21. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg

Aktuelle Herausforderungen in der SMT-Bestückung bewältigen

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Qualität und Eigenschaften von Endprodukten werden durch die eingesetzten Bauteile und Materialien maßgeblich beeinflusst. Durch die zunehmende Miniaturisierung und Komplexität der Baugruppen sind Elektronikfertiger mehr und mehr gefordert, mit ihrer SMD-Fertigung Schritt halten zu können. Die Veranstaltung stellte in diesem Jahr die hierfür notwendigen Prozesse in den Mittelpunkt der Vorträge und Diskussionen. Experten aus der Branche brachten dazu ihr Know-how an die Oberfläche und berichteten über Wege, Methoden und Stolpersteine aus ihrer täglichen SMT-Praxis.

Die Veranstalter ASM Assembly Systems, Asys Group, Balver Zinn, Christian Koenen, kolb Cleaning Technology und Rehm Thermal Systems präsentierten in diesem Jahr ein Programm, das den Teilnehmern mögliche Bedenken innerhalb ihrer Fertigung von Surface Mount Technology nehmen sollte. Das angenehmen Ambiente des Tagungsortes in Verbindung mit den Vorträgen rund ums Thema eröffnete die Möglichkeit zum ausgedehnten Erfahrungsaustausch und Networking im Teilnehmerkreis sowie den Referenten und Veranstaltern des Kollegs.

So zogen sich die Vorträge entlang der generischen Kette einer Baugruppe insgesamt, beginnend mit der Leiterplatte über die Inspektion und den Pastendruck durch die SMD Technologie, um am Ende der Veranstaltung das eine oder andere neue mitnehmen zu können, wie Moderator Dr. Hans Bell von Rehm Thermal Systems vorab einführend erklärte. Dass das Thema Voids in einer Elektronikfertigung wieder aktuell zum Modethema geworden ist zeigt sich insbesondere daran, dass die Automotive-Industrie unter dem Dachverband des DKE einen Arbeitskreis zum Thema gegründet hat.

Die Arbeitsgruppe hat es sich zum Ziel gesetzt, das Thema Voids in Verbindung mit der Zuverlässigkeit in eine Nomenklatur zu fassen. Dabei wurde klar, dass bestimmte Gruppen von Bauelementen wie z. B. BGAs oder Chips zu bewerten sind, um anschließend den Zusammenhang zwischen maximalen Voidingraten und Zuverlässigkeit zu diskutieren. Als weiteres diskutiertes Thema führte der Moderator die ionische Verunreinigung auf: Korrosion und Migration auf der elektronischen Baugruppe führt zu Dendritenwachstum, was Kurzschlüsse verursachen kann. Die hier in Normungen festgelegten Grenzwerte sind sehr alt und sollten nicht außer Acht gelassen werden. Natürlich sind die in einer Fertigung eingesetzten System besser geworden und es gibt z. B. eine Vielfalt an Röntgeninspektion oder AOI. Doch werden die Baugruppen zunehmend komplexer, die Bauteile immer kleiner und die Anforderungen in einer realen Fertigung für eine Nullfehlerproduktion steigen. Es hat sich einiges getan in der Welt der Elektronikfertiger, fast täglich kommen neue Bauelemente und Materialien auf den Markt, dennoch es gilt Schritt zu halten.

Christian Ranzinger, Contag AG, Berlin

Leiterplattenoberflächen

Die Voraussetzung einer erfolgreichen Schaltungs- bzw. Systementwicklung liegt an einem Minimum an Know-how aller beteiligten Technologien. In Branchen wie Automotive, Industrieelektronik, Medizintechnik, PC- und IT-Technik, Consumerelektronik oder Militär/Luft- und Raumfahrt kommen elektronische Schaltungen zur Anwendung, die eine hohe Bandbreite an verwendeten Materialien und technologischen Ausführungen aufweisen. Gemeinsam dabei ist, dass alle diese PCBs eine finale Endoberfläche auf den Kupferstrukturen besitzen. Dabei sollte die optimale PCB-Oberfläche eine Vielzahl an Eigenschaften aufweisen, was einer eierlegenden Wollmilchsau gleich kommen würde. Insofern gibt es die universelle und optimale Leiterplattenoberfläche nicht. Dabei entspricht die hohe Vielfalt der Baugruppentechnologie der von Leiterplattenoberflächen. Ein großer Anteil der Leiterplattenoberflächen ist bereits seit langem technologisch etabliert und am Markt verfügbar, dabei werden die Prozesse entsprechend der fortschreitenden technologischen Anforderungen stetig erweitert und im Detail optimiert. Doch sowohl der Leiterplattenhersteller als auch der Bestücker muss wissen, was er mit der Oberfläche machen kann und was nicht. Im Fehlerfall muss man in der Lage sein auf die Fehlerursache zurück schließen zu können. Alle konventionellen Oberflächen außer HAL bleihaltig sind RoHS-konform. Anschließend ging der Redner detaillierter auf die diversen Leiterplattenoberflächen mit ihren Vor- und Nachteilen ein. Laut einer Quelle von MacDermid liegt der Flächenanteil des weltweiten Markts bei über 50 % OSP (Organic Surface Passivation), was in Deutschland nicht unbedingt nachvollziehbar ist. Jedoch herrscht zunehmende Akzeptanz der Oberfläche im Consumerbereich auch durch den niedrigen Preis. Die HAL (Hot Air Levelling)-Oberfläche verliert durch ihre technischen Nachteile zunehmend an Bedeutung, wie auch Immersion Silber durch ihre Korrosionsrisiken. Nach Darstellung der Zuverlässigkeitsuntersuchungen sowie den relevanten Normen für den PCB-Hersteller aus Oberflächensicht wurden noch nickelfreie Oberflächen als neue PCB-Oberflächen vorgestellt. Hier haben sich EPIG(Electroless Palladium/Immersion Gold) sowie ISIG(Immersion Silber/Immersion Gold)-Oberflächen etabliert, die beide nahezu perfekt sind, wären da nicht die relativ hohen Kosten. Mit Erläuterung der Hochfrequenz-Eigenschaften der Oberflächen ging die Präsentation zu Ende.

