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Punktschweißen heißt die Lösung

Hochpräzise Stufen in Lotpasten-Stencils
Punktschweißen heißt die Lösung

Für die StencilLaser P 6060 und G 6080 hat der Laserspezialist LPKF Verfahren entwickelt, die bei Edelstahlfolien für den Lotpastendruck lokale Vertiefungen oder Verstärkungen erzeugen. Die große Vielfalt an elektronischen Bauteilen mit unterschiedlichen Ausmaßen verlangt ganz unterschiedliche Anschlussflächen. Mit den serientauglichen Verfahren lassen sich Step-Stencils im eigenen Haus herstellen.

LPKF, Garbsen

Der Lötkolben hat in der industriellen Elektronikfertigung ausgedient. Stattdessen wird Lotpaste durch hochpräzise Edelstahlschablonen – Stencils – auf die Leiterplatte gedruckt. Stufenschablonen variieren das Lotpastenvolumen lokal und liefern genau die richtige Menge für unterschiedliche Bauteile bei der Leiterplattenbestückung. Im SMD-Lotpastenstencil werden dazu lokale Vertiefungen (Step-Down) eingebracht oder Verstärkungen (Step-Up) hergestellt. Das ermöglicht das Bestücken mit SMD-Bauteilen mit geringem Pitch (z.B. fpBGAs) oder mit robusten Anschlusskomponenten wie Steckern in einem Arbeitsgang. Bislang wurde jede Stufenschablone in einem eigenen Prozess vor dem Laserschneiden erzeugt – durch Ätzen oder Fräsen der abzusenkenden Folienbereiche. Nachträgliche Änderung oder Korrektur ist indessen schwierig. Meist wird hierzu ein externer Dienstleister beauftragt, wodurch zusätzlicher Zeitaufwand entsteht.
Der in umfangreichen Testläufen von einem Applikationsteam des Laserherstellers entwickelte und optimierte Produktionsprozess ist gut geeignet, um definierte Materialmengen abzutragen oder Verstärkungen aufzuschweißen. Das belegt auch eine vom Hersteller durchgeführte Studie zu den Effekten, die bei der gezielten Modifizierung der Materialstärke auftreten.
Lokale Vertiefungen für enge Anschlussflächen
Step-Down-Stencils weisen Vertiefungen an Positionen auf, an denen auf der Leiterplatte hochintegrierte Bauteile vorgesehen sind. Eng beieinander liegende Anschlussflächen erfordern eine reduzierte Lotpastenmenge, und diese wird durch eine geringere Stärke der Druckschablone erreicht: Der Laser verdampft mit jedem Puls winzige Mengen des Folienmaterial.
Die im LPKF Tech-Paper „Herstellung von Step-Down-Stufenschablonen“ diskutierten Versuchsreihen betrachten ein komplexes Konglomerat von Einflussfaktoren wie Maschinenparameter, Aufbereitung der CAM-Daten, Einfluss der Prozessgasparameter (Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft), Pulsabstand und mittlere Streckenleistung. Besonders Augenmerk wurde auf nichtlineare Effekte der Pulsweite gelegt, um ein sicheres Bearbeitungsfenster zu identifizieren. Für einen gleichmäßigen Abtrag und eine geringe Rauigkeit haben umfangreiche Versuche eine Eindringtiefe von rund 10µm als idealen Wert identifiziert. Die Stufentiefe von Step-Down-Stencils lässt sich durch mehrfaches Abfahren linear einstellen. Die erste Stufe ist lediglich 2μm tief um die die härtere Walzhaut der Oberfläche abzutragen. Dann erzeugt jede weitere Bearbeitung eine Stufe von rund 10μm. Durch mehrfaches Abtragen lassen sich praxisübliche Eindringtiefen von 20, 30 oder 50µm erzielen. Wird dem aufgeschmolzenen Material Sauerstoff zugeführt, steigt die Fließfähigkeit. Stickstoff hingegen isoliert die Schmelze von der Umgebungsluft und schränkt die Reaktion auf ein Minimum ein. Die Mehrfachbearbeitung verhindert außerdem eine Zunahme der Rauheit bei steigender Streckenleistung. Dem hierfür notwendigen höheren Zeitaufwand steht der Vorteil einer genau einstellbaren Stufentiefe gegenüber. Entsteht beispielsweise im Single-Pass ab einer Stufentiefe von 22μm eine Rauheit größer 1μm bietet sich trotz der längeren Bearbeitungsdauer ein mehrfacher Abtrag an. Dabei übertrifft die erzielte Präzision der Stufe herkömmliche Verfahren und die Qualität der Schnittkanten im abgesenkten Bereich leidet nicht unter der Materialreduktion.
