Mejore los Rendimientos de Ensamblaje SMT Usando Análisis de Causa Raíz en el Diseño de Stencil

Greg Smith

FCT Assembly, Inc. Greeley, CO

Este documento y presentación fueron expuestos primeramente en la IPC Apex Expo Technical

Conference y publicados en la Technical Conference Proceedings del 2017. Abstracto La reducción de los defectos de primer paso en el proceso de ensamblaje SMT minimiza costos, tiempo de ensamblaje y mejora la confiabilidad. Estas tres áreas; costo, entrega y confiabilidad determinan los rendimientos de fabricación y son clave para mantener un proceso de ensamblaje exitoso y rentable. Es aceptado de manera común que el proceso de impresión de soldadura en pasta causa el mayor porcentaje de los desafíos en el rendimiento en el proceso de ensamblaje SMT. A medida que el factor se vuelve menor, el desafio de obtener un 100% de rendimiento se vuelve más difícil. Este documento identificará los defectos que afectan los rendimientos de SMT en el proceso de impresión y discutirá su causa raíz. El peso de cobre de la capa exterior y el tratamiento de la superficie también serán abordados así como sus efectos sobre la impresión. Se harán estudios sobre los experimentos que usan componentes leadless y emergentes y se presentará el análisis de causa raíz sobre los siguientes defectos comúnes de SMT:

• Liberación pobre de soldadura en pasta: La atención se centrará en componentes pequeños • Bolas de soldadura (Perlas de soldadura chip MID): Diseño de Stencil para minimizar bolas de soldadura • Lapidar: Mejorar el lapidado con el diseño de stencil • Bridging en la impresión: indicaciones sencillas para eliminar el bridging • Bridging en el reflujo SMT: Qué causa bridging después del reflujo después de imprimir • Volúmen insuficiente de soldadura en el reflujo SMT: Mire la correlación del diseño de stencil con el volúmen de

soldadura después del reflujo • Vacío: Diseñar ideas para reducir el vacío a través del diseño de stencil

Se identificarán las causas raíz de estos desafíos y se harán recomendaciones prácticas de diseño de stencil con la intención de eliminar defectos y mejorar los rendimientos durante el proceso de impresión.

Introducción La miniaturización de componentes es un estilo de vida en la industria de ensamblaje SMT y mientras los componentes más pequeños siguen volviendose populares, los componentes más grandes y establecidos siguen siendo utilizados en los mismos ensabmlajes. Además de requerir estas desafiantes combinaciones de tecnología, los usuarios finales también presionan por mejores rendimientos y una mejor confiabilidad del producto. La habilidad de la operación de ensamblaje para reducir los defectos en el proceso de ensamblaje SMT puede minimizar costos, reducir el tiempo de ensamblaje y en última instancia mejorar la confiabilidad del producto.

Al identificar los tipos más comúnes de defectos SMT en el proceso, la atención se puede centrar en maneras específicas para eliminar dichos defectos. Los defectos comúnes de SMT abordados en este documento son la liberación pobre de soldadura en pasta, bridging en la impresión, volúmen insuficiente de soldadura en el reflujo y bridging en el reflujo, bolas de soldadura en chips MID, lapidación y vacío. Las causas de estos defectos se abordarán junto a soluciones del diseño de stencil que han sido utilizadas en situaciones de producción par reducir, y, en muchos casos, eliminar los defectos completamente. A estos defectos communes de SMT se les puede referir como defectos “universales” ya que su presencia puede ser vista por múltiples compañías, en múltiples productos durante muchos años. En trabajos anteriores [1], R. Dervaes declara: “Determinar la causa raíz de un defecto “universal” de SMT, que es más independiente del ensamblaje, involucra probar un conjunto más amplio de ensamblajes durante un periodo mucho más largo que pueda ajustarse en un experimento.” Este documento es una continuación del trabajo de Dervae y utiliza información experimental y retroalimentación del cliente.

Análisis de causa raíz para mejorar la liberación pobre de soldadura en pasta El mejor método, historicamente, para predecir la liberación de soldadura en pasta es calcular la relación de área de la apertura (Figura 1). Se puede utilizar en cualquier apertura de stencil, independientemente de su forma, y compara la relación del área superficial de la apertura del stencil con el área superficial de las paredes de las aperturas. IPC recomienda una relación de área minima de 0.66 para una liberación de soldadura en pasta aceptable [2].

Figura 1 – Relación de área del Stencil

La relación de área actual del stencil considera únicamente el grosor del stencil y el tamaño de sus aperturas al predecir la liberación de soldadura en pasta y el circuito impreso (PCB) no se toma en cuenta. La pregunta es ¿es la adhesión de la soldadura en pasta al pad PWB SMT lo que extrae la soldadura en pasta del stencil? De ser así, la fuerza de adhesión de la soldadura en pasta al pad PWB SMT es determinada por el tamaño del pad SMT y el área superficial correspondiente. Además, diferencias en el peso del cobre y acabados superficiales produciría diferencias en el tamaño de los pads PWB en la superficie del PWB y estas diferencias podrían ser críticas al mejorar la liberación de soldadura en pasta.

El proceso de fabricación de PCB consiste en grabar el cobre para producir el sistema de circuitos (traces, pads SMT, via pads, etc.) y el proceso de grabado de cobre produce una sección transversal del pad SMT (Figura 2) donde la parte superior del pad SMT es más pequeña que la base.

