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Tabelle zu Bauteilgrößen
Übersicht über das Schablonenlayout und die ausgewerteten Strukturen.
Kreisförmige 03015-Strukturen nach dem zehnten Druck ohne Reinigung in 100-facher Vergrößerung: links mit Typ-4-Lotpaste und rechts mit Typ-5-Lotpaste.
Beispiel der Schablonenabstufungen der Baugrößen 0201 (grün), 01005 (gelb) und 03015 (rot).
Gedruckte 03015-Strukturen und ein 03015-Widerstand im Vergleich mit einem menschlichen Haar. Der Durchmesser der Lotdepots ist etwa 50 bis 70 μm groß.
Höhenmessung der gedruckten 03015-Strukturen. Verwendet wurde eine Typ-5-Lotpaste.
BGA mit 256 Anschlüssen im direkten Vergleich nach dem zehnten Druck ohne Reinigung in einer 25-fachen Vergrößerung: links mit Typ-4-Lotpaste und rechts mit Typ-5-Lotpaste.
256er BGA: 01005- und 03015-Strukturen im direkten Vergleich in 25-facher Vergrößerung. Verwendet wurde eine Typ-5-Lotpaste.

Der Teufel steckt bekanntlich im Detail. Zwar haben sich sandkorngroße Bauteile mit 01005-Baugröße (01005-Widerstände: 0,4 mm x 0,2 mm) bereits in der Massenproduktion etabliert, doch barg deren Verarbeitung anfangs durchaus noch Risiken. Der Hersteller von Sieb- und Schablonendrucksystemen, Ekra Automatisierungssysteme, hat die Druckprozessfähigkeit dieser Winzlinge mit seinen Schablonendruckern in der Praxis bewiesen. Mit dem Aufkommen der Bauteile mit Baugrößen von 03015m (metrisch) steht nun eine neue Herausforderung an. Dabei reicht die Präzision des Lotpastenauftrags allein nicht mehr aus: Intensiver als bisher muss die gesamte Prozesskette aufeinander abgestimmt sein. Anforderungen an Prozessmaschinen, Equipment und nicht zuletzt an die Bediener steigen dementsprechend. Deshalb hat es sich Ekra zur Aufgabe gemacht, diese veränderten und gestiegenen Anforderungen zu untersuchen, um das erworbene Know-how mit den Kunden zu teilen. Um die bestmöglichen Ergebnisse für die folgenden Druckversuche zu erzielen, wurde das verwendete Equipment, von der Leiterplatte über die Schablone bis hin zur Lotpaste, von Ekras Applikationsingenieuren ausgewählt.

Einen Überblick über die gängigen und derzeit kleinsten Bauteilgrößen gibt die Tabelle. Vergleicht man die Bauteilgrößen miteinander, so wird deutlich, dass die immer kleiner werdenden Außenmaße zwangsläufig eine extrem reduzierte Schablonenöffnung erfordern. Das wiederum hat einen direkten Einfluss auf die Schablonendicke und auf die einsetzbare Lotpaste, vor allem in Bezug auf die Korngröße.

Auswahl von Leiterplatte, Schablone und Lotpaste

Neben der Auswahl des richtigen Drucksystems, welches in puncto Positionier- und Wiederholgenauigkeit die höchsten Anforderungen erfüllen muss, ist die richtige Auswahl von Leiterplatte, Schablone und Lotpaste essenziell. Während in der Praxis die Möglichkeiten der Auswahl des Leiterplattenmaterials begrenzt sind, konnte hier mittels Einsatz von Test-Leiterplatten ein nahezu optimaler Untergrund verwendet werden. Die Test-Leiterplatten bestehen aus Standard-FR4-Material mit einer chemisch Gold-Oberfläche und einem etwa 15 μm hohen Lötstopplack. Aufgrund der glatten Pad-Oberflächen und der geringen Lötstopplackdicke, die eine gute Abdichtung zur Schablone ermöglicht, ist eine positive Auswirkung auf das Druckergebnis zu erwarten.