Step-Up-Stufenschablonen mit dem Laser erzeugen
Mit dem StencilLaser G 6080 lassen sich auch Step-Up-Stencils durch ein gezieltes Aufschweißen von Verstärkungsfolien im Druckbereich herstellen. Dabei ermöglichen angepasste Prozessparameter ein festes Verbinden von Materialien verschiedener Stärken. Die Anwendungspalette ist breit, da sich das vielseitig einsetzbare Verfahren insbesondere auch für anspruchsvolle Elektronikanwendungen eignet
Für die Produktion von Step-Up-Stencils bei Stufenschablonen wurde bislang mit Subtraktivtechniken wie Ätzen oder Fräsen großflächig Material abgetragen. Eine Bearbeitung mit dem Laser ist hier meist zeit- und kostenintensiv. Ferner kann Laserstrahlung einen starken thermischen Verzug verursachen. Auch konventionelles Schweißen mit einer kontinuierlichen Schweißnaht (CW-Schweißen) bringt gravierende Nachteile mit sich. So entstehen beispielsweise unterschiedliche Schweißtiefen durch Beschleunigungs- und Bremsrampen entlang der Schweißbahn. Aber auch ein Aufwölben vom Material im Innenbereich ist möglich, da nur an den Rändern verschweißt wird.
Mit dem neuen Schweißverfahren lassen sich Step-Up-Stufenschablonen mit der Additivtechnik realisieren. Dabei erzeugt der Laser mit einem einzelnen Laserpuls einen Schweißpunkt, die Schweißtiefe steuern Laserparameter. Das Punktschweißen hat sich bereits für die Metallverbindung mit geringem Materialverzug bewährt. Zudem realisiert der StencilLaser diese Funktion bereits mit dem Punchen – einem Verfahren, bei dem ohne Eingriffe am System Einzelpulse präzise Löcher erzeugen.
Einflussfaktoren und ihre Auswirkung
Die Eignung des Verfahrens zur Herstellung von Step-Up-Stufenschablonen veranschaulichen Parameter wie etwa das Prozessgas, die Höhe des Schmelzaufwurfs, die Schweißpunkttiefe, Pulsweite, CW-Leistung und die Scherfestigkeit. Daher hat der Laserhersteller diese Faktoren getestet. Es zeigte sich, Prozessgas hat – genau wie bei herkömmlichen Lotpastenschablonen – Einfluss auf das Endergebnis. So wirkt sich zum Beispiel die exotherme Reaktion von Sauerstoff aus. Je höher der Sauerstoffgehalt, desto mehr Material wird auf der Oberfläche aufgeworfen und desto tiefer geht die Schweißung in das Material. Dagegen erzielt Stickstoff als Prozessgas die höchste Schweißqualität bei minimalem Wärmeeintrag.
Ein weiteres zentrales Kriterium ist die Schweißpunkttiefe. Einerseits ist eine möglichst große Verbundfläche gewünscht, andererseits darf der Materialverbund nicht durchlöchert werden. Mit zunehmender Energie steigt jedoch die Schweißtiefe. Da die Fokusposition somit den größten Einfluss hat, sollte so weit wie möglich im Fokus gearbeitet werden.
Auch die Pulsweite und die CW-Leistung üben einen ähnlichen Einfluss auf Oberflächen- und Verbunddurchmesser sowie die Schweißtiefe aus, da auch sie von der eingebrachten Leistung abhängen. Die Pulsweite bietet indessen den größten Einstellbereich. Schweißtiefen bis 200μm lassen sich linear einstellen. Es bietet sich daher an, unter den drei Eingangsgrößen CW-Leistung, Pulsweite und Fokuslage lediglich die Pulsweite zu variieren und die CW-Leistung und die Fokuslage konstant zu halten.
Weitere wichtige Prozesskennzahlen für die Erstellung von Step-Up-Schablonen sind die Genauigkeit der Stufenplatzierung und die Herstelldauer der mit dem Laser geschnittenen Blenden. Hier erlauben die geschickte Kombination mit der Reload-Funktion der StencilLaser und eine optimierte Prozessfolge ein auf 20μm genaues platzieren der Stufen. Das reduziert den Mindestabstand weiterer Blenden zur Stufe auf ein Minimum. Der zeitliche Aufwand, um eine Stufenschablone herzustellen, hängt von der Anzahl und dem Abstand der einzelnen Schweißpunkte ab. So kann die Performance mit 0,5mm Abstand zwischen den Schweißpunkten deutlich unter 1 Sekunde pro Quadratmillimeter Stufenfläche liegen.
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