Kleine Punkte schnell und genau gesetzt Ralf Kloske, Martin Rework und Dispense Technic, Wessling

Neben der Großserienfertigung mit den dort eingesetzten Spezialautomaten gibt es in der Elektronik immer noch sehr viele andere Dosieraufgaben, die effizient und genau vollbracht werden müssen. Dazu gehören primär die Nacharbeit von Baugruppen oder die Produktion von Klein-, Null- und Sonderserien für spezielle Aufgaben, wobei sowohl Lotpaste als auch Klebstoff zu dispensieren sind. Zwar sind die Großseriendispenser mit hohem Aufwand auf höchste Punktzahl und Genauigkeit getrimmt worden, dabei bewegen sich natürlich auch die Investitionen im gleichen hohen Rahmen. Solche Maschinen sind für den Rework- und Kleinserienbereich absolut nicht geeignet. Mithin werden in vielen Fertigungen, ob groß oder klein, insbesondere auf diese Aufgaben angepasste kostengünstige und genaue Dosierautomaten benötigt.

Im Falle von Reparaturplätzen soll die Lotdosierung natürlich auch noch optimal mit dem Rework-Eqipment zusammenarbeiten. Die Entwicklung bei Advanced-Packages (BGAs, CSPs, CBGAs usw.) schreitet in Richtung immer subtilere Miniaturisierung fort. Damit steigen auch die Anforderungen sowohl an Präzision des Dosiervolumens als auch an die Platzierung der Dosierpunkte weiter – und auch die technologische Fortentwicklung des Dosiergeräts ist folglich sehr wichtig für den Erfolg der Arbeit. Als weltweit anerkannter Rework- und Dispens-Spezialist ist es wichtig, mit hohem Innovationspotenzial Lösungen zu offerieren.

Beginnen wir mit dem Martin CamDesigner, ein seit 10 Jahren ständig weiterentwickeltes Softwaretool, das zum direkten Umwandeln von Gerberdaten in das für den Dot-Liner und Rework-Dispenser benötige Fileformat eingesetzt wird. Die Aufgabenstellung ist dabei davon gekennzeichnet, dass zwar in der Fertigung praktisch überall die Bestückdaten verfügbar sind, aber immer öfter nicht die Gerberdaten, weil entweder die Schaltungsentwicklung an anderer Stelle stattfindet oder die Daten nicht herausgegeben werden. Folglich gibt es nun einen kostenlosen Update (mit Password per Internet zu laden), der aus den Bestückungsdaten die XY-Koordinaten für Lötstellen oder Kleberpunkte extrahiert. Aufgrund der in diesen Daten hinterlegten Bauelementeart lässt sich dabei auch das nötige Volumen für die jeweiligen Dots berechnen. Bestandteil der neuen Softwareversion ist eine Bausteinbibliothek, die sich von den Anwendern leicht bei Bedarf erweitern lässt.

Als Konvertierungstool unterstützt die Software die Formate Gerber RS-274D, das erweiterte Gerber RS-274X, Excellon, DXF, Sieb&Meyer sowie für Liniendosierung HPGL. Auch Daten von CAD-Programmen lassen sich einlesen, ändern, überprüfen und neu dokumentieren. Daneben ist der CamDesigner ein vielseitiges und komplettes Programm, mit dem sich beispielsweise auch Platinenlayouts erstellen lassen und das viele andere Funktionen zur Aufbereitung von Bauelemente-, Dosier- und Bohrdaten bietet. Sehr schnell kann für gelegentliche Reworkaufgaben auch mit dem Editor der Easy-Dispens Software ein Programm erzeugt werden. Dabei sind einfach per Maus nur die nicht benötigten Punkte aus dem vollen Grid zu löschen.

Wenden wir uns dem patentierten Advanced-Time-Pressure-Verfahren von Martin zu, einer Dosiertechnik, die alle wesentlichen Einflussfaktoren kontrolliert. Hierbei wird für jeden Dosiervorgang der Druckimpuls für das exakte Volumen berechnet und überwacht. Wichtig hierbei ist, dass das Dosiervolumen unabhängig vom Füllstand der Kartusche sowie von der Temperatur ist, damit höchste Präzision gewährleistet ist. Ohne diese Technik müsste davon ausgegangen werden, dass bei zunehmend geleerter Kartusche die Dosierpunkte immer kleiner würden, und eine zuverlässige und genaue Dosierung nicht gewährleistet wäre. Hier wird eine clevere Schaltung eingesetzt, die zum einen per Drucksensor die Kartusche überwacht, und dieses Signal zur weiteren Kontrolle und Steuerung des Dosiersystems mit verwendet.