Figura 2 – Sección transversal del pad SMT

Durante la fase de diseño del PWB, se modifican las líneas, traces y pads para permitir el re-grabado duranto su proceso de fabricación. Comúnmente los resultados muestran que la parte superior del pad SMT será más pequeña que la base y mientras aumenta el peso del cobre, las dimensiones del pad en la superficie pueden ser más pequeñas que el tamaño nominal del pad Gerber SMT. El pad más pequeño en la parte superior de la superficie del PWB podría afectar potencialmente la liberación de pasta. De ser cierto, se debe usar una relación de área modificada para predecir la eficiencia de transferencia adecuada de la soldadura en pasta para la impresión de componentes pequeños. Se usó un vehículo de prueba (Figura 4) con líneas de 5 mil y espacios de 7 mil en la parte superior izquierda y la base de la tablilla para este experimento. Se tomarn las secciones transversales de las tablillas después de su fabricación y se usó un instrument de medición óptica para medir las puntas de los traces de 5 mil para determinar el re-grabado en comparación al nominal del archive Gerber. Las medidas estan registradas en la Tabla 1.

Tabla 1 - PWB Measurements

Cu Peso

Acabado superficial

Medida

superficial(mils)

Diferencia- Superficie versus Nominal(mils)

Medida en

pies(mils)

2 oz HASL 0.004173 -0.0008 0.005906 2 oz HASL 0.004016 -0.0010 0.005492 2 oz ENIG 0.004874 -.00012 0.005911 1 oz HASL 0.004252 -0.0007 0.005236 1 oz HASL 0.003937 -0.0011 0.005807 1 oz ENIG 0.004823 -0.0002 0.005906

1 oz ENIG 0.004991 -0.0000 0.006063

Para determinar de manera precisa si la configuración del PWB afecta la eficiencia de transferencia de pasta en la impresión, se estableció una fórmula modificada de la relación de área (Figura 3).

Figura 3 – Relación de área superficial modificada

La comparación modificada toma en cuenta los cambios en tamaño del pad PCB SMT debido a las variaciones de los pesos de cobre y los acabados superficiales. Pesos más grandes de cobre producirán mayores reducciones en la superficie del pad SMT en comparación a la información actual de la tablilla Gerber. Los acabados superficiales lisos, tales como ENIG, OSP, inmersion de Ag, e inmersion de Sn, le permiten a la soldadura en pasta adherirse enteramente a la superficie superior del pad SMT (asumiendo que la alineación del PCB al stencil es correta) para máxima adhesión y fuerza. Cuando se hace uso de estos acabados superficiales lisos no se usa ninguna reducción de tamaño cuando se calcula la relación de área superficial para el acabado superficial. Los acabados superficiales Non-flat como el HASL, tienen una superficie más abobedada/irregular y la superficie semi-circular hace que sea más difícil para la soldadura en pasta adherirse a la superficie entera. Cuando se usan los acabados superficiales HASL y HAL, se hace una reducción adicional para calcular la relación de área superficial. Para calcular esta relación de área modificada, se ha creado la siguiente table basada en información de las medidas de los acabados de la tablilla (Tabla 2).

Tabla 2 – Reducciones del pad SMT para calcular la relación de área modificada

Peso del cobre (oz)

Espesor del cobre (µm)

Tamaño de reducción mm(pulgadas)

Tamaño de reducción

mm(pulgadas) con ENIG, OSP, Ag, Sn

Tamaño de reducción

mm(pulgadas) con HASL &

HAL 0.5 17.5 0 0 0.001 1 35 0.0005 0 .0005 2 70 .001 0 0.001

Utilizar las reducciones de tamaño del pad SMT en la Tabla 3 brindará una representación mucho más realista de que tamaños de pad SMT esperar en los PCB físicos, y la relación de área superficial se usara para probar esta teoría.

Tabla 3 – Ejemplo de relación de área modificada

Componente Peso del cobre

Acabado superficial

Tamaño de Pad PWB

Tamaño de apertura del Stencil

Relación de área

Relación de área superficial

.4 BGA

2 oz

HASL

9 mil Round

7 mil Sq, 2 mil Radius

0.44

0.44

.4 BGA 2 oz HASL 9 mil Round 9 mil Round 0.56 0.34

.4 BGA

2 oz

HASL

9 mil Round

11 mil Sq, 2 mil Radius

0.69

0.28

uBGA

2 oz

HASL

11 mil Round

9 mil Sq, 2 mil Radius

0.56

0.56

uBGA

2 oz

HASL

11 mil Round

11 mil Round

0.69

0.46

uBGA

2 oz

HASL

11 mil Round

13 mil Sq, 2 mil Radius

0.81

0.39

Metodología para probar la relación de área superficial El vehículo de prueba mostrado en la Figura 4 fue creado para verificar si una relación de área modificada (Relación de área superficial) basada en la configuración del PWB podría ayudar en la eficiencia de transferencia de pasta para componentes más pequeños. Este vehículo se creó co pesos de cobre de 1 oz y 2 oz con ambos acabados superficiales HASL y ENIG. Se crearon escenarios de Over/under printing para confirar si el diseñar aperturas del stencil basadas en esta relación de área superficial reduciriá o mejoraría la liberación de soldadura en pasta.

