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Steht die Blütezeit erst bevor?

Podiumsdiskussion: Zukunft des Schablonendrucks in der SMT
Steht die Blütezeit erst bevor?

Der Schablonendruck hat sich als Technik des Lotpastenauftrages in der SMT durchgesetzt. Dies vor allem, weil es ein einfacher und kostengünstiger Prozess ist. Allerdings resultieren immer noch etwa 60 bis 70 % aller Fertigungsfehler aus diesem Prozessschritt. Eine Verbesserung wäre sicher mehr als wünschenswert. Um die Zukunft des Lotpastendrucks zu erörtern, lud die Redaktion auf der SMT/Hybrid/Packaging in Nürnberg Experten zu einer Podiumsdiskussion ein. Die Themen beinhalteten neben der Zukunft des Pastendrucks u.a. die Auswirkungen von bleifreien Lotpasten und von Fine-Pitch-Platinen auf den Druckprozess. Auch das Auditorium beteiligte sich rege an der Diskussion. Lesen Sie hier eine Zusammenfassung.

Auf das Thema der Diskussion „Wird der Sieb-/Schablonendruck überleben oder durch andere Techniken ersetzt werden?“ merkt als erster Teilnehmer Wolfgang Lentzen von Speedline an: „Das ist ein sehr allgemein gehaltenes Thema, auf das man aus meiner Sicht nur pauschal nein sagen kann, denn der Schablonendruck wird sicher in den nächsten zehn Jahren noch seine Daseinsberechtigung haben. Es sind derzeit keine alternativen Technologien in greifbarer Nähe, die den Schablonendruck ersetzen könnten.“ Es stelle sich überhaupt die Frage, ist es überhaupt erforderlich diese Technologie durch eine andere zu ersetzen. Der Schablonendruck sei seit vielen Jahren im Einsatz und damit erprobt. Man habe einen sehr hohen Erfahrungsschatz damit und dem Ablauf der Prozesse angesammelt.

„Schablonendruck stösst an physikalische Grenzen“
Durch die fortschreitende Miniaturisierung, den Zwang immer kleinere Strukturen drucken und immer kleinere Bauteile, z.B. Flip-Chips oder Chip-Scale-Packages auf die Leiterplatten montieren zu müssen, stoße dieser Prozess an seine Grenzen. „Man muss aber unterscheiden,“ erklärt Lentzen: „Man hat auf der einen Seite die technischen Möglichkeiten, die die Anlagen bieten, andererseits stößt man an physikalische Grenzen. Wenn man ein Druckmedium aus einer Schablone herauslösen muss, kommen hier bestimmte physikalische Gesetzmäßigkeiten zum tragen.“ Die Anlagen sind nach seiner Ansicht weniger das Problem. Sie seien in der Lage, auch feine Strukturen zu drucken. Praktisch alle hochwertigen Druckanlagen erreichen das Soll bezüglich Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. „Problematisch wird es erst, wenn man an die physikalischen Grenzen des Prozesses stößt, auf die die Maschine keinen Einfluss hat,“ meint er. Zusätzlich seien auch die Toleranzen der einzelnen Prozesskomponenten Maschine, Lotpaste, Schablone und Leiterplatte zu beachten, Da könnten sich die einzelnen Toleranzen derart aufaddieren, dass der gesamte Prozess kritisch werde. „Es gibt heute nur noch nicht viele Fertigungen, in denen diese kritischen Prozesse gefahren werden müssen. Rund 90 bis 95 % liegen noch immer im konventionellen SMT-Bereich,“ beruhigt er.