Bei diesem temperaturkompensierten Kartuschen-Luftdruck-System wird mit einer Abweichung von max. 3% des Volumens im Bereich von 0,001 bis zu 10 ccm (Dynamikverhältnis 1:10.000) mit höchster Genauigkeit dosiert. Dazu wird in der Kartusche (5, 10 oder 30 ccm), unabhängig von ihrem Füllstand, ein definierter Druck erzeugt, die selbstlernende Software erfasst Temperatur und Füllstand des Mediums – und indirekt darüber die Viskosität – sowie den Druck, und extrahiert daraus den benötigten Dosierimpuls. Der Druckverlauf von Paste oder Kleber wird während des Dosiervorgangs exakt gemessen und darüber der aktuelle Stand des Mediums in der Kartusche erfasst. Das automatisch dem Füllstand angepasste Rückhaltevakuum verhindert ein Nachtropfen des Mediums auch bei sehr dünnflüssigen, wässrigen Materialien wie Fluxer, Underfiller usw. von der Dispensnadel auf das Substrat oder die Leiterplatte. Über diese Steuerung ist es einfach, selbst nach tagelangem Ruhen die Dispensnadel mit einigen Probeschüssen frei zu bekommen und anschließend wieder mit der nötigen Präzision weiter zu arbeiten.

Das System mit seiner hochpräzisen Doppel-Pneumatik zur definierten Druckerzeugung sowie der innovativen Schaltung und Software, weist auch noch eine Kameraeinheit mit Doppelfadenkreuz zum exakten Einstellen auf. Sie erleichtert selbst Mitarbeitern, die kein großes Training absolvieren müssen, stets präzise, saubere und reproduzierbare Dosiervorgänge – und dies bei Pitchabständen bis hinunter zu 0,3 mm und für Mikropunkte mit einem geringen Durchmesser von nur 0,15 mm. Auch der rasch durchgeführte Kartuschenwechsel ist eine saubere Angelegenheit, weil er ohne Verschmutzung und somit ohne weitere Reinigungsaktionen durchführbar ist. Erwähnenswert ist, dass die pneumatischen Dosierventile aufgrund der Entwicklungsarbeit des Unternehmens schnell sind, und wesentlich niedrigere Schaltzeiten ermöglichen als vom Lieferanten ursprünglich vorgesehen. Diese exakt reproduzierbaren Schaltzeiten der Ventile ermöglichen den Anwender, mit noch geringeren Dosiervolumen und deshalb noch genaueren Pasten- und Klebervolumen zu arbeiten.

Unterstützt wird die Arbeit beim Pastendosieren von einem speziell über das Unternehmen beziehbaren Lot, das auf die Arbeit mit Mikropunkten abgestellt ist. Die Super-Fine Paste der Klasse 6 (Partikelgrößen zwischen 5 bis 15 µm) ist als bleihaltige und bleifreie Formulierung verfügbar. Sie ermöglicht – frei nach der Faustformel, dass eine kleine Pyramide aus 7 Lotpartikeln nötig sind – die Voraussetzung, eine sichere Lötstelle zu dosieren. Es ist übrigens die erste dosierfähige Lotpaste der Partikelgrößenklasse 6. Sie verhindert, dass sich feine Dosiernadeln zusetzen oder verstopfen. Mit einem Flussmittelanteil von circa 9% ist sie im hier nötigen niedrigviskosen Bereich. Die in einem speziellen Verfahren hergestellte Paste stammt von einem deutschen Hersteller.

Sehr hohe Packungsdichten auf Baugruppen oder gewölbte, gestufte oder als schiefe Ebene ausgebildete Schaltungsträger stellen automatische Dosiereinrichtungen immer wieder vor praktisch unlösbare Aufgaben, wenn es gilt präzise und zuverlässig zu dispensieren. Mit dem neuen Dosierkopf der Firma Martin, der eine automatische Höhenmesssensorik aufweist, gibt es keinerlei Probleme. Ursprünglich wurde die automatische Höhenerfassung für 3D-MID-Anwendungen (Molded Injection Devices) entwickelt. Es handelt sich um Objekte, bei denen das Kunststoffgehäuse bzw. Teile davon gleichzeitig als Bauelementeträger fungieren. Das Verfahren des Unternehmens erfasst mit einem Höhensensor automatisch den nötigen Abstand zwischen Dosierdüse und Baugruppe, definiert als Bearbeitungshöhe. Diese patentierte Technik macht in solchen Applikationen die bisherige Arbeit mit Abstandshaltern grundsätzlich überflüssig.