Peter Fischer, enmech GmbH, Wuppertal

Aufbau- und Verbindungstechnik mit
flexiblen Leiterplatten (FPC)

Zur Einleitung gab es einen kleinen historischen Rückblick auf das Unternehmen, um dann auf das heute überzuleiten: eine Zeit mit fünf modernen SMD-Linien, einer weiteren im Aufbau sowie vier in Planung. Durch ständige Weiterentwicklung der FPC(Flexible Printed Circuits)-Technologie für den Einsatz im Automobilbereich konnten höchst funktionale und wirtschaftliche mechatronische Produkte für den Serieneinsatz geschaffen werden. Die flexiblen gedruckten Schaltungen bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten, können jedoch nicht wie eine PCB gefertigt werden. Anhand der Darstellung einer Batterieapplikation war leicht zu erkennen, dass die Anforderungen an die Verbindungstechniken groß sind, wozu verschiedene Verbindungstechnologien wie Crimpen, Nieten, Laser Ablation, Ultra Schallschweißen, Laserschweißen und Widerstandsschweißen sowie als Ausblick auf zukünftige Technologien Silber-Sinter-Technologie sowie photonisches Löten detaillierter dargestellt wurden. Nachdem höhere Funktionalität kleinere Bauräume erforder,t gab es beim Thema Crimpen eine Aussicht auf eine 2 m lange Musterfolie mit 480 Crimpkontakten, die inzwischen modifiziert wurde. Produktbedingt besteht die Notwendigkeit, neue Maschinenkonzepte zu entwickeln. Ein Animationsvideo rundete das Thema Crimpen ab. Die Technologie Nieten wird ebenfalls bei Batterie-Applikationen im Unternehmen eingesetzt, fest etabliert haben sich sowohl das statische als auch das dynamische Nieten. Damit eine Direktverbindung zwischen dem Kupfer der als Rolle angelieferten FPC und dem Kontakt der Batteriezelle möglich ist, muss die FPC rückseitig freigelegt werden. Dazu wurde der Laser Ablation Prozess, ein Frontend-Prozess entwickelt, dem zwei Reinigungsprozesse nachgelagert sind. Ultraschallgeschweißte Teile zeigen sehr gute Werte, das Widerstandsschweißen erweist sich für die Laser freigelegten Teile als der robusteste Prozess mit sehr stabiler Verbindung und ist zudem sauberer als das Löten. Laserschweißen ist bei vielen der Kunden des Unternehmens bereits etabliert. Abschließend gab es einen Ausblick auf zukünftige Technologien. Das Photonische Löten – Hochleistungs-Lichtpulse im Bereich von Millisekunden – ermöglicht das Aufschmelzen von Lotpaste. Dies ist ein sehr schneller Prozess mit einer Aufheizung lediglich an der Oberfläche, so dass die Folie nicht erwärmt wird. Die PET-Folie erlaubt zwar keinen Reflowprozess, ist jedoch für das photonische Löten tauglich und hat einen Preisvorteil gegenüber der bisher verwendeten PEN-Folie.

