La demanda de los consumidores de dispositivos electrónicos compactos, miniaturizados e inteligentes está haciendo que los fabricantes de productos electrónicos utilicen los espacios de empaque más pequeños disponibles. Como resultado, los ensamblajes de tarjetas de circuito impreso (PCBA) se han vuelto más densos y sofisticados que nunca. Entonces, el verdadero desafío se convierte en cómo lograr consistencia y reproducibilidad en el proceso de impresión de estas PCB sofisticadas.
Para garantizar la consistencia y reproducibilidad, los fabricantes de productos electrónicos utilizan esténciles para depositar pasta de soldadura en las PCB. Inevitablemente, la condición de la plantilla ahora se convierte en el indicador clave de rendimiento (KPI) que rige la eficiencia, consistencia y reproducibilidad del proceso de impresión de la PCB. Casi el 70 % de los defectos en la tecnología de montaje superficial (SMT) se atribuyen a imperfecciones al depositar la soldadura en pasta. Por lo tanto, se vuelve imperativo estudiar, mejorar y monitorear el proceso de limpieza del esténcil.
Este artículo explica la criticidad de limpiar los esténciles antes de la deposición de soldadura en pasta, seguido de algunos métodos para descontaminar los esténciles. Para educar a los lectores, se mencionan algunas prácticas estándar de limpieza de esténciles. Finalmente, se destacan algunos productos de Techspray que ayudan a los ingenieros de procesos en la limpieza completa de los esténciles.
¿Por Qué Limpiar Los Esténciles?
Un esténcil es una hoja de metal con pequeñas aberturas que se utiliza para depositar pasta de soldadura en el sustrato de la PCB en áreas muy pequeñas, es decir, las almohadillas de la SMT. La escobilla de goma presiona la soldadura en pasta en las aberturas del esténcil para una deposición adecuada, como se muestra en la Figure 1.
En la industria electrónica, la limpieza de los sustratos de la PCB ha sido tradicionalmente un área de enfoque, lo que ha generado ganancias sustanciales para los fabricantes de productos de limpieza de la PCB. Lo que a menudo se pasa por alto es el proceso de limpieza del esténcil. ¿Qué sucede si los esténciles no se limpian correctamente antes del proceso de impresión del esténcil? Los esténciles sucios darían como resultado un volumen indeseable de soldadura en la pasta depositada en la almohadilla de la SMT y esto se clasifica como una falla de impresión. Una tarjeta de circuito impreso mal impresa podría ser descalificada durante la inspección, lo que requeriría un costo adicional de reparación y reelaboración.
En la fabricación de productos electrónicos, alrededor del 40% del tiempo de producción se desperdicia en la depuración de problemas de impresión [1]. Algunos problemas importantes causados por esténciles contaminados incluyen uniones de soldadura abiertas, desplazamiento, manchas y puentes de soldadura. Para evitar tales problemas, es obligatorio controlar el volumen de la soldadura en la pasta transportada a las almohadillas de la PCB, particularmente para componentes finos, ultrafinos, a escala de chip, BGA y flip-chip.
Técnicamente, se caracteriza por la eficiencia de transferencia (TE), que se define como la relación entre el depósito de volumen de pasta de soldadura real y el volumen de la apertura correspondiente [1]. Idealmente, la eficiencia de transparencia debe ser del 100 %, pero también es aceptable una eficiencia de transparencia del 70 %. Para mantener el valor deseado de la eficiencia de transparencia, las aberturas del esténcil deben limpiarse correctamente y no deben quedar restos de pasta/residuos de soldadura. La Figura 2 muestra un ejemplo de un esténcil con aberturas obstruidas. La Figura 3 muestra el impacto negativo de la impresión con las aberturas del esténcil obstruidas.
Figura 1: Proceso de impresión de esténciles [2]
Figura 2: Un esténcil contaminado [3]
Figura 3: Uniones de soldadura abiertas debido a una pasta de soldadura insuficiente
De manera similar, un esténcil con residuos en la parte inferior provocará una transferencia inconsistente de pasta a las almohadillas de la PCB. La soldadura en la pasta sobrante en la parte inferior del esténcil se transfiere a la otra tarjeta y provoca puentes. Por lo tanto, la limpieza del esténcil elimina los residuos, disminuye los problemas de impresión y asegura la uniformidad de las impresiones. La limpieza adecuada de los esténciles hace que el negocio de fabricación de productos electrónicos sea más rentable, ya que se minimiza la necesidad de reprocesos. Un pequeño esfuerzo adicional al comienzo de un proceso ahorra tiempo y dinero a largo plazo.