Figura 4 -Test Vehicle

La tabla a continuación (Tabla 4) muestra el diseño de apertura para cada una de las formas de los componentes a continuación. Se usaron dos stenciles de 4 mil de grosor. Un stencil no estaba recubierto y el Segundo stencil fue recubierto con un Nano recubrimiento de Fluoro-Polímero (FPN).

Tabla 4 – Tamaño de aprtura del Stencil

Componente Groupo Tamaño de pad PWB

Tamaño de apertura del Stencil

.5 BGA 1 12 mil Round 10 mil Sq, 2 mil Radius

.5 BGA 2 12 mil Round 12 mil Round

.5 BGA 3 13 mil Round 14 mil Sq, 2 mil Radius

.4 BGA 1 9 mil Round 7 mil Sq, 2 mil Radius

.4 BGA 2 9 mil Round 9 mil Round

.4 BGA 3 9 mil Round 11 mil Sq, 2 mil Radius 01005 1 7.9 x 11.8 mils 5.9 x 9.8 , 2 mil Radius 01005 2 7.9 x 11.8 mils 7.9 x 11.8, 2 mil Radius 01005 3 7.9 x 11.8 mils 7.9 x 9, 2 mil Radius 0201 1 15.7 x 9.8 mils 13.7 x 7.8, 2 mil Radius 0201 2 15.7 x 9.8 mils 15.7 x 9.8, 2 mil Radius 0201 3 15.7 x 9.8 mils 14.7 x 8.8, 2 mil Radius

uBGA 1 11 mil Round 9 mil Sq, 2 mil Radius uBGA 2 11 mil Round 11 mil Round uBGA 3 11 mil Round 13 mil Sq, 2 mil Radius uBGA 4 11 mil Round 15 mil Sq, 2 mil Radius QFN 1 35.4 x 9.8 Oblong 55.4 x 9.8, Oblong

QFN 2 35.4 x 9.8 Oblong 35.4 x 9.8, Oblong QFN 3 35.4 x 9.8 Oblong 65.4 x 7.8, Oblong

Se imprimieron 5 tablillas con 2 oz de cobre y acabado HASL con una soldadura en pasta No-Clean SAC305, Tipo 4 común y se imprimieron 5 tablillas usando una soldadura en pasta soluble en agua SAC305, Tipo 3 común. Además, se imrpimieron 5 tablillas con 1 oz ENIG y 1 oz HASL usando la pasta No-Clean SAC305 Tipo 4. Todos los ladrillos de soldadura en pasta impresos fueron medidos después de la impresión usando un sistema de producción 3D de medición de soldadura en pasta para obtener el volúmen de impresión y se calculó la eficiencia de transferencia.

Resultados de prueba al comparar la relación de área y la relación de área superficial se graficaron los resultados mostrando la Eficiencia de Transferencia versus Relación de Área para los dos tipos de pasta así como cada tipo de tablilla así como la Eficiencia de Transferencia versus la Relación de Área Superficial. Los resultados se muestran a continuación (Figuras 5 y 6).

Figura 5 – 2 oz Cu, ET versus relación de área y ubucación por tipo de pasta

Figura 6 - 2 oz Cu, ET vs relación de área superficial y ubicación por tipo de pasta

Se puede observar en la gráfica anterior (Figura 5) que a medida que la relación de área estándar aumenta, la eficiencia de transferencia también aumenta de forma linear. Asimismo, como se esperaba, la eficiencia de transferencia es mejor cuando se usa la pasta No Clean, tipo 4 contra la pasta soluble en agua, tipo 3. Sin embargo, al mirar la gráfica según la relación de área superficial (Figura 6), las eficiencias de transferencia no aumentan de manera linear. Es más fácil observar la validez de esta relación de área superficial modificada si se mira a componentes específicos (Figura 7).

Figura 7 – Eficiencia de transferencia Vs Relación de área vs Relación de área superficial para uBGA46 por tipo de tablila

Al observar la información del componente 46 pin uBGA, es fácil observar que calcular la relación de área superficial basada en el peso del cobre de la capa externa y el acabado superficial en la tablilla no es un buen método para determinar la eficiencia de transferencia mejorada. A medida que la relación de área superficial aumenta. La eficiencia de transferencia disminuye. La información de otras compañías sigue esta misma tendencia. Este proceso de prueba experimental establece que aunque el peso de cobre de las capas externas de las tablillas y el acabado superficial si impactan a la eficiencia de transferencia, el cálculo de la relación de área es el mejor método para predecir la eficiencia de transferencia.

Resultados y recomendaciones para mejorar la liberación de pasta Al examinar esta información, el mejor método para predecir la mejora en la eficiencia de transferencia es considerar la relación de área. La información recolectada también muestra que cuando se usan los recubrimientos FPN, se puede conseguir la eficiencia de transferencia contra los stenciles sin recubrir para la misma relación de área (Figura 8).

Figura 8 – Eficiencia de transferencia vs Relación de área por tipo de stencil

Es también digno de mencionar que también las variaciones estándar son reducidas usando recubrimientos FPN en contraste con los stenciles sin recubrirc. En la Figura 9 a continuación, la variación estándar para las relaciones de área entre 0.56 y 0.81 es menor en los stenciles con recubrimiento FPN que en los stenciles sin recubrir. Una vez que las relaciones de área aumentan a mas de, el beneficio de los recubrimientos FPN deja de existir.

