Ein Schritt näher an Null-Nacharbeit

Peter Marshall, KSM, Croftamie/Großbritannien

In der heutigen Baugruppenfertigung nimmt die Packungsdichte immer weiter zu, sodass einige Komponenten unter Umständen kaum nachgearbeitet werden können. Gleichzeitig versuchen die Unternehmen, ihre Produktion zu steigern. Daher müssen SMT-Techniker alle Schritte des Produktionsprozesses untersuchen. Fehler können überall auftreten, und der Druckbereich beziehungsweise die Massenbilderzeugung soll für 55 bis 75 % aller Fertigungsfehler verantwortlich sein. Angesichts dieser Zahlen müssen die Herstellungstechniken unbedingt verfeinert werden, um die Nacharbeitungskosten zu reduzieren.

Der Prozess der Lötpastenbeschichtung hat sich im Laufe der Jahre nur wenig verändert. Eine Matritze wird auf ein Substrat gelegt und ein Abstreifer oder geschlossener Wischer fährt über die Matritze und setzt die Lötpaste durch die Öffnungen ab, sodass die Löt-Pads bedruckt werden. Die reduzierte Größe der Bauteile und Fortschritte beim Leiterplattenentwurf haben zur Entwicklung zunehmend präziser und ausgefeilter Drucktechniken geführt. Für Inline-Anwendungen gedachte optische Systeme wurden zunächst eingesetzt, um die Matritze genau mit der Leiterplatte auszurichten. Nach dem Druckprozess kann das System dann verwendet werden, um ausgewählte Bereiche zu untersuchen oder um nachzuprüfen, ob das „Bild“ originalgetreu gedruckt wurde. Das für den Druck verwendete Medium – normalerweise Lötpaste – wurde ebenfalls ständig weiterentwickelt, wobei präzisere Lotpartikel sowie verbesserte Flussmittel zur Erhöhung und Verbesserung der Robustheit und Lebensdauer verwendet werden. Im Zuge der Bemühungen, die Druckqualität weiter zu erhöhen, verfügen manche SMT-Fertigungsstraßen heute über Hochgeschwindigkeits-3D-Inspektionssysteme, um die gedruckte Schicht auf Größe und Volumen hin zu überprüfen. Wenn Fehler festgestellt werden, fällt es zu diesem Zeitpunkt leichter, die Leiterplatte zu reinigen und neu zu bedrucken, statt teure Bauteile auf einer fertig bestückten Leiterplatte mit bereits gelöteten Verbindungen nachzuarbeiten. Trotz dieser zusätzlichen Maßnahmen treten in den Fertigungsstraßen jedoch unvorhersehbare Defekte auf, die mit dem Druckverfahren zusammenhängen.

Bei der Suche nach Fehlerursachen berücksichtigt man heute auch die Umgebung des Druckers. Dabei hat sich herausgestellt, dass eines der kritischen Probleme die Tatsache ist, dass die zu bearbeitenden Leiterplatten oder Substrate Fremdkörper in den Druckbereich hineintragen. Zwei Beispiele sollen dieses verdeutlichen.

Das erste betrifft ein QFP, bei dem der Pastenauftrag in Ordnung scheint (Bild 1). Wenn man diesen Bereich der Leiterplatte nicht speziell mit einem optischen Prüfgerät untersucht hätte, wäre der Defekt sicherlich unbemerkt geblieben. In diesem Fall ist ein Haar auf der Platine die Fehlerursache gewesen. Als die Leiterplatte mit der Matritze in Berührung gekommen ist, wurde das Haar auf die Anschlussflächen niedergedrückt. Dann wurde der Druckzyklus einwandfrei durchgeführt, woraufhin das Haar zurückgefedert ist und dabei einige Partikel der Lötpaste mitgerissen hat. Man kann jetzt das Lötmittel sehen, das am Haar haftet. Nach der Bestückung bleibt dieses Lot unter dem QFP und bildet während des Lötens ein oder mehrere Lotkügelchen. Diese können dann ungehindert auf der Leiterplatte hin- und herrollen, wodurch schließlich ein Kurzschluss in der Schaltung des Geräts auftreten kann.

Bei weiterer Untersuchung des Bildes zeigt sich, dass ein Teil der Lötpaste von den Pads fehlt. Am Haar haftet immer noch eine kleine Menge, aber wo ist der Rest? Höchstwahrscheinlich haftet er jetzt an der Unterseite der Matritze und kontaminiert dadurch die nächste Leiterplatte, die in das Drucksystem eingebracht wird. Die Pads, von denen die Lötpaste entfernt wurde, stellen ebenfalls potenzielle Bereiche für Defekte dar, da eine Verbindung zwar möglicherweise hergestellt werden kann, das Lotvolumen jedoch unter der ursprünglich geplanten Menge liegt.