Mit der Schablone steht und fällt das Druckergebnis. Ungünstige Aspect- und Area-Ratios ebenso wie raue Schablonenwandungen, die zum Anhaften der Paste führen, liefern in diesem Miniaturbereich unzureichende Resultate. Für die Druckversuche kam eine lasergeschnittene und plasmabeschichtete Edelstahl-Stufenschablone mit einer Basis-Schablonendicke von 150 μm zum Einsatz. Die Schablonendicke wurde für 0201-Strukturen auf 100 μm, für 01005-Strukturen auf 80 μm und für 03015m-Öffnungen auf 40 μm herabgestuft. Da insbesondere im Bereich der 03015m-Strukturen die Öffnungsgeometrie eine wesentliche Rolle für die Transfereffizienz (Auslösevermögen) der Paste spielt, wurde das 03015m-Segment in vier verschiedene Sektoren (A, B, C, D) mit unterschiedlichen Öffnungsformen (quadratisch, halbmondförmig, rautenförmig und runde Öffnungen) unterteilt. Bei der Auswahl der einsetzbaren Lotpasten kamen nur zwei Korngrößen in Frage: Typ 4 (20 bis38 μm) und Typ 5 (15 bis 25 μm). Von der Verwendung einer Typ-3-Paste wurde abgesehen, da die Partikel mit Korngrößen zwischen 25 bis hin zu 45 μm zu groß sind.

Druckprozess mit Auswertung

Ein wesentliches Ziel dieser Versuchsreihe war die Verwendung von Standard-Druckparametern, um somit gleichzeitig die Produktionsfähigkeit des Druckprozesses abzubilden. Für die Druckgeschwindigkeit wurde 30 mm/s und für den Rakeldruck 60 N (bei einer Rakellänge von 200 mm) gewählt. Diese Parameter hatten sich bei Vorversuchen als vorteilhaft erwiesen. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Trenngeschwindigkeit, welche das Auslöseverhalten und die Konturenstabilität der Paste beeinflusst. Hier wurde zwischen zwei Geschwindigkeiten variiert (5 mm/s und 50 mm/s auf eine Distanz von 5 mm), um die zu erwartenden Unterschiede in der Transfereffizienz darzustellen.

Es wurden Testserien mit jeweils zehn Leiterplatten gefahren, wobei immer nur ein Parameter pro Serie verändert wurde (Lotpaste, Trenngeschwindigkeit). Bei jeder Serie wurde genauestens darauf geachtet, dass die gleiche Menge an Lotpaste (rund 300 g) zur Verfügung stand. Schwankungen im Druckergebnis aufgrund unterschiedlichem Pasten-Staudruck, der bei ungleichen Auftragsmengen entsteht, werden damit vermieden. Die Auswertungen mittels 3D-Lotpasteninspektion (SPI), Laser-Schnittmessung und Lichtmikroskopie wurden bei den Drucken Nummer drei bis zehn vorgenommen. Der erste Druck (Initialdruck) und der zweite Druck wurden bewusst ausgeklammert, da sich erst nach circa zwei Drucken die Lotpaste und das Druckergebnis stabilisieren.

Beide Lotpasten-Typen 4 und 5 schnitten über die gesamte Versuchsreihe sehr gut ab und boten bei Strukturen bis 01005 nahezu identische Druckergebnisse. Betrachtet man das optimale Auslösevermögen, war dies hauptsächlich auf die plasmabeschichtete Schablone zurückzuführen, die bedingt durch ihre Antihaft-Eigenschaften auch noch nach zehn Drucken ohne Reinigung akzeptable Druckergebnisse ermöglichte. Jedoch in den Bereichen der 03015m-Strukturen zeigte sich deutlich, dass die Lotpaste Typ 4 endgültig an ihre Grenzen stößt. Ein reproduzierbares Auslösen war selbst bei den kreisförmigen Strukturen, welche von den vier gewählten 03015m-Strukturen das beste Auslösevermögen aufwiesen, nicht mehr möglich. Die Paste ist für diese Strukturen zu grobkörnig.