Figura 9 – Eficiencia de transferencia vs Variación estándar por tipo de stencil

Usando la siguiente gráfica (Figura 10), se pueden hacer recomendaciones como las relaciones de área mínimas usadas para alcanzar los objetivos de las eficiencias de transferencia. De Nuevo, estas recomendaciones son para stenciles de 4 mil usando un equipo 3D SPI y una pasta no-clean. Es necesario para los fabricantes el considerar sus resultados específicos SPI contra la relación de área para determinar la eficiencia de transferencia mínima requerida para producir resultados aceptables. Es de igual manera necesario para los fabricantes determinar que eficiencias de transferencia son requeridas para la impresión de componentes pequeños para obtener uniones de soldadura aceptables.

Figura 10 – Eficiencia de transferencia vs Relación de área por tablilla/acabado

Figura 11 – Eficiencia de transferencia vs Relación de área por tipos de stencil y pasta

Si el 50% de la eficiencia de transferencia es adecuado, se puede usar un stencil de 4 mil sin recubrir de acuerdo con la Figura 9 antes vista. La minima relación de área recomendada es de 0.63 la cual es muy cercana a la recomendación actual del IPC [2] de 0.66. Si un 30% de eficiencia de transferencia es acceptable, se podría aceptar una relación de área de hasta 0.55 con un stencil sin recubrir. Un ejemplo basado en las declaraciones anteriores es que se puede esperar ver una eficiencia de transferencia cercana al 50% en una apertura de 10 mil usando un stencil de 4 mil. En trabajos anteriores, Bath [3] mostró que una apertura de 10 mil en un pitch CSP de 0.4mm con una relación de área de 0.63 impresa a una eficiencia de transferencia de 56.9% usando un stencil sin recubrir lo que coincide con la información en este estudio.

De Nuevo, si el 50% de la eficiencia de transferencia es adecuado, se puede usar un stencil con recubrimiento FPN con una relación de área de hasta 0.5 de acuerdo con la información en la Figura 8 antes vista. De nueva cuenta, en trabajos anteriores, Bath [3] confirma un CSP de 0.3mm, apertura de 8 mil con una relación de área de 0.50 impresa a una eficiencia de transferencia del 55.5% lo cual esta en línea con la información en este estudio. Si se prueba que eficiancias de transferencia menores son capaces de crear unines de soldadura aceptables entones se pueden usar relaciones de área más pequeñas. Observando al componente con relación de área de 0.44 antes mencionado el cual es la apertura cuadrada de 7mil con esquinas redondeadas, se puede esperar una eficiencia de transferencia de al menos 42% con la soldadura en pasta Tipo 4 No Clean usada en este estudio (Figura 11).

Al llevar a cabo un Análisis de Causa Raíz en situaciones de transferencia de soldadura en pasta inadecuada, también debe ser considerada la soldadura en pasta. Observando a la Figura 11 antes mostrada, es visto claramente que el tipo de pasta y el tamaño del polvo pueden jugar un factor para obtener una eficiencia de transferencia adecuada. Por ejemplo, observando la información del stencil sin recubrir, se puede esperar ver una eficiencia de transferencia del 50% con una relación de área de 0.59 de apertura usando una pasta No Clean, Tipo 4. La misma apertura impresa con una pasta soluble en agua, Tipo 3 provería solamente un 43% de eficiencia de transferencia. Observando la información del stencil FPN, el componente con relación de área de 0.53 libera una eficiencia de transferencia de un 55% con la pasta No Clean, Tipo 4 mientras que la pasta soluble en agua, Tipo 3 libera solamente un 28%.

Esta información también depende de la marca de soldadura en pasta que se use ademas del tipo de la misma y el tamaño del polvo. La soldadura en pasta de diferentes fabricantes birndará eficiencias de transferencia diferentes. De Nuevo, al llevar a cabo un análisis de causa raíz para insuficiencia de pasta, esots factores deben ser considerados.

Bolas de soldadura (Perlas de soldadura chip MID): Diseño de stencil para minimizar las bolas de soldadura Las bolas de soldadura en dos chips pin aparecen después del reflujo pero en muchas instancias pueden ser prevenidas o ampliamente reducidas por el diseño del stencil. Al llevar a cabo el análisis de causa raíz en un diseño de stencil para prevenir las bolas de soldadura, se debe observar al diseño de las aperturas del stencil en relación con el element actual. En muchas instancias en que se producen bolas de soldadura, hay un desajuste en el diseño de aperturas del stencil en contraste con la manera en que el componente se asienta sobre los pads SMT. Es crítico en este paso que todas las capas Gerber se encuentren disponibles así como las capas externas de cobre y las capas de máscara serán necesarias para este proceso. El primer paso es identificar las dimensiones actuales del elemenro y esto se puede hacer al referirse a una guía de diseño de chip tal como la misma a continuación (Figura 12).

Figura 12 – Chip Design Guide

Una vez que se ha obtenido el tamaño del chip y se ha determinado el tamaño del paquete, , se debe superponer el bosquejo del componente sobre las aperturas del stencil usando un editor Gerber. Una vez realizado esto, el borde externo del componente debe colocarse muy cercano al punto medio las aperturas del stencil. A lo largo de los años y a través de muchos diseños, la apertura con “Forma-U” ha producido la mejor reducción en las bolas de soldadura de chip MID (Figura 13). Al diseñar la apertura con “Forma-U”, se debe tirar la apertura hacía adentro del componente para que el Dt se encuentre en borde interior de la terminal o 2-3 mils dentro del borde de la terminal. Por favor note que debe haber mínimo 7.5 mils entre los bordes internos de las aperturas del stencil (Cs) para 0201 y componentes de chip más grandes.

