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¿Puede el nano-recubrimiento mejorar el rendimiento del esténcil? ABSTRACTO La trayectoria del diseño electrónico y su asociada miniaturización no muestra señales de evolución. La Tecnología de Montaje Superficial (SMT) requerirá de procesos y materiales innovadores que le permitan ir alineados a otros campos de la industria electrónica. Los nano-recubrimientos han sido introducidos por varios fabricantes de diseño electrónico con la promesa de abordar algunos de los desafíos relacionados con la impresión de pasta de soldadura. Algunos de los beneficios manifestados son: reduce la limpieza de la parte inferior del esténcil, reduce la aparición de puentes de soldadura, mejora la liberación de pasta de soldadura e incrementa el rendimiento. Con tantas tecnologías ya en el mercado, y algunas por ser introducidas aún, ¿Cómo podrían estas tecnologías mejorar el rendimiento? ¿Cuán robustos pueden ser estos recubrimientos? ¿Cómo una ensambladora de recubrimientos puede cumplir con el retorno sobre la inversión (RSI)? ¿Qué beneficios ocultos o impactos negativos deberían considerarse? En este artículo presentaremos un método riguroso para evaluar el rendimiento y los beneficios económicos de la pasta de soldadura en los nano-recubrimientos. Se considerarán, y serán de gran peso, criterios como: limpieza en la parte inferior del esténcil, reducción de los puentes de soldadura, eficiencia de transferencia en la Tasa de Absorción Específica (SAR por sus siglas en inglés), geometría del depósito de pasta de soldadura, limpieza post-impresión y resistencia del recubrimiento a la abrasión. Se comparará, de igual forma, el rendimien

de los recubrimientos actualmente existentes y se incluirá una discusión sobre el impacto económico actual y futuro del diseño de SMT. Palabras clave: nano-recubrimiento, esténcil, eficiencia de transferencia, limpieza de la parte inferior, puente de soldadura, liberación de pasta de soldadura. INTRODUCCIÓN La tendencia actual de miniaturización de equipos electrónicos garantiza que el proceso de ensamblaje de montaje superficial continúe suponiendo nuevos desafíos. Las aperturas de los componentes de la cápsula y de los esténciles vuelven cada vez más pequeñas y más ajustadas la separación entre terminales o pitch. La demanda en el proceso de impresión de pasta de soldadura requiere mejoras en la tecnología. Pregúntese, ¿Qué necesitaría que el proceso de impresión de pasta de soldadura haga en un futuro, y cómo llegamos hasta allí? El nano-recubrimiento podría ser la respuesta. Los nano-recubrimientos para esténciles han estado disponibles por muchos años. Los recubrimientos han sido aplicados de dos maneras muy comunes; la forma más común es por un proceso de recubrimiento líquido de múltiples pasos que es aplicado humedeciendo el esténcil y dejándolo secar al aire libre. Este tipo de recubrimiento puede ser aplicado fácilmente por el fabricante o por el usuario del esténcil. Una forma menos común es la aplicación del recubrimiento con aerosol realizada por el fabricante. Este proceso de recubrimiento implica la limpieza del esténcil, la aplicación del recubrimiento con aerosol y luego su curado. El proceso y el equipo que se requiere para este tipo de recubrimiento hace que la aplicación sea poca práctica para el

Tony Lentz FCTA Mexico

tlentz@fctassembly.com

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usuario. Algunas de las afirmaciones de los proveedores de nano-recubrimiento son: 1. Reduce la limpieza en la parte inferior del esténcil 2. Reduce los puentes de soldadura 3. Mejora la liberación de pasta de soldadura 4. Mejora el rendimiento Los nano-recubrimientos presentan propiedades, beneficios e impactos negativos diferentes. El rendimiento de estos recubrimientos difiere en gran manera y será discutido en detalle en este artículo. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Como base, se evaluaron cuatro nano-recubrimientos de esténcil y se compararon a un esténcil sin recubrir. Para los propósitos de este artículo, los recubrimientos fueron llamados A, B, C y D y el esténcil sin recubrir fue llamado U. Se utilizaron varios criterios para evaluar la función y el rendimiento de cada uno. Podríamos separar la función de los nano-recubrimientos en dos categorías: la función superficial y la función de apertura. La función superficial fue evaluada a través de la medida del ángulo de contacto, la limpieza en la parte inferior del esténcil y la formación de puente de soldadura. La función de apertura fue evaluada por la medida de liberación de pasta de soldadura como eficiencia de transferencia. El espesor o durabilidad de los recubrimientos fue evaluada a través de la abrasión mecánica y la prueba química. La metodología usada en cada criterio es explicada a continuación.

