Hoe voorkom je fouten bij stencil printing in een SMD-assemblageproces?

Een component dat na reflow scheef staat, een soldeerbrug of onvoldoende soldeer op een verbinding: wanneer een fout zichtbaar wordt, ligt de oorzaak niet noodzakelijk op de plaats waar ze wordt ontdekt.

Bij SMD-assemblage wordt een belangrijk deel van de basis al gelegd tijdens stencil printing. In deze processtap moet op iedere pad de juiste hoeveelheid soldeerpasta op de juiste positie terechtkomen. Afwijkingen die hier ontstaan, neem je mee naar de volgende stappen van het assemblageproces.

Een goed printresultaat is echter niet het gevolg van één juiste instelling. Uitlijning, PCB-ondersteuning, rakeldruk, printsnelheid, contact tussen PCB en stencil en de scheiding na het printen werken samen.

Wie fouten wil vermijden, moet daarom naar het volledige printproces kijken.

Waarom is stencil printing zo bepalend?

Tijdens stencil printing wordt de PCB tegen een stencil gepositioneerd. Een rakel beweegt de soldeerpasta over het stencil en vult de openingen, of apertures. Wanneer PCB en stencil vervolgens van elkaar worden gescheiden, moet de pasta gecontroleerd uit deze openingen vrijkomen en op de pads achterblijven.

Het gewenste resultaat lijkt eenvoudig: scherp afgelijnde deposits met een gecontroleerde hoeveelheid soldeerpasta.

Maar verschillende procesparameters kunnen dat resultaat beïnvloeden. Zo kan onvoldoende afdichting tussen PCB en stencil ervoor zorgen dat pasta tussen beide terechtkomt. Een verkeerde rakeldruk kan leiden tot onvoldoende vulling of net tot ongewenste effecten. Een slechte release kan er dan weer voor zorgen dat een deel van de pasta in de stencilopening achterblijft.

Daarom moet het proces als één geheel worden ingesteld.

Begin met een correcte uitlijning

De openingen in het stencil moeten correct ten opzichte van de pads op de PCB worden gepositioneerd.

Bij moderne inline stencilprinters gebeurt die horizontale uitlijning doorgaans automatisch met camerasystemen en referentiepunten. De machine bepaalt daarmee de positie van PCB en stencil ten opzichte van elkaar.

Maar horizontale uitlijning is slechts één deel van het verhaal.

Ook verticaal moeten PCB en stencil goed bij elkaar aansluiten. Wanneer aan één zijde een ongewenste opening ontstaat, kan dat het printresultaat beïnvloeden.

Een correcte positionering betekent dus:

de stencilopeningen bevinden zich op de juiste plaats én stencil en PCB maken op de juiste manier contact.

PCB-ondersteuning is een basisvoorwaarde

Een parameter die gemakkelijk wordt onderschat, is de ondersteuning van de PCB.

Tijdens het printen wordt de PCB tegen het stencil gebracht en oefent de rakel kracht uit. Wanneer de printplaat onvoldoende wordt ondersteund, kan ze lokaal doorbuigen.

Het gevolg is dat de afstand tussen PCB en stencil niet overal gelijk blijft. Zelfs wanneer de andere instellingen correct zijn, kan dat tot een onstabiel printresultaat leiden.

In het bronmateriaal wordt PCB-ondersteuning daarom expliciet als een van de belangrijkste parameters van het printproces benoemd. De vuistregel is eenvoudig: hoe beter de ondersteuning, hoe stabieler de basis voor het printproces.

Bij enkelzijdig bestukte PCB’s is ondersteuning relatief eenvoudig. Bij dubbelzijdige assemblages wordt het complexer: aan de onderzijde kunnen al componenten aanwezig zijn.

Vaste supportpinnen mogen dan niet rechtstreeks onder een component worden geplaatst. Afhankelijk van productmix en volumes kunnen onder meer verstelbare ondersteuning, verende systemen of productspecifieke supports worden gebruikt.

Zorg voor voldoende contact tussen stencil en PCB

In de meeste toepassingen wordt gewerkt zonder bewuste opening tussen PCB en stencil: de PCB wordt tegen het stencil gebracht.

Een te lage afdichting kan ervoor zorgen dat soldeerpasta tussen PCB en stencil terechtkomt. Daardoor kan pasta naast de bedoelde pads worden afgezet, met mogelijke gevolgen zoals smering, solder balls of bridging.

Meer druk is echter niet automatisch beter.

Een te hoge druk tussen PCB en stencil kan de mechanische belasting verhogen en slijtage veroorzaken. Het doel is dus niet maximale kracht, maar een stabiel en reproduceerbaar contact.

Rakeldruk: voldoende, maar niet meer dan nodig

De rakel moet de soldeerpasta over het stencil bewegen en de apertures goed vullen.

Daarvoor is voldoende druk nodig.

Bij te weinig rakeldruk kan pasta op het oppervlak van het stencil achterblijven en kunnen openingen onvoldoende worden gevuld.

Maar ook hier geldt: meer is niet noodzakelijk beter.

Een te hoge rakeldruk verhoogt de slijtage van rakel en stencil en kan soldeerpasta ongewenst tussen stencil en PCB drukken. Ook scooping – waarbij pasta gedeeltelijk uit een aperture wordt gehaald – kan volgens het bronmateriaal samenhangen met een te hoge rakeldruk.

Een bruikbaar uitgangspunt is daarom:

stel de rakeldruk zo in dat het stencil na de rakelbeweging schoon is, zonder onnodig extra druk uit te oefenen.