El homeplate invertido (Figura 14) también ha demostrado buena capacidad para reducir bolas de soldadura. Los mismos parámetros de diseño deben ser aplicados a esta forma como se hace con la “Forma-U”. Estos dos diseños remueven la soldadura en pasta del centro del borde interior del componente y previene efectivamente la “expulsión” durante el posicionamiento que podría permitir el desarrollo de bolas de soldadura durante el reflujo. Como consideración final, al aplicar este diseño a los componentes de chip, se debe tomar en cuentra la relación de área. Al cambiar de un rectángulo a esta “Forma-U” se añade más área superficial a las paredes de la apertura. Si se exceed el límite de la relación de área (i.e., 0.63), se debe llevar a cabo una reducción estándar y se debe usar una apertura redondeada de forma rectancular o cuadrada.

Figura 13 – “Forma-U” Diseño de apertura para prevenir bolas de soldadura durante el reflujo

Figura 14 – Homeplate invertido Diseño de apertura para prevenir bolas de soldadura durante el reflujo

Lapidación: Mejorando la lapidación con el diseño de stencil Los defectos de la lapidación en dos chips pin pueden aparecer despues del reflujo, pero en muchos casos, se puede mitigar a través del diseño de stencil. Este proceso es muy similar a llevar a cabo un Análisis de Causa Raíz para prevenir bolas de soldadura en el hecho que se debe observar el diseño de aperturas del stencil con relación al elemento en sí. A menudo, cuando courre la lapidación, hay un desajuste en el diseño de aperturas del stencil en contraste con la manera en que el componente se coloca en las pads SMT. Es crítico en este paso que todas las capas Gerber se encuentren disponibles y las capas de máscara serán necesarias para este proceso y no únicamente la capa de soldadura en pasta. El primer paso es identificar las dimensiones actuales del elemento refiriendose a una guía de diseño de chip tal como la descrita con anterioridad (Figura 12).

Una vez que se ha obtenido el tamaño del chip y se ha determinado el tamaño del paquete, se debe superponer el bosquejo del componente sobre las aperturas del stencil usando un editor Gerber. Cuando se haya hecho esto, el borde externo del componente debe colocarse muy cerca al punto medio de las aperturas del stencil. Si hay una área grande que se extiende más allá del borde del componente, hay más área para permitir que se derrita un lado o se funda antes que el otro lado lo cual puede causar lapidación. De nuevo, a través de muchos años de diseño, la apertura con “Forma-U reversa” ha producido la mejor reducción de lapidación (Figura 15).

Figura 15 – “Forma-U reversa” Diseño de apertura para prevenir la lapidación durante el reflujo

Este diseño remueve el volúmen de soldadura del extremo trasero del componente para cunado la pasta refluya, esta quiera propagarse o desplazarse hacia fuera de las aperturas sosteniendo el componente de manera plana durante el reflujo. Puesto de otra manera, remover esta pasta en la parte externa del componente disminuye la fuerza de humectación de la soldadura cuando se vuelve líquida y ayuda a prevenir la lapidación del componente. Al diseñar la apertura con “Forma-U” se debe tirar de la apertura hacia dentro del componente para que el Dt esté en el borde interno o a 2-3 mils dentro del borde de la terminal. Por favor note que debe haber mínimo 7.5 mils entre los bordes internos de las aperturas del stencil (Cs) para componentes 0201 y componentes de chip más grandes.

Existen muchos escenarios en que las pads SMT en la tablilla no son óptimas. Algunas veces las pads se encuentran muy distanciadas y en algunas otras las pads son muy grandes. En muchos casos, el ladrillo de soldadura en pasta necesita ser tirado hacía dentro del componente para remover la pasta del interior de las pads del componentes. De nuevo, esto coloca más pasta debajo del componente para que cuando se vuelva líquida, la pasta se propague desde abajo del componente al exterior sujetando el componente.

Una consideración final es que al aplicar este diseño a los componentes de chip, se debe considerar la relación de área. Al cambiar de un rectángulo a esta “Forma-U” más área superficial es añadida a las paredes de la apertura. Por ejemplo, una pad rectangular que mide 13.8 mils cuadrados, tiene una relación de área de 0.7 y la misma apertura reducida en 1 mil por lado con la “Forma-U reversa” tiene una relación de área de 0.5.

Si se excede el límite de relación de área (ej., 0.63), se debe hacer una reducción estándar y se debe usar una apertura rectangular o de cuadrado redondeado.