El ángulo de contacto mide la hidrofobicidad

y oleofobicidad de la superficie. La hidrofobicidad significa literalmente que “repele el agua”, y la oleofobicidad, que “repele el aceite”. Los nano-recubrimientos deben proporcionar los beneficios tanto de la hidrofobicidad como de la oleofobicidad. Los fluxes en la pasta de soldadura están

compuestos por más aceite que por agua en términos de polaridad, pero pueden manifestar ambas propiedades. El nano-recubrimiento debe poseer los beneficios de la “fluxofobicidad”. La función más importante del nano-recubrimiento es lograr que la pasta de soldadura se desmoje y sea liberada del esténcil. El ángulo de contacto calibrará el rendimiento “fluxofóbico” del nano-recubrimiento.

Se usó un goniómetro y dos líquidos diferentes

para medir el ángulo de contacto. Se usó agua desionizada para medir la hidrofobicidad del nano-recubrimiento y un N-hexadecano para medir su oleofobicidad. El ángulo de contacto aumenta mientras que el líquido se deshumecta de la superficie. Los ángulos de contacto altos indican un desempeño deseable de deshumectación.

Limpiar la parte inferior del esténcil es una

práctica estándar en el proceso de impresión de pasta de soldadura. La limpieza se realiza normalmente en un ciclo después de un cierto número de impresiones. La pasta de soldadura, los parámetros de impresión, el esténcil, la placa de circuito impreso y la tecnología empleada determinan la frecuencia con la que debe realizarse la limpieza del esténcil. En este experimento, la evaluación de la parte inferior del esténcil fue realizada visualmente luego de 20 impresiones de no limpieza.

Los puentes de soldadura constituyen un

problema común, y se tornan cada vez más comunes, si los componentes son más pequeños y la separación entre terminales es más angosta. Una de las causas de formación de puente es la tendencia de la pasta de soldadura a adherirse a la parte inferior del esténcil. La pasta de soldadura es luego transferida a la siguiente placa de circuito impreso causando la formación de puente. La placa de circuito usada para esta evaluación incluye un patrón que detecta el puente. Este patrón fue usado también para la evaluación de

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perfil de fallos de la pasta de soldadura a través del recorrido de 20 impresiones.

La liberación de la pasta de soldadura es clave para el éxito en el proceso de impresión. El objetivo del proceso de impresión es aplicar la cantidad deseada de pasta de soldadura en el lugar correcto de la placa de circuito impreso. En esta evaluación, la medida del volumen de pasta de soldadura y el cálculo de la eficiencia de transferencia permitió evaluar la liberación de la pasta de soldadura. La eficiencia de transferencia es definida de la siguiente manera: ET (%) = (volumen de la pasta de soldadura impresa) ÷ (volumen de la apertura del esténcil) x 100% La eficiencia de transferencia fue medida en BGA y presentó una Tasa de Absorción Específica (SAR) de 0,575 en los BGA de 0,5 mm, y 0,500 en los BGA de 0,4 mm. Veinte placas de circuito fueron impresas con cada esténcil y se calculó el volumen de pasta de soldadura. La eficiencia de transferencia promedio fue calculada para cada SAR. Se evaluó el espesor través de una prueba de abrasión empleando el método ASMT D2486 [1]. Se calculó la resistencia química añadiendo una variedad de químicos en la esponja de frote de ensayo. Se midió el ángulo de contacto luego de cada prueba. Una reducción en el ángulo de contacto indica que el recubrimiento está perdiendo su eficacia y se está desgastando. EQUIPOS Y MATERIALES Los equipos y materiales usados para este análisis se detallan a continuación: Impresora Essemtec Velocidad de impresión: 20 mm/seg Presión de impresión: 0,18 kg/cm (1lb/pulgada) Velocidad de separación: 1,5 mm/seg

Inspección de la pasta de soldadura realizada por la ASC International Vision Master AP212 con un sensor AsCan Ultra VM150 Pasta de soldadura Aplicación no limpieza, sin plomo, SAC305 Tipo 3. NL932 de FTC Assembly. Esténciles 0,005 pulgadas de espesor (127 micrones), acero inoxidable 304, grano fino, Datum PhD. Placa de circuito de prueba F1 (Figura 1) La placa de circuito tiene tres BGA de 0,5 mm, tres BGA de 0,4 mm y dos áreas de puente. El BGA de 0,5 mm tiene un esténcil con SAR de 0,575 y un total de 252 pistas por placa de circuito. El BGA de 0,4 mm tiene un esténcil con SAR de 0,500 y un total de 1080 pistas o pads por placa de circuito. Las áreas de puente tienen en total 160 posibles puentes por placa de circuito.

