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Die Miniaturisierung treibt die Anforderungen an einen extrem präzisen Schablonendruck voran, nicht nur im Hinblick auf die Positionierung, sondern auch auf das Lotpastenvolumen wie das Beispiel anschaulich zeigt: C1608 mm mit umgebenden 03015-mm-Chips.
Das Grafiktool bietet bei der Optimierung der Ausrichtung der Schablonen auf die Leiterplatten mehr Flexibilität.
Das Frontschienen-Schablonen-Ansaugsystem ist ein Novum, das den Metallbereich der Schablone an den Transportschienen fixiert.
Das Rail-Vacuum-System reduziert den Ausrichtungsfehler zwischen Schablone und Leiterplatte bei beiden Druckrichtungen.
Der 3S-Kopf erlaubt die automatische Optimierung des Rakelwinkels, sodass es möglich ist, Änderungen der Prozessbedingungen sofort zu berücksichtigen.
Das Rakelblatt hat ein scharfes Profil, um die Pastenkontamination der Schablonenoberfläche zu minimieren.
Die Option der Druckstabilitätssteuerung überwacht kontinuierlich die Größe der Lotpastenrolle und führt automatisch zusätzliche Lotpaste zu, wenn die Menge sich der Untergrenze des Zielbereichs nähert.
Der neuartige Drucker YCP10 von Yamaha ermöglicht es Fertigungstechnikern die Prozesseinstellungen schnell zu optimieren.

Die Leistungsfähigkeit des Druckprozesses ist für den End-of-Line-Ertrag von sehr hoher Bedeutung. Es ist allgemein bekannt, dass bei etwa 70 Prozent der am Ende der Linie als mangelhaft befundenen Leiterplatten der Druckprozess die Fehlerquelle ist. Die Hersteller dürfen bei der Einrichtung dieses kritischen Prozessschrittes nicht einmal Kleinigkeiten übersehen, geschweige denn die Prozessüberwachung vernachlässigen, um dadurch kürzere Zykluszeiten zu erreichen. Dennoch steht Geschwindigkeit immer im Mittelpunkt der Optimierung, wenn der Kostenrahmen und die Lieferfristen eingehalten werden sollen. Es sind also neue Wege gefragt.

Verbesserungen des Druckprozesses

Die Produktivität wird durch die Besonderheiten des Druckprozesses gehemmt, die sich seit Jahren kaum geändert haben. Dazu zählt auch das Drucken einer Reihe von Versuchsleiterplatten zu Beginn eines Loses, um Einstellungen wie die korrekte Ausrichtung der Schablone auf die Leiterplatte überprüfen zu können. Beim Arbeiten mit einem festen Rakelwinkel wird normalerweise für die ersten Druckzyklen nach jeder Reinigung die Verfahrgeschwindigkeit der Rakel reduziert. Darüber hinaus wird das Drucken immer komplexer, etwa durch den vermehrten Gebrauch von Stufenschablonen mit doppelter Stärke, um die geringen Lotpastenvolumen zu erzielen, die für Bauteilgrößen wie 03015 (0,3 mm x 0,15 mm) erforderlich sind, zugleich aber um für größere Bauteile auf der Leiterplatte weiterhin ein ausreichendes Pastenvolumen sicherzustellen. Einige Hersteller bevorzugen für diesen Zweck die Verwendung zweier separater Schablonen mit unterschiedlicher Stärke. Beide Praktiken haben einen Einfluss auf die Einstellungen des Druckers und des Druckprozesses. Die besten Ergebnisse werden durch einschneidende Änderungen am Drucker und an der Rakel erzielt.

Im Bereich der Schablonenausrichtung stellen die großen Unterschiede zwischen den kleinsten und den größten Bauteilen auf der Leiterplatte bei herkömmlicher Ausrichtung mithilfe von Passermarken ein Problem dar. Als beste Praxis hat sich hier die Umstellung auf eine Ausrichtung anhand der kleinsten Merkmale erwiesen, welche die höheren Fehlertoleranzen bei größeren Merkmalen nutzt. Verbesserungen an den Schablonendruckern, etwa beim Prozess der Ausrichtung, bei der Rakelmechanik und bei den Prozessüberwachungssystemen können auch die Besonderheiten der Geometrie winziger Bauteile bewältigen. Gleichzeitig erleichtern sie den Herstellern die Einrichtung und den Produktwechsel, bieten kurze Druckzykluszeiten und sorgen damit für ein hohes Maß an Produktivität.

