensioni inferiori si propongono aperture inferiori del 10% rispetto alle piazzole. Per diminuire il rischio di alimentare la presenza di cortocircuiti o solder beading, cioè la formazione di agglomerati di pasta sotto il corpo del componente, alcune correnti di pensiero suggeriscono di aumentare il rapporto che intercorre tra le aperture nel layout dello stencil e le piazzole, così da prevenire potenziali problemi creati dalla fuoriuscita della pasta dal bordo della piazzola. Per altri la differenza nelle caratteristiche di saldabilità dovute alla diversa finitura superficiale associata al differente comportamento nella bagnabilità delle paste LF suggerisce un ritorno al rapporto di 1:1 tra dimensione dell’apertura e dimensione della piazzola. Per via della differente densità tra le due famiglie di pasta saldante, con e senza piombo, non si sono riscontrati problemi di slump, in particolare nel prodotto lead free. La tecnologia utilizzata nel processo costruttivo degli stencil determina anche il materia-le con cui realizzarli. Leghe a base di nickel sono alla base degli stencil prodotti per elettroforming. L’acciaio inossidabile (il più utilizzato) è particolarmente indicato per la lavorazione laser, mentre diversi sono i metalli utilizzati per produrre telai mediante incisione chimica. L’incisione chimica è la tecnica tradizionalmente più diffusa perché ben si presta a un alto numero di applicazioni. Lo spessore più utilizzato è di 0,15 mm con aperture minime di circa 0,23 mm (lo spessore lamina aumentato del 50%) limitando di fatto il loro impiego al fine-pitch. Il taglio laser si è imposto a seguito delle alte precisioni raggiungibili. La ripetibilità dimensionale è decisamente migliore di quella ottenuta per incisione chimica per cui è indicato nella preparazione di stencil per schede di grosse dimensioni. Si tratta di una lavorazione relativamente più dispendiosa in quanto il costo è calcolato per numero di aperture. La costruzione elettrochimica (elettroforming) dello stencil avviene con un processo si-mile a quello fotografico, a cui segue un accrescimento galvanico. I costi sono grosso modo in proporzione diretta allo spessore depositato, ma con questa tecnica si riescono a controllare molto bene le dimensioni delle aperture.

    Il sistema di serigrafia
    Parlare di sistema serigrafico significa considerare l’insieme delle principali componenti della macchina quali il sistema di handling, la testa di stampa con le racle, il sistema di centraggio e visione e il sistema di pulizia automatico, da cui dipendono i parametri di stampa. Due sono i livelli in cui suddividere i sistemi serigrafici: quelli semiautomatici e quelli automatici (in linea o stand-alone). La solidità è una prerogativa richiesta in entrambe le categorie.
    I requisiti per una macchina semiautomatica sono la semplicità di utilizzo, il sistema di visione per il centraggio dei fiducial e la flessibilità. La pulizia automatica del telaio è solo un costo aggiuntivo e non fa parte degli obiettivi di questa fascia. La scheda viene posizionata e centrata esternamente all’area di serigrafia. Viene tenuta in posizione mediante spine, piani di appoggio magnetici con o senza aspirazione; è ormai uno standard montare un dispositivo a spinta pneumatica laterale per bloccare il cs. Semplcità e flessibilità derivano da quanto agevole è il programmare, cambiare codice di produzione (disponendo di un porta telai universale, senza bisogno di adattatori) e accedere alla manutenzione ordinaria e alla sostituzione delle racle.
    Tra i principali vantaggi di un sistema automatico c’è la riduzione del tempo di ciclo e l’ispezione post print eseguita direttamente in macchina. Le macchine a cui è richiesta alta velocità di ciclo sono equipaggiate con un triplo convogliatore. Tutte le macchine hanno la possibilità di far uscire le schede dalla stessa direzione da cui sono entrate. Il secondo punto riguarda il centraggio del pcb, il telaio è mantenuto in posizione fissa e dopo la lettura dei fiducial si allinea e blocca la scheda. Le altre variabili del tempo ciclo sono più vincolate alla caratteristica del pcb e a quelle della pasta saldante, come la velocità di corsa delle racle. L’ispezione del deposito serigrafico prima del rilascio della scheda e la pulizia automatica del telaio sono le due opzioni offerte a miglior garanzia del risultato qualitativo. L’ispezione è di tipo 2D e permette di controllare l’area di riempimento delle piazzole e la posizione relativa del deposito, nonché eventuali slup della pasta. Normalmente non viene eseguito un controllo su tutta la superficie, ma solo nelle zone periferiche e in quelle che presentano elevata criticità. Lo stesso controllo può essere esteso anche al telaio per verificare che non presenti occlusioni, sia pur parziali, delle aperture. Uno dei risultati dell’ispezione può essere il comando al sistema di pulizia di entrare in azione per ripristinare le normali condizioni operative.
    La pulizia è eseguita col panno sia a secco sia inumidendolo con solventi appropriati. In parallelo e a necessità è utilizzata anche l’aspirazione, necessaria per asportare la pasta rimasta ancorata nelle aperture dello stencil.