Bridging en la impresión: Pautas sencillas para eliminar el Bridging Una cosa es segura, no hay garantías para el buen diseño de tablillas. En muchas ocasiones se espera que los fabricantes ensamblen de manera exitosa los componentes a las tablillas donde el diseño no es optimizado. Este puede ser el caso de los componentes de tipo pitch tales como QFPs, BTCs, TSOPs y muchos otros. En muchas ocasiones el grosor del pad SMT de cobre es más grande de lo que debe ser y si el stencil no esta diseñado apropiadamente, puede ocurrir bridging. Si ocurre bridging en la impresión, las áreas principales a abordar son la anchura de las aperturas y la relación de área. La relación de área determinará que grosor de lámina se debe usar si es que eso se encuentra en duda. De nuevo, a través de muchos años y miles de diseños de stencil, se ha determinado que el mejor diseño para los componentes de pitch es hacer el ancho de la apertura la mitad del pitch del pin o clavijas del componente. Por ejemplo, si el pitch es de 15.7 (0.4 mm), el ancho de la apertura del stencil debe ser de 7.85 mils. Muchos fabricantes redondearán un componente de pitch de 15.7 mil (0.4 mm) y dicen que es un pitch de 16 mil al calcular el ancho de las aperturas y recomendarán o diseñarán la apertura para tener una anchura de 8 mils. Es lo mismo para los dispositivos con pitch de 19.6 o 19.7 mil (0.5 mm). Muchos proveedores de stencil harán que estas aperturas tengan 10 de ancho. Comúnmente, las longitudes de este tipo de componentes son siempre de la misma medida que las pads de cobre. Muy rara vez se han presentado problemas de bridging en la impresión cuando se sigue esta regla del “Medio Pitch” (Figura 16). La única reserve a la misma es que si la pad de cobre es menos de la mitad del pitch, entonces se tendrá que diseñar la apertura del stencil de la misma anchura que la pad de cobre.

Figura 16 – Regla del Medio Pitch

Después de calcular el medio pitch para determinar la anchura de la apertura y diseñarla para que su longitude sea la misma que la de la pad de cobre, se puede determinar la relación de área. El diseñador del stencil debe entonces verificar que la relación de área sea mayor que la menor relación de área permitida para el stencil.

Bridging en el reflujo SMT: Qué causa bridging después del reflujo cuando este no esta presente después de imprimir Cuando ocurre el bridging después del reflujo pero este no se encuentra presente después de la impresión, más a menudo se observa que ocurre en los dispositivos de tipo de ala de gaviota y QFP (Figura 17). Antes de iniciar un proceso de análisis de causa raíz para este tipo de defecto, es necesario contar con una Hoja de Información del Componente (Figura 18) para el componente que esta siendo colocado.

Figura 17 – Ejemplo de terminales de ala de gaviota QFP

Figura 18 – Ejemplo de la hoja de información QFP

Para identificar una solución para este defecto, se debe observar a la dimensión del pie, Lp en la hoja de información del componente y compararla con la pad de tierra en la capa de cobre del PWB. En la mayoría de los casos cuando el pie es mucho más corto que la pad de tierra, puede ocurrir el bridging. Un ejemplo de esto se muestra a continuación (Figura 19).

Figura 19 – Ejemplo del Bridging QFP

Debido a la forma en que la terminal de ala de gaviota se encuentra expuesta al calor de convección del horno, este tipo de componentes se calientan de manera muy rápida durante el reflujo. Cuando la longitud del pie de ala de gaviota es 25% más corta que la longitud de la pad de tierra de la tablilla, las diferencias termales permiten que el pie de la terminal se caliente de manera más rápida que la soldadura en pasta en la pad de tierra de la tablilla. Mientras esto ocurre, la soldadura en pasta se vuelve líquida primero en el pie, y la pasta tiende a lubricar la terminal comúnmente parando cerca del hombro. En este punto, como no hay más soldadura que lubrique la terminal, la soldadura liquida comienza a acumularse al rededor del pie del componente hasta que el resto de la pad de tierra se caliente y la pasta lubrique la pad entera. En componentes de pitch fino, esta acumulación puede derramarse a través de la terminal y el puente o muy cerca a la siguiete terminal. Una causa común para este fenómeno es cuando la pad de tierra es diseñada para un componente en específico y el mismo es reemplazado por otro componente similar en el que el pie es demasiado corto para la longitud de la pad de tierra en el PWB.

es necesario reducir el volúmen de pasta impresa en la pad de tierra para prevenir que la pasta se acumule durante el reflujo y cause puentes o cortos. El proceso para identificar y corregir este defecto incluye determinar la longitude del pie y compararla con la longitude del pad de cobre SMR en el PWB. Si el pie de la terminal del componente es 25% más corto que la longitude de la pad, se debe reducir el volúmen de pasta depositada en un 10%. Si la longitud de la terminal es 50% más corta que la de la pad de tierra, se debe hacer una reducción del volúmen de un 25% y finalmente, si es 70% más corta, entonces el volúmen se debe reducir en un 40%. Además de reducir el volúmen de pasta impresa en la pad de tierra, es necesarío también centrar la nueva y modificada apertura del stencil en el pie del componente. Este proceso involucra mirar al esquema del componente (Figura 18) e identificar la dimensión HE y HD para el componente que se esta analizando para determinar las medidas externas de los pies del componente para crear una capa Gerber de los pies del componente centrado de acuerdo al esquema. Las nuevas aperturas creadas del stencil para reflejar la reducción en volúmen deben ser centradas en este patrón como se muestra a continuación (Figura 20). Cuando se usan las nuevas aperturas, el volúmen de pasta reducido fluirá a la apertura del hombro mientras lubrica la pad de tierra. La acumulación será eliminada y el bridging será prevenido con este nuevo diseño de apertura.