Daarmee wordt rakeldruk geen op zichzelf staande machinewaarde, maar een instelling die je beoordeelt aan de hand van het werkelijke printresultaat.

Printsnelheid en rakeldruk hangen samen

Ook de snelheid waarmee de rakel over het stencil beweegt, beïnvloedt het proces.

Niet iedere soldeerpasta gedraagt zich hetzelfde bij iedere printsnelheid. Soldeerpasta’s kunnen daarom worden getest over verschillende printsnelheden om een aanbevolen procesvenster te bepalen.

Belangrijk is dat printsnelheid niet volledig losstaat van rakeldruk.

Wanneer de printsnelheid aanzienlijk wordt verhoogd, kan ook de benodigde rakeldruk veranderen. De instellingen moeten daarom in samenhang worden beoordeeld.

Voor een productielijn speelt bovendien nog een praktisch aspect: de stencilprinter mag geen onnodige bottleneck worden. Zo snel mogelijk printen is echter evenmin het doel. De gewenste snelheid moet binnen het stabiele procesvenster van de gebruikte soldeerpasta en toepassing blijven.

Na het printen komt een kritische stap: de release

Zodra de apertures gevuld zijn, moet de PCB weer van het stencil worden gescheiden.

Die beweging lijkt misschien eenvoudig, maar heeft rechtstreeks invloed op hoeveel pasta daadwerkelijk op de PCB achterblijft.

Wanneer de pasta onvoldoende uit de stencilopening vrijkomt, kan een deel aan de wanden blijven hangen. Bij kleine openingen en fine-pitch toepassingen wordt dit steeds kritischer.

De separation speed – de snelheid waarmee PCB en stencil van elkaar worden gescheiden – is daarom een instelbare procesparameter. De optimale waarde hangt onder andere samen met de gebruikte soldeerpasta en stencilgeometrie. In de besproken pastatesten wordt deze snelheid expliciet getest om te bepalen waar de beste pastaoverdracht wordt verkregen.

Een hogere separation speed is dus niet automatisch beter. Het doel is een gecontroleerde release waarbij zoveel mogelijk van het bedoelde pastavolume correct op de pad achterblijft.

Ook stencilreiniging hoort bij procescontrole

Zelfs een goed ingesteld proces blijft niet vanzelf stabiel.

Soldeerpasta kan zich aan de onderzijde van het stencil ophopen of in apertures achterblijven. Daarom beschikken veel printers over een automatische understencil cleaning.

Hoe vaak gereinigd moet worden, is niet universeel vast te leggen. Het transcript benadrukt dat het interval onder andere afhankelijk is van het product en de aanwezigheid van fine-pitch structuren. Dat kan variëren van frequent reinigen tot pas na tientallen prints.

Ook het reinigingsmiddel verdient aandacht. Het moet geschikt zijn om de gebruikte soldeerpasta te verwijderen en mag geen ongewenste resten op het stencil achterlaten.

Een stencil dat na reiniging nog vochtig is, kan immers opnieuw invloed hebben op het gedrag van de pasta.

Controleer het resultaat, niet alleen de instellingen

Een proces kan op papier de juiste parameters hebben en toch afwijkingen produceren.

Daarom is het printresultaat uiteindelijk bepalend.

Je wilt een deposit zien met:

• de juiste positie;
• voldoende en reproduceerbaar pastavolume;
• duidelijke contouren;
• een gelijkmatig oppervlak;
• zo weinig mogelijk ongewenste pasta buiten de bedoelde zone.

Dat kan met camerasystemen in de printer worden gecontroleerd, maar voor uitgebreidere procescontrole kan een SPI-systeem (Solder Paste Inspection) worden ingezet. Daarmee kan de geprinte soldeerpasta worden geïnspecteerd en kunnen afwijkingen vroeg in het proces worden gedetecteerd.

Dat is belangrijk, want hoe eerder je een afwijking detecteert, hoe minder processtappen een foutieve PCB al heeft doorlopen.

Een goede print ontstaat door samenhang

Bij problemen met stencil printing is het verleidelijk om onmiddellijk één parameter aan te passen.

Meer rakeldruk. Trager printen. Vaker reinigen.

Maar één instelling aanpassen zonder naar de oorzaak te kijken, kan een ander probleem creëren.

Een stabiel stencil printing-proces vraagt daarom dat verschillende voorwaarden samen kloppen:

• PCB en stencil zijn correct uitgelijnd;
• de PCB wordt voldoende en op de juiste plaatsen ondersteund;
• PCB en stencil maken reproduceerbaar contact;
• rakeldruk en printsnelheid zijn op elkaar en de pasta afgestemd;
• de pasta komt gecontroleerd vrij uit de stencilopeningen;
• stencil en apertures blijven voldoende schoon;
• het uiteindelijke printresultaat wordt gecontroleerd.

Het doel is niet om iedere parameter afzonderlijk te optimaliseren, maar om een procesvenster te creëren waarin ze samen een reproduceerbare soldeerpastaprint opleveren.

Fouten vermijden begint vóór pick-and-place

Wanneer een defect pas na reflow zichtbaar wordt, is het belangrijk om niet alleen naar de reflowoven of componentplaatsing te kijken.

De oorsprong kan al eerder in het proces liggen.

Stencil printing bepaalt hoeveel soldeerpasta op de PCB terechtkomt, waar die pasta wordt afgezet en hoe reproduceerbaar dat van print tot print gebeurt. Daarom verdient deze processtap dezelfde aandacht als de rest van de SMD-lijn.

Een stabiele SMD-assemblage begint met een stabiele soldeerpastaprint.