Global Process Solutions

Andreas Gerspach, Geschäftsführer von GPS, begann mit seinem Vortrag über die Anforderungen beim Schablonendruck von 01005-Bauteilen, welche gerade mal eine Masse von 40 µg aufweisen, und mit dem bloßen Auge kaum mehr erkennbar sind. Wird die Schablonenöffnung (Apertur) so klein, dass die Fläche der Aperturanwendung sehr nah an die Aperturfläche herankommt, ist das Aspect Ratio nicht mehr hinreichend. Für den Fall der Miniaturkomponenten wie BGA, CSP, 0201, 01005. u.a. zieht man das sogenannte Area Ratio (Verhältnis von Aperturfläche zu Wandfläche der Schablone) zur Berechnung heran. Je höher dieser wird, desto höher ist die Transfer-Effizienz und umso kleiner wird die Standardabweichung. Die Anforderungen an die Fertigungsanlagen steigen durch die Miniaturisierung mit kleiner werdenden Bauteilabstand und größerer Bestückungsdichte mehr und mehr. Es gibt eine Vielzahl von Einflussfaktoren, die beim Schablonendruck entscheidend sind. Bei der Wahl des Equipments, der Schablone und der Lotpaste muss dementsprechend ein besonderes Augenmerk auf deren Qualität und Spezifikationen gelegt werden. Während der Prozessentwicklung und -integration sollte auf die Unterstützung des Lieferanten zurückgegriffen werden. Als ein kritisches Element in der Fertigung, bei der Baugruppe, Schablone oder Equipment, wird die Sauberkeit gesehen. Der Einsatz von 01005-Bauelementen ist sicherlich noch nicht weit verbreitet. Aber wer heute oder in absehbarer Zeit die Investition in einen Schablonendrucker plant, sollte gerade beim Schablonendrucker bereits in der Fähigkeit, 01005-Bauelemente nicht oder verarbeiten zu können, wählen und sich festlegen.

Andreas Nigl vom Werk Ingolstadt der Continental Automotive Systems folgte mit seinem Anwenderbericht über die Anforderungen im Automotive-Segment. Genug Erfahrung hat man im Unternehmen durch die sieben SMD-Linien mit den dazugehörigen Backends gemacht, denn jede dieser Linien hat einen Lotpastendrucker MPM Accela von Speedline Technologies installiert. Nach einem Beta-Maschinentest, der im Februar 2005 startete, konnten im Herbst des selben Jahres die Tests mit guter Resonanz von den Anlagenbedienern abgeschlossen werden. Bis Ende des Jahres 2007 wurden nach und nach die restlichen sechs Lotpastendrucker durch einen weiteren des neu eingeführten ausgetauscht. Eine gute Zugänglichkeit an alle relevanten Teile ermöglicht einfaches und schnelles Wechseln der Verbrauchsmaterialien. Durch die Dosierung mittels Walze wird wenig Reinigungsmedium verbraucht und die Geruchsbelästigung ist gering. Der modulare, dezentrale Aufbau durch CAN-Bus-System realisiert eine schnelle Lokalisierung von Fehlern, die Diagnose durch ein Diagnosetool ist einfach. Für die Rakelkraft-Kalibrierung steht ein Kalibriermenü zur Verfügung, die Verbrauchsmaterialien weisen hohe Standzeiten auf, ein Wartungsaufwand ist gering. Die ESD-Anforderungen wurden ebenso erfüllt, wie die der Traceability. Der Drucker hat sich generell als sehr robuste Maschine erwiesen und realisiert eine hohe, stabil bleibende Genauigkeit. Die Software ist einfach und selbsterklärend, so dass eine gute Akzeptanz beim Bedienpersonal gefunden wurde. Für hohe Ansprüche durchaus empfehlenswert.