¿Cómo Mantener la Limpieza del Esténcil?
Limpieza Debajo del Esténcil:
La máquina de impresión de esténciles a menudo hace el trabajo de limpieza debajo del esténcil (limpieza seca, húmeda o aspiradora). Se utiliza un solvente de limpieza con un papel sin pelusa para eliminar la pasta de soldadura. Para lograr los mejores resultados de limpieza al limpiar debajo del esténcil, el componente de flux debe disolverse dentro de la soldadura en pasta. Esto facilita la liberación de esferas de soldadura que luego se recogen fácilmente con papel de limpieza [4].
Estas impresoras también incluyen un generador de vacío que aspira la contaminación de las aberturas. Si la impresora no tiene un sistema automatizado de este tipo, la limpieza debajo del esténcil se puede realizar manualmente con una toallita sin pelusa presaturada. Sin embargo, la limpieza manual del esténcil tiene sus propios inconvenientes, que incluyen riesgos para la salud de los trabajadores, el riesgo de dañar el propio esténcil y la dependencia de la experiencia del operador. Estos inconvenientes a menudo superan los beneficios que puede tener la limpieza manual.
Agitación Ultrasónica:
La agitación ultrasónica se realiza generando ondas ultrasónicas (40 kHz) en un medio de limpieza líquido [3]. Este proceso (llamado cavitación) forma burbujas en el líquido que alcanzan incluso las diminutas aberturas del esténcil. La acción burbujeante proporciona la fuerza mecánica para separar los contaminantes del esténcil. Las frecuencias más altas pueden dar como resultado una mejor limpieza, pero aumenta el tiempo de exposición a la humedad, lo que podría dañar las uniones adhesivas del esténcil. Por lo tanto, es una práctica estándar utilizar la función de "barrido" o múltiples frecuencias [3].
Un punto clave es que el tanque de limpieza debe ser de acero inoxidable. Los tanques de plástico tienden a absorber las ondas ultrasónicas y pueden hacer que el proceso de limpieza sea ineficiente. Finalmente, la química de limpieza debe elegirse adecuadamente. El agente de limpieza debe ser compatible con el material del esténcil. La principal ventaja de la limpieza ultrasónica es que no hay posibilidad de dañar el esténcil ya que las vibraciones de 40 kHz son completamente seguras para los esténciles. Además, este proceso tarda menos tiempo en completarse en comparación con el proceso de limpieza manual.
Tecnología de Rociado En Aire:
Como sugiere el nombre, esta tecnología utiliza una bomba de rociado y boquillas para rociar la solución de lavado sobre el esténcil. El flux se coloca en la solución, lo que hace que las bolas de soldadura se desprendan de la plantilla [5]. La presión del rociado debe ser lo suficientemente alta para eliminar todas las bolas de soldadura de las aberturas y lo suficientemente baja para no dañar las delicadas plantillas.
Limpieza de Plantillas Por Lotes:
Una breve descripción de este proceso ya está disponible en este artículo de Techspray. En el caso de la limpieza acuosa, un aumento de la temperatura mejora la eficacia del proceso de limpieza y reduce el tiempo de limpieza. Sin embargo, una temperatura demasiado alta (generalmente más de 110F) puede desprender el adhesivo para esténciles [3]. Una temperatura demasiado baja aumenta el tiempo de exposición a la humedad, lo que puede reducir la resistencia de la unión adhesiva y la interfaz del marco.
