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Welcher Prozess ist der optimale? Jeff Schake und Clive Ashmore, DEK International, Weymouth (Großbritannien)

Strukturierungstechnologie für ultrafeine Mikroelektronik
Welcher Prozess ist der optimale? Jeff Schake und Clive Ashmore, DEK International, Weymouth (Großbritannien)

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Neue Gehäuseformen verbessern die Flächennutzung auf Leiterplatten. Um dabei eine wirtschaftliche Prozessausbeute und entsprechenden Durchsatz zu erzielen, müssen die Elektronikhersteller spezifisches Know-how über die Produktionsprozesse, einschließlich Schablonendruck, aufbauen.

Das mooresche Gesetz über die Entwicklung der Funktionsdichte bei Halbleiterchips beschreibt nur eine der Kurven, die die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Produkte beeinflusst. Fortschritte in der Gehäusetechnologie, die Herstellung von HDI-Leiterplatten und die Integration auf Systemebene tragen intensiv zu dieser Entwicklung bei. Verkleinerung der Kontaktabstände bei ICs und Steckverbindern, Verdichtung der Verbindungstechnik auf Leiterplattenebene durch Techniken wie Via-in-Pad sowie die Verkleinerung der Standard-Größen auf 0201 bis hin zu der neuen 01005 sind Beispiele für kreative Entwicklungen auf allen Ebenen der Bestückung.

Hersteller müssen diese Technologien als Bausteine in einer automatisierten Linie beherrschen, um hohe Ausbeute und hohen Durchsatz in ihrer Produktion zu erreichen. Die Ausbeutekennziffern für das Ende einer Linie werden bereits im Pre-Placement-Bereich stark beeinflusst. Um die neuesten Gehäuseformen und Leiterplatten-Designtechniken richtig einsetzen zu können, ist es wichtig zu wissen, ob und gegebenenfalls wie die anerkannten Verfahren beim Schablonendruck weiterentwickelt werden müssen.
In kürzlich durchgeführten Untersuchungen wurden die Einflüsse von 0,3 mm CSPs und SMT-Widerständen im neuen 01005-EIA-Gehäuse auf den Druckprozess untersucht. Betrachtet wurden die Druckerkonfiguration, das Schablonendesign und die Formulierung der Lotpaste.
Das 0,3-mm-CSP-Gehäuse ist ein wesentlicher Entwicklungsschritt innerhalb der SMT-Landschaft. Dieses Gehäuse erfordert eine Matrix-Druckstruktur der Lotpaste mit Rastern und Volumina, die noch vor wenigen Jahren der Halbleiterproduktion vorbehalten waren. Weitere Herausforderungen liegen in einer Zykluszeit unter 7 Sekunden bei der SMT-Produktion, in den dünnen und oft verwölbten FR4-Leiterplattenmaterialien sowie den üblichen Umgebungsbedingungen einer typischen SMD-Bestückung. Im Vergleich dazu haben die Halbleiter-Packagingprozesse die Vorteile von wesentlich größeren Zykluszeiten, perfekt-ebenen Wafern und Reinraumumgebungen.
Im Bereich passiver SMT-Bauelemente gewinnt die Standard-Gehäuseform 0201 bei Kondensatoren und Widerständen immer mehr Popularität, um die gestiegenen Anforderungen an die Flächennutzung der Designs zu erfüllen. Die nächst kleinere Gehäusegröße, 01005, wird bereits jetzt in hochtechnologische Baugruppen eindesignt. Ihre Maße betragen nur noch 0,016 x 0,008” (0,4 x 0,2 mm). Ungewissheit über die Einflüsse von Aspekten, wie etwa Eigenschaften der Schablonenöffnungen und die Wirksamkeit der Pastenübertragung, hat Ängste geschürt, ob nicht der Grabsteineffekt (Tombstoning) als wesentlicher Ausfallfaktor nach dem Reflow-Löten zurückkehrt.