Anforderungen an den modernen Underfill-Prozess war Thema von Matthias Gabler, Mitarbeiter bei GPS. Unter Underfill ist ein Prozess zu verstehen, bei dem ein Underfill-Material zwischen einem Flip Chip, CSP, BGA oder µBGA und dem Substrat, verarbeitet wird, um thermischen und mechanischen Stress an den Lötstellen zu vermeiden. Für die Qualität sind Mengen- und Platziergenauigkeit sowie Temperatur und Geschwindigkeit neben den Anforderungen an das Equipment maßgebende Faktoren. So wird der Underfill-Prozess in zunehmendem Maße bei der Fertigung elektronischer Baugruppen eingesetzt, denn es gilt, Ausfallquoten, bedingt durch thermischen oder mechanischen Schock, zu minimieren. Neben den Eigenschaften des Underfill-Materials ist die Auswahl und Konfiguration des Dispensers ein entscheidender Erfolgsfaktor. Bei der Prozessführung gibt es einen klaren Trend zu den sogenannten No-Flow-Underfills, da diese einfacher in die Fertigungskette zu integrieren sind, und bei eventuell erforderlicher Nacharbeit bzw. Reparatur sehr gute Eigenschaften ausweisen. Zudem kann auf einen zusätzlichen Aushärteofen verzichtet werden, was Kosten spart.

Die Qual der Wahl stellte sich bei der Frage von Thomas Strümpf, GPS, zur Verwendung einer 2D- oder 3D-Lotpasteninspektion. Um eine Wahl zu erleichtern, stellte er die beiden Prüfmethoden mit ihren Vorteilen vor, und zog anschließend ein Fazit. Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-3D-Lotpasteninspektionssystemen ist im Medizin- und Automotive-Segment längst zur Realität geworden. Die Entscheidung darüber, welche Methode zum Einsatz kommen sollte, liegt an den Kundenanforderungen, der Komplexität der Flachbaugruppen, Haftungsgründen, Qualitätsstandards und dem vorhandenen Kostendruck. Jedoch hat sich herausgestellt, dass nur mit dem Einsatz eines 3D-Pasteninspektionssystem die Möglichkeit besteht, auf neue Produktionsanforderungen adäquat zu reagieren.

Zur Bestärkung der gemachten Aussagen berichtete Herr Hintenlang von HIMA über den Einsatz der 3D-Lotpasteninspektion (SPI) mit SE 300 von CyberOptics im Unternehmen. Die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit der Baugruppen und damit verbunden die Lötstelle und der Lotpastenauftrag, die ständig steigende Komplexität der Baugruppen und immer mehr verdeckter Lötstellen, machten SPI notwendig. Nachdem ca. 60 % der Fehler auf den Lotpastenauftrag zurückzuführen ist, wäre es von Nutzen, diese am Entstehungsort sofort zu erkennen. Eine Inline-Prozessanalyse sollte die Trends erkennen bevor Fehler entstehen. Das 2D-System erkennt nur die flächige Bedeckung der Pads, während ein 3D-System mittels der Volumenmessung zuviel bzw. zuwenig Paste genauso detektieren kann, wie „Dog-Ears“, die nach dem Bestücken zu Zinnbrücken führen können. Des Weiteren wurde die Topographie dargestellt, und es ist nur eine kurze Regelschleife zur Korrektur des Druckers nötig, um ein optimales Druckergebnis zu erhalten. Im Unternehmen wurde die Erfahrung gemacht, dass 3D-SPI und AOI eine eindeutige Fehleranalyse von Lötfehlern ermöglichen.