Inprozesssteuerung ab der ersten Leiterplatte

Die Produktivität kann gesteigert werden, wenn sich bei der Einrichtung die optimale Ausrichtung der Schablone auf die Leiterplatte erreichen lässt, ohne dazu auf eine SPC-Analyse für die Berechnung der erforderlichen Versatzwerte warten zu müssen. Die grafikgestützte Ausrichtungsfunktion von Yamaha Motor IM erlaubt es den Technikern, die Ausrichtung anhand eines Kombinationsbildes zu optimieren, das die Darstellungen der Erkennungskameras für Leiterplatten und Schablonen zusammenfasst. Nach geringfügigen Anpassungen der X- und der Y-Richtung, welche die Bilder am Display wie gewünscht aufeinander ausrichten, berechnet die Lehrfunktion automatisch die Versatzwerte für ein korrektes Alignment. Dieser Ansatz gibt den Technikern die Flexibilität zur Priorisierung der Ausrichtung auf die kleinsten Leiterplattenmerkmale ebenso wie die Möglichkeit, nach Bedarf Passermarken oder andere Merkmale für die Ausrichtung zu wählen.

Damit die berechnete optimale Ausrichtung auch während des Druckprozesses aufrechterhalten werden kann, fixiert das nur bei Yamaha erhältliche Schienen-Ansaugsystem (Rail Vacuum System, RVS) den Metallbereich der Schablone an den Transportschienen. Dadurch wird die Ausrichtungsänderung in Druckrichtung, wie sie bei Beaufschlagung der Rakel mit Druck auftritt, deutlich reduziert. Diese Verschiebung kann bei herkömmlichen Systemen, die sich nur auf eine mechanische Schablonenklemmung stützen, bis zu 25 µm betragen. Die Standardkonfiguration vieler Inline-Schablonendrucker arbeitet mit zwei Rakeln für den Vorwärts- und den Rückwärts-Druckhub. Der Anstellwinkel beider Rakel wird bei der Einrichtung festgelegt und lässt sich nur bei gestoppter Maschine manuell ändern. Yamahas Einzel-Schwingrakelkopf (Swing Single Squeegee, 3S) auf Bild 3 erlaubt dem Drucker eine automatische Optimierung des Rakelwinkels in Echtzeit, sodass es möglich ist, Änderungen der Prozessbedingungen sofort zu berücksichtigen. Dadurch lassen sich schlechte Druckergebnisse zu Beginn oder bei einer Unterbrechung der Produktion vermeiden – also die bekannten Hauptursachen für ein Anwachsen der Defektrate.

Verhalten der Lotpaste berücksichtigen

Direkt nach dem Start zeigt die Lotpaste ein nicht-Newtonsches Verhalten – ihre Viskosität verändert sich in Abhängigkeit von den einwirkenden Kräften. Bei den ersten zwei bis vier Leiterplatten ermittelt die SPC normalerweise erratische Abweichungen beim aufgebrachten Pastenvolumen, bis die Paste ihre optimale Arbeitsviskosität hat. Sobald diese erreicht ist, unterstützen Inhibitoren die Beibehaltung einer konstanten Viskosität, sodass sich der Prozess stabilisiert. Bei einer Unterbrechung der Produktion kann die Lotpaste wieder in ihren statischen Zustand übergehen und muss die gewünschte Viskosität erst zurückgewinnen, bevor gute Druckergebnisse zu erwarten sind.

Durch die Anpassung des Rakelwinkels in Abhängigkeit von der Pastenviskosität steigert der 3S-Kopf die Aperturfüllung, wenn die Viskositätswerte über dem Optimum liegen. Dadurch wird eine bessere Aperturfüllung beim Starten oder nach einer Produktionsunterbrechung erzielt, wobei die Rakelgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Die gleichbleibende Rakelgeschwindigkeit sorgt für eine Scherwirkung auf die Lotpaste, was ein rasches Erreichen der Arbeitsviskosität unterstützt. Der 3S-Kopf kann darüber hinaus den Rakelwinkel sofort nach einer Schablonenreinigung wieder optimieren. Dies verhindert, dass auf der Schablone verbliebenes Reinigungsmittel die Aperturfüllung beeinträchtigt. Die Schwingmechanik des Kopfes erlaubt die Verwendung einer Einfachrakel für die Vorwärts- und die Rückwärtsauslenkung. Dadurch ist es möglich, den Druck über eine einfache Wägezelle zu steuern, was Druckänderungen zwischen Vorwärts- und Rückwärtshub ausschließt und damit eine präzise Prozesssteuerung ermöglicht.

Das Rakelblatt hat ein scharfes Profil, um die Pastenkontamination der Schablonenoberfläche zu minimieren. Gleichzeitig sorgt das Profil bei Stufenschablonen doppelter Stärke für bessere Ergebnisse. Außerdem haftet nur eine geringere Lotpastenmenge an der Rakel an. Dies unterstützt die Beibehaltung einer gleichbleibenden Menge auf der Schablonenfläche und reduziert das Austrocknen der Lotpaste. Eine hochfeste, reibungsmindernde Schutzbeschichtung sorgt dafür, dass das Rakelprofil über einen langen Zeitraum hinweg gleich bleibt. Für die Beschichtung wird die gleiche Werkstofftechnologie genutzt wie für die Zylinderwandungen der Hochleistungsmotoren von Yamaha-Motorrädern. Die reibungsreduzierenden Eigenschaften minimieren die Abnutzung von Rakelblatt und Schablone, außerdem verhindern sie, dass die Lotpaste an der Rakel anhaftet.

