Pastendruck auch für Exoten

Jürgen Jess, DEK, Bad Vilbel

Für das Pin-in-Paste-Verfahren müssen jedoch einige Gegebenheiten vorausgesetzt werden, denn nicht alle Bauteile, wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren und Relais, vertragen die hohe Erwärmung im Reflow-Ofen. Eine weitere Voraussetzung für den Reflow-Vorgang ist auch der „built in stand off“ (Abstandshalter zwischen Bauteilkorpus und Leiterplatte, Bild 1) beim Ge-häuse des Bauteils. Auch die Wärme des Ofens muss an die Lötstellen gelangen können. Die Wärmeabschattung, häufig gegeben bei vielreihigen Steckerleisten, verhindert das Reflow-Löten. Befinden sich also diese Bauteile auf der Baugruppe, so lässt sich ein Reflow der bedrahteten Bauelemente nicht anwenden. Hier bleibt dann die Auswahl der sequentiellen selektiven Lötwelle oder das Hub-Tauch-Lötverfahren. Weitere Möglichkeiten sind Lötroboter, Lichtlöten, Laser-Löten, Heißgas und Mini-Flamme. Allen gemeinsam, ausgenommen dem Hub-Tauch-Verfahren, ist das sequentielle Abarbeiten von Lötstelle zu Lötstelle und damit verbunden der Zeitfaktor. Das Hub-Tauch- oder auch Stempellöt-Verfahren ist zwar parallel, verlangt aber ein spezielles Werkzeug und ist damit kostenintensiv.

Der „built in stand off“ des Bauteils (z.B. der Steckerleiste) ist eine wichtige Voraussetzung. Als „stand off“ bezeichnet man den Abstand der Bauelementeunterseite zur Leiterplatte. Würde der Bauteilkörper diese Abstandhalter nicht aufweisen, so läge er nach dem Bestücken plan auf dem Pastendepot auf. Dieses ist je nach Bestückungskraft somit etwas breitgequetscht. Mit Durchlaufen der Reflow-Strecke bleiben dann häufig einzelne Pastenperlen im Umfeld des Bauelements liegen.

Auch das Verhältnis Bohrungsdurchmesser zu Pin-Durchmesser ist besonders für die automatische Bestückung eine zu berücksichtigende Komponente. Ist der Pin-Durchmesser zu groß, wachsen die notwendigen Bestück- oder Einsetzkräfte oft über die vom Bestücker machbare Leistung hinaus. Quadratische oder rechteckige Pin-Querschnitte erfordern weniger Bestückkraft als runde Anschlussbeine. Hier wird bei den rechteckigen Formen die Ausdehnung der Pin-Diagonalen mit dem Durchmesser des runden Pin verglichen. Außerdem verlangt der rechteckige Pin etwas weniger Pastenvolumen wenn die Voraussetzung berücksichtigt ist, dass runde Anschlusspins einige zehntel Millimeter kleiner sein sollten als der Bohrdurchmesser der Durchkontaktierung. Bei rechteckigen Pins kann die Pin-Diagonale größer ausgewählt werden.

Die Prozessschritte sind: Drucken der Paste für die SMT- und THT-Bauteile in und um die Durchkontaktierungen herum. Dann folgt die Bestückung der SMT-Komponenten und der bedrahteten Bauteile. Der Reflow-Vorgang der gesamten Leiterplatte schließt den Bestück- und Lötprozess ab.

Mit möglichst einem einzigen Rakel- oder Druckvorgang wird mit Hilfe der Schablone das Pastenvolumen sowohl für die Reflow-Komponenten als auch für die Pin-in-Paste-Komponenten aufgetragen (Bild 2).

Problemzonen und Restriktionen dabei sind:

• das Erreichen des richtigen Pastenvolumens,

• die THT-Bestückung auf das bestückte und bedruckte Board sowie

• die Pin-Längen der Durchsteckbauteile.

Außerdem muss der Pin-in-Paste-Prozess in das Prozessfenster des SMT-Reflow passen. So muss die Schablonenstärke auf die bestückten SMT-Bauteiltechnik der Baugruppe (beispielsweise Fine-Pitch) ausgerichtet und abgestimmt sein. Rakeldruck, -geschwindigkeit und -winkel sowie eventuell vorgeschriebene oder qualifizierte Paste gilt es dabei zu berücksichtigen.