Figura 1: F1 placa de circuito de Prueba La SAR se calcula comúnmente por las dimensiones de la apertura del esténcil sin tomar en cuenta el tamaño del pad o pista de la placa de circuito. El pad saca la pasta de soldadura de la apertura de la placa de circuito. Cuando el pad es más pequeño que la apertura, la fuerza con la que hala la pasta de soldadura hacia afuera de la apertura es proporcionalmente más pequeña. En este caso, el cálculo de SAR puede ser modificado

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y así usar el área de pad en vez del área de apertura. Esta metodología explica una liberación escasa de pasta de soldadura y rendimientos de transferencia menores a los esperados [2]. Para esta evaluación, el cálculo de SAR por área de pista es el siguiente: los BGA de 0,5 mm tienen pads en la placa de circuito impreso de 9,0 mil (229 micrones) de diámetro circular, y el esténcil tiene 11,5 mil (292 micrones) de apertura rectangular. El esténcil es de 0,005 mil (127 micrones) de espesor. La SAR usada en el área de apertura es de 0,575 pero esta disminuye a 0,275 cuando la apertura es calculada por área de pista o pad. Los BGA de 0,4 mm tienen pads de 8,0 mil (203 micrones) de diámetro circular en la placa de circuito impreso, y el esténcil tiene 10,0 mil (254 micrones) de aperturas rectangulares. La SAR usada en el área de apertura del esténcil es de 0,500 pero disminuye a 0,250 cuando se calcula por área de pista. RESULTADOS Los resultados de esta evaluación están enumerados por prueba seguidos de la exposición de resultados de cada una. Espesor del nano-recubrimiento El espesor del nano-recubrimiento varía de acuerdo al proveedor (Tabla 1). Estos valores fueron tomados de la base de datos del proveedor y no fueron calculados directamente. Tabla 1: espesor del recubrimiento

Recubrimiento Espesor Recubrimiento A 1000 - 2000 nm

(1 - 2 micrones) Recubrimiento B 2 - 4 Recubrimiento C 2 - 4 Recubrimiento D 2000 - 4000 nm

(2 - 4 micrones)

Los recubrimientos A y D son respectivamente de 500 a 1000 veces más gruesos que los recubrimientos B y C. El proveedor del esténcil aplicó los recubrimientos A y D con aerosol y realizó un proceso de curado. Los recubrimientos B y C fueron aplicados de forma líquida por el proveedor o por el usuario del esténcil. Los recubrimientos B y C poseen una tinta visible en el fondo del esténcil y en las paredes de la apertura. Los recubrimientos B y C son claros y no son visibles en el esténcil. Función superficial - Ángulo de contacto Los ángulos de contacto fueron medidos varias veces y los valores estimados serán reportados aquí (Tabla 2).

Tabla 2: Ángulo de contacto de los nano-recubrimientos

Recubrimiento

Ángulo de contacto

Agua desionizada

(dietilenglicol)

Ángulo de contacto N-Hexadecano

(dietilenglicol)

Recubrimiento A 103 60 Recubrimiento B* 101 66 Recubrimiento C* 109 70 Recubrimiento D 105 64 Recubrimiento U 54 9

*Rendimiento inconsistente de grupo a grupo. Todos los recubrimientos analizados mejoraron de manera significativa el ángulo de contacto comparados al esténcil sin recubrimiento. Los múltiples grupos de recubrimientos B y C fueron analizados y se halló que arrojaron un rendimiento inconsistente. En resumen, el aumento de los ángulos de contacto presentó propiedades deseables de hidrofobicidad y oleofobicidad comparado al esténcil sin recubrimiento. Función de la superficie - Limpieza de la parte inferior La limpieza de la parte inferior del esténcil fue

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analizada después de 20 impresiones consecutivas de pasta de soldadura de aplicación no limpieza durante la ejecución. El fondo del esténcil fue inspeccionado. Figura 2: fondo de un esténcil sin recubrimiento después de 20 impresiones Figura 3: fondo de un esténcil nano-recubierto después de 20 impresiones El esténcil sin recubrimiento muestra pasta de soldadura adherida entre las aperturas (Figura 2). Después de 20 impresiones, el fondo del esténcil nano-recubierto no evidencia pasta de soldadura (Figura 3). Todos los nano-recubrimientos analizados (A, B, C y D) demostraron el mismo rendimiento en esta prueba. Función de superficie - puente El puente de soldadura fue evaluado contando el número total de puentes visualizados durante el recorrido de 20 impresiones de pasta de soldadura (Figura 4).