Aufrechterhaltung der Druckstabilität

Im Normalfall wird durch den Einrichtungsvorgang festgelegt, wie häufig für eine stabile Aperturfüllung die Lotpaste auf die Schablonenoberfläche zu dosieren ist. Wenn zu viel oder zu wenig Lotpaste vorhanden ist, rollt die Paste nicht, was eine unzureichende Aperturfüllung verursacht. Zum Ermitteln des optimalen Nachfüllintervalls werden üblicherweise so lange Leiterplatten bedruckt, bis die Inspektion nach dem Drucken ein zu geringes Lotpastenvolumen meldet. Die Option der Druckstabilitätssteuerung von Yamaha (Print Stability Control, PSC) überwacht kontinuierlich die Größe der Lotpastenrolle und führt automatisch zusätzliche Lotpaste zu, wenn die Menge sich der Untergrenze des Zielbereichs nähert. Dadurch können die Folgen einer nicht gleichbleibenden Aperturfüllung vermieden werden. Die Einrichtungszeit wird kürzer, weil PSC das Drucken von Versuchsleiterplatten überflüssig macht. Gleichzeitig steigt die Produktivität, da sich die Fertigung ohne Unterbrechungen durch die manuelle Zuführung von Lotpaste fortsetzen lässt.

Die Kombination von 3S-Kopf, Grafikebenen-Ausrichtung und PSC sorgt für einen exakt steuerbaren und stabilen Druckprozess von der ersten Leiterplatte an. Dadurch steigt die Produktivität aufgrund einer Maximierung der effektiven Maschinenbetriebszeit bei gleichzeitiger Minimierung mangelhafter Drucke. Die entsprechenden Funktionen stehen bei allen Druckern von Yamaha zur Verfügung, auch beim YSP, dem YSP20 mit Zweibahn- und Zweischablonenfähigkeit und beim neuen YCP10.

Zweibahn-Produktivität

Das Doppelsystem YSP20 erreicht unter Nutzung beider Bahnen für den abwechselnden Druck mit zwei Schablonen Linientaktzeiten von etwa 5 s. Die Dual-Stage-Konstruktion ermöglicht zudem die Nonstop-Einrichtung und den Nonstop-Produktwechsel. Sie lässt sich aber auch für höhere Geschwindigkeiten nutzen, wenn Leiterplatten sequenziell unter Verwendung zweier unterschiedlicher Schablonen verschiedener Stärke zu bedrucken sind.

Der Nonstop-Betrieb ist möglich, wenn der Bestückautomat so eingerichtet ist, dass beim Wechsel zwischen Produkten kein Austausch von Förderern notwendig wird. Wenn der Drucker in der Einzelbahn-Konfiguration eingesetzt wird, kann die freie Bahn bereits für das Bedrucken des nächsten Produktes vorbereitet werden. Sobald das laufende Produktionslos abgearbeitet ist, werden die Bestückautomaten für das nächste Produkt umprogrammiert und der Schablonendrucker steht sofort für die erste Leiterplatte der neuen Charge bereit. Dies kann eine deutliche Steigerung der Produktivität bewirken, wenn eine große Zahl unterschiedlicher Produkte in kleinen Losgrößen gefertigt wird.

Alternativ zu Stufenschablonen beinhaltet das sequenzielle Drucken einen ersten Druckschritt mit einer dünnen Schablone, um die geringen Lotpastenmengen für passive 03015-Chips oder für Ultra-Finepitch-Arraybauteile aufzubringen. Danach wird die Leiterplatte ein zweites Mal mithilfe einer dickeren Schablone bedruckt, um die Lotpastendepots für die restlichen Bauteile herzustellen. Die Unterseite der zweiten Schablone ist so ausgefräst, dass es nicht zu einer Berührung der im ersten Druckzyklus platzierten Lotpastendepots kommt. Der Dual-Stage-Drucker YSP20 benötigt für einen vergleichbaren Durchsatz und die gleiche Flexibilität deutlich weniger Stellfläche als zwei herkömmliche Drucker.

Prozesseinstellungen schnell optimieren

Die Leistungsmerkmale der letzten Druckergeneration erlauben es den Fertigungstechnikern, die Prozesseinstellungen schnell zu optimieren. Nur so können sie die stetig zunehmende Bandbreite von Bauteilen zwischen miniaturisierten Passivchips bis hin zu großen Anschlusskomponenten gleichermaßen abdecken. Zugleich helfen die neuartigen Funktionen, den Aufwand des früheren Verfahrens von Versuch und Irrtum bei der Einrichtung von Leiterplatten zu vermindern. Die Produktion verwendbarer Einheiten von der ersten Leiterplatte an sorgt dabei für eine hoch willkommene Steigerung der Produktivität.