Karsten Dierker, Tonfunk GmbH Ermsleben, Falkenstein/Harz

Ein kleiner Punkt auf der Leiterplatte – ein Pluspunkt für
die Baugruppe

Der Referent veranschaulichte die Methoden des SMD-Kleberauftrages in der Fertigung des Unternehmens, um nach Beendigung des Vortrags die Frage zu beantworten, ob der Klebeauftrag nun als Hilfs- bzw. Unterstützungsprozess oder als ein vollwertiger Prozessschritt anzusehen ist. Beim ersten Punkt vom Wareneingang bis zur Verarbeitung ging es im speziellen um das Wareneingangsetikett sowie dem Fertigungsetikett zum SMD-Kleben. Fokus des Referats lag auf dem Einsatz von Kleber auf SMD-Baugruppen inklusive der Technologien des Kleberauftrages, der Kleberaushärtung an Reflow-Lötanlagen inklusive der Qualitätsbeurteilung von SMD-geklebten Baugruppen. So erhalten die Klebegebinde bevor sie dem Hauptlager übergeben werden ein Wareneingangsetikett und werden bei einer Temperatur von 6 °Grad bis ±1,5 °Grad Celsius gelagert. Bei Bedarf wird der Kleber nach dem Fifo-Prinzip ausgelagert, findet seinen Weg in den Kühlschrank, um dort nach einsatzgerechter Behandlung in der Fertigung eingesetzt zu werden. Im Unternehmen werden ca. 2.200 Leiterplatten bestückt, wovon 132 LP-Seiten die Kennung SMD-Kleben aufweisen, d. h. also 6 % der Baugruppen. Der Referent ging näher auf drei Hauptanwendungen des Klebens in der Fertigung ein um danach die Technologien des Kleberauftrages zu erläutern. Der Dek Stinger, in der Horizon-Druckplattform verbaut, findet seine Anwendung vorzugsweise bei sehr großen Bauteilen. Die kleinste zu bedruckende Bauform liegt bei 0603. Stufenschablonen oder Schablonen mit Plasmabeschichtung werden derzeit im Unternehmen noch nicht verwendet. Der manuelle Klebeauftrag mittels einer Dosierstation ist für den EMS-Dienstleister noch unverzichtbar, da sich damit bei eventuell auftretenden Schwierigkeiten in der Fertigung sofort eingreifen lässt. Des Weiteren kamen Siplace G2 und das Applizieren von Klebepunkten mittels Glue Feeder zur Sprache, welche mit Videos verdeutlicht wurden. Glue Feeder wurde als völlig neue Technologie erst in 2013 im Unternehmen eingeführt, da hier der Kleber direkt am Bauteil und nicht wie an den vorangegangenen Anwendungen auf der Leiterplatte appliziert wird, sich jedoch zum SMD-Kleben als ungeeignet erwies. Der dabei verwendetet Koki-Kleber hat den Vorteil der Selbstzentrierung während dem Reflow-Prozess. Mittlerweile sind sämtliche vier SMD-Linien jeweils mit einem Glue Feeder gerüstet, wobei darauf zu achten ist, dass sich kein Linearförderer zwecks den Vibrationen in der Nähe befindet. Alle rein SMD-geklebten Baugruppen werden nach dem Klebeprozess stichprobenartig geprüft, auf Kundenwunsch auch Anwesenheitsprüfung mittels AOI. Eine 100%ige Sichtkontrolle erfahren die SMD-geklebten Baugruppen nach dem Wellenlöten. Das Fazit des Redners: Der SMD-Klebeprozess stellt durchaus einen vollwertigen Prozess dar.

Prof. Dr. Christian Faber, Hochschule Landshut, Sensorik und Bildverarbeitung, Landshut

AOI in der Fertigung – die Macht der Bilder

Nachdem AOI in der Fertigung ein breites Thema darstellt wurde im Vortrag in der Breite aus Systemebene eingegangen und näher gebracht, was AOIs alles können bzw. nicht können, was zu beachten gilt und wo die Besonderheiten liegen. Grundsätzlich abgedeckt werden sollte durch die optische Inspektion die Leerleiterplatte, Keramiksubstrate, der Pastendruck, die Bestückung und komplette Verlötung sowie das Drahtbonden, worauf der Fokus lag. Inspiziert wird stets zur Fehlererkennung (Qualitätssicherung), ein Schritt weiter zur Fehlervermeidung d. h. dass die Fehler bereits vorher erkannt werden sowie um insgesamt eine Prozessoptimierung zu betreiben. Zudem ist ein großer Teil von Fehlern nicht durch einen rein elektrischen bzw. Incircuit-Test zu erkennen. Nach Aufzählung der Vorteile einer automatisierten Inspektion wurden die Besonderheiten wie die genau vordefinierte Prüfabdeckung, die Pseudofehler sowie die eingeschränkte Flexibilität mit anschaulichen Beispielen verdeutlicht. Danach ging es zum Aufbau und Komponenten einer AOI-Lösung im Zuge dessen Handling, Sensormodul, Auswerte-Software (Bildverarbeitung), Verifikationsplatz, Offline-Programmierplatz und SPC-Station genauer untersucht wurden. So besteht z. B. das Sensormodul aus einer Beleuchtung sowie geeigneter Bildaufnahmeeinheit, wobei die Beleuchtungsoptik bei möglichst homogener und isotroper Ausleuchtung unterschiedliche Prüfmerkmale herausarbeiten sollte. Nachdem heute fast alle Kameras CMOS-Kameras sind, ging es beim Thema Kameratechnik um Global Shutter, d. h. alle Pixel des Sensors werden gleichzeitig für eine definierte Zeit (Belichtungszeit) belichtet, sowie Rolling Shutter, dem ortsabhängigem Belichtungszeitpunkt, um die CMOS Shutter Effekte darzustellen. So wird beim Rolling Shutter der Effekt dann sichtbar, wenn sich ein Objekt bewegt. Doch ermöglichen diese Sensoren Pixelarchitekturen mit weniger Transistoren, was nicht nur Kosten spart, sondern auch unter bestimmten Bedingungen zur Verbesserung der Bildqualität führt. Nach kurzer Erklärung zum Algorithmus sowie dessen Aufgaben ging es zur Prüfplan-Erstellung. Als Input dazu werden neben Gerberdaten und CAD-Daten auch Bauteil-Bibliotheken benötigt. Zum Schluss war noch zu hören, dass auf einen Verifikationsplatz für eine Nachklassifikation vorerst nicht verzichtet werden kann, um zu wissen, wo man sich gerade befindet, und dass die Ziele einer SPC in der Fertigungsoptimierung sowie Pseudofehlerreduktion liegen. Zusammenfassend war erkennbar, dass sich eine Inspektion grundsätzlich wertschöpfend auswirkt.