„Schablonendruck wird wichtigste Depositionstechnik“
„Ich glaube, dass der Schablonendruck als die wichtigste Material-Deposition-Technik erst noch ihre Blütezeit erreichen wird,“ ergreift Joachim Klöser von Ekra das Wort. Als SMT-Belotungstechnik habe er sich durchgesetzt, was er aber derzeit, durch die Kooperationen mit wichtigen Halbleiterherstellern, bemerke, sei dass diese Technik in völlig neue Bereiche eindringe. „Wenn man das moderne Packaging betrachtet, Flip-Chip, CSP, Wafer-Level-Packaging, da hat derzeit die Schablonendrucktechnik als Bumping-Methode schon Fuß gefasst. Es wird aber soweit kommen, dass der Schablonendruck Techniken, die nur im Reinraum durchgeführt werden konnten, wie Sputtern, Electro-Plating, Photolithografie usw. ersetzen wird. Dadurch ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten,“ glaubt er. Das wird nach seiner Ansicht in den nächsten zwei bis drei Jahren auch in der Volumenproduktion passieren. Dazu gehöre natürlich, dass Materialien wie Lotpaste, Schablonen usw. ständig verbessert und an die neuen Verhältnisse angepasst werden. Selbstverständlich müssen auch die Druckmaschinen für des neuen Einsatzgebiete geeignet sein. „Aber da hat sich in letzter Zeit ja einiges getan. Deshalb bin ich der Meinung, dass sich die Schablonendrucktechnik als Material-Depositionstechnik in Zukunft noch viel stärker etablieren wird,“ gibt er sich zuversichtlich.
„Lotpastendruck aus der SMT nicht wegzudenken“
„Wie meine Vorredner schon gesagt haben, ist die Drucktechnik künftig aus der SMT nicht wegzudenken, auch nicht in der fernen Zukunft,“ bricht auch Silvio Serrato von Panasonic eine Lanze für diese Technik. „Ich sehe aber, dass sich der Prozess ändert, d.h. dass die Maschinen zunehmend auch für neuartige Prozesse wie Klebedruck und Pin-and-Paste genutzt werden. Mit Pin-and Paste werde das separate Löten von bedrahteten Bauteilen aus der Fertigung herausgenommen und damit ein Prozessschritt eliminiert.
„Klebedruck wird sich etablieren“
„Wenn man weis, dass rund 60 % der Fertigungsfehler im Schablonendruck liegen, muss auch eine schnelle Inspektionsmöglichkeit nach der Reinigung oder nach dem Pastendruck an der Maschine geschaffen werden. Die Rückmeldung der Daten zur Fehleranalyse an die Druckmaschine führt zu einer Optimierung des Pastendrucks. Erfahrungen haben gezeigt, dass die Fertigungsausbeute dadurch deutlich gesteigert werden kann,“ erklärt er.
„Auch von meiner Seite, die klare Aussage, dass es mit dem Schablonendruck weitergehen wird,“ schließt sich auch Jürgen Kemenas von Fuji an. „Ich möchte da gerade meinem Vorredner zustimmen, dass sich der Kleberdruck zunehmend etablieren wird.“ Der Grund dafür sei einfach: Die Bestückleistung der Bestückautomaten werde immer höher und deshalb sei eine adäquate Dispensleis- tung aus einer Kartusche mit Dispensnadel nicht mehr zu realisieren. Deshalb werde der Kleberdruck einen sehr großes Einsatz finden. Nichtsdestotrotz werde der Schablonendruck für die Lotpaste auch weiter eingesetzt. „Hier wird man sich künftig verstärkt mit geschlossenen Druckrakelsystemen auseinandersetzen. Offene und geschlossene Systeme werden nebeneinander bestehen bleiben und interessant wird es sein, dass der Anwender die Möglichkeit erhält, im laufenden Prozess, die jeweilige Rakel, offen oder geschlossen, auf seine Bedürfnisse anzupassen. Geschlossene Druckrakel sind sicher auch für die Durchsteckmontage interessant, um diese Bauteile mit in den Reflow-Prozess einzubinden, sofern sie dafür spezifiziert sind,“ äußert er. Dem Trend zur Miniaturisierung folgend, werde, wie schon angesprochen, das Wafer-Bumping zu einem wichtigen Prozess mausern, was dann aber spezielle Anforderungen an die Umgebungsbedingungen erfordere.