Nachdem es jedoch noch keine Norm für 3D-Daten dieser Art gibt, generiert unser System die Dosierdaten aus den vorhandenen 2D-Daten. Dazu wird die Höhenlage der Dosierebene (der Bauelemente-Pads) bei einem 3D-Objekt für ein Bauelement über vier Punkte erfasst, und daraus die Daten erzeugt. Die Easy Dispens Software verwendet dazu praktischerweise die Position der Dosiernadel als Indikator der Höhe zusammen mit einem DMS-Streifen (Dehnungsmessung). Das Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft hat übrigens diese Entwicklung im Rahmen des Verbundprojekts Mechatronik gefördert.

Auch bei Rework an Elektronikgeräten mit extrem hoher Packungsdichte wie Mobiltelefone ist diese neue Technik äußerst hilfreich. Allein wegen des nur noch sehr eingeschränkt verfügbaren Platzes kann oftmals nicht exakt mit herkömmlichen Dispensern gearbeitet werden. Ein gutes Beispiel dafür sind die in Handys zunehmend verwendeten weiter miniaturisierten LLPs (Lead Less Packages) oder QFNs (Quad Flat No-Lead). Auch wenn bei Reparaturen HF-Abschirmungen aus- und eingelötet werden müssen, ist die automatische Höhenmessung sehr hilfreich. Weil Abstandshalter überflüssig sind, lassen sich auch in einer eng gefassten Tiefe präzise Dosierpunkte setzen, unabhängig davon, ob ein dicht gepackter Schaltungsträger schief, gestuft oder gerade ist.

Müssen Linien bzw. Raupen dosiert werden, lässt sich das Material mit der angestrebten optimalen Gleichmäßigkeit auftragen, selbst bei unsauber fixierten oder nicht ebenen Bauelementen bzw. gestuften Abschirmungen. Neben dem präzisen und stets exakt wiederholbaren Dosiervorgang gibt es für Anwender noch weitere Vorteile: Der sonst nötige Zeitaufwand für die Offset-Justierung des Messsystems nach jedem Wechsel von Dosiernadel oder Pastenkartusche entfällt komplett.

Dosiert man per Dispenser während der Rework-Prozedur Paste auf die Lötstellen der ausgewechselten Bauelemente, ist dies natürlich ein zusätzlicher Prozessschritt. Allerdings wird dann die Komponente mit frischem Lot eingelötet und nicht nur mit Restlot oder dem per Fluxerauftrag „aufgefrischten“ vorhandenen Lot. Für die Versorgung mit neuer Paste wurden die Pads zuvor gereinigt und das alte Lot entfernt. Somit besteht wieder der ursprüngliche Zustand in der Fertigung, und die hohe Anforderungen an Qualität sowie Zuverlässigkeit dieser Lötstellen werden erfüllt. Bei Rework-Prozeduren mit Komponenten, die keine Lotdepots aufweisen, beispielsweise CBGAs und PSGAs, sollte keinesfalls das Dosieren von frischer Paste eingespart werden. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass bei Nacharbeiten mit dem Rework-Dispens oder Kleinserienfertigung mit dem Dot-Liner von Martin die (allerdings geringen) Kosten wegen der qualitativ hochwertigen und zuverlässigen Dosierung des Materials sich wieder mehr als herausspielen lassen. Hinzu kommen die einfache Handhabung der Geräte sowie die mit der patentierten Technik erzielte sehr hohe Prozess-Sicherheit.

Berücksichtigt man die Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen entsprechend des Standards IPC-A-610 C, wird deutlich, dass dieser Aufwand bei Geräten der Klasse 2 und 3 nötig ist. Klasse 2 umfasst allgemeine Industrieelektronik sowie Kommunikations- und Bürotechnik, von denen eine zuverlässige Funktion und ordentliche Lebensdauer erwartet wird. Klasse 3 steht für Hochleistungselektronik, also alle kommerziellen und industriellen Anwendungen (auch beispielsweise in der Luftfahrt), bei denen höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen. Besonders bei Klasse 3 (teilweise auch Klasse 2) ist größte Prozesssicherheit nötig. Aus diesem Grund müssen natürlich auch bei eventuellen Reparaturen die spezifizierten hohen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen der Fertigung in der Linie erreicht werden. Mit den Rework-Dispenser sowie Dot-Liner stehen dafür Geräte zur Verfügung, die mit ihrer überlegenen Technik und Innovation sowohl höchste Anforderungen erfüllen, als auch diese Arbeiten möglichst kostengünstig realisieren.

EPP 474