Techniques d'impression au pochoir pour les applications d'assemblage hétérogènes difficiles

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Une nouvelle génération de condensateurs à puce CMS de taille quasi microscopique est apparue sur le marché, connue sous le nom de 0201 (étiquette de dimension métrique) ou 008004 (étiquette de dimension impériale). Les résultats d'assemblage à l'aide de ces composants sont jusqu'à présent largement obscurcis de la publication et hautement exclusifs. Tous les aspects du processus d'assemblage devraient être remis en question pour s'adapter au niveau extrême de miniaturisation incarné dans cet appareil. L'objectif de cette recherche est d'étudier et de caractériser le processus d'impression au pochoir pour la compatibilité avec l'assemblage de condensateur M0201 (métrique 0201). Les effets de la qualité de la carte de circuit imprimé, de l'épaisseur du pochoir et du nano-revêtement du pochoir sont les principales variables expérimentales rapportées par rapport à l'efficacité du transfert de volume de pâte à souder et à la distribution d'impression en volume brut.

Figure 1:Dimensions et tolérances du condensateur M0201.

M0201

La désignation M0201 implique une longueur de boîtier de 0,2 mm et une largeur de 0,1 mm, alors qu'en fait, ils sont produits à des dimensions nominales de 0,25 mm x 0,125 mm (Figure 1).

Dans une comparaison de surface d'empreinte, le M0201 ne couvre que 39% d'un composant de puce M0402 (impérial 01005). Les condensateurs M0201 ont été disponibles pour la première fois dans le commerce pour les tests d'assemblage de prototypes en volume en 2014. Les passifs de la résistance M0201 ne sont pas encore connus pour être proposés.

Les options de conception de plages de circuits imprimés pour M0201 sont illustrées à la figure 2, comme prescrit par le fabricant du composant. La plus petite taille de pastille est de 125 μm x 70 μm, ce qui correspond approximativement à l'empreinte de la borne d'extrémité métallique. La plus grande taille de coussinet double presque la plus petite surface de taille de coussinet à 145 μm x 120 μm.

La conception de tampon de notre préférence est illustrée à la figure 3, qui se situe à la limite supérieure de la plage de taille de tampon suggérée. La motivation pour l'utilisation de ces dimensions de tampon importantes comprend :

Figure 2:Recommandations de taille de tampon du fournisseur M0201.

Le Cu sur-gravé devrait être problématique à cette échelle dimensionnelle. L'utilisation de la plus grande conception de pastilles en Cu devrait au moins aider à améliorer la fabricabilité des PCB.

En règle générale, la taille de l'ouverture du pochoir imite les dimensions du tampon. La plus grande zone de tampon permet de réduire les rapports de zone d'ouverture et permet un contrôle du volume d'impression potentiellement amélioré.

Volume de soudure prérequis

La détermination d'une capacité d'ouverture de pochoir appropriée nécessite une connaissance préalable de la forme de joint de soudure par refusion appropriée. La norme IPC-A-601E a été consultée comme référence appropriée pour le déterminer. La figure 4 illustre le modèle utilisé pour établir la structure d'un joint de soudure acceptable M0201 de volume minimum. Le jugement de l'auteur a prévalu pour les dimensions non explicitement fournies dans la norme 601E. La détermination de ce plus petit volume de soudure est utile pour établir une conception de pochoir et pour évaluer les performances d'impression par rapport aux données d'inspection de la pâte à souder (SPI).

Figure 3:Conception de tampon M0201 sélectionnée pour l'étude de drint

La géométrie des terminaisons soudées avec un volume de soudure minimum a été simplifiée sous forme de triangles sur les côtés (V1, V2) et à l'extrémité du contact de borne (V3) tandis que le plus grand contributeur de volume au joint de soudure est la zone rectangulaire en dessous (V4). La dimension d'épaisseur de soudure G contribue sensiblement au volume global du joint de soudure. Comme l'objectif ici est de déterminer un volume de soudure minimum, notre interprétation de la norme 601E n'exige pas que la pastille soit complètement mouillée pour former une forme de joint de soudure acceptable. Un rapport acceptable entre la pâte à souder et le métal en volume est de 2:1. Il en ressort que chaque terminaison de composant de puce doit nécessiter au moins 0,48 nanolitres (1 nl = 1 000 000 μm3) de volume de pâte à souder imprimée pour former un joint de soudure par refusion acceptable. Notez que cette quantité s'adapte aux dimensions des pastilles sélectionnées (c'est-à-dire que des pastilles plus petites ne nécessiteront pas autant de pâte à souder pour se conformer).

Illustration 4 :Modèle de terminaison de volume minimum de soudure.

Le pochoir d'impression doit être conçu avec des dimensions d'ouverture d'ouverture qui permettront un transfert de pâte à souder d'au moins 0,48 nl par pastille. La difficulté pour y parvenir est liée aux restrictions pratiques sur l'épaisseur du pochoir. Pour les produits susceptibles de voir la première mise en œuvre des M0201, l'épaisseur de pochoir courante utilisée aujourd'hui est de 100 μm. L'inclusion de M0201 obligera l'utilisation de feuilles de pochoir encore plus minces pour réduire le risque de produire des dépôts de pâte de volume insuffisant attribués aux ouvertures bouchées. Il est bien documenté que l'efficacité de transfert d'impression (TE) de la pâte à souder évolue proportionnellement au rapport de surface d'ouverture du pochoir. Le rapport de surface (AR) est défini comme la surface d'ouverture d'ouverture divisée par la surface de paroi d'ouverture.

Les valeurs AR s'éloignant davantage de 0,6 augmenteront la perte moyenne de transfert de pâte tout en augmentant également la dispersion dans la taille et la forme du dépôt imprimé.

Pour lire l'article complet, paru dans le numéro de mars 2018 du magazine SMT007, cliquez ici.