Wie auch immer sich der Einfluss irgendeines dieser Aspekte darstellt und wie gut die Leistung hierfür entwickelter Lösungen ist: Die Hersteller müssen befähigt sein, Baugruppen in einer standardisierten Abfolge von Prozessschritten in einer automatisierten Linie zu produzieren, um den Durchsatz zu erhalten und die Kosten pro Baugruppe zu minimieren. Bevor diese Gehäuseformen in die SMT-Massenproduktion Eingang finden können, benötigen die Hersteller die Gewissheit, dass sie entsprechende, praktikable Produktionsprozesse einführen können.
Die Technologie des Schablonendrucks hat schon über längere Zeit nachgewiesen, dass sie mit den Entwicklungen der Elektronik-Bestückung Schritt halten kann. Das geht sogar so weit, dass die modernsten Schablonendruck-Plattformen in der gesamten Halbleiterindustrie Einzug finden. Sie werden für Packaging-Prozesse bei Bauteilen mit den kleinsten heute in Produktion befindlichen Rastern eingesetzt. Dazu gehören Waver-Bumping und Lotkugel-Montage ebenso wie Präzisions-Wavercoating für die Die-Montage. Bedeutende Halbleiterhersteller sowie die unabhängigen Packaging-Industrien haben erfolgreich die Produktionsprozesse eingeführt, die den Durchsatz liefern können, mit denen die Chip-Scale-Gehäuse jetzt in die Massenproduktion übergeführt werden. Ganz klar: Die absolute Genauigkeit der Schablonendruck-Plattformen steht für die Anforderungen der Baugruppenproduktion außer Zweifel. Die Fragen konzentrieren sich vielmehr um die Einführung optimaler Spezifikationen für Lotpasten, um Schablonentechnologien und Designregeln sowie um Qualitätsstandards für Leiterplatten.
Anforderungen bei passiven 01005-Bauelementen
In einer kürzlich bei DEK USA durchgeführten Analyse (Mass Reflow Assembly of 01005 Resistor Components, Schake, APEX 2007) wurden die Einflüsse von Pad-Layout, Schablonendesign, Eigenschaften der Lotpaste sowie Reflow-Parameter untersucht. Dabei wurde auch die Bestückung von Bauelementen im 01005-Gehäuse einbezogen. Die Analyse konzentrierte sich auf Öffnungsgrößen der Schablonen, die rechnerisch von gängigen Größen der 0201-Produktion abgeleitet wurden: Standardgrößen und Überdruckung, niedrige, mittlere und hohe Überlappungswerte von Lotpaste und Bauteilauflage sowie unterschiedliche Verschiebungen des Druckbilds (Bild 1).
Diese Arbeit hat erfolgreich das Vorurteil widerlegt, dass 01005-Bauelemente speziell anfällig seien für den Grabsteineffekt. In der Tat zeigten Versuchsergebnisse bei bewusst nur auf einem Pad gedruckter Lotpaste (das führt zu extremer Ungleichheit der Benetzungskräfte während des Reflows), dass die Neigung zur Grabsteinbildung prinzipiell niedriger ist als bei 0201-Bauelementen (Bild 2). Bei der Verwendung normaler Schablonen zum Lotpastenauftrag auf beide Pads und dem erfolgreichen Aufschmelzen bei 01005-Bauelementen wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Unter anderem wurde eine stickstoffreiche Atmosphäre und um 90 Grad verdrehte Bauelemente verwendet, um die Möglichkeit des Auftretens des Grabsteineffekts zu maximieren. Bei beiden Faktoren zeigte sich, dass bei 0201-Bauelementen der Grabsteineffekt häufiger auftrat. Bei den 01005-Experimenten wurden keine auffälligen Grabsteineffekte beobachtet. Daraus kann klar abgeleitet werden, dass die geprüften 01005-Bauelemente an sich weniger anfällig sind für die Mechanismen, die zur Grabsteinbildung führen. Eine Probe von 01005-Widerständen wurde auch in 0-Grad-Richtung bestückt, um die Einflüsse der Drehlage zu bestimmen. Es zeigte sich keinerlei Einfluss auf die Ausbeute der Bestückung.
