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Erfolgreicher Schablonendruckprozess mit Mikro-Bauteilen

Erfolgreicher Schablonendruckprozess mit 0201 Bauteilen (Teil 2)
Mikro-Bauteile erfordern synchronisierte Prozesse

Teil 2 beschreibt einen Versuchsplan (Design of Experiment, DOE), der auf den in Teil 1 (Ausgabe 7–8) besprochenen Maschinen, Systemen und Materialien basiert. Nicht zu vergessen die Einrichtung von Drucker und Lotpasteninspektion inklusive den jeweils angewendeten Maschinenparametern. Die Ergebnisse dieses Versuchsplans werden im Anschluss genau geprüft.

Edward C. Nauss und Michael Butler, ITW EAE, Hopkinton, MA (USA)

Dieser Artikel behandelt die Änderungen, die für das Bedrucken kleiner Schablonenöffnungen erforderlich sind, im Besonderen für 0201 mm Bauteile, sowie die Ergebnisse eines Versuchsplans bei gleichzeitigem Einsatz bewährter Verfahrensmethoden. Mit den 0201 mm Widerständen und Kondensatoren hat die nächste Phase in der Gehäusetechnik Einzug gehalten. Diese Bauteile sind ungefähr so groß wie ein Sandkorn, was zu besonderen Herausforderungen für den Lotpastendruckprozess führt. Um diese Herausforderungen anzugehen und um den Erfordernissen der entsprechenden Mikro-Schablonenöffnungen gerecht zu werden, muss jeder Bereich des Druckprozesses untersucht und angepasst werden. Dazu gehören essenzielle Maschinenparameter sowie die korrekten Rakelblätter, Substratunterstützungen und Kalibrierprozeduren. Besprochen wird auch die richtige Materialwahl mit Schwerpunkt auf Schablone und Substrat sowie Lotpaste und Reinigungsanforderungen.

Versuchsplan zum 0201 mm (008004”) Drucktest

Zweck des Tests ist die Untersuchung der Druckfähigkeit von Mikro-Bauteilen mit Hilfe eines neuen SMTA Miniaturisierung Prüfmusters. Anhand der bewährten, oben beschriebenen Verfahren werden die Ergebnisse untersucht, um die Cp-, CpK-, Pp- und PpK-Werte zu bestimmen. Das Ziel ist es, eine Prozessfähigkeit, Cp, zu erzielen, die gleich oder größer 2,0 ist, und einen CpK-Wert größer als 2,0, was zeigt, dass der Prozess innerhalb des Sechs-Sigma Qualitätsniveaus liegt.

Die Gesamtfähigkeit des Prozesses, ausgedrückt in Pp- und PpK-Werten wird untersucht, um zu erfassen, wie zentriert der Prozess ist, mit dem Ziel Werte gleich oder größer 1,667 zu erreichen. Der Test wird auf der Edison Plattform in Standardkonfiguration durchgeführt. Im Folgenden werden der Versuchsplan, die Maschinendetails und die verwendeten Materialien und Prozesse sowie eine Untersuchung der Ergebnisse beschrieben.

Für den Test wurden insgesamt 24 Leiterplatten bedruckt. Die ersten vier Leiterplatten wurden zum Kneten und Konditionieren der Lotpaste verwendet, um den Prozess einzufahren und die Lotpaste auf Betriebsviskosität zu bringen. Nach jedem Druck wurde ein Reinigungshub ausgeführt, um jegliches Rauschen aus den ermittelten Daten zu entfernen. Die restlichen zwanzig Leiterplatten wurden mit einem Parmi SPI inspiziert, die ermittelten Daten mit einem integrierten SPC Paket ausgewertet. Im Folgenden wurden die Daten der Volumina und Pastenhöhe der 0201 mm Bauteile ermittelt und untersucht, um die Prozessfähigkeit der Geometrien für dieses Bauteil zu bestimmen. Alle für den Test verwendeten Maschinen und Systeme wurden vor Durchführung des Tests zertifiziert.