Figura 4: puentes de pasta de soldadura Los esténciles nano-recubiertos (A, B, C y D) tuvieron un rendimiento similar en la prueba de puente. Todos los recubrimientos mostraron grandes mejoras en sus resultados comparados a un esténcil sin recubrimiento (Tabla 3).

Tabla 3: rendimiento de puente en la pasta de soldadura

Recubrimiento Recuento de puentes

Forma del perfil

Recubrimiento A 0 Consistente Recubrimiento B 2 Consistente Recubrimiento C 0 Consistente Recubrimiento D 0 Consistente Sin recubrimiento

(U) 174 Deteriorado

Los perfiles de fallo son evaluados de forma visual a través del recorrido de 20 impresiones. Todos los esténciles nano-recubiertos muestran un buen rendimiento y mantienen un buen perfil de fallo (Tabla 3). El esténcil sin recubrimiento muestra unos perfiles de fallo deteriorados. Función de apertura - Eficiencia de transferencia La liberación de pasta de soldadura fue evaluada midiendo la eficiencia de transferencia a través del recorrido de 20 impresiones por cada BGA. Los BGA de 0,5 mm tienen un total de 252 bricks de pasta de soldadura medidos en cada placa de circuito impreso. En más de 20 impresiones, el número

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total de medidas fue de 21.600. Los resultados de la eficiencia de transferencia en los BGA con SAR de 0,575 presentaron diferencias de rendimiento entre recubrimientos (Figura 5). Figura 5: eficiencia de transferencia promedio en los BGA de 0,5 mm con SAR de 0,575 Los recubrimientos B y C disminuyeron la eficiencia de transferencia comparados con el esténcil sin recubrimiento. Ambos recubrimientos B y C disminuyeron la eficiencia de transferencia en 5%. Este fue un resultado inesperado, totalmente opuesto a las afirmaciones hechas anteriormente sobre estos recubrimientos. Los recubrimientos A y D aumentaron la eficiencia de transferencia. El recubrimiento A aumentó la eficiencia de transferencia en 7% comparado a un esténcil sin recubrimiento. El recubrimiento D tuvo el impacto más significativo en la eficiencia de transferencia, aumentando en 22%. Los resultados de la eficiencia de transferencia con SAR de 0,500 en los BGA mostraron diferencias más dramáticas de rendimiento entre los recubrimientos (Figura 6).

Figura 6: eficiencia de transferencia promedio en los BGA de 0,4 mm con SAR de 0,500 El nano-recubrimiento B no cambió la eficiencia de transferencia en esta SAR comparado con el esténcil sin recubrimiento. El recubrimiento C redujo su eficiencia de transferencia en 8%. Los nano-recubrimientos A y D incrementaron su eficiencia de transferencia. El recubrimiento A tuvo un aumento de 17%, y el recubrimiento D de 22%. Para lograr un nivel de soldadura aceptable, el porcentaje de aceptabilidad de eficiencia de transferencia debe ser de 70% [3]. En otras palabras, deberíamos lograr que al menos 70% de volumen de la apertura sea impreso en la placa de circuito. En este estudio, solo el nano-recubrimiento D consiguió una eficiencia de transferencia aceptable en una o ambas proporciones del área analizada. Algunos artículos publicados muestran un rendimiento opuesto al usarse nano-recubrimientos. Shea y Whittier reportaron bajas de eficiencia de transferencia en el acero inoxidable que oscilan entre 1% a 14% cuando se utilizan nano-recubrimientos [4]. Se reportaron incrementos de alrededor 1%. en la eficiencia de transferencia de algunos recubrimientos Estos datos fueron reportados con SAR de 0,66 a 0,77 lo que constituye una cifra considerablemente más alta que las SARs usadas en este estudio. Moen reporta un incremento de aproximadamente 20 a 30% en