Es wurden auch übergroße Schablonenöffnungen getestet. Sie zeigten wiederholbare und hohe Werte bei der Lotpastenübertragung. Experimente mit einer Vielzahl unterschiedlicher Öffnungsgrößen und Pad-Layouts zeigten, dass diese Ansätze zur Erreichung befriedigender Ausbeute gar nicht erforderlich sind. Darüber hinaus zeigte sich, dass bei zu viel Lot an den Pads extrem fette Lötstellen sowie aufschwimmende Bauelemente auftraten.
Der Überlappungswert (grab) bedeutet beim Schablonendesign die Überlappung zwischen der Anschlussfläche eines passiven Bauteils und der Lotpaste. Je größer die Überlappung, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Lotpaste während des Aufschmelzens den Anschluss des Bauelements benetzt. In der Praxis hängt der Überlappungswert bei jedem Anschluss eines beliebigen Bauteils ab von den Größen und Positionen der Schablonenöffnungen sowie dem Abstand der beiden Pads. Die Analyse ergab, dass ein Schablonendesign mit hohem Überlappungswert (high-grab stencil design) in Verbindung mit dem kleinsten Abstand der beiden Pads zueinander so prozesstolerant ist, dass ein Druckversatz von ±20 µm und ein Bestückversatz von ±60 µm verkraftet wird. Es wird dabei ein noch ausreichender Kontakt zwischen den Bauteilanschlüssen und der Lotpaste sichergestellt, um nach dem Reflow-Löten befriedigende Ergebnisse zu erhalten.
Ein weiterer interessanter Aspekt, der sich im Verlauf der Experimente zeigte, war der, dass bei der Verwendung Laser-geschnittener Standard-Edelstahlschablonen von 100 µm Dicke die Höhe des Lotpastendepots nahezu der Höhe des 01005-Widerstands entspricht. Wenn das Bauelement in die Paste gedrückt wird, kann es vorkommen, dass die dadurch verdrängte Paste die Saugdüse des Bestückers verunreinigt. Das hat zur Konsequenz, dass Zuverlässigkeit der Bauteilaufnahme signifikant zurückgeht. Ein häufiger Maschinenstopp zur Reinigung der Saugdüsen wird erforderlich. Die größte Verunreinigung der Saugdüsen ergab sich bei großem Pad-Abstand und geringem Überlappungswert (stencil grab). Es gibt noch Möglichkeiten, die Konstruktion der Saugdüsen-Spitzen zu optimieren, um das Auftreten der Verunreinigung mit Paste und deren Auswirkung zu minimieren.
Bei der Reflow-Lötung an Luft wurden befriedigende Ergebnisse mit bleifreier Paste mit Typ 3-Kugelgröße in Verbindung mit 100 µm lasergeschnittenen Schablonen erreicht, wenn die schon beschriebene Optimierung des Schablonendesigns in Bezug auf das Pad-Layout berücksichtigt wird. Das Auftreten des Grabsteineffekts war vergleichbar dem Ausmaß wie bei 0201-Bauelementen. Es zeigte sich, dass Löten unter Stickstoff das Auftreten des Grabsteineffekts bei 01005-Bauelementen erheblich reduziert hat.
Im Allgemeinen bevorzugen die SMT-Hersteller das Reflow-Löten an Luft. Die Tatsache, dass passive 01005-Bauelemente erfolgreich unter dieser Umgebungsbedingung verarbeitet wurden, ist beruhigend für alle, die beabsichtigen, in ihren Bestückprozessen 01005-Bauelemente einzusetzen. Andererseits wurden einige Fälle von unvollständigem Aufschmelzen des Lots beobachtet: ein Zeichen, dass das Reflow-Verhalten sehr geringer Pastenmengen noch weiter untersucht werden muss.
Teilchengröße der Paste und CSPs im 0,3-mm-Raster
Die fortschreitende Verkleinerung des Anschlussrasters ist ein dominantes Merkmal typischer CSP-Entwicklungspläne. Ausgehend von etwa dem halben Raster gegenüber BGA-Gehäusen für den Handheld-Markt, liegen CSP-Raster derzeit bei 0,4 mm und bereiten sich auf den nächsten Schritt vor: Gehäuse im 0,3 mm Raster [INEMI International Electronics Manufacturing Initiative, 2005 Packaging Roadmap Overview].