Materialien

Leiterplatten (LP): Die Leiterplatte, die für das Experiment verwendet wurde, ist das neue SMTA Miniaturisierung Prüfmuster. Leiterplattenmaße: 203 mm in X und 139,7 mm in Y und eine Dicke von 1,57 mm. Auf der Leiterplatte befinden sich etwa 400 Pads, wovon 200 auf 0 Grad und 200 auf 90 Grad liegen. Die Pads der 0201 mm Bauteile sind (125 x 150) µm groß mit einer Lücke zwischen den Pads von 120 µm und einem Bauteilraster von 32 µm.

Schablone: (736 x 736) mm Rahmengröße, hochgespannt, lasergeschnitten mit Nanobeschichtung. Schablonenöffnungen eins zu eins passend zu (125 x 150) µm Padgröße.

Rakelblätter: 220 mm Edelstahlrakelblätter, Anstellwinkel 55 Grad

Lotpaste: Typ 6 – SAC305 No-Clean Flussmittel

Unterstützung: Werkstückträger mit Vakuumansaugung – kundenspezifische Anfertigung für SMTA LP.

Drucker: Für diesen Test wurde die Edison Plattform verwendet. Der Edison Drucker ist speziell für das Drucken von kleinen bis mittelgroßen Leiterplatten mit Mikro-Bauteilen ausgelegt. Ausrichtewiederholbarkeit: ±8 µm, CP-Wert ≥2,0 @ 6 Sigma und einer Nassdruck-Wiederholgenauigkeit von ±15 µm, CP-Wert ≥2,0 @ 6 Sigma. Durch das schlanke Design der Kamera muss die Z-Achse zum Anheben der Leiterplatte an die Schablone nicht weit verfahren. Das System verwendet eine X/Y/Y-Ausrichtung, bei der die Ausrichtemotoren möglichst weit voneinander entfernt montiert wurden, um die Auflösung zu erhöhen. Die Z-Achsenposition ist auf den Mittelpunkt der Leiterplatte abgestimmt. Wenn die Z-Achse nach oben gefahren ist, ist die gesamte Transporteinheit vom Tisch entkoppelt, um jegliche Störeinflüsse zu vermeiden. Damit werden eine gute Abdichtung und eine saubere Auslösung der Lotpaste aus der Schablone sichergestellt. Der stationäre Reiniger ist vorne in der Maschine angeordnet, die Schablone wird über einen Shuttle zum Reinigungssystem gefahren, wodurch ausgeschlossen ist, dass die Druckkammer kontaminiert werden kann. Der Druckkopf verwendet eine einzelne Druckmessdose für beide Rakel, um mögliche Abweichungen in Druckrichtung zu unterbinden.

Lotpasteninspektion: Für die Lotpasteninspektion wurde das Parmi Sigma X System benutzt, das mit dem neuen hochauflösenden Inspektionskopf ausgerüstet wurde. Standardmäßige Lotpasteninspektionssysteme verfügen nicht über die erforderliche Auflösung, um Lotpastendepots für Mikro-Bauteilen zu vermessen. Die Scan-Geschwindigkeit wurde dafür von 100 cm/s auf 60 cm/s reduziert. Das System arbeitet mit einer optischen Doppel-Laser Triangulation bei einer spezifizierter Höhengenauigkeit von 2 µm und einer Höhen- und Volumenwiederholgenauigkeit von 1 %. Eine Gage R+R Messsystemanalyse wurde vor Ausführung der Tests durchgeführt.

Maschinenparameter: Rakelkraft: 7 kg

Rakelgeschwindigkeit: 40 mm/s

Abstand/Geschwindigkeit Langsame Trennung: Abstand = 2,5 mm, Geschwindigkeit = 2,5 mm/s

Reinigungsfrequenz: jede LP

Reinigungsabfolge: Vakuum/Vakuum/Trocken

Leiterplattenklemmung: Vakuum und Seitenklemmung

Ergebnisse des Drucktests

Pastenvolumen und -höhe für 0 Grad Pads zur Volumenmessungen und zur Höhenmessung. Die Grenzvolumina waren auf 50 % bis 170 % eingestellt. Die Verteilungskurve ist zentriert und zeigt ein durchschnittliches Pastenvolumen von 114,05 %.

