Die fortschreitende Miniaturisierung von Bauteilen und Baugruppen macht den Schablonendruck zur Herausforderung. Aperturen und Lotdepots werden immer kleiner, die Abstände zu den Bauteilen verringern sich. Infolgedessen verschlechtert sich das für die Lotpasten-Transfereffizienz entscheidende Verhältnis von Fläche zu Wandstärke der Aperturen (Bild 1), die Druckqualität in Fine-Pitch-Anwendungen sinkt und der Druckprozess wird instabiler.

Ist ein Board ausschließlich mit Fine-Pitch- oder Ultra-Fine-Pitch-Bauelementen bestückt, verschiebt der Einsatz dünnerer Schablonen das Flächen-Wand-Verhältnis wieder in die günstigere Richtung.

Bild 1: Das Verhältnis von Fläche zu Wandstärke der Aperturen bestimmt die Lotpasten-Transfereffizienz.

Bild 1: Das Verhältnis von Fläche zu Wandstärke der Aperturen bestimmt die Lotpasten-Transfereffizienz. ASM

Doch meist liegt ein Mix unterschiedlicher Bauelementegrößen vor und viele erfordern dickere Schablonen. Stufenschablonen lösen das Problem, sind allerdings teuer, nicht für alle Layouts geeignet und mit zusätzlichen Herausforderungen beim Drucken verbunden.

Beschichtung statt Stufenschablonen

In Zusammenarbeit mit Partnern hat ASM Assembly Systems eine Schablonenbeschichtung entwickelt, mit der sich die Transfereffizienz im Schablonendruck von Ultra-Fine-Pitch-Anwendungen deutlich verbessert. Die Nano-Ultra-Beschichtung wird in einem  chemisch-thermischen Verfahren aufgetragen und bildet eine dauerhafte, zwischen 2 und 4 μm dicke Beschichtung auf der Unterseite der DEK-Schablone und an den Wänden der Aperturen. Die Beschichtung ist nicht ionisch, nicht leitend, chemisch inert und konform mit Echa Reach, RoHS und RoHS 2. Durch die Beschichtung verbessert sich die Lotpasten-Transfereffizienz in vielen Fine-Pitch-Anwendungen, sodass keine teuren Stufenschablonen erforderlich sind. Aufwändige interne Testreihen haben ergeben, dass sich die Transfereffizienz der Lotpaste bei feinen Aperturen mit Area Ratios von über 0,60 mit den beschichteten Schablonen um bis zu 40 % verbesserte. Das wirkt sich positiv auf Druckqualität und Ausbeute aus und senkt den Bedarf an Lotpaste, Reinigungsprozessen und Verbrauchsmaterialien.

Abgrenzung zu anderen Technologien

Da die Beschichtung ab Werk aufgetragen wird, lassen sich die Schablonen direkt bestellen, lediglich der Veredelungsprozess führt zu einer etwas längeren Lieferzeit. Der Vorteil gegenüber manuell aufgetragenen Beschichtungen liegt in der deutlich höheren Qualität und Gleichmäßigkeit. So gibt die Permanentbeschichtung gerade für den Ultra-Fine-Pitch-Bereich längerfristige Prozesssicherheit.

Mit 2 bis 4 μm ist die Beschichtung ungewöhnlich dick. Wie sich das auf die Aperturen auswirkt, hat ASM ausführlich untersucht. Spezielle Anpassungen des Layouts sind demnach nicht erforderlich. Die Beschichtung erhöht zwar die Stärke der Schablone und verkleinert die Aperturen, wodurch das Volumen der Fine-Pitch-Aperturen um durchschnittlich 5 % sinkt und damit auch die aufnehmbare Menge an Lot in einer Apertur. Doch diesen Effekt kompensiert die deutlich bessere Transfereffizienz, denn es bleibt weniger Lot in der Schablone zurück. So ist etwa bei einer Apertur mit einer Area Ratio unter 0,55 eine Transfereffizienz von 90 % möglich – mit unbeschichteten Schablonen lassen sich hier durchschnittlich nur etwa 70 % erreichen.