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la eficiencia de transferencia con el uso de nano-recubrimiento [5]. Mohanty, Ramkumar, Anglin y Oda reportan aumentos en el porcentaje de volumen para 01005 componentes cuando los nano-recubrimientos son utilizados en esténciles cortados con láser [6]. No se especifican los tipos de nano-recubrimientos evaluados en estos estudios. Como es bien sabido, los nano-recubrimientos que son diferentes darán resultados diferentes en la liberación de pasta de soldadura y en su eficiencia de transferencia. Robustez - Resistencia a la abrasión La prueba de frote con algodón seco realizada empleando el método ASMT D2486 muestra desgaste por abrasión (Figura 7). El frote fue realizado para 2000 ciclos y el ángulo de contacto fue medido con agua desionizada después de cada 500 ciclos. Solo los recubrimientos B, C y D fueron analizados. Figura 7: Resultados de abrasión con algodón seco El ángulo de contacto se estabiliza a alrededor de 100 grados en los recubrimientos B y D. Lo que indica que estos recubrimientos retuvieron sus propiedades hidrofóbicas mediante esta evaluación. En comparación, el ángulo de contacto con agua desionizada en acero sin recubrimiento fue de 54 grados. El recubrimiento C erosionó durante esta prueba, lo fue percibido como una pérdida de hidrofobicidad.

Esta misma prueba de abrasión fue duplicada, pero la esponja de frote se mantuvo mojada con agua desionizada durante la prueba (Figura 8).

Figura 8: Resultados de abrasión con agua desionizada El recubrimiento D mantuvo un ángulo de contacto sobre los 100 grados durante esta prueba. El ángulo de contacto de los recubrimientos B y C disminuyó desde 105 grados a 89 y 78 grados respectivamente. El recubrimiento D mantuvo propiedades hidrofóbicas durante esta prueba. Los recubrimientos B y C erosionaron y perdieron parte de su hidrofobicidad. Los recubrimientos B y D fueron evaluados nuevamente con una esponja de frote que contenía isopropanol (IPA) (Figura 9). Figura 9: Resultados de abrasión con isopropanol Durante esta prueba, el recubrimiento D mantuvo un ángulo de contacto por encima de

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los 99 grados. El ángulo de contacto del recubrimiento B disminuyó de 105 grados a 90 grados durante esta prueba. Nuevamente, el recubrimiento B fue sometido a abrasión y mostró niveles bajos de hidrofobicidad. Los recubrimientos B y D fueron evaluados nuevamente con un líquido que contiene 25% de colofonia, flux no limpieza (Figura 10).

Figura 10: Resultados de abrasión con 25 de colofonia, flux no limpieza El recubrimiento D mantuvo un ángulo de contacto de 101 grados durante esta prueba. El recubrimiento B erosionó significativamente desde 105 grados a 72 grados durante este ensayo. El recubrimiento D mantuvo su hidrofobicidad, mientras que el recubrimiento B erosionó y perdió parte de esta. El recubrimiento A no fue evaluado en los experimentos de abrasión, pero podríamos esperar un rendimiento similar al recubrimiento D debido a similitudes en su aplicación con aerosol y a su espesor. El recubrimiento C no fue evaluado en algunas de estas pruebas, pero podríamos esperar un rendimiento similar al recubrimiento B debido a similitudes en su aplicación líquida y a su espesor. Esta prueba de abrasión muestra claras diferencias en el desgaste de los recubrimientos, en especial cuando se usan químicos comunes como isopropanol y agua.

El flux líquido a base de colofonia presentó la disminución más drástica de hidrofobicidad en uno de sus recubrimientos. RETORNO DE LA INVERSIÓN A continuación, se discutirán los costos del proceso de impresión y el impacto del nano-recubrimiento. Los costos que presentaremos son estimados y están basados en la práctica de la industria electrónica. Podemos enumerar los siguientes factores que contribuyen al costo de la impresión de pasta de soldadura: (1) Tiempo de ciclo o productividad (2) Uso de material de limpieza en la parte

inferior del esténcil (3) Desperdicio de pasta de soldadura (4) Pérdida de productividad debido a fallas

