V dnešní počítačové době se s plošným spojem setká téměř každý z nás. Zjednodušeně lze říci, že deska plošného spoje slouží v elektronice pro připevnění a elektrické propojení elektronických součástek. I když výroba a zhotovení mají dnes mnoho alternativ, jednu z možností přenosu dat na desku představuje i protlačování speciální pasty přes šablonu. I v elektronice lze tedy uplatnit princip jedné z nejstarších technik – sítotisku.

Jak již vyplývá z názvu, sítotisk je šablonová tisková technika, kterou lze reprodukovat jedno- i vícebarevné, pérové i tónové předlohy za použití sítové šablony. Princip sítotisku je velmi jednoduchý – jedná se vlastně o protlačování (protírání) vazké barvy pomocí tříče propustnými místy sítotiskové šablony. Při průtisku, mezi který patří i technika sítotisku, je tedy tisková forma vytvořena z materiálu, který umožňuje protlačení barvy v místech, kde má forma tisknout. Tímto materiálem bývá velmi řídká tkanina, dnes nejčastěji z plastu či oceli. Vlastní tisková forma se vytváří mechanicky (nalepením krycí vrstvy s vyřezaným tiskovým motivem či prosekáním vrstvy přes textilii), fotochemicky (kopírováním do světlocitlivé vrstvy) či digitálně (odpařením krycí vrstvy digitálně modulovaným a vychylovaným laserovým paprskem; metoda CTS).

Vlastní barvu lze protlačovat mechanicky pružnou těrkou či magneticky fixovaným válečkem nebo netěrkově, kdy je barva vytlačována stlačeným vzduchem, kapalinou či magnetickou nebo i elektrostatickou silou.
Sítotiskem lze potiskovat CD/DVD, obaly a láhve z plastu i skla, porcelánové či keramické hrnečky a obkladové kachle, hračky i lyže. Další aplikací sítotisku v průmyslu je potisk fóliových klávesnic pro ovládání různých strojů a přístrojů. Sítotiskem jsou zde vytvořeny soustavy vodivých a nevodivých vrstev. Speciální oblastí je využití sítotisku k výrobě plošných spojů v elektronice a tisk hybridních integrovaných obvodů, kde je síla nánosu vodivé pasty nositelem elektrických vlastností.

Tvorba a návrh DSP pomocí SW řešení

Plošný spoj (označován také jako deska plošných spojů, DPS) se v elektronice používá pro mechanické připevnění a současně pro elektrické propojení elektronických součástek. Součástky jsou propojeny vodivými cestami vytvořenými leptáním z měděných fólií nalepených na izolační laminátové desce.

Nejčastější rozměr formátu DPS je 110 x 160 mm. Plošné spoje se v elektronice používají již více než 50 let. Umožňují spolehlivý kontakt a uchycení součástek i ve velkých obvodech. Vytvářejí se buď pro konkrétní zapojení, nebo existují univerzální plošné spoje, kde jsou různým způsobem umístěné vodivé plošky a součástky jsou pájeny přímo na ně (bez vrtání děr).

Pro tvorbu schémat a návrh plošných spojů existuje řada SW řešení. Jedním z nich je i SW EAGLE, produkt firmy CadSoft. Návrh plošných spojů může být proveden metodou vodivých cest nebo metodou dělicích čar, popřípadě jejich kombinací. V případě metody vodivých cest jsou jednotlivé vývody součástek propojeny slabými měděnými cestami – většina mědi je z desky odstraněna (odleptána). U metody dělicích čar je tomu naopak – jednotlivé vývody součástek jsou spojeny velkými plochami mědi, které jsou od sebe odděleny slabými nevodivými čárami, které mohou být odleptány nebo proškrábnuty nějakým ostrým předmětem, což může být výhodné při výrobě některých jednoduchých desek, jako jsou např. desky napájecích zdrojů, protože odpadá manipulace s kyselinou. Plošné spoje se podle daného SW řešení vyrábějí z tenkých nevodivých desek, které jsou z jedné nebo z obou stran po celé ploše pokryty tenkou vrstvou měděné fólie. Takovéto desce se říká kuprexit a je dodávána v různých velikostech a tloušťkách.
Právě při výrobě plošných spojů se uplatňují výhody sítotisku, tedy především možnost přenosu i tlustší vrstvy protlačovaného média. Tedy nikoli klasické sítotiskové barvy, ta je při výrobě plošných spojů nahrazena pastou speciálního složení. Součástí této pasty jsou kuličky odlévané ve vakuu, které jsou obalené organickou směsí pryskyřic a aktivátorů. Tento obal chrání kuličky před oxidací. Pryskyřice zároveň zajišťují i lepivost celého média. Kuličky jsou cínové s podílem stříbra a mědi. Jejich velikost je 20 – 45 mikronů. Druhou součástí pasty je organické médium, které zajišťuje tekutost pasty.

