Die zunehmende Bestückungsdichte und die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile stellt die Leiterplattenfertigung vor hohe Anforderungen. Layout und Qualität der Druckschablonen nehmen deshalb eine Schlüsselrolle ein. Die Pastendepots müssen ein mikrometergenaues Druckbild der Schablonenöffnung darstellen, sowohl in Form als auch Größe, und den Druck feinster Strukturen ermöglichen.
Die Pastenplots müssen eine gleichbleibende Qualität gewährleisten, auch in Bezug auf Schwankungsquellen im Herstellungsprozess. Daher sind Untersuchungen notwendig, um die ideale Form und Größe der Aperturen zu ermitteln. Die richtige Pastenmenge sorgt für die thermisch-mechanische Festigkeit der Lötverbindung sowie einen stabilen und hohen Auftragswirkungsgrad und damit für die Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe.
Gerber Format als Quasi-Standard
Das Schablonen-Layout basiert dabei auf Designdaten der Lötmuster und der Leiterbahnen und Fugengeometrie. Der Leiterplattenentwickler gibt meist seine Empfehlungen zu den Bauteilen an den Auftragsfertiger weiter. Die Expertise und Erfahrung aus der Fertigung werden so zur Optimierung des Drucks der Aperturen beim Schablonenhersteller genutzt.
Gerber-Format, und insbesondere die Erweiterung RS-274X Extended Gerber, hat sich hier als Quasi-Standard für die Datenübergabe etabliert. Eine RS-274X-Datei enthält die komplette eindeutige Beschreibung einer Leiterplattenlage. Da sie automatisch verarbeitet werden kann, ist sie gut geeignet für einen sicheren Datentransfer und stellt zuverlässige und automatisierte Arbeitsabläufe sicher.
Gerber Daten enthalten alle Informationen, die zur Fertigung einer Leiterplatte benötigt werden. Dazu gehört neben X- und Y-Koordinaten, die die Position einzelner Elemente wie Leiterbahnen oder Pads auf der Leiterplatte angeben, auch eine sehr einfache Kommando-Sprache. Ein „Draw“ in der Datei zum Beispiel gibt den Befehl, eine Linie mit offener Blende zu zeichnen. Die Blendenanweisung definiert die Breite der gelaserten Öffnung. Bei einem „Flash“ hingegen wird eine bestimmte Position mit geschlossener Blende angefahren und über einen kurzen Lichtimpuls eine punktuelle Öffnung erzeugt. Hersteller von Schablonen können an Hand dieser detaillierten Anweisungen die Schablone mit allen Aperturen, Pads und Leiterplatten drucken und sich ein Bild von der Anwendung des Kunden machen. Sind alle Designvorgaben umgesetzt und alle Kundenmodifizierungen durchgeführt, wird vom Leiterplattendesigner ein 274X Check-Plot zur Überprüfung erstellt.
„Draws“ versus „Flash“
Die Layoutdaten der Schablone sind für Hersteller entscheidend, um den Qualitätsanspruch sicherzustellen und ein sinnvolles Kosten-Nutzen-Verhältnis in der Fertigung zu realisieren. Denn nur wenn die Vorlage stimmt und exakte und reproduzierbare Strukturen gedruckt werden können, erfüllt auch die Leiterplatte ihren Anforderungen. Obwohl das Gerber-Format sich als Standard etabliert hat, gilt es Besonderheiten beim Auslesen der Daten zu beachten. Ein Beispiel sind die bereits oben erwähnten Draws, die sich meist aus mehreren Linien zusammensetzen. Werden Aperturen mittels einer solchen großen Zahl an Linien abgebildet, müssen Hersteller in der Regel Anpassungen vornehmen ehe es zum Druck kommt und die Daten bereinigen, um die Öffnungen klar abzugrenzen und sichtbar zu machen. Denn die Linien innerhalb von Öffnungen stören bei der Erstellung einer guten fehlerfreien Schablone. Daher empfiehlt es sich, Aperturen als eine Einheit oder als Flash zu programmieren. Das gleiche gilt für Passermarken (Fiducials), die die richtige Positionierung der Schablone zur Leiterplatte sicherstellen und auf der Schablone aufgebracht werden. Der Grund: Es ist einfacher einzelne Flashs zu programmieren, als Hunderte von Linien. Zudem kann der Drucker eine Einheit wesentlich schneller und einfacher lesen und speichern als Hunderte von Linien. Werden die Daten nicht entsprechend geändert, kann es zu langen Drucker-Laufzeiten und Ausfallzeiten kommen. Doch auch in der SMT Linie kann es Auswirkungen geben. Der mit der Programmierung der Lotpasteninspektionsmaschine und zur Vorbereitung verbundene Arbeitsaufwand durch Mitarbeiter kann die Fertigung verlangsamen und unnötige Kosten verursachen.
