ステップステンシル技術とその SMT 印刷プロセスへの影響

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クアッド フラット ノー リード (QFN)、ランド グリッド アレイ (LGA)、マイクロ ボール グリッド アレイ (マイクロ BGA)、0201、さらには 01005 などのコンポーネントは、基板上に適切な量のペーストを塗布するために、より薄いステンシル フォイルを使用するようメーカーに求め続けています。ただし、エッジコネクタなどの大きなコンポーネントでは、依然としてより多くのペースト量が必要です。 これを達成するために、ステップ ステンシルが長年使用されてきました。 歴史的に、これらのステップステンシルを製造する主な方法は、光化学エッチングプロセスを使用してきました。 最近、レーザー溶接と微細加工の両方を含む、ステップステンシルを製造する新しい方法が登場しました。

光化学エッチングは確立されたプロセスであり、何十年も前から存在しています。 これはサブトラクティブ プロセスであり、PWB のエッチングに使用されるプロセスと非常によく似ています。 ステンレス鋼のステンシル箔はフォトレジストでコーティングされ、写真プロセスを使用して画像化され、現像されて、厚さが減少したりエッチングされない領域を保護するためにレジストが残されます。 箔はエッチング機に置かれ、化学エッチング剤がステンシルにスプレーされ、正しい厚さが得られるまでステンレス鋼箔が溶解されます。

図 1: ステップ ステンシルを作成するための化学エッチング プロセス。

望ましいステンシルの厚さが達成されたら、フォトレジストを除去します。 このプロセスを使用したエッチング領域または段差領域の深さは、ステンシルがエッチング化学薬品にさらされる時間によって決まります。 化学エッチングのプロセスを以下に示します (図 1)。

レーザー溶接プロセスでは、異なる厚さのステンシル箔を使用し、それらを一緒に溶接します。 化学エッチングは含まれず、レーザー切断とレーザー溶接のみが行われます。 ステップ開口部は最初のステンシルから切り取られます。 対応するステップ領域は、所望の厚さの第 2 のステンシル箔から切り出されます。 ステップピースは、最初のステンシルの開口部に配置されます。 次に、部品を所定の位置にレーザー溶接します。 ステップ領域の厚さは、使用する鋼材の厚さによって決まります。 レーザー溶接のプロセスを以下に示します (図 2)。

図 2: ステップ ステンシルを作成するためのレーザー溶接プロセス。

マイクロマシニングプロセスは、エッチングプロセスと同様のサブトラクティブプロセスですが、化学物質は使用されません。 微細加工プロセスでは、非常に特殊なコンピューター数値制御 (CNC) フライス盤を使用して、一度に非常に少量の材料を除去します。 微細加工プロセスを以下に示します (図 3)。

ステップステンシルを作成するためのこれら 3 つのプロセスにより、ステップ領域内に異なるテクスチャが生成されます。 ステップ ステンシルのテクスチャを以下に示します (図 4)。

図 3: ステップ ステンシルを作成するための微細加工プロセス。

実験方法

さまざまな厚さのステップダウン ポケットを使用してステップ ステンシル デザインが作成されました。 ベースステンシルの厚さは 4.0 ミル (101.6 ミクロン) で、ステップダウンポケットの厚さは 3.5 ミル (88.9 ミクロン)、3.0 ミル (76.2 ミクロン)、2.5 ミル (63.5 ミクロン)、および 2.0 ミル (50.8 ミクロン) でした。 各ステップ領域は 1 インチ四方 (25.4 mm) で、ステップの設計を以下に示します (図 5)。

各ステップポケットの厚さは、FARO アームデバイスを使用して測定されました。 各ステップ技術の測定値を比較対照しました。

開口パターンは、03015 メトリック、01005、0.3 mm BGA、0.4 mm BGA、および 0.5 mm ピッチ QFN のコンポーネントに対して作成されました。 各コンポーネントの開口部は、ステップの端からさまざまな距離で切り取られました。 10、20、30、40、50 ミル。 その目的は、各ステップ ステンシル テクノロジーにおいて、はんだペーストをステップ エッジにどの程度近づけて印刷できるかを決定することでした。

図 4: 3 つのステップ技術のステップ領域のテクスチャ。

図 5: ステップダウン ポケットの設計。

比較のために、各ステップ領域の中央にも開口部が切り取られました。

各ステンシルは 2 セットのステップと開口部で作成されました。 1 組のステップと開口部は、フッ素ポリマー ナノ (FPN) コーティングでコーティングされました。

FPN コーティングの効果を、はんだペーストの印刷におけるステンシルのコーティングされていない部分と比較しました。 一般的なクリーンではない SAC305 タイプ 4 はんだペーストを使用して、各ステップ ステンシルで 10 枚のプリント スタディを実行しました。 使用した回路基板は、厚さ 0.062 インチ (1.57 mm) の裸の銅クラッド材料でした。使用したプリンタは DEK Horizo​​n 02i でした。

SMT マガジン 2017 年 12 月号に掲載されたこの記事の完全版を読むには、ここをクリックしてください。