Grenzbereiche effektiv nutzen Thomas Lehmann, Christian Koenen GmbH – HighTech Stencils

Die fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente erfordert immer exakter positionierte und definierte Lot- und Kleberdepots. Dabei wird das Druckergebnis durch die unterschiedlichen Oberflächen der eingesetzten Materialien erheblich beeinflusst. Die Optimierung erfolgt dabei in allen Phasen der Schablonenproduktion: bei der Datenbearbeitung, der Schablonenerstellung und der Oberflächengestaltung der Schablone.

Bei der Datenbearbeitung werden Öffnungen reduziert, abgerundet, unterteilt und Sonderformen, z. B. zur Vermeidung von Grabsteineffekten und Lotperlenbildung, eingesetzt. Bei der Schablonenerstellung ist es anschließend wichtig, nicht nur „Löcher zu schneiden“, viel mehr sind heute klimatisierte Fertigungsbedingungen genauso unerlässlich wie die Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit, speziell im Fine-Pitch-Bereich. Optimale Fertigungsparameter bei der Schablonenherstellung sind die Basis für stabile und reproduzierbare Fertigungsprozesse beim Kunden. Der Schablonendruckprozess wird im Wesentlichen durch vier Grenzflächen definiert, die bei der Schablonenherstellung teilweise direkt beeinflusst und sinnvoll kombiniert werden können: Schablonenoberseite, Rakeloberfläche, Öffnungswand und Schablonenunterseite. Jede Grenzfläche hat bestimmte Aufgaben zu erfüllen:

Das Druckmedium wird je nach Beschaffenheit der Schablonenoberfläche und der Rakelgeschwindigkeit in eine unterschiedlich intensive Rollbewegung versetzt. Die Rollbewegung ermöglicht dem Druckmedium, quasi senkrecht in die Schablonenöffnung einzutauchen und führt zu der notwendigen temporären Viskositätsreduzierung, die ermöglicht auch, kleinere Aperturen vollständig zu füllen. Kann das Druckmedium sich nicht ausreichend auf der Schablonenoberseite abstützen, z. B. durch eine zu schnell gewählte Rakelgeschwindigkeit oder eine zu geringe Oberflächenrauhigkeit, rollt es nicht und die Aperturen werden nicht vollständig gefüllt. Die Oberfläche der Schablone ist daher so zu gestalten, dass sie dem Druckmedium optimalen Halt bietet und es durch die Rakelgeschwindigkeit effizient in eine Rollbewegung versetzt werden kann.

Mit dem Rakel wird das Druckmedium über die Schablone geschoben und durch den Rakelwinkel der Staudruck im Medium gebildet. Die Rakeloberfläche wirkt der Rollbewegung entgegen, erzeugt aber zusammen mit der Rakelgeschwindigkeit, dem Rakelwinkel und ihrer Rauigkeit den Staudruck des Druckmediums. Den größten Einfluss auf den Staudruck hat der Rakelwinkel. Dennoch ist es wichtig, auf ein gutes Gleichgewicht zwischen Reibung und Gleiten des Mediums an der Rakeloberfläche zu achten. Hier können Schleif- oder Polierverfahren aber auch Gleitbeschichtungen zum Einsatz kommen. Entscheidend für die Oberflächenauswahl ist bei dieser Grenzfläche das Fließverhalten des Druckmediums.

Die Öffnungswand definiert das Volumen des Depots und ist die entscheidende Größe für das Auslöseverhalten einer Schablone. Selbst wenn die Apertur beim Druckvorgang vollständig gefüllt wurde, kann ein unausgewogenes Verhältnis der Wandfläche zur Grundfläche (Flächenverhältnis) dazu führen, dass ein Teil der Paste beim Druckvorgang in der Öffnung zurückbleibt. Beim Kleberdruck ist das teilweise gewünscht, beim Lotpastendruck jedoch führt es zu Problemen.

Der Minimalwert des Flächenverhältnisses, das bei optimalen Druckbedingungen eine vollständige Auslösung der Lotpaste aus der Apertur erlaubt, liegt bei > 0,66. Dieser Wert setzt aber voraus, dass die Aperturwände glatt sind und so ein optimales Auslöseverhalten ermöglichen. Die Rauigkeit der Aperturwand wird in erster Linie durch das Fertigungsverfahren der Schablone bestimmt. Lasergeschnittene Schablonen haben auf Grund ihres Herstellungsprozesses eine gewisse Grundrauigkeit, die beim Schneidprozess entsteht. Je nach Wahl der Schnittparameter kann die Rauigkeit der Öffnungswand stark variieren. Nachgeschaltete Verfahren zu Oberflächenglättung können bei korrekter Anwendung die Rauigkeit der Öffnungswände zusätzlich weiter reduzieren und das Auslöseverhalten verbessern. Beispiele für solche Verfahren sind das Elektropolierverfahren oder der Auftrag einer zusätzlichen Antihaftbeschichtung. Dabei ist darauf zu achten, ob alle Bauteile mit dem daraus resultierenden höheren Pastenvolumen einwandfrei produziert werden können.

Der Einsatz von Stufenschablonen erlaubt darüber hinaus eine bauteilbezogene Anpassung der Schablonendicke. So kann das Flächenverhältnis für jedes Bauteil optimiert und die korrekte Pastenmenge zugewiesen werden. Bei der Verwendung von Stufenschablonen sollte bei kleinen Öffnungen ein Mindestabstand von etwa dem 36-fachen der Stufenhöhe zur Stufenkante nicht unterschritten werden (siehe IPC-7525A). Je nach eingesetztem Rakel und Bauteilemix kann dieser Wert variieren.

Zusammen mit der Substratoberfläche dichtet die Schablonenunterseite die Schablonenöffnung ab und verhindert ein Unterwandern der Schablone durch das Druckmedium. Die Unterseite der Schablone sollte möglichst glatt sein, damit ein lückenloser Kontakt zum Pad hergestellt werden kann. Die besten Ergebnisse werden hier durch Polierverfahren erzeugt. Ein wünschenswerter Nebeneffekt: Die Beschaffenheit der Unterseite bestimmt auch den Reinigungsaufwand der Schablone im Drucker. Polierte Oberflächen reduzieren die Prozesszeiten deutlich. Hier können auch Antihaftbeschichtungen zum Einsatz kommen, da sie verhindern, dass Flussmittel auf die Schablonenunterseite kriecht.

Die Auswahl der Oberflächenbehandlungen an der Schablone hat also einen wesentlichen Einfluss auf ihr Druckverhalten. Eine geschickte Kombination bewirkt ein stabileres Druckverhalten und optimale Prozessbedingungen für die Elektronikfertigung. Umgekehrt kann eine ungünstige Auswahl nur einer der vier Grenzflächen eine sonst hervorragende Schablone verderben und so Ursache für Qualitätsprobleme im Gesamtprozess sein.

EPP 427