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Hochverdichtet

Submodule und Embedded Komponenten
Hochverdichtet

Hochauflösende Kameras und große Displays, qualitativ hochwertiges Audio, kabellose und kabelgebundene Vernetzung – moderne, elektronische Geräte müssen diese Funktionen bieten. Und nicht nur das: Der Trend zur Miniaturisierung ist ungebrochen. Als Verbraucher oder IT-Anwender wollen wir kleinere, dünnere, handlichere Geräte. Die Antwort der Entwickler: Auf immer dünneren und kleineren Leiterplatten hochverdichteter Baugruppen tummeln sich extrem kleine Bauteile. Was bedeutet dies für den SMT-Prozess?

Norbert Heilmann, ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG, München

Das metrische System kennzeichnet 0,4mm lange und 0,2mm breite Bauteile als 0402-Komponenten. Sie sind in vielen Elektronikfertigungen bereits Standard. Die ersten 03015-Komponenten (0,3mm x 0,15mm) sind heute am Markt standardmäßig erhältlich und von der kommenden Generation der 0201-Komponenten (0,2mm x 0,1mm) sind Prototypen verfügbar. Und doch: In den Laboren der Entwickler erhalten schon viel kleinere Bauteile ihren letzten Schliff und stehen kurz davor, in Produktion gebracht zu werden.
Die Bestückgenauigkeit ist nicht das Problem
Wer sich oberflächlich mit den Themen Miniaturisierung, neue Bauteile und HighDensity-Anwendungen beschäftigt, erhält von den Herstellern der Bestückautomaten beruhigende Auskünfte. Hersteller und Automaten scheinen gut auf die neuen Bauteile vorbereitet. Die ausgewiesenen Bestückgenauigkeiten vieler Bestückmaschinen sollen belegen, dass sich beispielsweise 03015-Komponenten ausreichend genau, schnell und zuverlässig bestücken lassen. 03015-ready – also alles in Butter? Keine weiteren Maßnahmen erforderlich?
Mitnichten! In der Praxis braucht es weit mehr als eine ausreichend genaue Platzierung von Bauteilen, um in HighDensity-Anwendungen, bei der Submodul-Fertigung und für Embedded Technologien im SMT-Bereich prozesssicher bestücken zu können. Hier einige Beispiele:
Stabile Führung und Unterstützung der Leiterplatten: Schon kleinste Erschütterungen der Leiterplatten führen bei der 03015-Bestückung zu Fehlern. Die Transporte der Bestückautomaten müssen daher über spezielle, hochwertige Klemm-Mechanismen Vibrationen verhindern.
Die berührungslose Bauteilaufnahme: 03015-Bauteile stellen besondere Anforderungen an Größe, Form und Material der Pipetten. Feeder, Bestückköpfe und Pipetten müssen eine komplett berührungslose Bauteilaufnahme ermöglichen.
Prozesskontrolle: Bauteilsensoren zur Validierung der Bauteilaufnahme und ein hochauflösendes Visionsystem überprüfen die Ausrichtung auch extrem kleiner Bauteile und sichern so eine zuverlässige Bestückung. Diese Präzision wird erreicht durch einen intelligent ausgewählten Mix aus hochauflösendem Kamera-Chip, hochwertiger Optik und individuell sowie flexibel programmierbarer Beleuchtung. Noch hinzu kommen die Auswertealgorithmen.
Flache Bauteile sind besonders empfindlich
Eine weitere, besonders knifflige Herausforderung: Um möglichst flache und leichte Elektronikgeräte herstellen zu können, werden die Höhen von Bauteilen, Submodulen und Leiterplatten weiter minimiert. Ein ergänzender Lösungsansatz: Embedded Bauteile in Multi-Layer Leiterplatten. Schon heute liegt die typische Bauteilhöhe für passive Komponenten in diesem Bereich bei nur noch etwa 125µm.
