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Gut gedruckt ist halb gelötet Christian Koenen, Ottobrunn

Hochpräzise SMT-Schablonen verbessern Fertigungsqualität
Gut gedruckt ist halb gelötet Christian Koenen, Ottobrunn

Wie bei jeder Kette ist auch eine verbundene Produktionslinie in der Elektronikfertigung nur so stark, wie ihr schwächstes Glied. Ergo muss auch auf die eher unspektakulären Komponenten in der Fertigung wie z.B. SMT-Schablonen geachtet werden, will man eine optimale Fertigungsqualität erzielen. Dieser Artikel beschreibt die Anforderungen in der Schablonenproduktion, damit man hochpräzise SMT-Schablonen für einen qualitativ hochwertigen Lotpastendruck erzielt.

Die wachsende Packungsdichte elektronischer Baugruppen und daraus folgende kleinere Anschlussraster auf Anschlussflächen sowie die Miniaturisierung von Bauteilen auf den Baugruppen lassen die Anforderungen an die SMT-Metallschablonen ständig steigen. Diese hohen Anforderungen zu erfüllen hat sich die neu gegründete Christian Koenen GmbH auf die Fahnen geschrieben. Dabei beansprucht die Firma einen Spitzenplatz was die Präzision und Qualität seiner Schablonen anbelangt. Das dazu nötige Know-how haben sich der Firmengründer Christian Koenen und seine Mitarbeiter in langen Jahren in der Herstellung von lasergeschnittenen Metallschablonen angeeignet. In den Aufbau der Schablonenfertigung flossen viele Ideen, die aus diesem großen Know-how und dem neuesten Wissensstand entstammen und es entstand eine Firma mit modernstem Maschinenpark und optimalem Materialfluss. Gefertigt werden hier SMT-Metallschablonen mit optimaler Passergenauigkeit und Schnittqualität. Die Schablonen besitzen eine Toleranz von +/- 3 µm und bieten damit optimale Voraussetzungen für Fertigungstechniken wie Waferbumping und LTCC, aber auch den Lotpastendruck von µBGAs und Bauteilen der Größe 0201. Laserschablonen eignen sich ideal für den Lotpasten- oder Kleberdruck, da die Pads eine leicht konische Öffnung zur Leiterplattenseite hin aufweisen und die Schablone so ein optimales Auslöseverhalten der Paste bzw. des Klebers gewährleistet. Unterstützt werden kann dieses Verhalten noch durch das Elektropolieren, das den Grat aus den geschnittenen Durchbrüchen entfernt und somit das Auslöseverhalten nochmals positiv beeinflusst. Als Material für die Schablonen wird speziell gewalzter Edelstahl (CrNi) verwendet, der auf gleichmäßige Dicke zusätzlich geprüft und ausgewählt wird. Die maximale Dickentoleranz beträgt hier +/- 2 µm. Die Schablonen werden in Dicken zwischen 0,030 bis 0,600 mm angeboten und die Oberfläche ist für besonders gute Schnittergebnisse leicht angeätzt, damit der Laserstrahl besser absorbiert und nicht reflektiert wird. Dickere Schablonen, z.B. 800 µm für Diodendruck, können auf Anfrage auch geliefert werden.

Eingesetzte Maschinen
Als Kernstück der Schablonenfertigung sind zwei moderne StencilLaser von LPKF im Einsatz, die Schablonen bis zu 850 mm x 620 mm schneiden können. Das Druckbild beträgt maximal 720 mm x 615 mm. Größere Formate können auf Anfrage ebenfalls bearbeitet werden. Zur besseren Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf einen runden Durchmesser von 40 µm sind die StencilLaser mit einer motorischen Strahlaufweitung ausgerüstet. Um absolut kreisrunde Geometrien zwischen 40 und 800 µm schneiden zu können, sind sie darüber hinaus noch mit der Option TurboCut ausgestattet. Die unterschiedlichen Laserbetriebsarten können über eine motorisch betätigte Modemblende eingestellt werden.