Figura 20 – Ejemplo de volúmen reducido de aperturas centrado en el pie del componente

Volúmen insuficiente de soldadura en el reflujo: Correlación del diseño de stencil con el volúmen de soldadura después del reflujo para dispositivos

En trabajos previos R. Dervaes [4] expuso un método para supercar las fallas de los componentes Lead-less a través del diseño de stencil que aún aplican hoy día. Con el uso generalizado de los componentes lead-less, el volúmen insuficiente de soldadura es un defecto SMT que ocurre de manera más frecuente. Este defecto SMT es costoso, pero se puede reparar en el re trabajo. Para prevenir este defecto, se debe comparar el tamaño de terminación del componente leadless al de la pad de tierra PCB. La proporción requerida de los dos es muy consistente y los ajustes al stencil de soldadura en pasta pueden prevenir problemas de volúmen insuficiente de soldadura en el reflujo.

Para obtener un volúmen suficiente de soldadura en pasta después del reflujo y producir uniones de soldadura aceptables, la longitud de la pad de tierra PCB es ~110% de la longitud de la terminación leadless (Figura 21). Sin embargo, la inspección y el retrabajo de los componentes leadless son extremadamente complicados cuando casi el 100% de la pad de tierra es debajo del componente. Por esta razón, la mayoría de las pad de tierrra leadless prolongarán la pad de tierra PCB.

Figura 21 – Volúmen ótimo de pasta para la terminación leadless

El diseño del componente leadless tiende a obstruir más el flujo del aire de convección e IR al estar en el horno de reflujo, comparado con un componente tipo ala de gaviota. A menos que el PCB cuente con pesos extremadamente pesados de cobre, las temperaturas de la terminación leadless y la pad de tierra incrementarán de manera bastante uniforme, y estarán cerca del liquidous. Esto producirá una lubricación uniforme a través de las superficies. Aumentar la lingitud de la pad de tierra más allá del 110% de la longitud de la terminal aumenta el área superficial que la soldadura debe cubrir. Esto limitará la formación de filetes aceptables de soldadura, si el volúmen de soldadura no aumenta en la impresión

Figura 22 – Diagrama de aumento de volúmen

El aumento de volúmen está basado en la diferencia de tamaño de la terminación leadless y la pad de tierra PCB y se aplica al stencil. Con refetencia a la Figura 22, el aumento de volúmen se calcula de la siguinte manera: Aumento de volúmen (%) =

Las nuevas aperturas creadas del stencil deben ser centradas en este patrón como se muestra en la Figura 22 para reflejar la reducción en volúmen.

El volúmen adicional de soldadura en pasta debe ser impreso siempre en el lado del “dedo del pie” para los componentes leadless. Se debe evitar el extender el ladrillo de soldadura en pasta más allá de debajo del componente leadless, debido al potencial de bridging y también se debe evitar aumentar el ancho de apertura del stencil. Extender la soldadura en pasta más allá de la pad de teirra SMT, hasta 0.040”, no es un problema con soldaduras leaded o lead-free ya que ambas confluyen y se descorren sobre la pad de tierra SMT extremadamente bien.

Sin embargo, es extremadamente raro que una sobreimpresión siquiera se acerque a 0.040” con componentes leadless y una sobreimpresión en este sentido esta comúnmente reservada para aplicaciones de pasta-en-apertura. La mayoría del tiempo la extension se encuentra en algun punto entre 0.005” y 0.010”.

Además de aumentr el tamaño de apertura del stencil, el grosor de la lámina del stencil también es muy importatne. Para la mayoría de los componentes leadless, se requiere un grosor de lámina de 0.005”. Si se debe reducir el grosor de la lámina para acomoda otros componentes SMT, el volúmen de apertura del stencil para los componentes leadless se debe aumentar correspondientemente. Los volúmenes de soldadura son críticos y no se necesita más que una reducción de volúmen para comenzar a causar problemas de rendimiento.

Vacío: Ideas de diseño para reducir el vacío a través del diseño de stencil Existen muchas variables a ser abordadas cuando se intenta reducir los vacíos en las uniones de soldadura SMT y el diseño de stencil es una de ellas. Las pads de tierra en BTCs tales como las QFNs son un área de interés y la búsqueda para identificar el mejor diseño para minimizar el vacío aún sigue su curso. Las pautas de diseño del stencil IPC 7525(B) [2] abordan las pads de tierra para dispositivos LCC/BTC y sugieren una reducción del 20% al 50% en el área y el uso de un diseño de ventana. También sugiere no depositar la pasta directamente sobre ninguna vía que se encuentre situada en la pad de tierra con la idea de que la soldadura líquida pueda flitrarse en dicha vía durante el reflujo causando un cubrimiento de menos del 50%.

Históricamente, el diseño de ventana ha sido el diseño más utilizado para las pads de tierra en la producción de stenciles. En los últimos años, se ha usado un patrón de cinco puntos junto con muchos otros diseños en el intento de reducir vacíos de soldadura. Lentz estudío cuatro diseños diferentes [5] para determinar si el vacío podia ser reducido basandose en el diseño de stencil a continuación (Figura 23).

Figura 23 – Diseño de stencil de vacío

Se usó un diseño estándar de ventana para U9, se usó un diseño de ventana rotado en diagonal para U10, se usó un patrón de cinco puntos para U11 y un diseño de linea diagonal para U12. Los detalles para el diseño de stencil se encuentran listados a continuación (Tabla 5). Todos los diseños apuntaron por un 65% de cubrimiento de pasta o una reducción de área del 35%.

