Работа с трафаретами для нанесения паяльной пасты
От сквозного до поверхностного монтажа: всё, что вам необходимо знать о работе с трафаретами для нанесения паяльной пасты
Главное при монтаже компонентов – это эффективность. Мы чувствуем вашу боль, когда вы тратите долгие часы на припаивание всех компонентов поверхностного монтажа к вашему последнему прототипу. Разве нет более быстрого способа сделать это? Раньше, когда электронные конструкции содержали преимущественно компоненты сквозного монтажа, лучшим способом монтажа у разработчиков-любителей была пайка вручную. С помощью паяльника и флюса было легко крепить проводники к печатной плате. Теперь, когда устройства помещаются в кармане или носятся на запястье, а многие изделия являются высокочастотными, компоненты сквозного монтажа уходят на второй план, а на их место приходят их миниатюрные аналоги для поверхностного монтажа (Surface Mount Devices (SMDs). Эти крошечные детали сложнее припаивать вручную, и если перед вами будут десятки прототипов для сборки, потребуется более эффективный способ крепления всех компонентов к плате. Если вы только начинаете работу с вашим первым образцом, или, возможно, ищете более быстрый способ осуществления поверхностного монтажа, то пришло время рассмотреть возможность нанесения паяльной пасты методом трафаретной печати.
Что представляют собой трафареты для паяльной пасты?
Нанесение паяльной пасты методом трафаретной печати - это процесс использования трафарета из металла или полимера для быстрого нанесения паяльной пасты на все контактные площадки пустой печатной платы. Такой трафарет содержит множество отверстий, которые представляют контактные площадки посадочных мест для компонентов поверхностного монтажа на поверхности платы.
Трафарет для паяльной пасты, выполненный из металла,
идеален для нанесения паяльной пасты на сотни прототипов
Наложив трафарет на пустую печатную плату, с помощью скребка вы наносите паяльную пасту, оставляя хороший, равномерный слой на контактных площадках для припаивания всех компонентов поверхностного монтажа. Это упрощает сборку прототипа. У вас, конечно, остается вариант нанесения пасты на контактные площадки одну за другой с помощью шприца , но не забудьте умножить этот процесс на 100, 200...1000?!
Основным компонентом трафаретной печати является, конечно же, паяльная паста. Если вы впервые работаете с этой серой жижей, то полезно знать, что именно оно делает. Паяльная паста выполняет три основные функции:
Крепления. Паяльная паста помогает прикрепить компоненты поверхностного монтажа к печатной плате во время процесса сборки.
Соединения. Обеспечивает связь между контактными площадками платы и выводами компонентов.
Очищения. Во время таяния паяльной пасты в печи оплавления или волновой печи, припой очищает медь и сводит к минимуму риск возникновения повреждений от окисления.
Поверхностный монтаж имеет особенности, одна из которых заключается в том, что без паяльной пасты мы не смогли бы прикрепить компоненты к пустой плате. Это клей, на котором держится весь наш электронный проект.
Расплавленный припой образует надежное соединение между контактными площадками и выводами компонентов, такими как эти корпуса 1206
Приобретая паяльную пасту, вы можете найти ее упакованной в тюбик, шприц или банку. В этих контейнерах вы найдете порошкообразный припой серого цвета, находящийся во взвешенном состоянии в другом материале, называемом флюсом. Флюс действует как временный клей, необходимый для первоначального крепления компонентов поверхностного монтажа к плате. Он позволяет деталям удерживаться на месте до расплавления припоя. Когда плата будет отправлена в печь, флюс уступит место припою, который, расплавляясь, образует соединение между контактными площадками компонентов поверхностного монтажа. Состав паяльных паст может отличаться:
Различные марки оловянно-свинцовых или оловянно-серебряно-медных паяльных паст для стандартных компонентов в пластиковых корпусах, собираемых на печатных платах, изготовленных из материала FR-4.
Существует также оловянно-сурьмяная паяльная паста, которая используется на печатных платах, к которым предъявляются дополнительные требования по устойчивости к давлению и деформации.
Бессвинцовый припой в качестве альтернативы традиционному оловянно-свинцовому припою. Он обладает более высокой температурой плавления и с ним сложнее работать, но зато припой соответствует требованиям директивы RoHS и регламента REACH касательно электроники, не содержащей свинец.
При покупке обратите внимание на вариант паяльной пасты в банке от компании Kester. Ее легко можно нанести на пластиковые трафареты. На выбор у вас будет два вида: паста, не требующая смывки (no clean), или водорастворимая паста (water-soluble).
Типичная банка паяльной пасты - именно то, что
вам нужно для трафаретной печати
Паяльная паста, не требующая смывки, содержит канифоль, изготовленную из древесного сока, благодаря чему вы можете не волноваться за остатки припоя на печатной плате. Если в процессе трафаретной печати на плате останется немного вещества, вам не придется его счищать. Тем не менее, если вам необходимо убирать излишки пасты с платы, то задумайтесь о приобретении водорастворимой пасты, которую можно удалить, аккуратно собирая вещество с помощью безворсовой салфетки, пропитанной изопропиловым спиртом. Кроме того, водорастворимая паста более термостойка и позволяет паять при более высоких температурах.