Z hlediska reologie se pasty chovají tzv. tixotropně. To znamená, že porušením či změnou struktury (roztírání, míšení) vysokoviskózního média, jako je pasta, se viskozita snižuje, médium tedy začíná být více tekuté. Na sklolaminátovou desku, kde jsou předem vytvořené struktury vodičů a pájecích ploch se sítotiskem nanáší tato pájecí pasta s lepicími vlastnostmi. Pastu lze nanášet manuálně či automaticky. Tisková rychlost stroje je okolo 60 mm/s (u nejnovějších typů strojů dokonce i okolo 200 m/s). Následuje osazení desky elektronickými součástkami, poslední výrobní fází je zatavení. Součástky musejí v peci vydržet teplotu od 230 do 265 °C po dobu až jedné minuty. Deska musí být velmi stabilní, musí být schopna absorbovat či odvést případné výkyvy tepelné energie. Toto je požadavek zvláště u desek pro automobilový průmysl, kde po nastartování zvláště v zimním období se produkt ohřeje i o několik desítek stupňů.

Jak utkat šablonu pro plošný spoj

Zatímco u sítotisku aplikovaného na potisk papíru, lepenky či textilu se používá dnes nejčastěji plastového síta z PES nebo PAD, při tisku DPS se místo síta tohoto typu používá šablona z nerezové fólie. Fólie o tloušťce 100 – 150 mikronů se povrství světlocitlivým lakem, následuje expozice obrazu do vrstvy a její vyleptání. Po vyleptání ještě následují nezbytné úpravy šablony – šablona musí mít dokonalou rovinnost a přesnost. Pokud by tyto podmínky nebyly splněny, při zdvihu šablony po protlačení pasty by nedošlo k přesnému oddělení pájecí pasty, což by se podepsalo na kvalitě a funkčnosti DPS.

Vedle fólií se u starších typů strojů používají i nerezové síťoviny. U tohoto způsobu probíhá vlastní přenos pasty na desku klasickým způsobem, tedy pomocí nanášení a protlačování pomocí soustavy předtěrky a těrky. Při aplikaci přes šablonu je tato soustava nahrazena stěrkou. Pokud se týká nerezového síta, i když je tato varianta používána méně často, na našem trhu je dodavatelů dostatek. Jedním z nich je i Sitaservis, s. r. o. Firma na náš trh dodává špičkové švýcarské kovové sítotiskové tkaniny firmy BOPP. Tyto tkaniny jsou určené pro přesně definované nánosy tiskových vrstev, zejména pro elektronické aplikace a keramické obtisky nebo také pro odporově vyhřívané barvy. Tyto tkaniny také eliminují vznik statické elektřiny během tisku.

Vlákna z nerezové oceli BOPP SD určená pro sítotisk jsou vyráběna v čistých a klimatizovaných továrnách vysoce kvalifikovanými tkalci na nejmodernějších tkalcovských stavech. Aplikace BOPP SD jsou vhodné pro protlačování silných nán
osů, tedy právě pro výrobu tištěných spojů. Vyznačují se maximální registrační přesností, regulovaným nánosem barvy/pasty i nejvyšší možnou hustotou vodičů i izolantu. Vysoké nánosy barvy/pasty zajišťují kvalitní reprodukovatelnost.

Pasty se nanášejí, zasušují a rozlišují…

K potisku DPS sítotiskem se používají různé druhy past. Pasty jsou svým složením tixotropní, obvykle čtyřsložkové kompozice (dočasné pojivo, permanentní pojivo, funkční složky a ředidlo). Druh pasty, včetně jejích výsledných elektrických vlastností, určuje právě obsah jednotlivých prvků (kovů, např. měď, stříbro, zlato, platina apod.) ve funkční složce. Podle výsledných elektrických parametrů jde o pasty vodivé, odporové nebo dielektrické. Vzhledem k rozdílnosti past probíhá různou dobu i jejich zasušování. Pro každou pastu, stejně jako pro izolační podložku, jsou přesně stanoveny teplotní profily výpalu.

Jedním z dodavatelů past je i rožnovská společnost PBT. Pájecí pasty COBAR, které nabízí, jsou založeny na nové polymerní bázi, která dává pastě vysokou termickou stabilitu. Skládají se z komponentů o vysoké čistotě a svým složením zajišťují výborné smáčecí a pájecí vlastnosti s minimální kontaminací vnitřních prostor zařízení od kondenzátů tavidla.

Pájecí pasty se podle typu slitiny rozlišují na olovnaté a bezolovnaté. Speciální směsná slitina S6M (olovnatá) je vhodná pro elektronické sestavy citlivé na „tombstoning efekt“ (zvednutá součástka při operaci strojního pájení – efekt náhrobního kamene). Smáčecí síly u S6M slitiny narůstají s teplotou pomaleji, což přispívá ke snížení rizika vzniku tombstoning efektu při přetavení. Na nanášení pasty firma nabízí i stolní sítotiskové zařízení Uniprint – S. Kromě jiného se toto zařízení vyznačuje unikátním systémem vyvážení horního rámu při otvírání, takže zaručuje konstantní podmínky obsluhy při všech nastaveních horního rámu stroje. Samozřejmostí je i nastavitelný přítlak stěrek. Přesnou separaci DPS a šablony po tisku zajišťuje Uniprint s pomocí dvojitých zadních čepů.