Von der Lotpasteninspektion ging es zur Automatischen Optischen Inspektion mit SAM, der andere Weg, der als letzter Vortrag des Tages von Uwe Podßus, Geschäftsführer des Unternehmens und Moderator der Veranstaltung, zu hören war. SAM steht für Statistical Appearance Modeling, hat sich aus der hochkomplexen Bilderkennung zur Identifizierung von Personen entwickelt, ist einfach und orientiert sich an der Realität. Es basiert auf dem Ansatz, alle Inspektionsaufgaben mit einmaliger Programmierung zu erfüllen. Es muss kein Algorithmus ausgewählt, keine Beleuchtungs- und Schwellwertparameter geändert bzw. angepasst, und Prozessvarianten vorher nicht berücksichtigt werden. SAM lernt selber und entwickelt Modelle für die erlaubten Variationen: einfach den Inspektionsbereich markieren bzw. einboxen, dem System einige weitere Beispiele zeigen, speichern des Modells, fertig und bereit zur Inspektion. Eine Lösung, die das Problem der Pseudofehler zuverlässig in den Griff bekommt, ohne gleichzeitig das Fenster für Schlupf zu öffnen, und trotzdem einfach und schnell zu programmieren ist.

Der nächste Morgen startete mit der Qualitätssicherung und Optimierung bei der Verwendung von Lotpaste, ein Vortrag von Jürgen Seitner der GPS Technologies. Die entscheidenden Qualitätsparameter bei Lotpasten setzen sich aus Klebkraft, Benetzungskraft, Slumping-Verhalten, Viskosität/Rheologie und der Thixotropie zusammen. Er ging detailliert auf die Messung der einzelnen Qualitätsparameter ein, sprach über die Fehlererkennung und -ursachen sowie deren Vermeidung. Für eine Prüfung von Lotpasten empfehlen die Hersteller immer, aufgrund der Thixotropie (die Eigenschaft bestimmter Zweistoffsysteme durch mechanische Beanspruchung vom festen in den flüssigen Zustand überzugehen, ohne dass sich dabei der Wassergehalt ändert), eine gut konditionierte bzw. aufgerührte Lotpaste zu verwenden.

Über innovative Beschichtungstechnologien für elektronische Flachbaugruppen, Parylene, berichtete Dieter Voss von Plasma Parylene Coating Services. Dabei handelt es sich um ein inertes, hydrophobes und transparentes polymeres Beschichtungsmaterial mit einem weiten industriellen Anwendungsspektrum. Die Beschichtung wird im Vakuum durch Kondensation aus der Gasphase als porenfreier und transparenter Polymerfilm auf das Substrat aufgetragen. Durch die gasförmige Abscheidung erreicht und beschichtet das Material auch Bereiche, welche mit flüssigkeitsbasierenden Verfahren nicht beschichtbar sind. Es können in einem Arbeitsgang Beschichtungsdicken von 0,1 bis 50 µm (3 µm/h) aufgetragen werden. Herr Voss stellte Parylene C, D und N vor. Parylene C wird am häufigsten verwendet, insbesondere wenn gute elektrische und physikalische Eigenschaften gefordert sind. Parylene N dagegen kommt dort zum Einsatz, wo eine kleine Dielektrizitätskonstante und ein großes Penetrationsvermögen gefordert werden. Teil des Vortrags war über das Plasma-Verfahren, das sich aufgrund der besonderen Eigenschaften der Plasmen für eine Menge von Einsatzgebieten erschließt. Darunter gehören die Oberflächenaktivierung, -modifizierung, -reinigung, das Ätzen und die Beschichtung von Oberflächen.

Uwe Podßus berichtete als nächster über das innovative Fluxmanagement in modernen Reflowöfen. Er begann bei der Veränderung des Reflowprozesses in den letzten Jahren, um den Einfluss der Fluxmanagementsysteme auf Qualität, Leistung und Kosten der Prozesse aufzuzeigen. Nach den thermodynamischen Grundlagen und dem Vergleich existierender Methoden zum Einfangen des Fluxes stellte er eine Versuchsstudie mit verschiedenen Systemen vor. Unterm Strich gesehen gibt es das perfekte Fluxmanagement nicht, und man geht immer einen Kompromiss zwischen Kosten, Effizienz und Wartungsfreundlichkeit ein. Der Trend geht klar zur Automatisierung in Verbindung mit weniger Wartung. Ein genaueres Hinsehen lohnt sich allemal, und in den nächsten zwei Jahren sind auf dem Markt sicher weitere Neuerungen zu erwarten.