Das dynamische X/Y-Positioniersystem ist für die mikrometergenauen Positionier- und Bewegungsabläufe luftgelagert und ermöglicht eine Positioniertoleranz von +/- 3 µm und eine Wiederholtoleranz von +/- 1 µm. Das minimale Padraster ist abhängig von der Schablonendicke und kann mit einer Auflösung von 0,5 µm eingestellt werden.
Die Schablonen- und Rahmenspannvorrichtung ist selbstverständlich einstellbar und die Maschinen sind mit der neuesten Steuerungssoftware ausgestattet.
Umfangreiche Inspektionen
Alle geschnittenen Schablonen werden zu 100% kontrolliert. Zur Inspektion und Vermessung der Schablonen dient der ScanCheck von LPKF mit einer Toleranz von +/- 5 µm. Mit diesem lassen sich Fehler in der Datenkonvertierung feststellen und die Aperturen auf Vorhandensein, Geometrie und Position überprüfen. Die automatische Generierung des Messprogramms wird durch Selektion der Original-Gerberdaten vorgenommen. Auf Wunsch kann für jede Schablone ein Messprotokoll erstellt werden.
Für weitergehende exakte Analysen steht ein digitales Längenmessmikroskop mit einer Messgenauigkeit von 1 µm zur Verfügung, mit einem digitalen Dickenmessgerät kann die Dicke der Schablone auf 0,5 µm genau vermessen werden.
Elektropolieren
Durch einen elektrochemischen Prozess werden in der Elektropolieranlage die Padkanten der Metallschablonen optimal entgratet. Durch das Entgraten liegt die Schablone beim Rakeln optimal auf der Leiterplatte auf und ergibt so einen konturenscharfen Druck, bei dem auch noch Kurzschlüsse aufgrund von Lotfäden vermieden werden. Beim Elektropolieren werden Oxidschichten in der Lochwandung entfernt. Die durch das Elektropolieren auf unter 1 µm verringerten Oberflächenrauheiten der Lochwandungen führen zu einem verbesserten Auslöseverhalten der Lotpaste oder des SMT-Klebers und damit zu längeren Reinigungszyklen und leichterem Reinigen der Metallschablone. Da das Unternehmen auch hier die neueste Anlage verwendet, können jetzt die Ergebnisse jetzt auf +/- 2 µm genau reproduziert werden.
Die SMT-Schablonen werden in einem patentierten Spezialverfahren in das Gewebe eingeschweißt. Dieses Spezialverfahren garantiert optimale Druckergebnisse. Die eingeschweißten Schablonen können mit allen marktgängigen Reinigungsmitteln gereinigt werden. Auch bei der Reinigung mit heißen, wässrig-alkalischen Reinigungsmedien in der Ultraschallanlage bleiben die Schablonen optimal gespannt im Gewebe. Da die Schweißnaht erheblich schmaler als ein Kleberand ist, erhöht sich der Druckbereich der Schablone um rund 20 mm. Ein weiterer Vorteil von geschweißten Schablonen gegenüber geklebten sind die höheren Standzeiten aufgrund der längeren Haltbarkeit.
Zum Bespannen von Edelstahl-, Aluminium- oder Aluminiumgussrahmen mit Polyester- oder Edelstahlgewebe stehen mechanische und pneumatische Spanngeräte zur Verfügung. Die Mitarbeiter verfügen über langjährige Erfahrung und Fertigkeit, um diese Bespannungen mit optimaler Qualität auszuführen. Zur Messung der richtigen Siebspannung bei bespanntem Rahmen dient ein digitales Siebspannungsmessgerät.