Nano-Revestimiento:
Además de garantizar la reducción de los problemas de formación de puentes y una mejor liberación de la soldadura en pasta, se sabe que los Nano-Revestimientos reducen la necesidad de limpiar la parte inferior de los esténciles. Estos revestimientos (de 1 a 100 nm de espesor) evitan que la soldadura en pasta se esparza por la parte inferior de los esténciles. Básicamente, los Nano-Revestimientos están destinados a proporcionar la ventaja de la "fluxofobicidad", es decir, permite que la soldadura en pasta se seque y se elimine fácilmente del esténcil [6]. La fluxofobicidad se puede estimar midiendo el ángulo de contacto. En [6], se ha demostrado experimentalmente que los Nano-Revestimientos mejoran el ángulo de contacto en comparación con los esténciles sin revestimiento. El aumento en el ángulo de contacto se debe a la deshumidificación de la soldadura en pasta de la parte inferior del esténcil. En la Figura 4 y la Figura 5 se muestra una comparación visual de un esténcil revestido y sin revestir. Sin embargo, antes de tomar la decisión final, el ingeniero de procesos también debe considerar el hecho de que los Nano-Revestimientos pueden alterar las propiedades del material del esténcil [2]. Otro punto útil para tener en cuenta es que los Nano-Revestimientos funcionan bien cuando las aberturas son muy pequeñas y la soldadura en pasta es densa.
Figura 4: Parte inferior del esténcil sin revestimiento después de 20 impresiones [6]
Figura 5: Parte inferior del esténcil revestimiento después de 20 impresiones [6]
Línea de Productos de Limpieza de la SMT de Techspray
Desde 1968, Techspray ha hecho que el proceso de fabricación de productos electrónicos sea más rentable, eficiente, fiable, seguro y respetuoso con el medio ambiente. Los productos de Techspray ahora se utilizan en todo el mundo en todas las aplicaciones electrónicas relacionadas con la aviación, industria pesada, plantas y mantenimiento de equipos. Como líder de la industria, Techspray ofrece una línea extendida de productos de limpieza de la SMT para limpiar la PCBA, tableros mal impresos, esténciles, raseros y superficies de equipos.
El Limpiador ECO-STENCIL UM es un reemplazo definitivo para los limpiadores de IPA que se utilizan para limpiar esténciles, raseros y tableros mal impresos. No es inflamable, elimina todo tipo de soldadura en pasta y es más adecuado para la limpieza ultrasónica por lotes.
El Limpiador ECO-STENCIL RF es un limpiador no inflamable que no requiere enjuague para limpiar la parte inferior de los esténciles contaminados. Su amalgama única de solvente y agua DI es efectiva para remover todo tipo de soldaduras en pasta y adhesivos. Este producto también encuentra su aplicación en la limpieza de esténciles por pulverización en el aire.
La Toallita TECH ROLL UNDERSTENCIL con un nivel mínimo de pelusa es una buena opción para limpiar la parte inferior de los esténciles. Es capaz de limpiar los esténciles tanto en húmedo como en seco.
Todos estos productos cumplen con la RoHS y son amigables con el medio ambiente sin compuestos orgánicos volátiles (COV) y no contribuyen al calentamiento global. Además, estos limpiadores proporcionan un buen rendimiento de limpieza a temperatura ambiente y superiores.
Para obtener más información, comuníquese con su especialista en aplicaciones de Techspray al 678-819-1408 o en info@itwcce.com.
References
[1] S. W. Y. Nourma Khader, "Stencil Printing Process Optimization to Control Solder Paste Volume Transfer Efficiency," IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 8, no. 9, pp. 1686-1694, 2018.
[2] M. D. Robert Kay, "A review of stencil printing for microelectronic packaging," Soldering & Surface Mount Technology, vol. 24, no. 1, pp. 38-50, 2012. [3] IPC, "IPC - Build Electronics Better," 2007. [Online]. Available: https://shop.ipc.org/ipc-7526/ipc-7526-standard-only/Revision-0/english. [Accessed 17 12 2022].
[4] Kyzen, "ON PRINTER UNDERSTENCIL WIPE CLEANING," Kyzen, [Online]. Available: https://kyzen.com/industries-applications/electronics-assembly-cleaning/stencil-cleaning-misprinted-pcb-cleaners/understencil-wiping-cleaning/. [Accessed 17 12 2022].
[5] M. Konrad, "Stencil Cleaning: Choices and Proven Strategies," Semiconductor Digest, [Online]. Available: https://sst.semiconductor-digest.com/2003/08/stencil-cleaning-choices-and-proven-strategies/. [Accessed 17 12 2022].
[6] T. Lentz, "Can Nano-Coatings Really Improve Stencil Performance?," FCT Assembly, Greeley.