August Huber, Dräxlmaier Group EKB Elektro- u. Kunststofftechnik GmbH, Braunau (A)

Innerbetriebliche Logistik in der SMT-Industrie 4.0

Faktoren wie Liefertreue, Lieferfähigkeit, Lieferzeit sowie Produktpreis sollten als strategische Vorgaben für eine Produktion als Marktziel definiert und im Griff behalten werden. Das Unternehmen hatte es sich zum Ziel gesetzt, wirtschaftliche Produkte durch eine Markt-konformen Geschwindigkeit, bei Minimierung der Durchlaufzeit und gleichzeitiger Maximierung aller Prozessmaschinen, die Termintreue für die Kunden zu steigern. Doch Zielkonflikte und Einflussgrößen sprachen nicht unbedingt für eine Realisierung dieser Wünsche. Dazu musste der komplette Produktentstehungsprozess durchleuchtet, und die Herausforderung der Lean Prinzipien umgesetzt werden. Wichtig dabei war grundsätzlich, was fordert der Kunde. Insofern sah man sich den sogenannten drei Mu‘s konfrontiert: Muda = Verschwendung, also sämtliche Aktivitäten im Unternehmen, welche keinen Mehrwert erzeugen, Mura = Unausgeglichenheit, d. h. sämtlicher Rückstand zum Kunden bei gleichzeitigem Lageraufbau, sowie Muri = Überlastung als Folge der Überlastung aus vorangegangenen Problemen. Dies sind die drei Hauptsäulen der Verlustphilosophie, welche im Toyota Production System verfolgt werden. Das Credo des Redners dabei war, dass die Ziele schrittweise und mittels kleiner Ziele anzustreben wären. Die Integration der Mitarbeiter durch Schulungen sowie Mitentscheidungen können durchaus behilflich sein. Anschließend ging es an die Betrachtung der Wertstromanalyse mittels Durchlauf eines Kundenproduktes mit einem täglichen Bedarf von 4.200 Stück als Beispiel. Trotz sehr guter Vorschauzahlen ergab sich eine Durchlaufzeit des Produkts von 28,58 Tagen. Nach eingehender Wertstromanalyse und nachdem die Prozesse nicht mehr über SAP sondern eigener innerbetrieblichen Regularien definiert und geplant wurden, ergab sich eine Durchlaufzeit von nur mehr 4,5 Tagen bei gleichbleibender Bearbeitungszeit. Verantwortlich dafür war ein sogenannter Schrittmacherprozess, der alle anderen Prozesse unter denselben Voraussetzungen steuert. Dabei gibt es eine tägliche Lieferplanung wobei die Prozesse Testen und Montage das interne Kanban steuern, wo auf Basis der täglichen Planung die definierten Gebinde entsprechend abgerufen werden und damit der Fertigung „make to order“ entsprechen, da Produktion und Logistik aufeinander abgestimmt sind. Die wichtigste Kennziffer laut Referent ist die Durchlaufzeit im Vergleich zur gewünschten Lieferzeit. Auch wäre die Definition einer Lieferzeitmatrix für einzelne Produktgruppen durchaus sinnvoll. Bei einem Wertstromdesign ist immer nur der Istzustand aktuell, eine Vereinfachung von Logistik sowie Transportwege wären bei einer Vermeidung von Verschwendung genauso hilfreich, wie eine wöchentliche Strategieverfolgung in der Produktionsplanung.

Thomas Mückl, Zollner Elektronik AG, Zandt

SMD heute und morgen – ist Miniaturisierung die
einzige Herausforderung?