de impresión (5) Tiempo de reelaboración y materiales

debido a fallas de impresión El uso de nano-recubrimiento reduce la frecuencia de limpieza del esténcil y mejora el tiempo de ciclo de impresión. El número exacto de impresiones entre ciclos de limpieza debe ser determinado por el usuario del nano-recubrimiento para su aplicación. Aquí discutiremos un ejemplo de mejora en el tiempo de ciclo del esténcil. En algunos casos, la limpieza de la parte inferior del esténcil se realiza después de cada impresión cuando hay una producción muy alta y, especialmente, en SARs por debajo de los 0,55. Esto añade una cantidad considerable de tiempo al proceso impresión. Con el uso de nano-recubrimiento podría reducirse a cada 20 impresiones la frecuencia de limpieza. En este caso, estimamos un aumento en la productividad pasando de 1 placa de circuito impresa por minuto a 2 placas de circuito impresa por minuto. Las compañías de ensamblaje que manejan un volumen mixto o bajo de producción no se beneficiarían de este incremento, en cambio, las compañías de

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ensamblaje que manejan altos volúmenes de producción, lo harían considerablemente. El costo del material de limpieza está relacionado directamente con la cantidad de material utilizado. Para continuar con el ejemplo anterior, si la frecuencia de limpieza pasa de realizarse después de cada impresión a realizarse después de cada 20 impresiones, el material utilizado se reduciría en un 95%. Asumamos que un ciclo de limpieza usa 3 pulgadas de tela a un costo de $0,04/pulgada y 10 mL de solvente a un costo de 0,008 /mL, el costo de limpieza sería de $0,20 por ciclo. Si la limpieza es realizada después de cada impresión, entonces el costo por placa de circuito sería de $0,20. Esto significaría una reducción de $0,01 por placa de circuito si la limpieza es realizada después de cada 20 impresiones lo que, con el tiempo, representaría una reducción importante de costos. La pasta de soldadura que se limpia del fondo del esténcil es desechada y, por lo tanto, desaprovechada. Esta cantidad de pasta de soldadura desperdiciada representa un costo directo. Por ejemplo, si el proceso de impresión genera 70% de eficiencia de transferencia, esto significa que 30% de la pasta de soldadura no es impresa dentro en la placa de circuito. Cuando se utiliza un esténcil de acero sin recubrir, parte de la pasta de soldadura queda en la apertura del esténcil y otra parte queda en el fondo. Estimamos que 15% de la pasta utilizada es limpiada del fondo del esténcil. Se estima que una impresión típica de soldadura en pasta contiene de 2,7 a 4,7 gramos de pasta de soldar, la cantidad de pasta que se limpia del fondo del esténcil es de 0,4 a 0,7 gramos. El precio promedio de la pasta de soldadura es de $0,10 por gramo. En este ejemplo, el costo de pasta de soldadura que se desperdicia es de $0,04 a $0,07 por placa de circuito. La pérdida de pasta de soldadura disminuye dramáticamente con la utilización de nano-

recubrimiento. No será necesario lavar residuos de pasta en el fondo del esténcil porque ya no se adherirá al fondo resultando en un desperdicio de pasta. La pasta que no sea impresa en la placa de circuito será utilizada en la impresión siguiente. El uso de nano-recubrimiento reduce el desperdicio de pasta de soldar a un costo de $0,00. Esta estimación no toma en cuenta las fallas de impresión de pasta de soldadura que ocasionan que las tarjetas de circuito deban ser limpiadas y reimpresas. El uso de un nano-recubrimiento no cambiará el número de fallas en las impresiones. De igual manera, tampoco se ha tomado en cuenta el desperdicio de pasta de soldadura provocado por la vida útil o laboral del esténcil. El uso de nano-recubrimiento no afectará este aspecto. La pérdida de producción representa un gasto que puede ser medido a través del costo de las tarjetas de circuito desechadas y el tiempo empleado en construir reemplazos para las tarjetas de circuito que se han perdido. Es bien sabido que la mayoría de las fallas en el ensamblaje de montaje superficial pueden ser adjudicadas al proceso de impresión. Es difícil indicar un monto exacto de pérdida de producción, pero discutiremos el impacto económico del nano-recubrimiento a continuación. Los nano-recubrimientos manifiestan dos beneficios importantes que, al correlacionarse, mejoraron la productividad. (1) Todos los nano-recubrimientos evaluados

redujeron los puentes de soldadura. (2) Los recubrimientos A y D mejoraron la

eficiencia de transferencia La reducción de puentes de soldadura, el incremento de la eficiencia de transferencia y los volúmenes de pasta de soldadura impresa se traducen a mejoras en la productividad. Esto es de gran importancia, en especial cuando se usan aperturas de SAR pequeñas. Una mejora en la eficiencia de transferencia