Geringe Bauteilhöhen lassen Komponenten extrem fragil werden. Eine Bestückkraftkontrolle wird zu einem entscheidenden Faktor. Das gilt insbesondere bei Bauteilen für Embedded Anwendungen. Ohne eine angemessene Bestückkraftkontrolle drohen bei der Bestückung sichtbare oder unsichtbare Risse in den Bauteilen – und beschädigte Bauteile machen beim Embedding ganze Leiterplatten wertlos. Zuverlässig verhindern lässt sich dies nur, wenn die Bestückkräfte auf 2N, in einigen Anwendungen sogar auf nur 1N reduziert werden.
Um dabei Toleranzen in der Bauteilhöhe ausgleichen zu können, muss die Position in der Z-Achse für jedes Bauteil exakt kontrolliert werden. So werden zum Beispiel die Bestückkräfte am Siplace SpeedStar Bestückkopf auf drei unterschiedliche Arten berechnet (Feder, Lichtschranke und die Position der Linearmotoren in der Z-Achse). Das Ergebnis: eine besonders zuverlässige Kontrolle der Bestückkräfte im Bereich von 1,0N bis 4,5N.
Kleinste Abstände ermöglichen
Je kleiner die Bauteilabstände, desto mehr Bauteile lassen sich auf einer Fläche verbauen. Das klingt einfach, ist aber in der sicheren Ausführung extrem schwierig. Mit der Siplace X4 S micron wurde jetzt eine Maschine vorgestellt, deren Linearmaßstab nochmals fünfmal genauer ausgelegt ist als bei den Premiummodellen der X4 S Serie. Auch die 20-Segment SpeedStar Bestückköpfe wurden für diese Maschine nochmals verbessert. Das Ergebnis: Die X4 S micron bestückt mit einer Genauigkeit von 20µm @ 3 Sigma, der Mindestabstand zwischen Komponenten kann damit auf nur noch 50µm reduziert werden. Und das zuverlässig für Bauteilgrößen von 03015 bis 6mm x 6mm und einer Bestückleistung von bis zu 70.000 Bauteilen pro Stunde.
Dünne, große Leiterplatten brauchen Unterstützung
Im Zug der Miniaturisierung wird auch die Leiterplattendicke weiter reduziert – das gilt auch für keramische Träger von Submodulen. Um gleichzeitig eine hohe Auslastung und Produktivität der SMT-Linien zu gewährleisten, werden die kleinen Baugruppen auf großen Leiterplatten oder Trägersystemen gruppiert und nach der Bestückung in einem weiteren Prozessschritt getrennt.
Um auch bei diesen besonders großen und besonders dünnen Trägern eine maximale Bestückgenauigkeit erreichen zu können, dürfen sich diese während der Bestückung mit superkleinen oder sehr dünnen Bauteilen nicht verformen. Spezielle Vakuum-Technik kann dies sicherstellen.
Besonders dünne (0.2mm – 0.3mm) und große (> 400mm x 400mm) Leiterplatten sollten nicht ungestützt bestückt werden, da sie sonst im Zentrum durchbiegen und in der Folge die Bestückgenauigkeit rapide abnimmt. Eine Lösung hierfür ist der Smart Pin Support, der automatisch Pins plaziert. Spezielle Trägersysteme sind eine alternative Maßnahme – hier lassen sich über den Siplace Service kunden- und anwendungsspezifische Lösungen realisieren.
Das Embedding von Komponenten
Das Embedding von Komponenten erfordert nochmals deutlich höhere Bestückgenauigkeiten als der klassische SMT-Prozess. Hier werden passive oder aktive Bauteile in Aussparungen von Multilayer-Leiterplatten bestückt, um die Höhen der Baugruppen nochmals zu reduzieren. Aber: Die Toleranzen für die Platzierung der Komponenten in diese Aussparungen sind sehr eng. Die Abstände von der Bauteilkante bis zum Rand der Aussparung liegen oft bei nur 20µm oder darunter.