„Keine Probleme durch Bleifrei“
Auf die Frage, wie sich bleifreie Lotpasten auf den Pastendruck auswirken meint Lentzen: „Die Erfahrungen, die wir mit bleifreien Lotpasten gemacht haben weichen nicht von denen mit konventionellen Pasten ab. Sind gut zu verarbeiten und ich sehe keine Probleme, die im Schablonendruck auftreten könnten. Man wird sicher auch noch viel Erfahrung sammeln. Ich sehe diesem Thema sehr gelassen entgegen, weil Probleme eher im Lötprozess als im Schablonendruck auftreten.“
„Bleifreie Lote verengen Prozessfenster“
„Wir als japanischer Hersteller sind natürlich an vorderster Front im Bleifrei-Prozess mit dabei,“ greift Serrato das Thema auf. „Im Bereich der Konsumerprodukte haben wir schon sehr viel Erfahrung gewonnen. Was wir festgestellt haben ist, dass das Prozessfenster kleiner wird, dadurch, dass die Druckbarkeit und die Benetzungsfähigkeit abnehmen. Der Selbstausricht-Effekt der Bauteile wird geringer und die Aussparungen in der Schablone müssen entsprechend konzipiert werden. Es sind zwar keine großen Änderungen aber der Fertigungsprozess wird dann eventuell noch in Verbindung mit 0201-Bauteilen schon schwieriger.“
Auch Klöser setzt auf eigene Erfahrungen: „Wir haben für diese neuen Techniken und Entwicklungen ein spezielles Applikations-Labor eingerichtet, um den Prozess im eigenen Hause fahren und die daraus gewonnen Erkenntnisse als Empfehlungen hinsichtlich der Lotpaste und Prozessparameter weitergeben zu können. Wir machen gerade die Evaluation für einen 0201-Prozess für bleifreie Pasten und sehen insgesamt kein Problem hinsichtlich der Druckpasten. Kritischer wird es im Reflow-Prozess. Hier ist es wichtig mit den Pastenherstellern zusammenzuarbeiten und durch gegenseitige Inputs das Resultat zu verbessern.“
„Kooperation mit Lotpasten-Hersteller gefragt“
„Ich möchte mich den Vorrednern anschließen,“ erklärt Kemenas, und weiter: „Im Prinzip sind keine gravierenden Änderungen zu erwarten. Sicherlich wird aber das Thema Benetzung und Eigenschaften im Reflow-Prozess, gerade für kleiner werdende Bauteile, sprich 0201, das Prozessfenster erheblich verkleinern. Denn 0201-Bauteile sind für einige Bestückautomaten schon problematisch und der Einsatz dieser Pasten bezüglich Selbstausrichtung ist nicht mehr gegeben. Das Prozessfenster wird enger. Da ist die Kooperation mit den Lotpastenherstellern gefragt und es werden die notwendigen Dinge auch sicher noch realisiert werden.“
Zum nächsten Diskussionspunkt, ob sich Veränderungen im Schablonendruck durch kleine Platinen für mobile Embedded-Geräte wie Handys, PDAs etc., ergeben meint Lentzen: „Die Anforderungen im mobilen Bereich z.B. bei Handys sind sowohl was die Druckqualität als auch der Durchsatz angeht extrem hoch. Im Bereich großer Leiterplatten ist ein hoher Qualitätsstandard Usus, die Anforderungen an den Durchsatz sind aber nicht so hoch wie im mobilen Bereich. Aber ich glaube, auch hier können wir gelassen bleiben, wenn sich etwas verlagern sollte. Dies wird sich in den nächsten zwölf Monaten zeigen.“ Vom Anlagenbau her würden alle Anforderungen von hochpräzisen ultraschnellen bis hin zu sehr flexiblen Anlagen abgedeckt. Diese Anforderungen hätten aber schon immer bestanden und die Druckmaschinenhersteller haben sie berücksichtigt.
„Was Mobiltelefone angeht, sehe ich, dass mehr integriert wird, also verstärkt MCMs eingesetzt werden,“ äußert sich Serrato. „Dadurch verringert sich die Anzahl der Bauteile und das kann wiederum zur Folge haben, dass sich beim Schablonendruck Änderungen ergeben. Es werden aber keine großen Veränderungen sein. Es wird mehr in die Bauteile-Entwicklung weitergehen.
