Alpha Cut HR2 stencils

Stencils voor betrouwbare elektronicaproductie

Soldeerpasta aanbrengen met behulp van stencils is een veelgebruikte techniek. Het is een snelle methode om grote hoeveelheden PCB’s te voorzien van soldeerpasta. Nu zijn er verschillende basismaterialen en manieren om een stencil te maken. Zo wordt er veelvuldig gebruik gemaakt van RVS of nikkel en zijn de openingen te verkrijgen door etsen of lasersnijden. Bij de Belgische firma myProto gebruiken ze een nieuw materiaal ontwikkeld door de MacDermid Alpha dat geleverd wordt door Rotec uit Arendonk. Waar het om gaat legt Tom Meeus, mede oprichter van Rotec, in deze bijdrage voor u uit.

Bij myProto wil men dat de klanten kunnen vertrouwen op de kwaliteit van de daar gemaakte PCBA’s. Deze kwaliteit wordt mede bepaald door de stencils van de firma Rotec uit Arendonk (België). Harm Wijsman sprak met Tom Meeus mede oprichter van Rotec over stenciltechnologie en het belang van goede stencils bij elektronica productie.

De juiste hoeveelheid soldeerpasta
In het elektronicaproductieproces zorgt een stencil ervoor dat het juiste volume soldeerpasta op de juiste positie op de printplaat terechtkomt. Om een constante kwaliteit van de PCBA te garanderen, moet het aanbrengen van de pasta bij iedere PCB exact gelijk zijn, niet alleen bij vijf PCB’s maar ook bij tienduizend PCB’s.
De hoeveelheid soldeerpasta die aangebracht wordt met behulp van screen printing wordt bepaald door de dikte van het stencil. Omdat de hoeveelheid zeer gering moet zijn, is het stencil heel dun. De kwaliteit van het gebruikte materiaal is dan heel belangrijk voor de levensduur van het stencil. Slijtage zorgt er immers voor dat de openingen minder nauwkeurig worden wat weer resulteert in het aanbrengen van soldeerpasta op plekken waar we dit niet willen. Kortsluiting tussen soldeereilanden ligt dan op de loer.
Tom Meeus: Door de miniaturisatie van de componenten wordt het steeds moeilijker om de juiste hoeveelheid pasta op de gewenste plek aan te brengen. Als klanten bijvoorbeeld een micro-BGA met een pitch van 0,4 mm of kleiner willen plaatsen, dan vraagt dat een hoge nauwkeurigheid van het stencil.

Naast het stencil is ook de soldeerpasta van groot belang. Doordat wij interne veelvuldige combinatietesten uitvoeren met onze stencils en pasta’s, hebben we grip op de technologie en kunnen we onze klanten goed bijstaan. Dit heeft dan natuurlijk een rechtstreekse, positieve impact op het productieproces van complexe PCBA’s.

RVS of nikkel
In basis worden er voor stencils twee materialen gebruikt, namelijk RVS en nikkel. Tom Meeus: RVS is het meest gebruikte materiaal. Een laser-cut nikkel-stencil is duurder, maar kent wel een betere slijtvastheid. Alleen bij grote volumes adviseren we daarom het gebruik van nikkel als basismateriaal voor het stencils. In alle andere gevallen voldeed tot nu toe RVS. Sinds kort leveren we echter ook een alternatief voor RVS, namelijk een extra geharde RVS-soort genaamd Alpha Cut HR2. Dit is een meer geavanceerde RVS-soort die o.a. zorgt voor een betere lossing van de soldeerpasta en is daarmee een goed alternatief bij kleine en kritische soldeereilanden.

Stencilmateriaal en design rules bepalen kwaliteit
myProto kiest met Rotec bewust voor zowel kwaliteit in materiaal als in advies. Er zijn zeker goedkopere alternatieven, maar daar zijn wel risico’s aan verbonden. Tom Meeus: Natuurlijk is er verschil in kwaliteit. We zien regelmatig dat er gebruik wordt gemaakt van minder kwalitatieve RVS-soorten, maar nog vaker zien we dat de stencil design rules niet worden nageleefd. De gevolgen die we dan zien zijn bijvoorbeeld sluitingen, voiding, solderballs of opens. Voor het perfecte resultaat is het de kunst om de meest optimale design rules toe te passen in combinatie met de juiste pasta en het juiste stencil.

