Wirtschaftlich trotz kleiner Stückzahlen

Die minimalen Abmessungen von Bauformen wie der 0201 (metrisch), nicht zu verwechseln mit der seit Ende der 90er-Jahre bekannten zölligen Variante von 0201, stellen hohe Anforderungen an die Schablonenqualität, die Leiterplattenebenheit und die Sauberkeit der Druckumgebung (einschließlich der Schablonenunterseitenreinigung im Drucker). Je nach gewählten Pad-Abmessungen kommen für diese Zwerge Schablonendicken um 40 µm zum Einsatz. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Größen im normalen Umfeld der Oberflächenmontage bereits durch einen unvorteilhaften Lotmaskenauftrag, den Bestückungsdruck oder Partikel auf dem Substrat erreicht werden. Das heißt ein Fussel auf der Leiterplatte kann schnell den Pastenauftrag an dieser Stelle verdoppeln.

Dazu kommt der hohe Pastenbedarf größerer Bauteile wie Steckverbinder, die sich auf der gleichen Baugruppe befinden. Mit zunehmender Funktionalität der Baugruppe wächst auch die Pin-Zahl der Steckverbinder und damit die Abmessung des Bauteils. Was zu weiteren Herausforderungen bei der Koplanarität und Formtreue im Lötprozess führen kann. Ein gesteigertes Pastenvolumen hilft hier Fehler zu vermeiden. Diese Anforderungen begegnet die Stufenschablone mit der Möglichkeit jedem Bauteil die richtige Pastenmenge anzubieten. In Kombination mit der richtigen Oberflächenveredelung, zum Beispiel einer elektropolierten Schablone mit PLASMA Beschichtung, lassen sich auch kleine Stückzahlen ohne lange Andruckphasen direkt produzieren.

Wichtig ist dabei eine bestmögliche Vorbereitung der Produktion. Ein stabiler Druckprozess braucht ein an die produktspezifischen Gegebenheiten angepasstes Layout und eine hohe Schablonenqualität. Meist wird hier die Pad-Geometrie als Ausgangswert für das Öffnungslayout verwendet. Aktuelle Bauformen ohne Anschlussbeinchen oder Balls dagegen erzeugen Lötverbindungen, deren Gelingen an ein bestimmtes Lotvolumen gebunden ist. Hier genügt es nicht mehr das Pad umlaufend zu reduzieren.

Oft ist eine Kalkulation des richtigen Lotvolumens notwendig, um den Prozess sicher zu ermöglichen. Dieser Vorgang bedingt einen zusätzlichen Informationsaustausch und eine exakte Kalkulation des zu druckenden Pastenvolumens. Relevante Parameter dabei sind: Anschlussgrößen am Bauteil, Pad-Größen auf dem Substrat, Ebenheit der Substratoberfläche und weitere Forderungen des Gesamtprozesses. Mit diesen Größen kann die Kalkulation beginnen und ein Layoutvorschlag erarbeitet werden, der dann in das konkrete Produkt implementiert wird. Beispielsweise sollten Durchkontaktierungen in Pads nicht bedruckt werden, somit wird das Pastendepot hier ausgespart, um Probleme im Prozess zu minimieren.

Extremer Anwendungsfall der Stufenschablone ist die 3D-Schablone, die es ermöglicht Lotpaste auf unterschiedliche Ebenen zu drucken, die sich in der Höhe bis in den Millimeterbereich unterscheiden können. Solche Prozesse kommen zur Anwendung, wenn Bauteile in das Substrat versenkt werden oder unterschiedlich dicke Leiterplatten miteinander verarbeitet werden müssen, da sie über flexible Anbindungen untereinander verbunden sind.

Der Schablonendruck bietet bei guter Vorplanung einen stabilen, exakten Lotpastenauftrag. Er ist unabhängig von der Stückzahl der gefertigten Produkte und garantiert minimale Taktzeiten. Alternative Auftragsverfahren wie das Dispensen sind dem Lotpastendruck hinsichtlich der Flexibilität überlegen, stellen aber sehr hohe Anforderungen an das Prozesswissen des Anlageneinrichters. Vergleichsweise geringe Auftragsgeschwindigkeiten bremsen den Linientakt, hohe Materialkosten verbieten große Stückzahlen und die minimal möglichen Punktgrößen verhindern einen Einsatz bei kleinsten Bauformen.

Für die volle Entfaltung der Vorteile des Schablonendrucks ist eine detaillierte Vorplanung notwendig. Speziell bei den Substraten ist es sinnvoll die Ebenheit im Vorfeld zu betrachten, damit der Druckprozess ohne Einschränkungen möglich ist. Durch Lötstopplack, Via-Pluggings oder andere Erhebungen auf der Oberfläche kann der Druckprozess erheblich eingeschränkt werden. Sind die kritischen Stellen bekannt, helfen Freistellungen in der Substratseite die Auswirkungen zu minimieren oder sogar ganz zu kompensieren. Das neue Application Center der Christian Koenen GmbH kann mit seiner Druckerlinie die Produktionsbedingungen exakt nachstellen und ermöglicht so eine exakte Bewertung der Druckbarkeit. Auch Vergleichsstudien sind möglich um die Auswirkungen auf die Druckbarkeit von Layoutänderungen direkt bewerten zu können.

Der Vortrag stellt die Notwendigkeit eines guten Schablonenlayouts in den Mittelpunkt und betrachtet dabei auch die Potenziale der einzelnen Schablonenoptionen bezüglich der Aufweitung des Prozessfensters und damit der Stabilität des Produktionsprozesses. Die Motivation zum Aufbau der Druckerlinie im Application Center wird erläutert und die Notwendigkeit des Schrittes zum Linientakt aufgezeigt. Produktionsnahe Druckbedingungen in Kombination mit den wirklichen Taktzeiten der Produktionslinie ermöglichen eine exakte Nachbildung der Prozesse.