Im Zuge der Miniaturisierung und Komplexität der Bauelemente sind die Anforderungen an das Bestückequipment immens gestiegen. Am Beispiel der Automotive-Industrie verdeutlichte Moritz von Soden, Panasonic Factory Solutions, die Qualität und den Mehrwert mit flexiblem Bestücktechnologien. Nach der Vorstellung des Unternehmens und den individuellen Kundenanforderungen im Bereich der Mobiltelefone und Automotive ging es zu den Niedrigkosten-Standorten sowie Low-cost-Materialien und den damit verbundenen Problemen. So trifft das Unternehmen Gegenmaßnahmen bei Leiterplattenverwindung, indem die Bestückhöhe an die Verwindung angepasst wird, der erste Bestücker den Verwindungsgrad misst und die Informationen an andere Maschinen weitergibt. Ein Bauteilhöhensensor ermöglicht ohne Einfluss auf die Taktzeit die Anpassung der Bestückhöhe, um die Bestückkraft zu kompensieren. Ein APC(Advance-Process-Control)-System kümmert sich um die Einhaltung der Qualitätsanforderungen, so dass beim Lötprozess von 01005-Chips die Bauteile unter Berücksichtigung des „Printer offsets“ gesetzt werden und in Position „schwimmen“. Eine 3D-Kamera detektiert fehlende Lotpaste. Als weiterer wesentlicher Faktor sprach er die Flexibilität der Bestückautomaten an, die sich individuell den gestellten Anforderungen anpassen.

Von Indium Corporation Europe referierte Guido Lanoye über die neuen Flussmittelgenerationen in Lotpasten. Der Einführung ins Unternehmen folgte eine Ausführung über die Auswirkungen beim Übergang auf bleifrei. Unabhängig von der Lötlegierung bleibt jedoch das Verhältnis von Lotpulver zu Flussmittelträger für die Schablonenrheologie gleich bei etwa 50:50. Einzelne Flussmittelträger sorgen für höhere bzw. niedrigere Werte, dabei kann auch Proflow einen leichten Einfluss haben. Die Lagerung und Verarbeitung von bleifreien Produkten mit hohem Zinnanteil ist mehr oder weniger gleich denen für verbleite Produkte. Doch, so Herr Lanoye, ist jede Abwendung von SnPb-Legierungen ein weiterer Schritt zu weniger effizienten Loten. Und so wäre es klug, sorgfältig die Verarbeitungspraktiken einzuhalten. Dazu stellte er die aktuellen Pasten des Unternehmens im Vergleich mit bleihaltigen vor.

Als Ergänzung ging es im nächsten Bericht über Solder Preform und Thermal Interface Materials, der von einem Mitarbeiter des Veranstalters, Wolfgang Bloching, vorgetragen wurde. Er sieht die Entscheidung über mögliche Legierungen in Abhängigkeit der Löt- und Arbeitstemperatur der Baugruppe und der RoHS-Konformität neben den zu lötenden Oberflächen und den speziellen Anforderungen an die Baugruppe. Letztendlich gibt es über 200 Legierungen, aus denen individuell und für den eignen Gebrauch am besten geeignet, gewählt werden kann.

Ein Anwenderbericht Automotive zur Lotpaste und Malcom durch Michael Vanselow von Harman/Becker beendete den zweitägigen Event. Er ging detailliert auf die drei Meilensteine zur Qualifizierung „verbleit“ einer neuen Lotpaste ein. Nach Problemidentifizierung im August 2004 endete der Prozess im Januar 2006. Bereits im Oktober 2005 wurde Malcolm zur Verifizierung der thixotropischen Eigenschaften aller eingehenden Produkte, in dem Fall der fünf Pasten, installiert und implementiert. Doch über allem und als wichtigster Faktor steht eine dauerhafte Stabilität der Lotpaste. (dj)

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