Eine sehr wichtige Voraussetzung liegt in der wohlüberlegten Auslegung des Stencils, also im Schablonendesign, weil der Metallanteil der Paste nur 50% des gesamten Pastenvolumens beträgt. Dies bedeutet, dass nach dem Reflow nur noch das halbe Volumen verbleibt, um für eine gute elektrische Verbindung und qualitativ hochwertige Lötstellen zu sorgen. Die Füllung der Leiterplatten-Durchkontaktierungen mit Paste während des Druckens ist enorm wichtig und wird später noch weiter beleuchtet. Häufig erfolgt auch ein Überdrucken der Kupfer-Pads der Leiterplatte.

Die bedruckten Löcher der Durchkontaktierungen sind nicht mehr sichtbar, wie Bild 3 zeigt. Für einen automatischen Bestückungsvorgang ist dieses sicher kein Problem. Aber wie soll bei einem manuellen Einsetzen der Mensch die Position der Bohrungen erspüren, besonders dann, wenn großflächig oder asymmetrisch überdruckt wurde? Eine Alternative bieten hier Pastendepots mit Markierungen, wie es die drei rechten Pads in Bild 3 darstellen. Diese werden in die Ausbruchformen des Maske mit eingebracht.

Für eine vollständige Füllung der Durchkontaktierung nach dem Lötvorgang gilt, dass das gedruckte Pastenvolumen in der Bohrung (Durchkontaktierung) plus dem Volumen auf dem Lötauge etwa dem zweifachen Volumen, das in der Bohrung abzüglich des Volumens des Bauteilpins als aufgeschmolzenes Zinn verbleibt, entsprechen muss. Für eine deutliche Ausformung des „Fillets“ (Meniskus) sind etwa 25% Volumen mehr zu drucken (d.h. das Pastenvolumen wird deutlich als „Spagetti“ auf der Unterseite der Leiterplatte herausgedrückt).

Für ein effektives Schablonendesign verfügt DEK über ein Tabellenkalkulationsprogramm. Dieses berechnet in Abhängigkeit der gewünschten Schablonendicke und der Bohrungs- und Pin-Durchmesser die Ausbruchgrößen und eventuell die notwendigen Formen der asymmetrischen Bedruckung.

Befinden sich mehrere Pin-in-Paste-Bauteile unterschiedlicher Bauart auf einer Baugruppe, bedarf es etwas mehr Überlegung in der Definition der Ausbruchgrößen und Formen in der Schablone. Dieses gilt besonders dann, wenn die Durchmesser der Durchkontaktierungen und der Bauelemente-Pins unterschiedlich sind. Das Pastenvolumen muss nämlich über die Ausbrüche gesteuert werden, weil ja die Druckparameter für alle Bohrungen identisch sind (Bild 4). Ist der Stencil nicht darauf ausgelegt, besteht die Gefahr von zu wenig Volumen bei den Bohrungen mit kleinem Durchmesser oder von zu viel Paste (Spaghetti) bei den Bohrungen großer Ausdehnung. Abhilfen können hier mit dem Stencil-Design geschaffen werden. Stege in der Schablone über den Durchkontaktierungen (Bild 5) dienen als Bremsen für den Pastenfluss (Bild 6). Die Breite wird bestimmt durch die Druckparameter, die unterschiedlichen Durchmesser der Durchkontaktierungen sowie des geforderten Pastenvolumens, bestimmt durch die beschriebene Berechnungsgrundlage.

Kann kein ausreichendes Pastenvolumen mit der bevorzugten Schablonenstärke für den normalen Reflow-Prozess, den gewählten Druckparametern etc. erreicht werden, bleiben noch weitere Möglichkeiten:

• Stufenschablone in geätzter oder additiver Ausführung. Die Vor- und Nachteile wurden im Artikel „Schablone für mehrere Pastenhöhen“ in EPP 4-5/2002 bereits beleuchtet. Anzumerken gilt noch, dass das Zinnvolumen hauptsächlich über den Füllgrad der Durchkontaktierung gewonnen wird. Weniger ausschlaggebend oder letztlich nur noch Feinjustage ist die Öffnungsgröße im Stencil.

