PCB-Schablonen Beheersen: Uitgebreide Gids voor Precisie Soldeeren

De printfase is het meest kritieke deel van een PCB-assemblage. Het is ook het gevaarlijkste, want de kleinste fout kan de afgewerkte PCB-electronica ruïneren. Fouten ontstaan meestal bij het monteren van soldeerverbindingen op de PCB-pads.

Je moet alert zijn op fouten wanneer je honderden, zelfs duizenden soldeerverbindingen één voor één aan het maken bent. Echter, één zilveren kogel die fouten elimineert die tijdens het monteren van componenten kunnen opduiken, is de PCB-schabloon.

Met PCB-schabloneren monteer je alle soldeerverbindingen in één keer op het bord. Het bespaart je een aanzienlijke hoeveelheid tijd en elimineert elke marge van fout in de soldeerverbinding.

In deze gids vind je alles wat je moet weten om te beginnen met soldeerpasta-schabloneren.

Wat is een PCB-Schabloon

1.1 PCB-Schablonen – Definitie

Een schabloon is een dun vel materiaal met een patroon van openingen dat de indeling van componenten op de PCB bepaalt. Met de soldeerschabloon kun je de juiste hoeveelheden soldeerpasta met foutloze precisie in één keer over het bord depositeren.

Je bord is klaar voor de installatie van de SMD zodra je soldeerpasta aanbrengt op een PCB-pad bedekt met de schabloon. Wanneer je de schabloon verwijdert, zit de soldeerpasta-depositie op het bord volgens de vorming van de openingen van de schabloon.

De foutloze depositie van soldeerpasta zorgt ervoor dat de soldeerverbindingen optimaal zijn wat betreft mechanische sterkte en elektrische verbindingen.

Tegenwoordig produceren de meeste leveranciers van PCB-pads ook PCB-schablonen. Als je bij zulke leveranciers bestelt, geven ze je de optie om je PCB samen met de bijpassende schabloon op te halen.

Niettemin zijn er twee typen schablonen: de gelijste en de vrijzijdige. Hoewel de vrijzijdigen goedkoper en makkelijker op te bergen zijn, zijn ze de tweede keuze voor gebruik in hoog-volume printen.

Het materiaal van de schabloon is een primaire bepaler van zijn capaciteit om soldeerpasta door de openingen te laten loslaten. Je leest hierover meer in de volgende secties van deze gids.

Echter, je kunt de pasta-afgiftecapaciteit van een schabloon verbeteren door een specifieke coating erop aan te brengen.

1.2 PCB-Schablonen – Schabloonontwerp PCB

Hieronder volgt een opsplitsing van de kritieke elementen van schabloonontwerp:

Schabloondikte

Dit is een andere cruciale bepaler van de capaciteit van een schabloon om de soldeerpasta vrij te geven. Als de dikte niet geschikt is voor de grootte van de openingen, bereik je de vereiste soldeerverbinding niet. In dat geval kan de pasta aan de binnenwanden van de krakelingen kleven door oppervlaktespanning.

Openingsontwerp

Het openingsontwerp kan de soldeerverbindingen op veel manieren beïnvloeden. Ten eerste bepaalt het de kans op het voorkomen van defecten zoals brugvorming en soldeerbolletjes. Het kan ook een pakkingseal tussen de schabloon en de PCB bieden.

PCB-Schablonen – Uitlijning

Dit is de ultieme bepaler van de precisie waarmee je soldeerverbindingen op de pads print. Je kunt uitstekende uitlijning bereiken door registratiemarkeringen, fiduciale markeringen genoemd, op zowel de PCB als de schabloon aan te brengen.

PCB-Specifiek Ontwerp

PCB's met koperen pads die geleiding en warmteafvoering in de PCB-pads bevorderen, vragen om schablonen met unieke ontwerpen. In dergelijke gevallen zou een schabloonontwerp voor PCB-borden zonder koperen pads leiden tot koperoptillen en slecht solderen van buitenste leads.

Om dergelijke defecten in dergelijke gevallen te elimineren, moet je een 'venstereffect' aan het openingsontwerp toevoegen. Dat elimineert de defecten door het soldeervolume te matigen.

Als de koperen pads op de PCB-pad voorzien zijn van vias die de dissipatie verder verbeteren, is een ander schabloonontwerp vereist. Het ontwerp van de schabloon moet de depositie van soldeerpasta in de vias voorkomen.

Er zijn ook gevallen waarin een PCB-pad het gebruik van schablonen met variërende dikte vereist. In dergelijke gevallen kunnen er delicate pitch-onderdelen zijn die dunne schablonen nodig hebben en grotere onderdelen die dikke schablonen vereisen.