Bild 2: Die 2 bis 4 μm dicke Beschichtung der DEK-Nano-Ultra-Schablonen steigert die Transfereffizienz des Pastenvolumens erheblich.

Bild 2: Die 2 bis 4 μm dicke Beschichtung der DEK-Nano-Ultra-Schablonen steigert die Transfereffizienz des Pastenvolumens erheblich. ASM

Inzwischen gibt es erste Erkenntnisse aus der Fertigungspraxis. Folgende Beispiele bestätigen die Ergebnisse der internen Testreihen und fügen ein paar praktische Erkenntnisse hinzu.

Praxistest 1: Performanz und Lebensdauer

Ein Hersteller von Produkten für die Automobilindustrie hatte Probleme mit unzureichenden Lotdepots unter BGA-Komponenten auf Grund mangelnder PCB-Qualität: Lötstopplack und Maskenhöhe waren uneben und variierten stark. Dementsprechend schwankte die Ausbeute am Ende der SMT-Linie, die Ausschussrate war inakzeptabel hoch. Zudem verbot der zertifizierte Prozess Reparaturen und Nacharbeiten an den Leiterplatten und ein anderer Lieferant für die Platinen kam ebenfalls nicht in Frage.

So konzentrierten sich die Bemühungen auf den Druckprozess und die Schablonen. Die besten Ergebnisse lieferten zunächst beschichtete Schablonen eines Anbieters A, mit denen sich die Ausbeute von 60 bis 70 % auf 96 % verbesserte.

Nano-Ultra-Schablonen waren zu wettbewerbsfähigen Preisen erhältlich, stellte sich nur die Frage, inwieweit auch Leistung und Haltbarkeit den anderen Schablonen das Wasser reichen konnten.

Gute Ergebnisse trotz Abnutzung

Bei der ersten Untersuchung nach 30.000 Druckzyklen hatten beide Schablonen ihre hydrophobe Eigenschaft eingebüßt und die Beschichtung auf der Unterseite war deutlich abgetragen. Starke Abnutzung trat an Stellen auf, an denen der Lötstopplack besonders hoch stand. Trotzdem lagen die Druckergebnisse weiterhin innerhalb der Herstellerspezifikationen und die Performanz war nur marginal schlechter als bei neuen Schablonen. Die entscheidende Beschichtung der Aperturwände schien also weitgehend unbeschädigt.

Lag der Ausschuss bisher bei bis zu 100 Boards pro Schicht, waren mit den beschichteten Schablonen nur acht Boards unbrauchbar. Nach 70.000 Zyklen war die Beschichtung bei beiden Testschablonen komplett verschwunden. Der Ausschuss lag nun bei 10 bis 16 schlechten Boards.

Was bringen Nano-Ultra-Schablonen?

  • deutlich bessere Lotpasten-Transfereffizienz in Fine-Pitch- und Ultra-Fine-Pitch-Anwendungen
  • keine aufwändigen Änderungen am Schablonendesign (Stufenschablonen etc.)
  • längere Reinigungszyklen
  • hochwertigere Lotdepots (schärfere Kanten, weniger Brückenbildungen, keine Dog-ears)
  • stabilerer Druckprozess, höhere Ausbeute und Effizienz der SMT-Linie
  •  auch nach mehr als 70.000 Druckzyklen kaum Volumenverlust

Beschichtung in den Ecken hält

Zur weiteren Analyse kam anschließend die Beschichtung der Aperturwände unters Elektronenrastermikroskop. Zwölf Regionen zeigten teilweise Beschädigungen und Fragmentierungen. Die meisten Verluste gab es jeweils auf den Außenseiten und in der Mitte. In den übrigen Bereichen und besonders in den Aperturecken war die Beschichtung weitestgehend intakt geblieben, was auch die nach wie vor gute Performanz erklärt: Die unversehrte Beschichtung in den Ecken sorgt für ein gutes Ablöseverhalten und verhindert Dog-ears.