Das zweite Beispiel zeigt die gedruckten Leiterplatten-Pads eines BGAs (Bild 2). In diesem Fall ist die Fehlerursache eine kleine Stofffaser. Als die Leiterplatte in den Drucker geführt wurde, lag die Faser quer über den BGA-Pads der Platine. Während der Berührung der Leiterplatte mit der Matritze wurde die Faser flach gedrückt und nach unten bewegt, so dass sie das untere Pad überdeckt. Auch hier wurde der Druckprozess perfekt ausgeführt, jedoch reißt die Faser, indem sie ihre ursprüngliche Form wiedergewinnt, die gesamte Lötpaste vom unteren Pad in die Paste des oberen Pads. Die Folge: Ein Pad mit ungenügend Lötpaste, um eine Verbindung herzustellen und ein weiteres mit doppelt so viel Lot wie vorgesehen. Wie bereits erwähnt, würde das optische Prüfsystem den Fehler nicht entdecken, es sei denn, man würde es programmieren, um genau diesen Bereich zu untersuchen. Falls der Fehler unbemerkt bleibt, muss ein qualifizierter Techniker mit Hilfe von speziellen Geräten zum Nacharbeiten herangezogen werden, um das „defekte Bauteil“ zu reparieren. Die eigentliche Fehlerursache würde höchstwahrscheinlich gar nicht erkannt werden.

Diese beiden Beispiele machen deutlich, wie die Gesamtqualität von bedruckten Leiterplatten durch Verschmutzung beeinträchtigt werden kann. Menschliche Haare und Stofffasern von Kleidungsstücken stellen lediglich zwei der Verschmutzungsfaktoren dar, die an allen SMT-Fertigungsstraßen vorkommen. Menschen verlieren im Durchschnitt 50 bis 100 Haare pro Tag. Solche Fertigungsstraßen befinden sich generell nicht in Reinraumbereichen und die Beschaffenheit von Glasepoxid-Leiterplatten in dieser Phase des Herstellungsprozesses führt dazu, dass sie lose Schmutzpartikel auf ihrer Oberfläche anziehen. Zu weiteren Verschmutzungsursachen zählen Epoxidstaub von gesägten Kanten oder lose Fasern von Glasfaserleiterplatten. Was auch immer die Ursache ist, die Folgen wirken sich fast immer auf die Produktivität der Fertigungsstraße aus.

KSM, Spezialist für Two-step-Schmutzbeseitigungssysteme, hat eine Auswahl kostengünstiger „just-in-time“-Lösungen entwickelt, die diese willkürlichen Fehlerquellen im Bereich der Druckerplattform beseitigen können. Das System, das mit weniger als 150 mm Länge der Fertigungsstraße auskommt, stützt sich auf eine Kontaktreinigungstechnik in zwei Schritten, wodurch das Substrat einwandfrei präpariert wird und sämtliche Oberflächenschmutzpartikel bis zu minimal 1 µm entfernt werden.

Beim ersten Schritt werden auf beiden Leiterplattenseiten doppelte, weiche Elastomerrollen eingesetzt, die sich den Konturen der Leiterplatte anpassen und die Schmutzpartikel von der Oberfläche entfernen. Die Elastomerrollen streifen die Partikel wiederum an Kleberollen ab, von denen sie gesammelt und aufbewahrt werden. Bei einigen Systemen wird Druckluft direkt unter der Matritze verwendet, um Staub oder Schmutzpartikel zu entfernen. Dies hat sich im Laufe der Zeit jedoch als unzuverlässig erwiesen, da die Schmutzpartikel dadurch nicht aus dem Druckbereich entfernt werden. Die bei der Ausrüstung von KSM-Superclean eingesetzten Kleberollen sind das Ergebnis von über 15 Jahren Erfahrung im Bereich der Beseitigung von Schmutzpartikeln in verschiedensten Technikbranchen. Sie sind so entworfen, dass sie die Weitergabe von Schmutzpartikeln ausschließlich in eine Richtung, d.h. von der Elastomerrolle an die Kleberolle, erlauben, wodurch sie die Schmutzstoffe vollständig und sicher aus dem Druckbereich entfernen.

In der letzten Phase der Schmutzbeseitigung wird ein separates, antistatisches System verwendet, das so konzipiert ist, dass es jegliches Risiko einer Rückverschmutzung beseitigt. Das Gerät erfordert außerdem einen minimalen Bedienungsaufwand, wodurch zusätzliche Produktionsstopps vermieden werden, für Kompatibilität mit jeglicher Druckplattform gesorgt wird und klobige Zusatzgeräte entfallen.