„Grosse Formate mit feinsten Strukturen“
„Ich kann mich da nur anschließen,“ ergreift Klöser das Wort: „Wobei ich sagen muss, dass es wird in verschiedene Richtungen gehen wird. Es wird hochdichte Leiterplatten mit Microvia-Technik geben, wobei man Fine-Pitch-Strukturen drucken muss. Es geht aber auch dahin, dass riesige Leiterplatten verwendet werden. Wir sind dabei eine Maschine mit einem Druckformat von 1,5 x 1 m2 zu bauen. Die Schablonendrucktechnik ist so flexibel, dass sie alle diese Anforderungen erfüllen kann.“ Außerdem gehe die Entwicklung immer stärker in Richtung Wafer, wobei die Siliziumscheiben bedruckt werden müssen. „Ganz wichtig ist auch, dass der Schablonendruck auch in den Bereich Reel-to-Reel-Druck vordringen wird. D.h. Druck von Schaltungen auf Folien von der Rolle. Das wird ein wichtiger Punkt für den Schablonendruck in nächster Zukunft,“ prophezeit er.
„Es fällt mir schwer, dem bereits gesagten noch etwas hinzuzufügen,“ schließt Kemenas diesen Punkt ab, meint aber: „Der Trend zu großen Platinen wird auch durch Einsatz in Backplanes forciert. Dort hat man große Flächen. Im Automobil wandert die Elektronik aber immer näher an den Motor heran. Und mit den höheren Temperaturen in der Elektronik bringt das Thema Bleifrei mit höheren Schmelztemperaturen gewisse Vorteile auch für den Sieb- und Schablonendruck.“
„Lässt sich bleifrei Löten umgehen?“
Auf die Frage aus dem Auditorium, ob man bleifrei Löten überhaupt umgehen kann z.B. durch Klemmen oder Einpresstechnik, antwortet Klöser: „Diese Frage ist nicht so einfach zu beantworten. Man muss den Gesamtprozess sehen und der Schablonendruck in der SMT ist der einfachste, kostengünstigste Prozess und wird es wohl auch bleiben. Und bleifrei wird daran auch nichts ändern.“
Serrato meint dazu: „Was bekannt ist im Prozess, ist die Anisotropic-Conductive-Paste. Das ist eine Art Kleber, der nur in eine Richtung leitfähig ist und der durch UV-Licht ausgehärtet wird. Dabei wird kein Lot verwendet, und damit treten auch keine Probleme durch bleifreie Lote auf. Diese Methode könnte man auch als Klemmtechnik bezeichnen. Sie ist bereits spezifiziert und qualifiziert, aber nur für bestimmte Produkte geeignet. Deshalb wird man auch künftig zunächst einmal nicht um bleifrei Löten herumkommen.“
„Kleben hat sich in vielen Bereichen durchgesetzt“
„Kleben hat sich schon in vielen Bereichen durchgesetzt,“ bestätigt auch Klöser. „In der Smart-Card-Technik ist Kleber mit Sicherheit das günstigste Material. Man muss hier überlegen, ob man anisotrop, isotrop oder nicht leitenden Kleber verwendet. Im Bereich Automotive und für hochzuverlässige Systeme sind die derzeit verfügbaren Kleber nicht geeignet so dass man gezwungen ist, weiter Lot einzusetzen. Die höheren Temperaturen, die in der Automobilelektronik gefordert werden, begünstigen bleifreie Lote, werden aber auch mit anderen Loten erreicht werden müssen. Lentzen und Kemenas stimmen dem unumwunden zu.