Potisk rychlostí blesku

Společnost Printed, s. r. o., je jednou z firem, která se zabývá výrobou nepájivých masek a potiskem plošných spojů. Potisk vodivými dvousložkovými tepelně vytvrditelnými pastami je sítotisková metoda umožňující nanesení grafitu nebo stříbra na kontaktní místa DPS. Používá se jako levná náhrada galvanických povrchových úprav v ploše DPS u kontaktů klávesnic a jiných dotykových míst DPS. Takto ošetřená místa mají stálý přechodový odpor a neoxidují. Garantovaný počet sepnutí záleží na druhu použité pasty. Aplikace je vhodná pro výrobky spotřební elektroniky. Podkladem je pozitivní film s minimální šíří čar a mezer 0,5 mm.

Jednou z možností nanesení pasty nebo lepidla bez použití šablony je použití tiskárny Mydata MY500, kterou na našem trhu dodává firma MP ELEKTRONIK TECHNOLOGIE, s. r. o. MY500 získal pojmenování díky své rychlosti. Používá patentovanou JetPrinting TechnologyR, která vystřeluje množství pájecí pasty rychlostí 500 bodů za sekundu = 1 800 000 bodů za hodinu. Změna produktu, pasty a nastavení stroje trvá méně než minutu. Dotyková obrazovka umístěná na boku tiskárny provede operátora nastavením tiskárny. Tento proces netrvá ani celou minutu. Unikátní vypuzující technologie, která MY5000 umožňuje tisknout pájecí pastu na desky, je umístěna uvnitř lehké kazety. Kazetu tvoří jediná vyměnitelná cartridge pájecí pasty. Vložení cartridge do kazety trvá jen několik sekund. MY500 dokáže pracovat s běžnou i s bezolovnatou pájecí pastou a lepidly. Díky designu cartridge není pájecí pasta vystavena působení kyslíku do té doby, než se dostane na desku, odpadá tedy problematika špinavého čištění.

Při vývoji těchto tiskařských technologií se MYDATA spojila s nejrůznějšími dodavateli pasty, včetně NIHON ALMIT Co., Ltd., a Senju Metal Industry Co., Ltd.

Jana Žižková

 
Univerzální technika

Sítotisk patří k nejstarším tiskovým technikám vůbec, jeho princip již znali staří Číňané i Japonci dávno před naším letopočtem, ačkoli princip, který se uplatňuje v dnešním polygrafickém průmyslu, je znám asi 100 let. Sítotisk sice často nemůže, co se týče tónových rozsahů, konkurovat ofsetu či hlubotisku, zato však má hned několik nepřehlédnutelných předností. Kromě levného zhotovení tiskové formy a jednoduchého tisku je zajímavá jeho univerzálnost (2D i 3D materiály různých hrubostí) a přenos větších tloušťek barvy, než je u jiných tiskových technik obvyklé. Vedle papíru a lepenky lze sítotiskem potisknout dřevo, plasty, plechy, keramiku, porcelán či sklo. Sítotisk lze používat jako grafický, textilní, umělecký (serigrafie) či technický. A právě v jednotlivých průmyslových odvětvích má sítotisk své výsadní postavení.

Planžeta – dražší alternativa potisku

Výrobce plošných spojů SEMACH zákazníkům nabízí alternativu nanášení pasty nikoli klasickým sítotiskem, ale planžetou. V porovnání s metodou sítotisku, kde je životnost maximálně několik tisíc potisků přes jedno síto, je možno pomocí metody tisku planžetou provést několik desítek až stovek tisíc potisků za předpokladu, že se s planžetou zachází šetrně. Kromě vysoké životnosti, vyšší rychlosti a snazšího čištění má tento způsob i některé nevýhody. Hlavní z nich je vyšší cena a častější čištění po zhruba třech až pěti tisících. Podle typu tištěného motivu lze vybírat mezi laserovou a leptanou planžetou. Zjednodušeně se dá říci, že leptaná planžeta je levnější a dá se vytvořit i tvarově velmi složitý motiv, který je laserem nemožný. Laserová pak zase umožňuje vytvořit objekty ve velikostech a přesnostech, které se leptáním vytvořit nedají. Hranice velikostí otvorů je pro chemické leptání přibližně 1,5násobek síly plechu, tedy na 100µm plechu lze vytvořit objekt o průměru 150 µm s tolerancí ± 30 µm. U laserové, která je o něco dražší, je tento poměr výrazně lepší, lze vytvořit objekt o velikosti 40 µm s dokonalou hranovou a tvarovou ostrostí v toleranci zhruba ± 3 µm. U obou těchto metod není vnitřní úhel otvorů kolmý, což má pozitivní vliv na uvolňování pájecí pasty při tisku. Leptané mají vnitřní hrot v polovině tloušťky plechu, laserové planžety mají úhel asi tři stupně. Ve všech těchto případech je naprosto nezbytné vyrábět planžetu přímo z návrhových dat, nejlépe ve formátu Gerber.