• Erster Druck mit der normal dicken Pastenschablone (z.B. 150 µm), zweiter Druck mit einer sehr dicken (z.B. 1 mm) „Pumpprint“-Schablone (Bild 7). Dieser Schablonentyp beinhaltet auf der Leiterplattenseite freigestellte/gefräste Bereiche, die sich wie eine „Käseglocke“ über die noch nassen Pastenaufträge der Standard-SMT-Komponenten während des zweiten Drucks stülpt. Die Nachteile des zweifachen Drucks liegen allerdings auch auf der Hand. Es sind zwei Schablonen notwendig und die Zeit für den zweiten Druck und die Zwischenlagerung in Magazinen ist zu berücksichtigen. Oder ein zweiter Drucker ist in der Linie zu installieren. Allerdings können darin auch Vorteile liegen. So könnten die Druckparameter auf die individuelle Anwendung abgestimmt sein. Das 60°-Rakel für den Pastendruck der SMT-Bauteile und eventuell ein 45°-Rakel für den Druck mit der dicken Schablone wären denkbar.

Die Erhöhung der Bohrungsfüllung für das korrekte Pastenvolumen zum Löten der bedrahteten Bauelemente ist eventuell auch erreichbar, wenn der Rakeldruck erhöht und/oder die Rakelgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Auch kann man den Winkel des Rakels von 60° auf 45° herabsetzen und das Volumen der Pastenrolle erhöhen, damit das Zeitfenster der senkrechten Kraftkomponente auf die Paste größer wird, während diese über der Stencil-Öffnung liegt. Ungeliebt dagegen ist eher der Doppeldruck. Positiv zeigt sich die Benutzung des geschlossenen Rakelsystems Proflow (Bild 8). Der Füllgrad ist im Vergleich zum Rakel hier wesentlich einfacher zu realisieren. Alle Änderungen, wie die Auswahl der Druckparameter, der Schablonenstärke etc., müssen in den normalen SMT-Prozess passen.

Nach dem Bestücken mit den Pin-in-Paste-Bauteilen hängt das in die Durchkontaktierung und aus ihr herausgedrückte Pastenvolumen fast vollständig am Bauteil-Pin. Die Pin-Länge der Anschlussstifte sollte nicht deutlich über die Dicke der Baugruppe hinaus gehen. Als Richtwert empfiehlt sicheine Pin-Länge, die weniger als 1,5 mm länger als die Baugruppe dick ist. Warum? Mit dem Aufschmelzvorgang während des Reflow würde zuviel Zinnverlust auftreten, das als Benetzungsvolumen am Stift verbleibt. Also sollte die Pin-Länge gerade so groß gewählt werden, wie sie für eine spätere Qualitätsbeurteilung der Lötung und die mechanische Festigkeit notwendig ist. Außerdem sollte auf einen möglichst erschütterungsfreien Transport der Leiterplatte nach dem Setzen der Pin-in-Paste-Bauteile geachtet werden. Es besteht sonst die Gefahr eines Herabtropfens der Paste.

Meist ist ein ganz normales Reflow-Profil erfolgreich. Lediglich auf den eventuell erhöhten Energiebedarf und auf möglicherweise auftretende Abschattungseffekte muss mit Veränderung der Lötparameter Rechnung getragen werden. Der Pastenpfropfen am Bauteil-Pin zieht sich mit Erreichen der Aufschmelztemperatur durch die Be-netzungskraft am Bauteilstift hoch und letztlich wird das nun verbliebene Zinnvolumen durch die Kapillarwirkung quasi in die Durchkontaktierung gesogen.

Eine so deutliche Ausprägung des Fillets (Meniskus) wie beim Wellenlöten kann mit dem Reflow-Verfahren nicht zwangsweise erreicht werden. Hier ist damit meist ein Umdenken in der Beurteilung einer Lötstelle gefordert. Die Ausformung des Fillets als Beurteilungskriterium der Lötung muss meist anders definiert werden. War, oder ist die Ausprägung des Meniskus nicht sowieso nur ein Alibi oder ein Beurteilungskriterium für eine erhoffte, möglichst lunkerfreie Füllung der Durchkontaktierung?

Ein gutes Ergebnis zeigt Bild 9. Die Qualität der Lötung, die Ausformung des Fillets und die Vereinbarkeit mit den Reflow-Bauteilen, insbesondere auch den Fine-Pitch-Komponenten, wurden hier unter Beweis gestellt. Die Schwierigkeit liegt meist in der Vereinbarkeit mit den Fine-Pitch-Bauteilen – eine gute Benetzung der Anschlussflächen an der Anschlusskappe und den Frontenden der Anschlusspins der QFPs sowie gleichzeitig eine möglichst lunkerfreie Zinnfüllung der Durchkontaktierungshülsen und eine möglichst qualitativ hochwertige Ausformung der Menisken auf der Ober- und der Unterseite der Baugruppe.