Auf die nächste Frage aus dem Auditorium, woher man Design-Empfehlungen für den Kleberdruck bekommen könne, da der Fragesteller erst selbst viel Erfahrung sammeln musste und ihm niemand der Lieferanten die nötigen Informationen geben konnte, antwortete Serrato: „Ich kann dieses Problem nachvollziehen. Es wird von den Herstellern mit einer Technik geworben, die Informationsbeschaffung ist dann aber schwierig. Wir machen durch die eigene Fertigung bzw. eigenen Produkte natürlich viel Erfahrung und stellen diese den Anwendern auch im Internet z.B. zu Pin-and-Paste und 0201-Bauteilen zur Verfügung. Wenn es aber ins Detail geht, dann muss man das mit den Anwendern diskutieren und produktionsunterstützend beraten. Wenn jeder seine eigenen Erfahrungen machen muss, wird das Rad ständig wieder neu erfunden – das muss nicht sein.“
„Kleberdruck ist diffizil“
„Ich wollte noch etwas zum Kleberdruck anmerken,“ greift Lentzen in die Diskussion ein. „Dieser unterscheidet sich vom Lotpastendruck in zweierlei Hinsicht. Zum einen ist es ein sehr stabiler Prozess, der nicht so schnell altert wie der Lotpastendruck, auf der anderen Seite sind die Druckergebnisse aber sehr stark vom eingesetzten Kleber abhängig. Darin liegt die Schwierigkeit, dass man keine pauschalen Aussagen zum Schablonen-Design machen kann. Da es eine Vielzahl von Klebern gibt, ist es den Maschinenlieferanten praktisch nicht möglich den nötigen Erfahrungsschatz zu sammeln und Empfehlungen zu geben. Man kann das nur im Einzelfall machen, wenn die Prozessparameter bekannt sind. Meine Erfahrung ist, dass die meisten Schablonenhersteller heute in der Lage sind diese Empfehlungen auszusprechen.“
„Wir haben aus diesem Grunde ein Applikations-Labor gegründet,“ wirft Klöser ein, „um solche Fragen zu beantworten und den Kunden technisch beraten zu können. Wir sind auch noch in mehreren Förderprojekten involviert, in denen solche grundsätzlichen technischen Probleme gelöst werden sollen. Wir arbeiten dort sehr eng mit Schablonen- und Pastenherstellern zusammen. Die Berichte aus diesen Projekten sind allgemein zugänglich und können als ebenfalls Informationsquelle genutzt werden.“
„Wir gehen die Projekte Kleberdruck direkt gemeinsam mit dem Kleberhersteller und dem Anwender an. Wir ermitteln die Prozessparameter und entwickeln gemeinsam den einzusetzenden Prozess“, erklärt Kemenas dazu.
Zu guter Letzt wollte noch ein Zuhörer wissen, wo die Grenzen der Miniaturisierung beim Schablonendruck lägen. Darauf antwortete Klöser: „Wir sind heute in der Lage Strukturen mit 120 bis 130 µm zu drucken. Das ist heute mit dem richtigen Zusammenspiel von Paste, Schablone und Maschine kein Problem.“
„Die echten Grenzen sind physikalisch“
Etwas ausführlicher wird Serrato: „Wir haben in der Massenfertigung Produkte, die mit 150 µm Abstand zwischen den Bauteilen bestückt werden. Dazu wurden ausführliche Untersuchungen gemacht. Man reduzierte die Abstände bis auf 80 µm was Druck und Bestückung anbelangt und setzt teilweise auch bleifreie Lote ein. Bis 80 µm waren die Ergebnisse einwandfrei. Allerdings war es nicht einfach diesen Prozess einzufahren. Der Trend ist, dass sich, wie auch bisher schon die Bauteile an den Prozess anpassen und deshalb nicht immer feinere Strukturen gebraucht werden.“
„Man muss sehen wo die Grenzen liegen,“ schließt sich Lentzen an. „Gibt sie die Maschine vor, lässt sich noch etwas verbessern. Heute sind alle hochwertigen Druckanlagen bei 612 µm Toleranz bei 6 Sigma spezifiziert. Andererseits ist zu bedenken, wie genau ist der gesamte Prozess. Kann man das Druckmedium durch die entsprechend feinen Öffnungen eindringen lassen und wieder auslösen. Ich sehe die Grenzen, an die man stößt eher aufgrund der physikalischen Gesetze und nicht im Maschinenbau.“ (Pa)
Diskussionsteilnehmer
Jürgen Kemenas, Area Sales Manager bei Fuji
Joachim Klöser, Chief Technology Officer bei Ekra
Silvio Serrato, Service Engineering Department Product Support bei Panasonic
Wolfgang Lentzen, European Application Manager von Speedline
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