    Qualche considerazione sulla pasta saldante
    Tack time, stencil life e comportamento in rifusione sono le principali caratteristiche su cui usualmente si basa la scelta della pasta saldante, unitamente alla valutazione del costo.
    Le leghe maggiormente utilizzate sono le SAC è la SnPbAg; raramente si impiegano creme in cui sia presente bismuto.
    Importanti sono la dimensione e la geometria delle particelle metalliche di lega (powder) presenti nella pasta saldante. Quanto più si presentano piccole e con geometria sferica regolare, tanto migliore risulta la stesura e la penetrazione nelle aperture. Una regola empirica dà come massimo diametro del powder la misura di un quinto della minima ampiezza dell’apertura nello stencil.
    Per componenti con passo 0,4 – 0,3 mm le sfere hanno un diametro da 20 a 38 micron, per passi 0,65 e 0,5 mm si utilizza una pasta con sfere il cui diametro varia da 25 a 45 micron. Per passi di montaggio superiori si possono utilizzare diametri a partire da 45 per un massimo di 75 micron. C’è da notare come al diminuire del diametro delle sfere corrisponda un proporzionale aumento della loro superficie totale (per esempio: a un grammo di materiale con diame-tro 20 micron corrisponde una superficie quattro volte superiore rispetto a un grammo di sfere con diametro 75 micron), il che ha un impatto negativo sulla saldabilità per via del-la maggior vulnerabilità all’ossidazione. Se quindi da un lato la definizione di stampa migliora con l’uso di sfere dal diametro minimo, dall’altro può sorgere il problema di una maggiore esposizione all’ossidazione. Il tipo di flussante contenuto non ha influenza diretta sul risultato di stampa, ma possiede un’influenza indiretta per esempio sullo stencil life o sul tack time. Lo stoccaggio in frigorifero rallenta l’invecchiamento della pasta che, riportata in ambiente di lavoro, deve rimanere per almeno un paio d’ore a temperatura ambiente per recuperare a pieno le sue caratteristiche di stampabilità. Il contenitore deve essere ben chiuso per evitare la condensazione di vapore acqueo sull’amalgama, col pericolo di aumentare l’ossidazione del powder. Un corretto uso della pasta saldante deriva dal lavorare in ambiente con temperatura e umidità controllate. Per quanto riguarda la quantità da stendere sullo stencil va ovviamente considerato il lavoro da eseguire, tenendo presente che troppa pasta tende a “invecchiare” anzitempo, mentre una quantità scarsa impoverisce i depositi. Volendo dare un valore numerico, si consiglia il deposito iniziale di un cordolo di pasta dal diametro approssimativo di 15 mm. A fine produzione non deve essere recuperato il materiale rimasto sulle racle o a contorno dell’area di stampa mescolandolo con pasta fresca, ma riponendolo in un contenitore separato, per evitare il probabile inquinamento del prodotto fresco.

    L’influenza dello stampato
    Per una buona definizione di stampa la superficie del cs deve essere quanto più possi-bile piana e liscia, ciò per permettere lo scorrimento della lamina sulla superficie. C’è una considerazione da fare per il solder resist: questo non deve possedere uno spessore rilevante rispetto alle piazzole che circonda, pena l’aumento incontrollato del deposito serigrafico o l’invasione delle aree di rispetto tra le piazzole. Infatti, uno strato troppo spesso di solder resist non permette allo stencil di aderire correttamente alle piazzole. Una precauzione raramente utilizzata è quella della pulizia delle schede in ingresso alla serigrafica. Residui di lavorazioni precedenti o sporcizia accidentalmente presente in produzione possono compromettere la qualità del processo serigrafico e, in cascata, la formazione del giunto; la formazione del giunto è pregiudicata in quanto la presenza sulla piazzola di fibre o di altre sostanze impedisce in prima battuta il deposito del volume corretto di pasta, mentre in rifusione provoca la formazione di scorie che alterano la bagnabilità. Inoltre, la corretta operatività del processo serigrafico può essere alterata se le sostanze estranee vanno a ostruire, anche solo parzialmente, una o più aperture.
    Particolare attenzione va posta nella pulizia delle schede che abbiano subito un precedente e mal riuscito passaggio in serigrafia. È consigliabile il lavaggio meccanico che assicuri l’asportazione di tutta la pasta precedentemente depositata, anche quella finita nei fori di via, per evitare la formazione di solder ball durante la rifusione. In generale, se non si dispone di un sistema automatico di carico di schede sulla serigrafica, è sempre bene maneggiare le schede con dei guanti, in particolare se la pasta utilizzata è del tipo no-clean con flussante a bassa attività.

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