Je kunt aan dergelijke eisen voldoen door multilevel-schablonen te gebruiken die step-up en step-down gebieden hebben. Je kunt step-up ruimtes creëren door meer materiaal toe te voegen aan een geselecteerd gebied van de schabloon.

Dat verhoogt de hoeveelheid en hoogte van soldeerpasta in de soldeerverbindingen gevormd in dat gebied. Het tegenovergestelde geldt in de step-down ruimte.

Uit wat we tot nu toe gezegd hebben, is het duidelijk dat dikte een van de meest kritieke aspecten van een PCB-schabloon is. In het volgende hoofdstuk kijken we naar de rol van consistentie in een PCB-schabloon.

PCB-Schabloon Dikte

De combinatie van padgrootte, openingvorming en dikte bepaalt de pasta-depositiecapaciteit van de schabloon. Echter, zelfs als de openingvorming en de padgrootte geschikt zijn, is optimale pastadepositie onmogelijk zonder de juiste schabloondikte.

Factoren om te Overwegen voordat je Schabloondikte Kiest

Hieronder volgt een opsplitsing van kritieke factoren die je moet overwegen bij het selecteren van je schabloondikte:

Aspectratio

De dikte bepaalt de hoeveelheid en hoogte van de soldeerpasta die een soldeerverbinding vormt. Hoe lager de hoeveelheid, hoe hoger de mogelijkheid op losse verbindingen en hoe lager de mogelijkheid op bruggen.

Deze correlatie, 'aspectratio' genoemd, ontstaat door de verschillen in krachten die op de pasta werken terwijl het door de opening glijdt. Deze omvatten de kracht die de pasta buiten de opening duwt en de kracht die de pasta binnen de gaten houdt.

Het contrast tussen deze twee krachten wordt vertegenwoordigd door een maat bekend als de Aspectratio. Om optimale pastadepositie te bereiken, moet je ervoor zorgen dat de Aspectratio groter is dan één.

De oppervlaktespanning tussen de pasta en de pad moet de overstijgen tussen de pasta en de openingwand. De Aspectratio kan afgeleid worden door de verhouding van de openingbreedte tot de schabloondikte te bepalen (W/T).

Niettemin definiëren industriestandaarden de criteria voor het bepalen van de schabloondikte die het beste past bij een openinggrootte. De onderste grens van de industriestandaard voor Aspectratio is 1,5.

PCB-Schablonen – Oppervlakteverhouding

Een andere cruciale maat voor het bepalen hoe de dikte van een schabloon zijn pasta-vrijgavecapaciteit beïnvloedt, is de oppervlakteverhouding. De oppervlakteverhouding is de verhouding van het oppervlak van de opening tot het oppervlak van de openingwand.

De onderste grens van het industriestandaardbereik van oppervlakken is 0,66.

QFP en BGA Pitch

Ook bij het bepalen van de geschikte dikte voor je schabloon, moet je scherp letten op de fijn-pitch QFP, BGA, en kleinste chipgrootte.

Voor een QFP met een pitch ≤ 0,5mm, moet de dikte van je schabloon tussen 0,12mm en 0,13mm vallen. Een QFP met een dikte > 0,5mm vereist 0,15mm – 0,20mm schabloondikte.

Voor een BGA met een balpitch van 1,0mm +, is de geschikte schabloondikte 0,15mm. Voor een BGA met een pitch tussen 0,5mm en 1,0mm, moet je 0,13mm kiezen voor de schabloondikte.

Het is nog imperatiever om de BGA of de kleinste componenten te overwegen als je verschillende IC's tegelijkertijd op het bord gaat plaatsen.

SMT Schabloon Formaten

De regels voor de bepaling van de geschikte schabloondikte voor een SMT-assemblage zijn complexer. Echter, het is ook imperatief om de aspect- en oppervlakteverhoudingen te overwegen bij het bepalen van SMT-schabloonformaten.

Voor een SMT-assemblage die chemisch etsen gebruikt, is de geschikte aspectratio 1:1,5. Voor laser-gesneden schabloon pitch-type, is de juiste aspectratio 1:1,12.

Bovendien, nu je uitgerust bent met adequate informatie over de essentiële kwaliteiten, ben je klaar om PCB-schabloonfabrikanten te verkennen. Het volgende hoofdstuk laat je zien hoe.

PCB-Schabloon Maker

Het is een ding om een dun vel materiaal met de juiste dikte te verkrijgen. Echter, het is een heel ander spel om gaten van de perfecte grootte in te punchen.

Gegeven dat een PCB-schabloon honderden of zelfs duizenden gaten met hoge precisie moet dragen, is het onverstandig om gaten handmatig te punchen.