Die Mikroskopaufnahmen ermöglichen dabei einen direkten optischen Größenvergleich von drei gedruckten Strukturen. Hierbei ist der Größenunterschied zwischen den 01005 und den 03015m-Strukturen sehr gut zu erkennen. Die mittels SPI durchgeführte 3D-Lotpasteninspektion ergab für sämtliche Teststrukturen eine optimale Lotpastenhöhe, welche annähernd hundertprozentig der Schablonendicke entsprach. Ermöglicht wurde dies über den ausschließlich bei Ekra-Druckern verwendeten Rakelwinkel von 65 Grad in Kombination mit den speziell geschliffenen Rakelblättern. Ein Überdrucken, respektive Übervolumen, ist somit ausgeschlossen. Die Höhe der 03015m-Strukturen ließ sich mittels SPI nicht mehr zuverlässig messen. Hier kam ein 3D-Lasermessgerät zum Einsatz, das exakte Höhenwerte lieferte und zur Absolutmessung eingesetzt wurde. Bei den mit Lotpaste Typ 5 gedruckten 03015m-Depots ergab sich eine gleichmäßige Höhenverteilung im Bereich von etwa 42 bis 45 μm. Somit war es auch in diesem Bereich möglich, die Höhe der Lotpastendepots entsprechend der Schablonendicke von etwa 40 μm abzubilden.

Erfolgreiche Versuchsreihe

Mit dieser Versuchsreihe konnte Ekra anschaulich zeigen, dass sich Strukturen selbst in Bereichen von 01005 bis 03015m mit Standard-Prozessparametern drucken lassen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Ergebnisse unter Standardbedingungen, was Material und Equipment betrifft, erzielt werden können, denn hierfür müssen sämtliche Parameter aufeinander abgestimmt sein. Beginnend mit der Substrataufnahme im Drucker muss über die Fixierung der Leiterplatte ein essenziell notwendiger Vollkontakt zur Schablone sichergestellt sein. Hier kann eine Vakuumdruckaufnahme für optimale Ebenheit der Leiterplatte sorgen. Insbesondere ist es absolut notwendig, auf die vollkommene Abdichtung der Leiterplatte zur Schablone zu achten. Sehr störend sind Einflüsse von auftragenden Labels und Beschriftungen, weshalb Laserbeschriftungen deshalb zu bevorzugen sind. In Bezug auf die Abdichtung muss der Drucktisch in der Lage sein, die Druckposition absolut wiederholbar und reproduzierbar anzufahren.

Da die Schablonenqualität einen entscheidenden Faktor darstellt, lassen sich auch hier keine Standardqualitäten einsetzen. Vielmehr ist darauf zu achten, dass modernste Fertigungsverfahren mit geringsten Toleranzen zum Einsatz kommen. Angepasste Öffnungsgeometrien sowie geglättete Wandungen sind unverzichtbare Voraussetzungen. Eine Plasma- oder Nanobeschichtung wird dringend empfohlen, da erst diese eine optimale Transfereffizienz der Lotpaste und somit einen stabilen Prozess ermöglicht. Nicht zu vergessen ist der Lotpastendrucker, welcher in der gesamten Prozesskette eine zentrale Stellung einnimmt. Anhand der Art und Weise, wie Leiterplatte und Schablone im Drucker fixiert und zueinander ausgerichtet werden, wird die Voraussetzung für einen passgenauen und wiederholbaren Druck gelegt.

Wesentliche Druckparameter wie eine exakte Rakelgeschwindigkeit und ein pneumatischer Rakeldruck, der geregelt über ein Proportionalventil für einen stabilen Rakelwinkel sorgt, müssen absolut reproduzierbar sein. Das gilt ebenso für die Trenngeschwindigkeit, die den Pasteneigenschaften entsprechend ausgewählt werden muss. Unter dieser Voraussetzung stellen optimal eingestellte Parameter ein maximales Prozessfenster sicher. Darüber hinaus lässt sich diese Herausforderung ohne eine durchgehende Überwachung sämtlicher Achsverfahr- und Rakeldruckbereiche mittels Closed Loop-Regelungssystemen, welche die Wiederholbarkeit dieser Parameter sicherstellen, nicht bewältigen.

Präziser Lotpastenauftrag

Dürfte die Lotpaste immer ein wichtiger Punkt auf der Checkliste von Prozessingenieuren sein, stellen die geringe Größe und das geringe Gewicht der 03015-Widerstände und -Kondensatoren eine zusätzliche Herausforderung dar: Der Transport muss über die gesamte Linie absolut präzise und vibrationsfrei sein. Daher ist ein sehr eng kontrolliertes Prozessfenster im Drucker nötig: Der Rakeldruck muss gleichmäßig und gut kontrollierbar sein.