Der untere Bereich liegt bei 88,74 % und der obere bei 139,37 %. Die Berechnung des Cp-Wertes ergab 2,37, für CpK wurde 2,21 ermittelt. Der Pp-Wert lag bei 2,37, der PpK-Wert bei 2,21.

Für die Lotpastenhöhe waren das obere Limit auf 50 % und das untere Limit auf 150 % eingestellt. Die Verteilungskurve ist zum höheren Bereich hin verschoben mit einer durchschnittlichen Höhe von 114 % bei einem unteren Bereich von 99 % und einem oberen von 129 %. Der protokollierte Cp-Wert liegt bei 3,2 bei einem CpK-Wert von 2,32. Der berechnete Pp-Wert beträgt 3,28, der PpK-Wert 2,32.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Volumen leicht erhöht, aber konstant war. Die Schichtdicke war höher als gewünscht, dafür aber die Verteilungskurve enger, was im höheren Cp-Wert abzulesen ist.

Pastenvolumen und -höhe für 90 Grad Pads zur Volumenmessungen und zur Höhenmessung. Die Grenzvolumina waren auf 50 % bis 170 % eingestellt. Die Verteilungskurve ist zentriert und zeigt ein durchschnittliches Pastenvolumen von 108,71 %, der untere Bereich liegt bei 82,31 % und der obere bei 135,11 %. Der berechnete Cp-Wert beträgt 2,27, der CpK-Wert 2,24. Der Pp-Wert lag bei 2,27, der PpK-Wert 2,28.

Für Höhe waren das obere Limit auf 50 % und das untere Limit auf 150 % eingestellt. Die Verteilungskurve ist zentriert mit einer durchschnittlichen Höhe von 105,84 % bei einem unteren Bereich von 94 % und einem oberen von 117 %. Der protokollierte Cp-Wert war 4,22 mit einem CpK-Wert von 3,81. Der berechnete Pp-Wert war 4,31 und der PpK-Wert 3,82.

Bei 90 Grad zeigen die Ergebnisse eine engere, zentriertere Kurve, sowohl für Volumen als auch für die Höhe. Volumen ist leicht zum Mittelpunkt hin verschoben, was näher an der gewünschten Position ist. Die Höhenverteilung zeigt bei 90 Grad Bauteilen eine sehr enge Kurve mit einem Cp-Wert von 4,22, was die gravierendste Verbesserung gegenüber der 0 Grad Bauteile ist und näher an der bevorzugten Position liegt.

Schlussbemerkung zum Versuchsplan

Die Ergebnisse des Drucktests zeigen, dass 0201 mm Geometrien wiederholgenau gedruckt und verarbeitet werden können, wenn das Prozessfenster zwei Mal so groß ist wie die Prozessfähigkeit. Die Ergebnisse zeigen auch, dass um 90 Grad gedrehte Bauteile die besten Ergebnisse aufweisen, wobei 0 Grad Bauteile auch innerhalb der Spezifikationen liegen.

Mikro-Bauteile können erfolgreich gedruckt werden, wenn alle Elemente des Prozesses so gewählt wurden, dass Maschine, Material und Prozess optimal aufeinander abgestimmt sind. Kein einzelner Aspekt überwiegt einen anderen, alle Stellschrauben des Prozesses müssen synchronisiert sein, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Zukunftsüberlegungen: Weitere Untersuchungen zu den Auswirkungen anderer Korngrößen auf das Druckergebnis für 0201 mm Bauteile sollten durchgeführt werden, auch um die entsprechenden Kosten versus Prozessfähigkeit, im Vergleich zu Typ 6 Lotpaste zu verstehen. Bei einem weiteren Test könnte der Druck mit einem geschlossenen Druckkopf (Enclosed Flow) dem Druck mit Rakelblättern gegenübergestellt werden, um herauszufinden, ob eines der beiden Verfahren Vorteile gegenüber dem anderen aufweist.

www.itweae.com

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