De drie meest gebruikte methoden voor het maken van schablonen met geschikte gaten zijn chemisch etsen, lasersnijden, en electrovormen. Elke van deze methoden kan het oppervlak van de poortwand naar een andere afwerking leiden; hoe gladder de afwerking, hoe efficiënter de pastaloslating.

De populairste onder deze drie PCB-schabloonmakers is de lasersnijder.

In dit hoofdstuk laten we je zien hoe je PCB-schablonen maakt met een lasersnijder. Let op dat deze techniek niet geschikt is voor het maken van schablonen die zeer strakke pitches hebben.

Je hebt de volgende tools nodig voor deze techniek:

  1. Lasersnijder

  2. Mylar-velletjes

  3. ExpressPCB of EagleCAD software

  4. ViewMate Gerber Viewing Software

  5. PDF-printsoftware

  6. SketchUp, AutoCAD, of enige software die .dxf-bestanden bekijkt en bewerkt

De Stappen

1. Stap de Mylar-velletjes

Stap twee Mylar-velletjes op elkaar. In deze techniek verwarm je de Mylar-velletjes tot het eerste vel loskomt van de stapel. In het proces absorbeert het tweede vel het gesmolten pad van het eerste, waardoor het eerste schoon kan worden afgetrokken.

2. Exporteer het ontwerpbestand uit ExpressCAD of EagleCAD:

In EagleCAD exporteer je je boven- en onderkant crème-lagen via een cam-bestand, net zoals je Gerbers voor productie verzendt. In ExpressPCB open je het Bestandsmenu en selecteer je de optie "Exporteer DXF Mechanische Tekening".

3. PCB-Schablonen – Pads opzwellen in ViewMate

Als je software gebruikt die Gerbers exporteert, moet je compenseren voor het opsmolten geïnduceerd door het snijproces. Omdat het smelten de padgrootte zal vergroten, moet je preventief de padgrootte verkleinen.

Eerst selecteer je File>Import>Gerber om je crème-lagen in ViewMate te importeren. Vervolgens kies je Setup>D Codes. Selecteer alle kolommen in dit gebied, en open dan Operations>Swell. Typ de waarde voor de grootte-aanpassingen volgens je laserspecificaties.

Daarna print je de Gerber naar PDF en sla je op.

4. Pads opzwellen met AutoCAD

Als je ExpressPCB gebruikt, moet je misschien ook de inhoud van DXF schalen met behulp van andere software. Dat kan met AutoCAD. Om dit te doen, highlight je alle tekeningen in het open AutoCAD-venster en typ je "SCHAAL".

In het schaalfactordialoogvenster dat opduikt, typ je de geschikte schaalfactor. Het zal de tekening in de juiste schalen renderen.

Zodra dit gedaan is, print je de voltooide tekening naar een PDF.

5. PCB-Schablonen – De Schablonen Snijden

Pas de instellingen op je lasersnijder aan om door de gestapelde Mylar-velletjes te snijden. Het eerste vel smeltet een beetje door de hitte van de laser. Echter, het tweede absorbeert het gesmolten pad van het eerste, zodat je het eerste vel netjes en efficiënt kunt uittrekken.

Tot nu toe hebben we een veelgebruikte PCB-maker onderzocht. Echter, het type en de kwaliteiten van je PCB-schabloon blijven de meest cruciale determinanten van succes in PCB-schabloneren. In het volgende hoofdstuk dissecteren we verder de tarieven en typen soldeerpasta-schablonen.

PCB-Schablonen – Soldeerpasta Schabloon

Naast het PCB-schabloonontwerp, moeten vier factoren kritisch overwogen worden bij het verkrijgen van een soldeerpasta-sjabloon:

Het Schabloonmateriaal

Het materiaal is even kritisch voor het succes van PCB-schabloneren als het PCB-schabloonontwerp. De dunne vellen zijn meestal gemaakt van metaal of polyimide. Metaal (meestal roestvrij staal) schablonen zijn het meest ideaal voor het produceren van talloze prototypes.

Roestvrij staal schablonen staan toe voor de vorming van nauwkeurigere openingen. De moleculaire structuur van roestvrij staal zorgt voor veel gladder openingswanden en stelt je in staat om een effectieve aspectratio snel te bereiken.

Echter, aangezien ze duurder zijn, zijn ze overkill voor het produceren van een handvol prototypes. Polyamide schablonen zijn een veel goedkopere alternatief. Wanneer ze via een lasersnijtechniek worden geleverd, kunnen ze ook uitstekende openingen maken.

Soldeerschabloon Type

Er zijn twee typen soldeerpasta-schablonen: de gelijste en de vrijzijdige. Gelijste schablonen, ook wel inlijm-schablonen genoemd, zijn schabloonvellen gesneden met een laser en permanent vastgezet in een schabloonframe.

