Guía para principiantes sobre plantillas escalonadas Step-Up y Step-Down

Las empresas están avanzando hacia los 2 nm, y la electrónica se encuentra en su punto más alto en este momento. Los tamaños de los componentes de una PCB también se han reducido drásticamente en un periodo de diez años. Desde el 1206, los BGA han disminuido a tamaños como el 0402, 0201, e incluso más pequeños. Debido al pequeño tamaño de los componentes y la necesidad de un alto rendimiento, pueden surgir defectos como tombstoning, puentes o malas conexiones durante el proceso de soldadura. Para abordar estos desafíos, se utilizan ampliamente tecnologías de plantillas especializadas, como las plantillas step-up y step-down, y JLCPCB ofrece servicios de plantillas step para soportar una deposición confiable de pasta de soldadura en diseños de PCB de densidad mixta.

Los componentes de paso fino con un paso de 0.4 mm a menudo están adyacentes a dispositivos que requieren alturas de pasta mucho mayores. Esto representa una cantidad significativa de la producción general de SMT. La capacidad para imprimir dispositivos con un paso de 0.5 mm mientras se imprimen simultáneamente dispositivos más pequeños, como 01005 o CSP, con un paso de 0.3 mm y alturas de pasta notablemente más bajas, es un factor emergente en la producción eléctrica. Imprimir múltiples alturas de pasta dentro de una sola plantilla en una única operación de impresión es posible con una plantilla step. Vamos a profundizar en ello, y en este tutorial, describiré qué son, cuándo utilizarlas y cómo impactan en la calidad de su ensamblaje.

¿Qué es una plantilla PCB?

Una plantilla PCB es una delgada pieza de acero que ha sido cortada con agujeros perfectamente coincidentes para emparejarse con las almohadillas de la PCB. Para ensamblar componentes SMT en una PCB, se necesita aplicar pasta de soldadura sobre las almohadillas de la placa. La forma más eficaz y precisa de hacer esto es mediante una plantilla.

En líneas de producción de alta velocidad, un operador coloca la plantilla sobre la PCB, presiona la pasta de soldadura a través de los agujeros de la plantilla y la deposita sobre las almohadillas de la placa. Cuando el operador retira la plantilla de la placa, algo de pasta de soldadura permanece en las almohadillas. La placa cubierta con pasta de soldadura se introduce luego en una máquina pick-and-place, que posiciona los componentes SMT adecuados sobre la pasta. Las placas llenas se sueldan luego en hornos de reflujo.

Problemas con las plantillas tradicionales

El grosor de la plantilla y el tamaño de la abertura de la almohadilla o la apertura determinan cuánta pasta de soldadura se aplica en la almohadilla. La cantidad de pasta de soldadura en una almohadilla es esencial para una correcta soldadura del componente. Si el volumen es pequeño, el componente podría no soldarse correctamente. Si el volumen es considerable, el exceso de soldadura podría provocar puentes entre almohadillas adyacentes. Esto ocurre cuando hay una combinación de componentes de paso fino y conectores grandes o almohadillas térmicas en la misma placa. Esto crea necesidades conflictivas de volumen de pasta de soldadura que las plantillas estándar no pueden manejar.

Para componentes SMT como los de 0402 y QFPs con un paso de 0.5 mm o menor, se requieren aberturas de plantilla increíblemente pequeñas. Usar perforaciones tan diminutas en una plantilla de 0.2 mm de grosor es un desafío para la liberación de la pasta. Cuando el operador levanta la plantilla, estas aberturas funcionan mejor con plantillas de 0.127 mm de grosor.

¿Qué son las plantillas escalonadas (step stencils)?

Una plantilla escalonada controla la cantidad de pasta de soldadura que se aplica a la PCB tanto para componentes SMT grandes como pequeños. Para los componentes SMT grandes, se necesita una plantilla más gruesa y más pasta de soldadura para una soldadura óptima. Sin embargo, dado que los componentes SMT pequeños requieren menos soldadura, una plantilla delgada es una mejor opción. Por lo tanto, para una placa que tiene tanto componentes SMT pequeños como grandes, se necesita una plantilla escalonada con secciones gruesas para los componentes grandes y secciones delgadas para los pequeños.

（(Esta plantilla ha sido fabricada por JLCPCB）

Debido a que los equipos electrónicos suelen tener formas más pequeñas y delgadas, los ingenieros deben utilizar componentes SMT microscópicos en las PCBs. Los componentes SMT de tamaños grandes, medianos y finos se combinan frecuentemente para formar la placa. No obstante, la superficie de la PCB puede ser recubierta utilizando un volumen personalizado de pasta de soldadura gracias al cambio de grosor de la plantilla escalonada.

Tipos de plantillas escalonadas

Estas modificaciones a menudo se realizan mediante grabado químico, soldadura láser o electropulido durante el proceso de fabricación de las plantillas. Existen dos tipos de plantillas escalonadas: step-up y step-down.

Plantilla Step-Up

Las PCBs con numerosos componentes pequeños y varios componentes SMT grandes requieren plantillas step-up. Son más gruesas en algunas áreas para permitir una mayor deposición de pasta de soldadura. La plantilla base está hecha de una lámina de acero de 0.1 mm de grosor; para los componentes SMT más grandes, el grosor aumenta a 0,15 mm.

