異種アセンブリ用途に挑戦するためのステンシル印刷技術

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0201 (メートル寸法ラベル) または 008004 (ヤード・ポンド法寸法ラベル) として知られる、ほぼ顕微鏡サイズの新世代の SMT チップ コンデンサが市場に登場しました。 これらのコンポーネントを使用したアセンブリの結果は、これまでのところほとんど公開されておらず、高度に独占的です。 このデバイスで実現される極端なレベルの小型化に対応するために、組み立てプロセスのすべての側面が課題となることが予想されます。 この研究の目的は、M0201 (メートル法 0201) コンデンサ アセンブリとの互換性についてステンシル印刷プロセスを調査し、特徴付けることです。 回路基板の品質、ステンシルの厚さ、およびステンシルのナノコーティングの影響は、はんだペーストの体積転写効率および生の体積の印刷分布に対して報告される主な実験変数です。

図1：M0201 コンデンサの寸法と許容差。

M0201

M0201 という表記は、ケース サイズの長さ 0.2 mm、幅 0.1 mm を意味しますが、実際にはこれらは公称寸法 0.25 mm x 0.125 mm で製造されています (図 1)。

設置面積を比較すると、M0201 は M0402 (帝国 01005) チップ コンポーネントの 39% しかカバーしません。 M0201 コンデンサは、2014 年に量産試作アセンブリ テスト用に初めて市販されました。抵抗器 M0201 パッシブはまだ提供されていません。

M0201 の PCB ランド設計オプションは、コンポーネント メーカーの規定に従って図 2 に示されています。 最小のパッド サイズは 125μm x 70μm で、金属端の端子のフットプリントとほぼ一致します。 最大のパッド サイズは、145μm x 120μm で最小パッド サイズの面積のほぼ 2 倍になります。

私たちの好みのパッド設計を図 3 に示します。これは、推奨されるパッド サイズ範囲の上限にあります。 このような大きなパッド寸法を使用する理由は次のとおりです。

図2:M0201 ベンダーのパッド サイズの推奨事項。

オーバーエッチングされた Cu は、この寸法スケールでは問題が発生すると予想されます。 最大の Cu パッド設計を使用することは、少なくとも PCB の製造性の向上に役立つはずです。

通常、ステンシルの開口部のサイズは、寸法を模倣します。 パッド面積が最大であるため、開口面積比が緩和され、印刷量の制御が向上する可能性があります。

前提条件のはんだ量

適切なステンシル開口部の容量を決定するには、適切なリフローはんだ接合の形状に関する前提知識が必要です。 これを決定するための適切な参照として、IPC-A-601E 規格が参照されました。 図 4 は、最小体積の許容可能な M0201 はんだ接合の構造を確立するために使用されるモデルを示しています。 601E 規格で明示的に提供されていない寸法については、作成者の判断が優先されます。 この最小はんだ量の決定は、ステンシル設計の確立や、はんだペースト検査 (SPI) データに対する印刷パフォーマンスの評価に役立ちます。

図3:ドライント研究用に選択された M0201 パッド設計

最小のはんだ量によるはんだ付け端子の形状は、端子コンタクトの側面 (V1、V2) と端部 (V3) の三角形として簡略化されていますが、はんだ接合部の体積に最も大きく寄与するのはその下の長方形領域 (V4) です。 。 はんだの厚さ寸法 G は、はんだ接合部全体の体積に大きく影響します。 ここでの目的は最小はんだ量を決定することであるため、601E 規格の解釈では、許容可能なはんだ接合形状を形成するためにパッドが完全に濡れている必要はありません。 はんだペーストと金属の許容可能な体積比は 2:1 です。 このことから、許容可能なリフローはんだ接合を形成するには、各チップ コンポーネントの終端に少なくとも 0.48 ナノリットル (1nl = 1,000,000μm3) の印刷はんだペースト量が必要であることがわかります。 この量は、選択したパッドの寸法に応じて変化することに注意してください (つまり、パッドが小さいほど、適合するためにそれほど多くのはんだペーストは必要ありません)。

図4:最小はんだ量の結線モデル。

印刷ステンシルは、パッドあたり少なくとも 0.48nl のはんだペースト転写を可能にする開口部寸法で設計する必要があります。 これを達成することの難しさは、ステンシルの厚さの実際的な制限に関係しています。 M0201 が最も早く実装されると思われる製品では、現在使用されている一般的なステンシルの厚さは 100μm です。 M0201 を含めることにより、開口部の詰まりによる不十分な量のペースト堆積が生じるリスクを軽減するために、さらに薄いステンシル箔の使用が余儀なくされます。 はんだペーストの印刷転写効率 (TE) がステンシル開口面積比に比例することは十分に文書化されています。 面積比 (AR) は、アパーチャ開口面積をアパーチャ壁面積で割ったものとして定義されます。

AR 値が 0.6 からさらに離れると、平均ペースト転写損失が増加し、同時に印刷された堆積サイズと形状のばらつきも増加します。

SMT007 マガジン 2018 年 3 月号に掲載された記事全文を読むには、ここをクリックしてください。