Mit seinem Vortrag ging der Referent der Frage nach, ob denn das mit Miniaturisierung wirklich alles ist? Es gab einen Überblick zu den auftretenden Besonderheiten, die sich bei aktuell ca. 70 Linien des Unternehmens weltweit summieren. Allein die Bestückleistung ist nicht mehr ausschlaggebend, denn die Anforderungen durch das breite Produktspektrum sind sehr unterschiedlich, hinzu kommen die Bauteileinflüsse ud speziell in der Leistungselektronik spielt die technische Sauberkeit eine große Rolle. Dann gibt es die Besonderheiten an das Equipment durch bspw. Leiterplatten mit Sonderabmessungen oder LED-Technik von Scheinwerfer. Sehr extreme Kundenanforderungen in Verbindung mit einer hochpräzisen Bestückung. Als weiterer Fakor kommen noch die Bedingungen drumherum wie NPI-Zyklen, wo der Kunde am besten sein Produkt mit der Bestellung hätte, und zudem noch jede Menge an Daten, die intern als auch nach extern zu handeln sind. Es gab Beispiele zur heutigen SMT-Situation, wie die Bestückung einer Asphäre auf bestückten LEDs mit der Herausforderung Asphären-Sauberkeit. Hier wurde zusammen mit dem Lieferanten der Gurtprozess der Asphäre optimiert, um Verschmutzungen zu eliminieren. Als weitere Beispiele wurden die Bestückung eines Steckers mit 120 N sowie auch die Standardbestückung mit all ihren Besonderheiten präsentiert. Zusammenfassend war zur SMT heute zu hören, dass es nicht genügt, einfach nur mehr Bauteile zu bestücken, da der Trend zu Sonderformen ungebremst weiter geht. Aufgrund der vielfältigen Anforderungen ist die Entwicklung von Sonderequipment oder eines kompletten Prozesses oft der entscheidende Faktor. Speziell kreative Designs sind oft nur mit hohem Aufwand produzierbar. Grundsätzlich ist die frühzeitige Einbindung des Fertigers im Produktdesign von Vorteil, da hier enorme Einsparungen bei den Produktionskosten erzielt werden können. In der SMT kurz vor morgen kristallisiert sich eine hohe Automatisierung im Umfeld der SMT-Linie heraus, ob im Materialhandling, durch AGVs für die Materialbereitstellung und kollaborierende Roboter. Der Werker selbst wirkt als Leitstelle für einfache Optimierungen vor Ort und nachdem der Spezialist bei Problemen nicht immer vor Ort ist, kann der Support durch die Datenbrillen in Echtzeit erfolgen. Industrie 4.0 bedeutet der Einsatz von intelligenten Produkten, RFID-Chips mit Speicherbereichen die nutzbar sind und verändert die Kommunikation in der SMT-Linie. Hier kam auch der Hermes Standard zur Sprache. Aktuell können wir am Produkt erkennen, wo es herkommt und wo es hinsoll, was sich beim intelligenten Produkt dann ändern wird, dass es sich selbst steuern kann. Für die SMT von morgen stehen noch mehr individuelle SMT-Bauteile speziell mit der Modularisierung an, so dass die Entwicklung von mehr und mehr Sonderlösungen und -prozessen neben dem Standardgeschäft erforderlich wird. Das Semiconductor Backend und die Leiterplattenbestückung werden immer mehr zusammenwachsen, die Bestückung von Sonderkomponenten (THT) wird auch weiter aktuell sein. Was alle ereilen wird, ist die anwachsende Flut an Daten und noch mehr Daten. Dabei werden die Schnittstellen zwischen den Systemen ausschlaggebend für Themen wie Predictive Maintenance, Produktivitätssteigerung sowie Reduzierung von Maschinenstillständen sein. Voraussetzung hier ist eine leistungsfähige Infrastruktur und die Konzentration auf die wesentlichen Daten.

Michael Matthes, Wittenstein cyber motor GmbH, Igersheim

Anforderung des Produkts an die Lotpastenapplikation…von der Bauteileanlage bis zum bestückten Produkt

Die Präsentation fokussierte zwar auf die Lotpaste, dennoch müssen einige mehr Punkte wie Anlagen, Verbindungsmedien, Verarbeitbarkeit etc. mit betrachtet werden, um zu einem akzeptablen Ergebnis kommen zu können. Bei komplexen Produkten ist es unerlässlich, sich frühzeitig mit dem Leiterplattenhersteller, dem EMS und gegebenenfalls sogar den Anlagenherstellern zusammenzusetzen, um das optimale Ergebnis zu erhalten. Vorgestellt wurde unter anderem Fitbone, ein intramedulläres Verlängerungssystem zur Extremitätenverlängerung in Femur und Tibia, welches eine durchschnittliche Verlängerung von 1 mm des Knochens pro Tag erlaubt. Maximal kann so der Unterschenkel 60 mm in der Tibia bzw. der Oberschenkel bis zu 80 mm im Femur verlängert werden. Die Entwicklung bietet den Vorteil einer hohen Produktsicherheit, einem minimierten Infektionsrisiko, geringer Schmerzbelastung bei hohem Trage- und Behandlungskomfort inklusive kurzem stationärem Klinikaufenthalt und geringer Narbenbildung. Hier sollte das bisherige Konzept optimiert werden, wobei zur Umsetzung die Wahl auf eine Embedded Planar Inductance Leiterplatte fiel, eine 24-lagige Spule mit ca. 170 Windungen als Leiterplatte umgesetzt. Die Entwicklungs- und Herstellungsstufen wurden detailliert dargestellt. Das Ergebnis war ein aktives Implantat mit Embedded Components, welches letztendlich die Reduzierung des Volumens, eine Erhöhung der Robustheit sowie eine Verbesserung der thermischen Performance durch optimierte Wärmeleitung realisierte. Als Fazit war zu vernehmen, dass je kleiner die Bauteile werden, desto mehr unerwartete Effekte aus der kompletten Wertschöpfungskette hinzu kommen, welche mit berücksichtigt werden müssen. Es gibt keine einheitliche Technologie zum Aufbringen des Lötstopplackes, welcher zum Schutz der Schaltung, aber auch zur Vereinfachung des Lötprozesses, dient. Eine einheitliche Technologie zum Aufbringen des Verbindungsmediums wie Lotpaste, Leitkleber, Silbertinte etc. auf der Vielzahl vorgestellter Schaltungsträger, welche für Hoch- oder Niedrigtemperaturanwendungen eingesetzt werden, waschbar, dehnbar oder auch dreidimensional sind, ist nicht vorhanden. Je nach den für das Produkt erforderlichen Schaltungsträgergeometrien und Materialien können unterschiedlichste Applikationsverfahren, eventuell auch in Kombination nötig werden, um im anschließenden Prozess Komponenten mittels des Verbindungsmediums mit den Leiterstrukturen auf den Schaltungsträgern zu verbinden. Und was bringt die Zukunft? Wie lange gibt es die Leiterplatte und die zugehörigen Prozesse im herkömmlichen Sinne noch?