Gelijste schablonen zijn de beste keuze als het gaat om hoog-volume PCB-printen. Aangezien ze meestal voorzien zijn van heel gladde openingwanden, zijn ze het best geschikt voor gebruik wanneer zeer strakke pitches vereist zijn.

Vrijzijdige soldeerpasta-schablonen, die ook door lasersnijden worden geproduceerd, zijn voorzien van spanningsystemen. Met deze spanningsystemen hoeven ze niet in een frame vast te zitten. Het maakt het veel makkelijker om ze op te bergen.

Ze zijn ideaal voor korte runs van PCB-productie. Ze hebben ook gladde openingen. Bovendien kun je ze gebruiken voor PCB-pads die 16 Mil of minder pitches en Micro BGA's vereisen.

PCB-Schablonen – Soldeerpasta

De flux en de legeringen in een soldeerpasta kunnen ook de mate beïnvloeden waarin de soldeerverbindingen componenten vasthouden. Als de verandering in de soldeerverbinding onvoldoende is, houdt het soldeer de onderdelen niet stevig op het bord.

De Schabloon Coating

Er zijn diverse typen coating voor PCB-schablonen die helpen specifieke problemen in PCB-schabloneren aan te pakken. Voor een begin is het redelijk uitdagend om borden schoon te maken na grote productieruns.

Je kunt eenvoudig overtollig soldeer van de onderkant van een PCB afvegen om te voorkomen dat het overtollige soldeer andere borden besmeert. Echter, het is pijnlijk om hetzelfde te doen in grote productieruns.

Met bepaalde typen coating kun je het residuele soldeer in de openingwanden verminderen dat de vereiste soldeerpasta/flux-formulering verstoort.

Nu je een duidelijker begrip hebt van de typen en kwaliteiten van PCB-schablonen, ben je beter in staat om PCB-schablonering te implementeren. Het volgende hoofdstuk geeft je een nader blik op enkele essentiële apparatuur voor het maken van een PCB-schabloon.

PCB-Schabloon Printer

PCB-schabloonprinters zijn beroemd om hun defectvrije en herhaalbare printcapaciteiten. Deze printers zijn meestal ideaal voor zowel laag-volume als hoog-volume PCB-productie.

Er zijn twee hoofdtypen SMT-schabloonprinters: automatische en semi-automatische SMT-printers. Er zijn ook handmatige schabloonprinters specifiek ontworpen voor korte runs en prototypeproductie.

Enkele van de kritieke kenmerken van SMT-schabloonprinters omvatten een schroevendraaier, snelheidscontrollers, en camerasystemen die PCB-uitlijning vergemakkelijken. De operaties draaien meestal om het aanpassen van schabloongrootte-instellingen en de schabloonplaatsing op een framemonteur.

Een typische printer stelt je in staat om de printsnelheid, slaglengte, rakelpers, en meer in te stellen. SMT-schabloonprinters zijn ook voorzien van schermen die details van de operatie tonen.

Ze hebben ook compartimenten die de onderkant van schablonen afvegen via acties zoals bevochtigen, drogen, en vacuüm. De vacuümstappen verwijderen residueel soldeer vastgezet in openingen.

PCB-Schablonen – PCB Schabloon Lasersnijder

Het is een lasersysteem dat hoogvermogende bundels gebruikt om gaten in schablonen te punchen volgens parameters gedicteerd door computersoftware.

Het automatiseert het maken van openingen in schablonen volledig, waardoor stress en foutmarges uit de vergelijking verdwijnen. Wanneer je je PCB-schabloon met lasersnijders snijdt, kun je gerust zijn dat de randen en de openingwanden optimaal glad zullen zijn.

Schabloon-lasersystemen zijn meestal zeer veelzijdig. Met lasers kun je snijden, boren, en ablateren van zowel schablonen als PCB-pads gemaakt van een grote verscheidenheid aan materialen.

PCB-lasersnijders snijden ook schablonen zonder stof te produceren, in tegenstelling tot traditionele mechanische snijsystemen. Het maakt een heel groot verschil in PCB-electronica die voorzien is van optische componenten.

Nu weet je alles wat je hoeft te weten over de kwaliteiten en makers van een PCB-schabloon. Laten we eens kijken hoe alles samenkomt in een laag-volume PCB-assemblage.

Conclusie

Daar heb je het. We hebben PCB-schablonering van binnen naar buiten gedissecteerd en je alles getoond wat je moet weten. Gewapend met deze kennis zul je beter in staat zijn om specifieke printfouten te vermijden die je PCB-project kunnen ruïneren.

Bovendien kun je ons bereiken wanneer je je verloren voelt in het PCB-fabrikatieproces. We hebben zowel top-expertise als state-of-the-art apparatuur om je te helpen elk probleem in de PCB-schabloon te overwinnen.