Die Auswertung einer CSP-Bestückung mit 0,3 mm Raster [Investigation into the Mass Imaging aspects of 0.3mm Wafer Level Chip Scale Package solder paste deposition, Ashmore, APEX 2007] führte zu Empfehlungen bezüglich Lotpastentyp, Schablonen-Technologie und -Dicke sowie Abmessungen der Schablonenöffnungen. Es zeigte sich, dass auch für die aktuellste CSP-Technologie hohe Ausbeuten und Zykluszeiten bis herab zu sieben Sekunden erreicht werden können. Diese schnelle Zykluszeit ist erforderlich, um CSPs im 0,3-mm-Raster in moderne High-Volume-Bestücklinien integrieren zu können.
Unter den getesteten Schablonentypen zeigten lasergeschnittene Schablonen von 50 µm und 75 µm sowie galvanogeformte Schablonen von 67 µm die besten Ergebnisse. Bild 3 zeigt die Formen und Größen der getesteten Schablonenöffnungen. Die Untersuchungen zu optimalen Abmessungen der Schablonenöffnungen umfassten auch eine Reihe kreisförmiger Öffnungen mit Designwerten um die in IPC-7525 festgelegten Werte für das Flächenverhältnis Öffnung/Wandung (area ratio). Es ist sehr wichtig, nachzuweisen, dass ein befriedigendes Öffnungsverhältnis gefunden werden kann, um zu zeigen, dass CSPs mit 0,3 mm Raster tatsächlich gemeinsam mit anderen Bauelementen im gleichen Prozess bestückt werden können.
Zusätzlich zur Untersuchung der Prozessleistung bei Lotpasten mit Kugelgrößen entsprechend Typ 3 wurden auch Ergebnisse für eine Typ-4-Lotpaste dokumentiert, die kleinere Kugelgrößen aufweist. Die Ergebnisse zeigten, dass unter Beachtung entsprechender Designregeln für die Schablone befriedigende Ergebnisse für Typ-3-Lotpasten erzielt wurden. Zuerst muss die Regel befolgt werden, dass das Öffnungsverhältnis größer 0,66 sein soll. Auf Basis dieser Regel würde bei einer 50 µm dicken Schablone ein Öffnungsdurchmesser von 180 µm für CSPs mit 0,3 mm Raster befriedigende Ergebnisse liefern. Das würde jedoch zweifelsohne Fehler bei anderen Gehäuseformen auf der gleichen Leiterplatte fördern, da so die Anwendung von Schablonen-Öffnungsgrößen verhindert würde, die ausreichende Pastenvolumina bereitstellen würden. Nachdem es das Ziel ist, Empfehlungen für einen Prozess zu finden, der verschiedene, aktuelle Gehäusetechnologien unterstützt, kann der Einsatz von Typ-3-Pasten bei 50 µm Schablonenstärke natürlich nicht befriedigen.
Eine Erhöhung der Schablonendicke auf 75 µm würde die Prozessleistung für andere Technologien verbessern. Andererseits wären Öffnungsdurchmesser über 200 µm erforderlich, um die Regel für das Schablonen-Öffnungsverhältnis bei den CSPs mit 0,3-mm-Raster einzuhalten. Diese Öffnungen wären groß genug, um zu Lotbrückenbildung zu führen.
Der Wechsel auf eine Typ-4-Lotpaste ergab ein größeres Prozessfenster: weniger Fehlerraten bei reduziertem Flächenverhältnis (area ratio). Die Ergebnisse zeigen, dass unter Verwendung einer Typ-4-Paste und einer Schablone von 75 µm Dicke bei Öffnungsdurchmessern von 170 bis 190 µm sehr geringe Ausfallraten bei den CSPs zu verzeichnen waren. Die 75-µm-Schablone ist auch besser geeignet für die Gesamt-Prozessleistung, die konventionelle Gehäusetypen mit einschließt.