Josef Steuer, Neways Neunkirchen GmbH, Neunkirchen

Lotpasten – Gewöhnliches und Außergewöhnliches

Vorab stellte der Redner den Wunschgedanken bezüglich Lotpasten vieler vor, die eierlegende Wollmilchsaulotpaste. Doch existiert diese überhaupt in der Wirklichkeit, wo doch jeder Kunde seine eigene Vorstellung und Wünsche nach ganz speziellen Lotpasten hat. So gibt es im Unternehmen aktuell fünf Lotpastenlieferanten, verarbeitet werden neun verschiedene Typen. Diese neun Lotpastentypen beinhalten wiederum sechs Flussmittelsysteme mit vier Aktivierungs-Klassifizierungen. Verwendet werden derzeit zwei Korngrößenklassen, Klasse 3 und 4, eine Type ist wasserwaschbar. Die verschiedenen Lotpastentypen erfordern jedoch unterschiedliche Lagerbedingungen, was bei einem Verbrauch 2017 von 1,5 t in Neunkirchen einen gewissen logistischen Aufwand bedeutet. Klar wurde dies spätestens nach detaillierter Darstellung der Temperaturanforderungen zum Lagern. So gibt es im Unternehmen einmal den Werker Kühlschrank, aus dem ausschließlich Lotpasten zur Verarbeitung entnommen. Die Paste wird nach dem Wareneingang unmittelbar durch die Prozesstechnik in den Kühlschrank eingelagert. Dieser ist verschlossen, wird durch die Prozesstechnik verwaltet, die auch für ausreichende Befüllung des Werker-Kühlschrankes sowie Einhaltung des Fifo-Prinzips sorgt. Mittels Überwachungssoftware wird die Kühlschranktemperatur kontrolliert. Als Alternative wurde das moderne Lagerkühlsystem Ekra S10 select sowie die erste temperaturstabile Lotpaste von Henkel Loctite, welche bei einer Temperatur von 26,5 °C für ein Jahr sowie bis zu 40 °C für einen Monat, stabile Prozessergebnisse vorweist. Grundsätzlich sollte immer die Regel gelten: Alles so einfach wie möglich zu halten. Je komplizierter ein Prozess entwickelt wird, desto schwieriger wird es sein, ihn in den vorgegebenen Grenzen zu steuern und desto schwieriger wird es auch sein, abzuschätzen was passieren wird oder könnte, wenn die Grenzen überschritten werden. Anschließend wurde durch verschiedene Szenarien die Herstellung verschiedener Lötstellen aufgezeigt. Mittels Druck- und Lötversuche unter Extrembedingungen und einer im Heizungskeller gelagerten Lotpaste bewies der Redner, dass sich auch gute Lötstellen trotz der Wärmeauslagerung herstellen ließen. Der Kunde verlangt für Poren in der Lötverbindung ergänzend zu den Spezifikationen einen maximalen Porengehalt von 20 % für alle Bauelemente auf der Baugruppe. Eine Universalpaste wird sich kaum realisieren lassen, wobei die große Pastenvielfalt natürlich einen höheren Aufwand verlangt. Porenfrei nur durch Lotpaste oder Anpassung der Profile wird es nach Meinung des Redners nicht geben.