Schnellspannsysteme
Für einen schnellen und einfachen Schablonenwechsel werden spezielle Schnellspannsysteme angeboten. Die Schnellspannsysteme für Metallschablonen werden auf Wunsch mit einem Kantenschutzsystem versehen. Die Schablonenränder werden hierbei etwa 5 mm breit umgefalzt. Durch den gefalzten Rand wird die Stabilität der Schablone erhöht und gleichzeitig die Verletzungsgefahr durch scharfkantige Schablonenränder minimiert. Es können alle gängigen Lochrandvariationen wie Alpha Tetra, DEK/Vektor, Stencilman, Quattroflex, Zellflex usw. gefertigt werden.
Neben den Anlagen, die der direkten Herstellung der Metallschablonen dienen, muss in einer Schablonenfertigung höchster Qualität auch viel Wert auf die Nebenaggregate wie Druckluft, Absaugung und Kühlung gelegt werden. So ist die Christian Koenen GmbH mit einer Druckluftanlage ausgestattet, die mit einer entsprechenden Leistungsreserve auch bei Ausfall eines Kompressors die Fertigung in keiner Weise gefährdet. Sie arbeitet mit 22 bar und ist mit umfangreichen und aufwändigen Verfahren der Luftzwischenspeicherung und -aufbereitung ausgestattet. Damit steht stets genügend ölfreie, feinstgefilterte und kältegetrocknete Druckluft zur Verfügung. Für die Elektropolieranlage sowie für das Kühlwasser der Laserschneidanlagen und der Schweißmaschine wurde ebenfalls eine aufwändige Kühlanlage installiert. An den Laserschneidmaschinen werden die ausgeschnittenen Pads und die Schneidgase automatisch abgesaugt. Auch diese Anlagen sind so ausgelegt, dass die Fertigung bei Ausfall einer Komponente in keinem Fall gefährdet ist.
Schablonen für Sonderfälle
Neben den bewährten Laserschablonen werden für Sonderanwendungen und Spezialfälle auch im Ätzverfahren hergestellte oder galvanisch aufgebaute Metallschablonen angeboten. Diese werden von Kooperationspartnern bezogen. Beim Ätzen werden überwiegend Kupferlegierungen wie Neusilber, Kupferbronze und Messing oder Edelstahl verwendet. Aufgrund der größeren mechanischen Festigkeit und Abriebfestigkeit empfiehlt Christian Koenen den bevorzugten Einsatz von Edelstahl- oder Neusilberschablonen. Diese Schablonen können bis zu einer Größe von 750 mm x 610 mm und in Dicken von 0,100 mm bis 0,500 mm geliefert werden. Die minimale Padbreite liegt bei der Hälfte der Materialdicke und die minimale Stegbreite darf die Materialdicke nicht unterschreiten.
Galvanisch aufgebaute Metallschablonen weisen üblicherweise sehr kleine Öffnungen auf und werden z.B. für Luftströmungsmessungen, Membranen, Bedampfungs- und Sputtermasken und Stufenschablonen eingesetzt. Sie bestehen überwiegend aus Reinnickel mit einer Härte von 650 HV und werden in Dicken zwischen 0,010 und 0,200 mm angeboten. Die maximale Schablonengröße ist 740 mm x 600 mm, wobei das maximale Druckbild zwischen 600 mm und 500 mm liegen darf. Die Schablonendicke weist eine Toleranz von +/- 3 µm auf und das minimale Padraster liegt bei 200 µm. Die minimale Padbreite entspricht der Materialdicke, die minimale Stegbreite der Hälfte der Materialdicke.
Mit dieser Ausstattung an modernstem Fertigungsequipment für die Produktion von lasergeschnittenen Metallschablonen für den Lotpastendruck unterscheidet sich die Christian Koenen GmbH nach eigener Einschätzung deutlich vom Wettbewerb, denn es ist ihr gelungen, die derzeit wohl modernste und leistungsfähigste Schablonenfertigung in Europa aufzubauen. Da diese hochpräzisen Schablonen auch noch sehr wirtschaftlich produziert werden, können sie auch zu sehr wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden. Da sich mit diesen Schablonen Fertigungsfehler deutlich reduzieren lassen und die Firma finanziell auf gesunden Beinen steht, sieht sie sich am Markt gut positioniert.
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