Aufbereitungszeit reduzieren
Auf dieses Problem stieß auch der EMS-Dienstleister Plexus bei einer Schulung in seiner Fertigungsstätte in Mexiko. Im Rahmen eines Engineering- und Qualifizierungsprogramms erhielten Ingenieure mehrere 274X Gerber Plots für die Programmierung eines Lotpasten-Inspektionssystems. Die Aufgabe stellte sich schwieriger als gedacht heraus. In den Layoutdaten der Schablone waren alle Aperturen in Form von Draws angegeben. Zudem setzten sich die Fiducials aus Hunderten von Linien zusammen. Die Experten machten sich daran, die Daten entsprechend aufzubereiten. Die Fehlerkorrektur dauerte mehrere Stunden, zudem schien die Liste nahezu endlos.
Angeregt von diesem Experiment suchte das Unternehmen nach einem neuen Weg. Ziel war es, die aufwändige Aufbereitung der Daten im Vorfeld zu minimieren, den Schablonendruck zu optimieren, den Aufwand für die Programmierung der Lotpasteninspektion zu reduzieren und damit für seine Kunden Zeit und Kosten einzusparen. Der Hersteller wandte sich an einen Partner und setzte auf eine spezielle Schablonen-Erstellungssoftware mit vielfältigen Einstellmöglichkeiten, um die vom Leiterplattendesigner übermittelten Daten schneller und direkt nutzen zu können. Kunden können dabei ihr gewohntes Format verwenden, und die Software trägt Sorge, dass Anforderungen der Produktion erfüllt werden. Für die Programmierung des Lotpasten-Inspektionssystems wurden die Gerber-Daten eingelesen und anschließend die Leiterplatte optisch abgetastet, um die Position und das Volumen der Lotpaste zu ermitteln. In der neuen Lösung werden alle Linien bzw. Draws zu einer Einheit zusammengefasst (Flashing). Mit den so aufbereiteten Daten verlief die Programmierung des Systems deutlich einfacher und die Daten ließen sich direkt in das Lotpasten-Inspektionssystem hochladen.
Um den Vorteil dieses Verfahrens zu demonstrieren, wurde in der nächsten Schulung zur SPI (Solder Paste Injection) ein konkreter Praxis-Test angestellt. Während ein Team zwei Gerber-Dateien nach dem bisherigen Verfahren bearbeiteten und die Programmierung des Lotpasten-Inspektionssystems vornahmen, nutzte ein zweites Team zwölf Dateien im 274X Gerber-Format, die mit Hilfe der neuen Software vorbereitet worden waren. Die Zeiteinsparung im Vergleich war nur zu deutlich: Statt mehrerer Stunden, konnten die Arbeitszeit mit den von der Software erstellten Daten auf wenige Minuten reduziert werden. Langfristig können Leiterplatten-Hersteller auf diese Weise Zeit und Kosten einsparen und Kunden ein vernünftiges Preis-Leistungsverhältnis bieten.
Intelligentere Datenformate, die bereits bei der Optimierung der Schablonenapertur es ermöglichen, die Bauteile zu berücksichtigen, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Diese neuen Formate bringen erhebliche Vorteile. Viele Schablonenhersteller folgen diesen Trend und haben ihre Prozesse und Datenmanagement-Tools weiterentwickelt, um die Herstellung der Schablonen auf Basis dieses Datensatzes zu automatisieren.
Foto: PlexusDer Autor Robert Frodl ist Director – DACH Region
Customer Development for Engineering Solutions, Plexus.