После приобретения паяльной пасты, обязательно храните ее в прохладном месте при температуре от 0 до 10°C (32-50°F). Это поможет снизить риск окисления и разрушения флюса.
Следите за сроком годности паяльной пасты, использование просроченного припоя определенно увеличит риск возникновению дефектов. Возможно это не станет для вас серьезной проблемой, если вам потребуется нанести припой на несколько прототипов печатной платы, но только представьте себе, какие затраты вас ожидают, если речь идет о сотнях печатных плат с некачественным соединением вследствие применения просроченной пасты.
Для чего нужна трафаретная печать паяльной пасты?
Пайка с помощью трафарета применяется главным образом для экономии времени и сохранения эффективности. Возможно, было бы проще паять обычным припоем компоненты сквозного монтажа, но работа с компонентами поверхностного монтажа представляет собой совершенно новую непростую задачу для наших неуклюжих рук по припаиванию выводов деталей к небольшим контактным площадкам. При использовании трафарета для паяльной пасты вы получаете следующие преимущества:
Равномерность. Вы будете уверены, что нанесли равномерный слой паяльной пасты на все контактные площадки деталей поверхностного монтажа.
Оперативность. Вы можете наносить паяльную пасту на всю плату сразу, а не по одной контактной площадке за раз.
Надежность. Вы получаете надежно собранную печатную плату, так как каждая контактная площадка имеет одинаковое количество паяльной пасты.
Использование трафарета для паяльной пасты - это быстрый процесс, и потребуется всего несколько взмахов кредитной картой или металлическим скребком для того, чтобы нанести хороший, равномерный слой на все контактные площадки печатной плате. Этот метод используется не только в домашних любительских проектах. Вы обнаружите, что трафареты для паяльной пасты применяют изготовители печатных плат по всему миру.
Когда печатная плата готова, изготовитель наносит на ее основу с помощью трафарета слой паяльной пасты для присоединения компонентов поверхностного монтажа. Как только паста нанесена, плата помещается в автомат для размещения деталей, где происходит установка всех компонентов платы. В это время флюс, содержащийся в паяльной пасте, удерживает все детали на месте до тех пор, пока вся плата не будет готова.
Автомат для размещения деталей быстро выполняет установку
компонентов поверхностного монтажа на пустую плату
После того, как все компоненты поверхностного монтажа установлены, плата помещается в печь оплавления или волновую печь. В процессе пайки волной через плату проходит волна расплавленного припоя, который плавит весь припой на плате. Это идеальный метод производства, если ваша плата включает компоненты как сквозного, так и поверхностного монтажа. Альтернативой является процесс оплавления пайки, в этом случае плата располагается в большой промышленной печи, где высокая температура направляется на верхнюю часть платы, благодаря чему припой плавится на контактных площадках деталей поверхностного монтажа.
В домашних условиях производственный процесс, как правило, проходит с незначительными изменениями. Вместо промышленной паяльной печи многие разработчики-любители используют небольшую печь для горячего припоя или паяльную станцию, а некоторые, чтобы сэкономить на производстве печатных плат, справляются при помощи электрической сковороды или модифицированного гриля-тостера. При этом вместо использования автомата для размещения деталей, вы, вероятно, будете тренировать ловкость рук, используя пинцет для размещения компонентов.
Эта сковорода для оплавления припоя делает цену пайки компонентов доступной
Выбор трафарета для паяльной пасты
Когда вы решите приобрести свой первый трафарет для паяльной пасты, необходимо определиться с материалом, из которого он будет сделан - из металла или полиимида.
Металлический трафарет
Мы рекомендуем приобретать трафарет, произведенный из металла, как правило, из нержавеющей стали, в том случае, если вы планируете использовать его для создания сотен прототипов. Для большинства разработчиков-любителей, которым требуется собрать лишь несколько прототипов, этот материал, скорее всего, будет избыточен, но это хороший вариант если ваш бюджет не ограничен.
Полиимидный трафарет
Для любителей, работающих с несколькими образцами, мы рекомендуем выбирать трафарет, сделанный из полиимида, который является синтетическим полимером. Эти трафареты, созданные с помощью лазерной резки, обеспечивают более экономичную альтернативу металлическим трафаретам.
Типичный трафарет из полиимида, идеальный для изготовления нескольких прототипов
Приобрести трафареты из полиимида или нержавеющей стали вы можете у такого поставщика, как OSH Stencils, их стоимость составляет примерно 5-10 долларов. Данная компания уже много лет обслуживает сферу электроники и предлагает доступные варианты для разработчиков, которым нужны трафареты для печатных плат в малом объеме. На их веб-сайте есть удобная функция загрузки проектов, с помощью которой можно увидеть, как будет выглядеть трафарет, прежде чем его изготовят. Компания обязательно выполняет контроль качества произведенных трафаретов. Вы также можете добавить пользовательскую гравировку в свой заказ для нанесения таких атрибутов, как имена файлов, ревизии платы, даты или названия проектов.