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reduce anomalías como soldadura insuficiente, formación de bolas de soldadura y agrietamientos. Los nano-recubrimientos B y C redujeron su eficiencia de transferencia en esta evaluación lo que pudo haber resultado en una disminución de la productividad por soldadura insuficiente, incremento en la formación de bolas de soldadura y grietas. Estudios como los llevados a cabo por Shea, Zubrick, y Whittier [7] reportaron incrementos en la productividad de 10 a 70% cuando se utilizaron nano-recubrimientos. Es evidente que se puede lograr incrementar la productividad si se utilizan nano-recubrimientos apropiados. La reducción de gastos depende mayormente de la complejidad de la tarea y de muchos otros factores del proceso de impresión. Asumiendo que el costo de una placa de circuito es de $100, prevenir su deterioro podría fácilmente pagar la mayoría de los nano-recubrimientos en el mercado. Los costos de reelaboración son otro punto a tomar en cuenta en este análisis de retorno sobre la inversión. Estos costos se definen en base a los materiales y el tiempo empleado en la producción. También existe un costo implícito relacionado al tiempo perdido en la producción. El tiempo empleado en reelaborar placas de circuito impreso podría emplearse en construirse nuevas tarjetas, por lo tanto, es un tiempo “perdido”. Nuevamente, es difícil fijar un costo de reelaboración. Si la reelaboración es monitoreada, entonces el rendimiento de primera pasada (YFT) podría ser calculado y usado para estimar el costo de reelaboración. El rendimiento de primera pasada real es raramente medido en la mayoría de los procesos de ensamblaje de SMT. Reducir la cantidad de reelaboraciones incrementa el rendimiento de primera pasada y reduce costos.

En resumen, el retorno sobre la inversión de un nano-recubrimiento puede ser calculado en base a costos predeterminados estimados (Tabla 4). Tabla 4: resumen del Retorno sobre la Inversión (Tabla 4).

La mayoría de los nano-recubrimientos en el mercado tienen un precio de venta de 40$ añadido en el costo del esténcil. Si nos basamos solo en el costo de los materiales de limpieza y en la disminución de desperdicios de pasta de soldadura, el retorno sobre la inversión sería de 150 a 180 placas de circuito. El impacto en el incremento de la productividad al evitarse la reelaboración es potencialmente más alto comparado con el costo del nano-recubrimiento. BENEFICIOS OCULTOS E IMPACTOS NEGATIVOS Esta evaluación de nano-recubrimientos reveló muchos beneficios e impactos negativos (Tabla 5 y 6). Algunos de ellos condujeron a otros factores ocultos que deben ser tomados en cuenta por el usuario de estos nano-recubrimientos.

Producto Reducción de costos Mejora en el tiempo de ciclo de

impresión 2 tarjetas impresas por

minuto en vez de 1 Ahorros en material de limpieza $0,18 - $0,20 por tarjeta Reducción de desperdicios de la

pasta de soldadura $0,04 - $0, 07 por tarjeta

Aumento de la productividad Ahorros inestimables Reducción de reelaboración Ahorros inestimables

Si los nano-recubrimientos cuestan

$40 el RSI es de 150 a 180

tarjetas

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Tabla 5: beneficios de los nano-recubrimientos

Beneficio Nano-recubrimiento

Mejoró la limpieza en la parte

inferior del esténcil

Todos los recubrimientos

A, B, C, D

Mejoró el puente Todos los recubrimientos

A, B, C, D

Incrementó la eficiencia de

transferencia

Recubrimientos A y D

Visible en el esténcil Recubrimiento A y D

Reaplicado por el usuario Recubrimientos B y C

Tabla 6: impacto negativo de los nano-recubrimientos

Impacto negativo Nano-recubrimientos Recubrimiento desgastado por a abrasión

Recubrimientos B y C

Desgaste no visible del recubrimiento

Recubrimientos B y C

Disminución de la eficiencia de ee transferencia

Recubrimientos B y C

Las mejoras en la limpieza del lado inferior del esténcil y la reducción de puente conllevan a una reducción de costos. También podemos observar un aumento de productividad al verse reducido el puente. Otro beneficio oculto es la reducción de reelaboración, resultando este factor en un aumento en la productividad. Los recubrimientos B y C mostraron desgaste por abrasión. Estos recubrimientos son invisibles en el esténcil lo que dificulta al operador de la impresión saber cuándo dejan de funcionar. La mejora en la formación de puente y de limpieza del esténcil disminuirá a medida que estos recubrimientos vayan desgastándose, sin embargo, el usuario del esténcil puede reaplicar los recubrimientos B y C para restaurar su rendimiento. Este factor podría considerarse un beneficio oculto, pero