Plantilla Step-Down

Las PCBs con varios componentes grandes y componentes SMT pequeños requieren plantillas step-down. Son más delgadas en ciertas áreas para que se aplique menos pasta de soldadura. La plantilla base está hecha de una lámina de acero de 0,15 mm de grosor; para los componentes SMT pequeños, el grosor disminuye a 0,1 mm.

Las plantillas escalonadas pueden utilizarse con o sin marco. Las plantillas escalonadas sin marco son más prácticas para el ensamblaje de prototipos, mientras que las plantillas escalonadas con marco se utilizan por los ensambladores en producciones en serie. El costo de las plantillas escalonadas sin marco es más bajo que el de las plantillas con marco.

Proceso de fabricación de plantillas escalonadas

Las plantillas escalonadas pueden utilizarse con o sin marco. Las plantillas escalonadas sin marco son más prácticas para el ensamblaje de prototipos, mientras que las plantillas escalonadas con marco se utilizan por los ensambladores en producciones en serie. El coste de las plantillas escalonadas sin marco es más bajo que el de las plantillas con marco.

Aunque el grabado químico está siendo cada vez menos popular debido a su capacidad limitada para la miniaturización, el corte láser y el electroformado son actualmente los métodos más utilizados. Las dos tecnologías difieren considerablemente en cuanto a material, método de producción y proceso de acabado. El acero inoxidable se utiliza principalmente en el proceso de corte láser, mientras que el níquel es el material principal utilizado en el proceso de electroformado. La creación de áreas step-up o step-down requiere técnicas sofisticadas:

• Láminas Soldadas con Láser (Laser Welded Foils): Se añaden secciones de lámina adicionales a la plantilla base.
• Grabado Químico: Se elimina material selectivamente para producir adiciones (step-up) o depresiones (step-down).
• Compatibilidad con Nanocobertura: Muchos fabricantes ofrecen versiones recubiertas con nano para aumentar aún más la liberación de pasta y reducir los requisitos de limpieza.

La clave en este procedimiento es un excelente diseño CAD y una estrecha cooperación con su proveedor de plantillas.

Técnicas de fabricación de plantillas escalonadas

Los fabricantes utilizan una de tres tecnologías para fabricar plantillas escalonadas. Estas son:

• Tecnología de Grabado Fotoquímico (Photo-Chemical Etching)
• Tecnología de Micro-Mecanizado (Micro-Machining):
• Tecnología de Soldadura con Dispositivos Láser:

1. Tecnología de Grabado Fotoquímico (Photo-Chemical Etching):

La tecnología de grabado fotoquímico es el método principal para producir plantillas escalonadas. El fabricante crea una capa de resistencia utilizando un proceso fotográfico en las áreas de la plantilla que no se van a grabar. Luego, se graba un agente grabador sobre la superficie de la plantilla para eliminar material hasta alcanzar el grosor deseado.

2. Tecnología de Micro-Mecanizado (Micro-Machining):

El fabricante coloca una placa de vacío enfriada sobre una lámina de plantilla sencilla en una máquina de fresado. Usan la máquina de fresado basada en CNC para eliminar pequeñas cantidades de material a la vez hasta alcanzar el grosor deseado. Después de colocar la lámina escalonada sobre un marco, se utiliza un haz láser para cortar las perforaciones.

3. Tecnología de Soldadura con Dispositivos Láser:

El fabricante usa dos láminas: una lámina delgada base y una lámina más gruesa para la soldadura láser. Usando maquinaria CNC, cortan la región escalonada de las láminas más gruesas. Después de insertar la lámina gruesa en la región cortada de la lámina delgada, se sueldan las uniones con láser. Luego, se cortan las perforaciones con láser.

Beneficios de usar plantillas escalonadas

Conclusión:

En conclusión, las plantillas step-up y step-down están adquiriendo una importancia creciente en el ensamblaje de PCBs, a pesar de su apariencia como herramientas de producción sofisticadas. En pocas palabras, cuando los tamaños de los componentes disminuyen y la complejidad de la placa aumenta, se hace necesario un control preciso en la deposición de pasta de soldadura. Las PCBs complejas requieren diferentes cantidades de pasta de soldadura para una variedad de componentes SMT. Usar diferentes grosores de lámina en la misma plantilla facilita la deposición suficiente de soldadura en áreas de paso grueso mientras se controla cuidadosamente la deposición de pasta en las ubicaciones de paso fino.

Al comprender cuándo y cómo usar estas plantillas especializadas, incluso los novatos pueden aumentar significativamente la fiabilidad y calidad de sus ensamblajes. Antes de adquirir su próxima plantilla, considere si una plantilla escalonada podría resolver problemas comunes en su placa. JLCPCB ofrece servicios de plantillas escalonadas que permiten ajustes precisos en el grosor de la plantilla para placas con tipos de componentes mixtos, lo que ayuda a lograr una deposición óptima de pasta de soldadura. Siempre consulte con su fabricante y revise sus opciones de plantillas cuidadosamente. Para placas con componentes mixtos, mover el grosor hacia arriba o hacia abajo suele ser necesario, ya que sin una plantilla escalonada, lograr el resultado de impresión ideal es extremadamente difícil, si no imposible.