В набор трафаретов от OSH входит скребок для паяльной пасты!
Как просмотреть слой паяльной пасты
Прежде чем заказать свой трафарет для изготовления компанией OSH Stencils, полезно узнать, где найти слой паяльной пасты в вашей программе для проектирования печатных плат. К примеру, в EAGLE трафарет для паяльной пасты задается на слое 31 tCream и /или слое 32 bCream. Для того чтобы его увидеть, выполните следующие действия:
Откройте файл макета печатной платы с расширением (.brd).
Выберите значок Настройки слоя (Layer Settings) в левой части интерфейса.
В диалоговом окне Видимые слои (Visible Layers) нажмите кнопку Снять выделение (Select None), чтобы отменить выбор всех активных слоев.
Затем выберите слои 31 tCream и 32 bCream и нажмите кнопку Применить (Apply).
В окне просмотра должно отобразиться множество фигур серого цвета, как показано на рисунке выше. Именно так будет выглядеть ваш трафарет в физическом исполнении! Эти прямоугольники являются контактными площадками, расположенными по контуру компонентов поверхностного монтажа. После того, как они будут вырезаны в трафарете, они полностью совпадут с площадками на пустой плате.
Как экспортировать слои для паяльной пасты
Вы готовы заказать свой трафарет для паяльной пасты? Большинство поставщиков трафаретов потребуют от вас загрузки файлов Gerber, содержащих трафареты для паяльной пасты для верхнего и нижнего слоя печатной платы. Однако если вы обратитесь в компанию OSH Stencils, то сможете напрямую загрузить файл с расширением .brd, и инструмент на сайте самостоятельно выделит слои паяльной пасты. Ниже приведен порядок действий, которые необходимо выполнить для формирования набора файлов Gerber для слоев пасты:
Откройте файл макета печатной платы с расширением (.brd) в EAGLE.
Выберите значок процессора CAM (CAM Processor) в верхней части интерфейса.
В диалоговом окне процессора Cam (Cam Processor) снимите выбор всех слоев по умолчанию, а затем выделите слой 31 tCream.
В поле вывода (Output) нажмите на выпадающий список устройств (Device), а затем выберите Gerber_RS274X.
В поле имени файла (File) введите имя файла трафарета. В нашем примере мы назовем его stencil.gtp.
И последнее, нажмите кнопку Обработать (Process Job) для того, чтобы сформировать файл Gerber.
Если на нижней стороне платы также размещаются компоненты поверхностного монтажа, то вы можете повторить данные действия, выбрав Слой 32 bCream. После создания файла Gerber вы найдете его в папке проекта.
Следующий шаг – нанесение паяльной пасты методом трафаретной печати
После того, как вы сделали заказ и получили свой трафарет, пришло время попробовать его в деле! Ниже приведен краткий список шагов, которые необходимо выполнить в процессе трафаретной печати:
Закрепить. Сначала вы закрепляете печатную плату в рабочей зоне для того, чтобы она не перемещалась при нанесении паяльной пасты.
Выровнять. Затем вы выравниваете трафарет на печатной плате для того, чтобы каждое его отверстие совпало с контактной площадкой пустой платы. В этом процессе помогают проверочные точки.
Нанести. После вы наносите слой паяльной пасты на свой трафарет с помощью пластиковой карты, наклоненной под углом 45 градусов. После нанесения вы снова проводите карточкой по трафарету для удаления излишков пасты.
Проверить. Когда вы уберете трафарет с печатной платы, обязательно проверьте, чтобы на каждую контактную площадку была нанесена паяльная паста.
Присоединить. Если вас все устраивает, вы можете перейти к процессу крепления компонентов поверхностного монтажа. Держите под рукой пинцет!
Нагреть. И наконец, вы переходите к оплавлению припоя, используя по вашему выбору электрическую сковороду или модифицированный гриль-тостер.
Наносим по трафарету
Это все, что вам нужно знать о том, как начать работу с трафаретами для паяльной пасты. Трафаретная печать - это отличный способ равномерно нанести паяльную пасту на контактные площадки компонентов поверхностного монтажа, и легко и быстро провести сборку всех деталей вручную. Это отличный вариант для разработчиков-любителей, которые имеют дело с десятками прототипов, но это не значит, что он подходит только для домашнего использования. Производители печатных плат используют трафареты для нанесения паяльной пасты, а затем подключают высокотехнологичное оборудование, такое как автомат для размещения деталей и печи оплавления для того, чтобы соединить все вместе. Независимо от того, самостоятельно ли вы наносите паяльную пасту с помощью трафарета или позволяете это сделать изготовителю печатных плат, будьте благодарны этой серой жиже!