la necesidad de reaplicar el recubrimiento sería más bien un impacto negativo. Los recubrimientos más visibles y con más espesor A y D no podrán ser reaplicados por el usuario del esténcil. La resistencia de desgaste de los recubrimientos A y D es mucho mayor que la de los recubrimientos B y C. La vida útil actual de los recubrimientos A y D no fue determinada en esta evaluación. Debido a la apariencia visible de los recubrimientos A y D, el operador de la impresión notaría el desgaste del recubrimiento. Los recubrimientos A y D manifestaron un incremento en la eficiencia de transferencia, mientras que los recubrimientos B y C manifestaron un efecto contrario. Un aumento en la eficiencia de transferencia puede conllevar a muchos beneficios ocultos. Asimismo, el aumento en la liberación de pasta de soldadura permitiría imprimir placas de circuito de tecnología mixta sin la necesidad de usar un Step-Stencil. Las modificaciones en los tamaños de apertura podrían realizarse para facilitar esta habilidad. Los Step-Stencil se fabrican normalmente mediante un proceso de grabado que genera un costo adicional e incrementa el tiempo empleado para fabricar el esténcil. En algunos casos, los esténciles de niquel electroganizado son más costosos que su contraparte, los de acero. Este costo podría evitarse mediante el uso de esténciles de acero nano-recubiertos. El aumento en la eficiencia de transferencia permite que la pasta de soldadura sea impresa en aperturas más pequeñas (SAR < 0,55), al mismo tiempo que se mantienen volúmenes aceptables de pasta de soldadura. Este beneficio contribuye a la tendencia de la industria a miniaturizar aparatos electrónicos. Las reglas para el diseño de esténciles y las tasas aceptables de SAR podrían modificarse a través del uso de nano-recubrimientos A o D, lo que aumenta la eficiencia de transferencia.

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CONCLUSIONES Los nano-recubrimientos evaluados mostraron un rendimiento similar en algunas áreas y uno diferente en otras. El costo para aplicar la mayoría de los nano-recubrimientos es insignificante comparado a los ahorros potenciales de materiales de limpieza, reducción de desperdicio de pasta de soldadura, aumento en la productividad y prevención de reelaboración. Un incremento en la eficiencia de transferencia podría lograrse mediante el uso de ciertos recubrimientos. El usuario debe tomar en cuenta los beneficios y los impactos negativos si decide usarlos. TRABAJOS FUTUROS Las pruebas de compatibilidad química de limpieza están actualmente en progreso, pero ahora con una selección más amplia de limpiadores de esténciles disponibles comercialmente. Se está programando una prueba adicional de eficiencia de transferencia de nano-recubrimientos en relaciones de superficie-volumen debajo de 0,500. La prueba de desgaste será ampliada para incluir impresiones repetitivas de pasta de soldadura. Igualmente, se evaluará la vida útil de los nano-recubrimientos. RECONOCIMIENTOS El autor quisiera agradecer a Steve Johnson de CirTech, Florida por su trabajo y guía en la elaboración de este proyecto. El autor quisiera también agradecer a Bob Dervaes de FCT Assembly por su trabajo sobre la eficiencia de transferencia y su ayuda en las evaluaciones estadísticas.

REFERENCIAS [1] ASTM D2486, “Standard Test Methods for Scrub Resistance of Wall Paints”, Reaprobado en 2012. [2] R. Dervaes, FCT Assembly, “Successful Stencil Printing: Performance is on the Surface”, 2013. [3] C. Ashmore, M. Whitmore, J. Schake, “Big Ideas on Miniaturization”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2013. [4] C. Shea, R. Whittier, “Evaluation of Stencil Foil Materials, Suppliers and Coating”, Proceedings of SMTA International, 2011. [5] E. Moen, “Nano Coated Stencils for Optimized Solder Paste Printing”, Proceedings of Toronto SMTA Expo & Tech Forum, May 2012. [6] R. Mohanty, S. Ramkumar, C. Anglin, T. Oda, “Effect of Nano-Coated Stencil on 01005 Printing”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2012. [7] C. Shea, M. Zubrick, R. Whittier, “Using SPI to Improve Print Yields”, Proceedings of SMTA International, 2011.