Tabla 5 – Diseño de stencil para el vacío

Ubicación Forma de apertura

Tamaño de

apertura en mils (mm)

Espacia-do en mils (mm)

Área de cubrimiento de la pasta(%)

U9 Cuadrado 88 (2.24)

20 (0.51) 65.3

U10 Diamante 99 (2.51)

20 (0.51) 65.3

U11 Círculo 132 (3.35)

8 (0.20) 63.9

U12 Raya 40 (1.02)

20 (0.51) 65.0

Se imprimieron tres pastas solubles en agua diferentes y dos pastas no clean diferentes, se colocaron las piezas y se refluyeron las tablillas. Se colocaron cada una de las cuatro ubicaciones bajo rayos X, se midieron las imágenes tomadas (Figura 23) y los porcentajes de área de vacío. Los resultados se muestran en la siguiente gráfica (Figura 25).

Figura 24- Imagen de rayosX de vacío por el diseño de stentil

Figura 25 – Porcentaje de área de vacío por tipo de soldadura y tipo de ubicación

Luego, se comparó la información para ver si el porcentaje de vacío fue significativamente diferente usando Tukey-Kramer HSD en la imagen a continuación (Figura 26). Al examinar la información del Tukey-Kramer, la pasta soluble en agua A, la pasta soluble en agua E y la pasta no celan D no mostraron ninguna diferencia estadística en el porcentaje de vacío entre los diferentes diseños de pad de tierra. Sin embargo, la pasta soluble en agua B mostró que el diseño de pad de tierra para U11 contaba con un porcentaje estadístico mayor de vacío que los otros tres diseños. La pasta no clean C mostró que U09 contaba con un porcentaje estadístico mayor de vacío que los otros tres diseños. Se puede observar por los resultados de esta prueba que estos diseños en específico no reducen significativamente el vacío. Así mismo, parece que la pasta específica puede tener una influencia sobre el porcentaje de vacío para estos diseños específicos.

Aún queda mucho trabajo por hacer para identificar el mejor diseño de stencil para minimizar el vacío en las pads de tierra para estos dispositivos con terminaciones en la base. El cubrimiento de área, los diseños de patrón abierto así como el patrón de ventilación en muchas formas y combinaciones necesitan ser estuciados para determinar el mejor patrón para la reducción de vacío. Hasta concluir con este trabajo, un diseño común que actualmente brinda buenos resultados de rendimiento para BTCs es un patrón de 5 puntos o un patrón de ventana con una con un volúmen de cubrimiento del 50% de la pad de tierra en el PWB.

Figura 26 – Información del Tukey-Kramer HSD de la pasta Vs Porcentaje de vacío por ubicación

Conclusiones Identificar defecto “universales” específicos en el proceso de impresión es crítico en el esfuerzo por mejorar los rendimientos de primer paso, minimizar costos, minimizar el tiempo de ensamblaje y, a su vez, mejorar la confiabilidad. Estos defectos “universales” incluyendo la liberación pobre de pasta, bolas de soldadura, lapidación, bridging en la impresión, bridging después del reflujo, soldadura insuficiente después del reflujo y el vacío en dispositivos con terminales en la base puden ser abordados con el diseño de stencil. En muchos casos estos defectos pueden ser reducidos en gran manera al atender la causa raíz de los problemas específicos.

Al tratar con la insuficiencia de pasta en la impresión, se determinado que es crítico identificar las eficiencias de transferencia mínimas necesarias para crear uniones de soldadura aceptables y determinar las relaciones de área mínimas necesarias en las aperturas del stencil para alcanzar dichas eficiencias de transferencia. Los problemas con bolas de soldadura se pueden supercar de mejor manera con el uso de una apertura de “Forma-U” o “Homeplate invertido” y se puede mejorar la lapidación usando una apertura de “Forma-U reversa”. La regla del “Medio pitch” es un método válido y ampliamente aceptado para eliminiar el bridging en la impresión y cuando ocurre bridging después del reflujo en dispositivos de ala de gaviota tales como QFPs, es crítico comparar el tamaño de la pad de tierra PWB al tamaño del pie del componente actual. Finalmente, el vacío en las pads de BTCs es crítico y aún queda mucho trabajo por hacer para identificar el mejor diseño de stencil para minimizar los porcentajes de vacío en este tipo de dispositivos. Sin embargo, actualmente, el diseño estándar de ventana y el patrón de 5 puntos continunan siendo diseños aceptables.

Trabajo futuro Se presentará una investigación más profunda sobre los diseños de pad para dispositivos con terminales en la base para identificar patrones que puedan minimizar los porcentajes de vacío.

Referencias [1] R. Dervaes, “SMT Assembly Challenges and Proven Solutions for Improving Yields”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2015.

[2] IPC, “IPC-7525B 2011-October Stencil Design Guidelines”.

[3] J. Bath, T. Lentz, G. Smith, “An Investigation into the Use of Nano-Coated Stencils to Improve Solder Paste Printing with Small Stencil Apertura Area Ratios”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2016.

[4] R. Dervaes, “Improving SMT Yields – Leadless Components”.¿Es este un documento de actas de conferencia o un reporte interno de la compañía. (Por favor indique) Es un reporte interno de la compañía.

[5] T. Lentz, “Fill the Void”, SMTA International 2016.