Herstellungstechnologie hat Einfluss auf den Prozess
Für die Baugruppenhersteller, die einen Prozess für die Verarbeitung von CSPs mit 0,3-mm-Raster einführen wollen, ist auch die Herstellungstechnologie der Schablonen von Interesse, wie die Ergebnisse aus den Experimenten zeigen. Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass auf dem Weg zu feineren Verbindungsstrukturen auch die Anwendung optimierter Schablonentechnologien wie etwa die Galvanoformung erforderlich wird. Die Nahaufnahmen der Schablonenöffnungen in Bild 3 zeigen, dass Galvanoformung tatsächlich glattere und gleichmäßigere Öffnungen ergibt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass bei Verwendung einer Typ-4-Paste der Einfluss der Schablonentechnologie relativ gering ist.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass CSPs mit 0,3-mm-Raster mit relativ wenigen Anpassungen in einen existierenden Prozess eingefügt werden können. Geeignete Pastendepots können bei Verwendung hochwertiger, lasergeschnittener Schablonen mit einer für reifere Gehäusetechnologien geeigneten Dicke gedruckt werden. Ein Flächenverhältnis unterhalb des Standardwertes sorgt dafür, dass bei den CSPs kein übermäßiges Pastenvolumen entsteht. Die Verwendung von Typ-4-Paste ist empfehlenswert. Sie schützt vor Fehlern wegen Lotmangels bei den CSP-Pads.
Prozesskenntnisse für die nächste Generation
Auf den ersten Blick sieht es oft so aus, als ob die neuesten und fortschrittlichsten Gehäusetechnologien einen Quantensprung bei den verwendeten Materialien und Prozessparametern erfordern, um in der Produktion beherrschbar zu sein. In der Zwischenzeit wurden beträchtliche praktische Erfahrungen gesammelt und es zeigen sich einfachere Lösungsansätze.
Sowohl bei Versuchen als auch in der Produktion konnten befriedigende Ergebnisse bei passiven 01005-Bauelementen und CSPs mit 0,3-mm-Raster erzielt werden. Ein erfolgreicher Bestückprozess für 01005-Widerstände konnte gezeigt werden: 100 µm Schablonendicke, Typ-3-Lotpaste und eine Vielzahl von Padgrößen bei Oberflächen aus Kupfer/organischer Oberflächenpassivierung OSP fanden Verwendung. Ein Standard-Reflowprozess produzierte eine Anzahl von Grabsteineffekten, die mit der einer 0201-Bestückung vergleichbar ist. Die Anzahl kann für 01005-Bauelemente durch Verwendung einer Stickstoffatmosphäre reduziert werden.
Mit Lotpasten vom Typ 3 können bei einem Bestückprozess mit CSPs mit 0,3-mm-Raster befriedigende Ausbeuten erreicht werden. Voraussetzung ist, dass die Regel für das Flächenverhältnis größer als 0,66 aus IPC-7525 eingehalten wird. Um ein größeres Prozessfenster zu erreichen, das für hochvolumige Produktionen von Baugruppen mit verschiedenen Gehäusetechnologien geeignet ist, wird der Einsatz einer Typ-4-Paste empfohlen. Als optimal für das Pre-Placement von CSPs mit 0,3-mm-Raster hat sich folgende Konfiguration von Materialien und Prozessparametern herausgestellt: qualitativ hochwertige, Laser-geschnittene oder galvanogeformte Schablonen mit 75 µm Dicke in Verbindung mit Öffnungsdurchmessern von 170 bis 190 µm. Die Einflüsse von Rakeleigenschaften und Reflow-Atmosphäre müssen noch weiter untersucht werden.
Ganz allgemein gilt, wie bei allen Prozessen an vorderster Technologiefront: Die wichtigste Empfehlung bei der Suche nach optimalen Prozessparametern für High-Volume-Produktionen ist, ein bestmögliches Verstehen der Eigenschaften von Materialien und beteiligten Mechanismen zu erreichen.
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