Ines Brune-Krok, Krüger & Gothe GmbH, Staßfurt

Der Lotpastendruck aus Sicht des Bedieners –
aus Fehlern lernen

Mit einem lebendigen Vortrag zeigte die Rednerin ihren Weg in der Bestückung von Baugruppen auf, mit Fokus auf den Lotpastendruck. Sie startete in der Fertigung vor 20 Jahren ohne Fachwissen, Praxis oder Schulung, war dennoch hoch motiviert, gewissenhaft, ausdauernd und lernbereit. Zu ihren Aufgaben zählte u. a. das Einrichten der Maschinen, worunter ebenfalls der Lotpastendrucker gehörte. Dieser steht jedoch an erster Stelle der Prozesskette mit dem größten Einfluss auf die Fehlerquote. Um hier eine optimale Druckqualität zu erhalten nehmen Größen wie der Bediener beim Maschinenkalibrieren, Druckparameter und Material Einfluss. Gleichzeitig definiert sich die Qualität über eine gleichmäßige Schicht einer vorbestimmten Lotdicke, eine hohe Kantenschärfe der gedruckten Lotpastenstrukturen, keinen Versatz des Druckbildes zu den Strukturen der Leiterplatte sowie keine Lotverunreinigungen außerhalb des Lotdepots. Die Rednerin begab sich mit ihren Zuhörern auf eine Zeitreise zu ihrem Start vor 20 Jahren, um aufzuzeigen, wie sie sich Schritt für Schritt mit dem Lotpastendrucker vertraut machte, um letztendlich eine optimale Druckqualität zu erhalten. Dabei zeigte sie anschaulich den dokumentierten Weg durch ihre „Try und Error“-Versuche auf. Ihr Fazit lautete, dass bei einem Rakelwechsel stets die Rakel zu kalibrieren sind und die erste Leiterplatte im Schritt zur Feinjustierung zu drucken ist. Die erforderliche Geschwindigkeit sollte stets die gleiche sein wobei der Druck erst schwach eingestellt, und dann sacht erhöht werden sollte. Eine gute Leiterplattenunterstützung verhindert eventuelles Durchbiegen, auch sollte auf die Umgebungstemperatur geachtet werden. Bei der Reinigung ist weniger oft mehr und die Paste sollte gut verrührt und temperiert sein, um als Ergebnis eine optimale Druckqualität zu erhalten. Kleine Parameteränderungen können große Auswirkungen auf das Druckergebnis nach sich ziehen, doch man lernt nie aus!

Dr. Vinzenz Bissig,
Thermission SA, Thun (CH)

Gedanken zur Zukunft des Wellenlötens und Bismut-Loten

Der Vortrag startete mit der Dokumentation der Zuverlässigkeit bzw. Unzuverlässigkeit von Prognosen. So sagte einst Kaiser Wilhelm II, er glaube an das Pferd, das Automobil ist nur eine vorübergehende Erscheinung. Bill Gates behauptete in 1981, dass 640 kByte Speicher genug für jeden Anwender sei, um nur zwei Beispiele zu nennen. Insofern sind Prognosen zur Zukunft kaum realisierbar, da sie zu viele Unbekannte haben. Der Vergleich von Wellen- zu Reflowlöten wurde anschließend in der geschichtlichen Abfolge mit folgender physikalischer Sichtweise aufgezeigt. Klar wurde, dass der Anteil an THT-Lötverbindungen zwar sinkt, jedoch die Anzahl steigt. Durch einen der größten Trends in der Elektronikfertigung, der Miniaturisierung, wird das Wellenlöten totgesagt. Dennoch braucht es Welle weiterhin, statt dann als Standard- nun als Nischenprozess. Denn THT-Bauteile werden weiter benötigt, für die das Wellenlöten entwickelt wurde, um die thermisch empfindlichen Bauteile maschinell löten zu können. THT-Verbindungen sind mechanisch stabiler, helfen beim Kühlen und werden als Ersatzteile alter Bauweisen verwendet. Auch erweist sich der Preis von wellen-tauglichen THT‘s günstiger als der von reflow-tauglichen THTs, da die Verarbeitung kostspieliger wird, je höher die Schmelztemperatur liegt. Näher eingegangen wurde noch auf die mechanische Stabilität sowie auf die Kühleigenschaften von THT‘s, die einige Vorteile mit sich bringen. Dann ging es zum Zukunftselement Bismut, das zwar radioaktiv ist, aber durch die lange Halbwertszeit nicht gefährlich ist und im täglichen Gebrauch kein Problem darstellt. Jedoch ist es ein schlechter Wärme- und Stromleiter und daher erstaunlich, dass es als Lot verwendet werden soll. Doch ist der Preis seit ca. zwei Jahren günstig und stabil. Bismut wird nie rein verwendet, 97 % der Produktion liegt in China. Nach der Metallurgie von Bismut gab es noch nähere Einblicke in die Eigenschaften verschiedener Bismut-Lote. Das Lot kann zwar gut Verformungen aufnehmen, jedoch geht es um den Schmelzpunkt, würde sich Indium als geeigneter erweisen. Zusammenfassend lies der Redner verlauten, dass die Welle in naher Zukunft noch gebraucht wird, da THT‘s noch unverzichtbar sind. Jedoch wird es seiner Meinung nach keine neue Renaissance fürs Wellenlöten geben. Bismut lässt sich einsetzen, was aber nicht nur von der Legierung, sondern auch stark von der Anwendung abhängt und sich insofern eher nicht als Standardlot etablieren wird, sondern für spezielle Anwendungen seinen Einsatz findet.