Traditionelle Pick&Place-Bestückköpfe bestücken SMT-Bauteile, Komponenten werden auf Lotpastendepots aufgesetzt. Beim Embedding werden die Komponenten jedoch auf Klebepunkten platziert, die bei der SMT-Bestückung hilfreichen Selbstzentrierungskräfte lassen sich hier nicht nutzen. Die Konsequenz: Aktive Komponenten müssen beim Embedding deutlich präziser auf die Anschlüsse im Layer der Leiterplatte gesetzt werden. Die Bestückgenauigkeit klassischer Bestückautomaten von 40 bis 60µm reicht dafür nicht mehr aus. Für Embedded Komponenten müssen Bestückgenauigkeiten von 20µm erreicht werden. Wie lässt sich diese enorme Verbesserung erreichen?
Bestückkopf mit neuer Bauteilkamera
Embedded Komponenten werden wie gesagt nicht auf Lotpastendepots platziert, sondern in den Aussparungen des Leiterplattenlayers fixiert. Wird der nächste Layer der Leiterplatte aufgetragen, wird die Verbindung von Leiterplatte und Bauteil hergestellt. Weil die Verbindung zwischen Bauteil und Anschluss-Pads durch elektrochemisches Abscheiden von Kupfer erzeugt wird, dürfen die Bauteilanschlüsse nicht mehr mit Nickel und Zinn beschichtet sein. Um Fehler bei der optischen Kontrolle zu vermeiden, sollten Embedded Komponenten besonders klare Formen aufweisen – das gilt insbesondere für die Anschluss-Metallisierungen. Mit dem richtigen, hochauflösenden Vision System lassen sich hier Fehler vermeiden. Die neue, hochpräzise Version des SpeedStar Bestückkopfes, der in den X S micron Bestückautomaten zum Einsatz kommt bietet dieses: Eine Megapixel-Kamera mit einer Auflösung von 10µm pro Pixel, erstklassigen Algorithmen und weiter verbesserten Beleuchtungseinstellungen.
Zusätzliche Passmarken
Ein weiterer Ansatz, um die für das Embedding erforderliche Bestückgenauigkeit zu gewährleisten, sind zusätzliche Passmarken. Experten empfehlen hier vier statt der üblichen drei globalen Passmarken – die dann von den Algorithmen der Software entsprechend ausgewertet werden. Diese Algorithmen erlauben es auch, auf Subpanels weitere Passmarken anzubringen, um maximale Genauigkeit bei der Bestückung jeder einzelnen Baugruppe zu erreichen.
Fazit: In Prozessen denken
Der isolierte Blick auf die Angaben zur Bestückgenauigkeit führt Elektronikfertiger in die Irre, wenn sie die Eignung einer Maschine für Anwendungen mit superkleinen Komponenten, mit Submodulen oder Embedded Komponenten bewerten wollen. Es muss die Prozessfähigkeit der Maschine untersucht werden und dafür gilt es, eine Reihe von Zusatzfaktoren zu begutachten und zu testen: Transporte, Leiterplattenunterstützung, Pipetten, Vision Systeme, Sensorik, Motorensteuerung, Bestückköpfe und vieles mehr. Erst das harmonische Zusammenspiel dieser Faktoren schafft die erforderliche Prozesssicherheit und Effizienz in modernen, besonders anspruchsvollen HighDensity-Anwendungen.

Siplace X4i S micron
Leistungsdaten:
4 x Siplace SpeedStar CP-20-Bestückköpfe
Bauelement-Kamera: 10µm / Pixel
Linearmaßstäbe X-/ Y-Achse: 20µm Auflösung
Bestückgenauigkeit: 25µm @ 3s
Bestückgeschwindigkeit: 120.000 BE/h
min. BE-Größe 03015
min. BE-Abstand 75 µm
max. BE-Größe 6mm x 6mm
min. Ball-Größe 50µm / 80µm Abstand

Siplace X4 S micron
Leistungsdaten:
4 x Siplace SpeedStar CP-20-Bestückköpfe
Bauelement-Kamera: 10µm/ Pixel
Linearmaßstäbe X-/Y-Achse: 20µm Auflösung
Firmware: spezieller Support für Dynamik für hohe Bestückgenauigkeit
Bestückgenauigkeit: 20µm @ 3s
Bestückgeschwindigkeit: 70.000 BE/h
min. BE-Größe 03015
min. BE-Abstand 50µm
max. BE-Größe 6mm x 6mm
min. Ball-Größe 50µm / 80µm Abstand
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