Jetting geen alternatief voor screen printing
Het alternatief voor een stencil is solder paste jetting. Het grote voordeel van deze technologie is dat hier geen stencil voor nodig is. Dit scheelt in kosten hoewel de jetting-machine ook geprogrammeerd moet worden. Het grootste nadeel van deze technologie is de snelheid. Tom Meeus: Jetting kan een goede optie zijn voor prototypes of bij zeer kleine PCBA-aantallen.

Omdat wij zien dat het pasta-printen moeilijker wordt door de toenemende miniaturisatie, is het volgens ons sterk aan te raden om ook het stencil-design en dus stencil-verificatie mee te nemen in de PCBA-prototypefase. Doet men dit niet, dan kan dat een potentieel probleem worden wanneer men wil beginnen aan de serie. In het slechtste geval loopt men dan tegen problemen op waardoor er nog een redesign van de elektronica moet plaatsvinden.

Samenwerking
myProto streeft naar het leveren van prototypes met de kwaliteit van series. Om dit waar te maken, is ook de stenciltechnologie van groot belang. Met de stencils van Rotec is myProto direct klaar voor de productie van de serie. PCBA-prototypes levert myProto vanaf 5 werkdagen. Het stencil is nooit de bottleneck, Rotec heeft een eigen snijmachine waardoor ze werken met een standaardlevertijd van twee dagen, maar als het moet kan het sneller.
Tom Meeus: MyProto is een zeer dynamisch en jong bedrijf met oog voor kwaliteit en een constant streven naar klanttevredenheid. De samenwerking tussen myProto en Rotec is zeer interactief: zo trachten we steeds mee te denken en samen tot oplossingen te komen. Mede door het feit dat myProto niet toegeeft op de kwaliteit van stencils en pasta, zijn ze in staat om snel kwalitatief hoogstaande prototypes en series te produceren.

Kenmerken
Alpha Cut HR2 is ontwikkeld als nieuw standaard materiaal voor lasergesneden stencils, met verbeterde prestaties. In de naam staat HR2 staat de H voor Harder, stijver, sterker materiaal dan het huidige materiaalaanbod. Hierdoor is er een verhoogde duurzaamheid en is het beter geschikt voor het onder hoge spanning opspannen in bijvoorbeeld het Alpha TensoRED Master opspanraam.
De eerste R staat voor verbeterde herhaalbaarheid (Repeatability) met betrekking tot het aanbrengen van de soldeerpasta, waardoor de stabiliteit van het productieproces toeneemt, wat leidt tot verbeterde opbrengsten.
De tweede R staat voor Release characteristics. Bij het omhoog halen van het stencil moet de pasta gemakkelijk los komen van het stencil. Dit garandeert een scherpe afdruk wat noodzakelijk is voor fine pitch componenten.
Door dit alles is het materiaal een uitstekend alternatief voor hogere kosten, langere levertijden in combinatie met gespecialiseerde coatings of nabewerkingsprocessen na het snijden die bij andere materialen naar boven komen. Hiermee is het een goed alternatief voor nikkel of fijnkorrelige staalsoorten.
Doordat het materiaal sterker is, kan het stencil met een hogere spanning opgespannen worden. Dit heeft grote voordelen. Het opgespannen stencil kunt u beschouwen als een trommelvel. Op het moment dat na het maken van de afdruk het stencil omhoog bewogen wordt, moet de soldeerpasta los komen van het oppervlak van het stencil. Dit zorgt voor een trilling in het materiaal. Hoe strakker het stencil gespannen is, hoe hoger de frequentie is, maar ook hoe kleiner de amplitude door de massatraagheid. De net opgebrachte pasta zal dan ook minder in beweging gebracht worden door deze trilling met als gevolg een strakkere afdruk.
Om het stencil sterker op te kunnen spannen, is een raamwerk nodig dat deze hogere krachten aan kan. Het al eerder genoemde Alpha TensoRED opspanraam (afbeelding 1) is speciaal ontwikkeld om deze hogere spankrachten aan te kunnen.

Tot slot
Het nieuwe materiaal voor het maken van stencils alsmede de sterkere opspanramen zijn ontwikkeld door MacDermid Alpha Electronics Solutions en wordt door Rotec gebruikt om stencils mee te maken die nu al met veel succes door myProto toegepast worden. Beide firma’s hebben ondertussen al de nodige ervaring opgedaan om te kunnen concluderen dat het nieuwe materiaal een duidelijke verbetering oplevert ten opzichte van normale RVS-soorten en goedkoper is dan nikkel. Zelfs voor kleine series is het toepassen van Alpha Cut HR2 dan ook een aanrader.

Auteur: Harm Wijsman