Dietmar Birgel, Endress+Hauser GmbH+Co.KG, Maulburg

Einfluss des SMD-Prozesses auf die Endeigenschaften
von Geräten

Das Unternehmen zeichnet sich unter anderem durch seine Sonderanwendungen aus. So war eines der Projekte beispielsweise die im Januar 2012 gesunkene Costa Concordia bei der Wiederaufrichtung im Engineering mit 280 Messgeräten zu unterstützen. Anschließend wurde anhand der Betriebsanzeige eines Liquiphanten mit Lichtleitertechnik der Einfluss der Positioniergenauigkeit von LEDs auf die Endanzeige demonstriert. Dabei sollten Betriebs- und Funktionsanzeige in einer bestimmten Farbe zu sehen sein. Nach ca. 6.500 ausgewerteten LEDs konnte festgestellt werden, dass es neben einer exakten Ausrichtung der LEDs weitere Zusammenhänge gab. Der größte Einfluss lag beim Layout und nur zwei von drei Bauteilherstellern waren für diese Bestückanforderungen tauglich. Während das Lotdepot einen geringen Einfluss ausübte, hatten weder die Lotpaste noch die Orientierung der LED (0 ° bis 90 °) Einfluss auf die funktionierende Anzeige. Der nächste Punkt behandelte die besonderen Isolationseigenschaften von Lötstopplack mit Zulassungsvoraussetzungen, Vergleich der Spezifikationen sowie den Einfluss auf die Folgeprozesse in der Elektronikfertigung. Zusammenfassend war zu hören, dass sich der Leiterplattenhersteller bei der Einstellung der Prozessparameter nach den Vorgaben des Herstellers der Lacksysteme richtet und die Endeigenschaften des Lötstopplackes durch den SMT-Prozess geprägt werden. Letztendlich vereinfacht eine vergleichende Untersuchung am Produkt die Bewertung. Der Lötstopplack hat einen wesentlichen Einfluss auf den SMT-Prozess und die Folgeprozesse, jedoch ist eine Verbesserung der Endeigenschaften möglich. Beim Lötprozess angekommen, wurden die HF-Eigenschaften von Lötstellen untersucht, wo sich herausstellte, dass die Lotlegierung die HF-Eigenschaften der Baugruppen beeinflusst. Auch die Anzahl der Lötstellen im HF-Bereich wirken auf die Dynamikeigenschaften. Insofern hat das Lötverfahren durchaus Einfluss auf die Lötung sowie auch evtl. die HF-Eigenschaften von Baugruppen. Weitere Versuche mit anderen Lotlegierungen und unterschiedlichen Verfahren sind in Planung. Das Resümee des Redners: Das Einhalten von Standards garantiert nicht automatisch ein fehlerfreies Produkt, Spezifikationen sowie Empfehlungen sind teilweise nicht direkt übertragbar auf die Aufgabenstellung. Eine Produkt-Evaluierung ist immer ratsam. Ein auf bleifrei umgestelltes Produkt kann sich durch die Umstellung in den Endeigenschaften verschlechtern. Mehr Transparenz bietet eine vergleichende Untersuchung, denn Potenzial zu Verbesserungen findet sich immer.

Günter Grossmann, Empa / Materials Science and Technology,

Dubendorf (CH)

Migration und Korrosion auf elektronischen Baugruppen

Migration und Korrosion gibt es überall dort, wo es um verschiedene Metalle mit ihren elektrochemischen Potenzialen in Verbindung mit Umwelteinflüssen geht. So zählt zu den häufigsten Ausfallursachen von elektronischen Baugruppen durch Korrosionsvorgänge die elektrochemische Migration. Dabei kommt es infolge der Ausbildung eines Feuchtigkeitsfilmes auf kontaminierten Leiterplatten zur Bildung von Kurzschlussbrücken zwischen Metallisierungen und Lötstellen. Elektromigration stellt ein zunehmendes Problem in der Mikroelektronik aufgrund der fortschreitenden Strukturverkleinerung dar. Durch die Verminderung der Leiterabstände zur Erzielung einer größeren Leistungsdichte wird die Gefahr des Funktionsausfalles durch Brückenbildung noch erhöht. Zur Sprache kamen auch die verschiedenen Arten der Korrosion, wie die atmosphärische oder elektrolytische sowie die Quellen korrosiver Stoffe. Gerade Polymere enthalten korrosive Substanzen, die unterschiedliche Tendenzen zum frei werden aufweisen. Auch die Umwelt mit ihren Einflüssen durch Verbrennung von Öl oder Kohle, der Schwerindustrie, Landwirtschaft oder die Meeresnähe, um nur einige aufzuzählen, spielen durchaus eine wichtige Rolle. Grundsätzlich finden chemische Reaktionen an Grenzflächen immer statt und damit das Ablösen, Zurücklösen und Reagieren von Elektrolyt mit dem Basismaterial. Ohne eine treibende Kraft verändert sich das System jedoch nicht. Erst wenn eine treibende Kraft vorhanden ist, erhält man eine fortschreitende Korrosion oder Migration in eine Richtung. Alles hat mit Atomen zu tun. Die treibende Kraft definiert den Mechanismus. Ein elektrisches Feld führt zu Metallmigration, eine hohe Stromdichte zur Elektromigration wobei da eine Leiterplatte noch kein Thema ist. Die elektrochemischen Potenziale führen zur Korrosion und der Konzentrationsunterschied eher zur Diffusion. H2S, also Schwefelwasserstoff, ist eine korrosionsbestimmende Substanz. Sollte es nach faulen Eiern riechen, ist das Korrosionspotenzial relativ groß. Kombinierende Belastungen wirken natürlich verstärkend, gerade weil das H2S als Initiator wirkt, und wenn Wasser zur Verfügung steht, der Schwefelwasserstoff Schwefelsäure bilden kann, wie im letzten Vortrag zu vernehmen war. (dj)

www.ee-kolleg.com

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