Erinnern wir uns an die grundsätzlichen Regeln. Das Pasten- und damit das Zinnvolumen ist verantwortlich für die Ausformung des Fillets und eine möglichst von Schadstellen freie Zinnverbindung in der Durchkontaktierung. Weitere Möglichkeit für qualitativ gute Ergebnisse liegen in der CAD/CAM-Datenbearbeitung – im Schablonendesign.

Bei beidseitig bestückten Baugruppen besteht die Möglichkeit, mit dem ersten Bestückungsvorgang schon auf der Unterseite der Leiterplatte ein Zinnvolumen zu platzieren. Der Trick liegt in der Auswahl des lnnendurchmessers des „Kleeblatts“ (Bild 10). Eine Benetzung der Innenwand der Durchkontaktierung soll vermieden werden, sonst verengt sich der Bohrdurchmesser während des Aufschmelzprozesses im ersten Reflow-Vorgang. Danach wird die klassische Reflow-Seite der Baugruppe mit Paste in und um die Durchkontaktierungen herum bedruckt. Die Größe des Überdruckens wird abgeleitet aus den Ergebnissen der Excel-Tabelle.

Die Bild 11 zeigt in grauer Farbe die Auflagefläche des Pin-in-Paste-Bauteilkörpers auf der Leiterplatte. In gelber Umrandung dargestellt ist die original Kupferfläche des Leiterplattenlayouts. Damit entstand hier eine Konfliktsituation. Durch die Toleranzen des Bauteilkörpers selbst und auch durch die Lagetoleranz bei der Bestückung würde der Körper teilweise indas Pastendepot eingesetzt (grün markierter Bereich). Weiterhin bestand der Wunsch nach einem leichten Überdrucken, um etwas Pastenvolumen zu gewinnen. Die rot markierte Fläche zeigt das Ergebnis der CAD/CAM-Arbeit. Durch eine Verschieben der Öffnung in dem Stencil gegenüber der Kupferfläche der Leiterplatte ist die Konfliktzone beseitigt und gleichzeitig ein leichtes Überdrucken möglich.

Lassen sich die Randparameter des SMT-Reflow mit den Parametern des Pin-in-Paste-Verfahrens kombinieren, so stellt dieser Prozess eine echte Alternative zum traditionellen Wellenlötverfahren dar. Zugleich kann eine Kostenreduzierung wegen weniger Fertigungsschritte und weniger Kapitalbindung in Fertigungseinrichtungen erzielt werden.

Für den Start kann oft zuerst mit den normalen SMT-Einstellungen am Drucker und für die Parametrierung des Ofens begonnen werden. Die Einstellung des Drucks und die Feinjustage des Ofenprofils lassen sich relativ leicht am Objekt einer Erprobung experimentell optimieren. Fazit: es ist nicht so schwierig wie es scheint. Kritische Betrachtung sollte der Schattenbildung im Ofen zukommen. Wegen der meist hoch aufragenden Gehäuseformen der Pin-in-Paste-Komponenten kann ein Abstand zum Reflow-Nachbarn notwendig sein. Wichtig ist der „built in stand off“ der bedrahteten Bauelemente und deren Temperaturstabilität bei den durch den Prozess gegebenen hohen Belastungen im Reflow-Ofen.

Ein weites Überdrucken auf den Lötstopplack birgt die Gefahr der Perlenbildung, wobei das Zinnvolumen letztlich nicht in der Fläche der Schablonenöffnung gewonnen wird, sondern über den Füllgrad der Durchkontaktierung. Für die Ausformung eines guten Fillets muss deut-lich durch die Durchkontaktierung hindurch gedruckt werden.

Als ein wichtiges Instrument für eine erfolgreiche Anwendung ist hier ganz besonders auch die Lotpastenschablone in Betracht zu ziehen. Ein gut durchdachtes, auf DEKs Erfahrungen basierendes Stencil-Design ermöglicht gute Erfolgsaussichten schon bei der ersten Erprobung und ist auch die Antwort auf die Leiterplatten in der Mixtur der Pin-in-Paste- und der Fine-Pitch-Technik.