Obwohl die Schablone von Anbieter A 5 µm dünner war, zeigte die Nano-Ultra-Schablone eine vergleichbare Performanz und Lebensdauer. Interessanterweise sind die Druckergebnisse auch im Fine-Pitch-Bereich immer noch akzeptabel, solange die Beschichtung in den Ecken der Aperturen hält.

Bild 3.1: Im Praxistest ein Board, das viele unterschiedlich große μBGA und 0,4-0,5-ICs sowie 0402-Chip-Komponenten auf der Oberseite enthält.

Bild 3.1: Im Praxistest ein Board, das viele unterschiedlich große μBGA und 0,4-0,5-ICs sowie 0402-Chip-Komponenten auf der Oberseite enthält. ASM

Praxistest 2: Fine-Pitch- und Pro-Flow-Pastendruck

Ein Elektronikhersteller identifizierte an einer Linie für die Low-Volume-/High-Mix-Fertigung den Druckbereich als leistungsmindernden Flaschenhals. Ein besonders anspruchsvolles Board mit 0,4-mm-Pitches wies bereits bei jedem zweiten Druck deutliche Brückenbildungen auf. Die Schablone musste daher nach jedem Druck gereinigt werden. Der Druck dauerte 38, die Reinigung 30 Sekunden – damit lag die Zykluszeit des Druckprozesses über dem 60-Sekunden-Takt der Linie und bremste die Fertigung aus.

Art und Frequenz der Reinigung zu verändern war zu riskant, da neben den im SPI erkannten Brückenbildungen zusätzliche Brückenbildungen im Reflow auftraten. Weil es sich außerdem um ein ungewöhnlich teures PCB handelte, waren Ausschuss oder eine Nachbearbeitung unbedingt zu vermeiden. Die Leiterplatte trägt auf der Oberseite mehrere μBGA, 0,4- und 0,5-ICs sowie 0402-Chip-Komponenten, auf der Unterseite sind zahlreiche passive 0402-Bauelemente und 0,4-mm-Pitch-ICs (Bild 3.1 und 3.2). Nano-Ultra-Schablonen sollten das Problem lösen.

Bild 3.2: Auf der Unterseite des Boards befinden sich zahlreiche passive Bauteile und jede Menge ICs mit 0,4-mm-Pitch.

Bild 3.2: Auf der Unterseite des Boards befinden sich zahlreiche passive Bauteile und jede Menge ICs mit 0,4-mm-Pitch. ASM

Lotpaste fließt leichter

Im Test verschmutzten die beschichteten Schablonen deutlich weniger. Überraschenderweise stellte das SPI aber weiterhin Brückenbildungen bei den 0,4-mm-Pitches fest. Das Depotvolumen hatte um bis zu 16 % zugenommen, obwohl die Druckparameter unverändert waren.

Der Hersteller nutzt an der Linie das geschlossene Pro-Flow-Druckverfahren. Die Beschichtung der Aperturwände hat nun eine doppelte Wirkung: Die Lotpaste löst sich leichter von den Aperturen, fließt aber auch leichter in die Apertur. Dieser Effekt verstärkt sich, weil der geschlossene Pro-Flow-Druckkopf die Paste unter 2 bar Druck aufbringt. Die ASM-Prozessexperten reduzierten den Druck zunächst auf 1,2 und dann auf 0,8 bar, wodurch sich die Brückenbildung stark reduzierte.

Reinigungsrate heraufgesetzt

Die Reinigungsrate ließ sich auf fünf Druckzyklen heraufsetzen, ohne dass es zu Brückenbildungen kam. Um eine optimale Druckkontinuität und eine zum Linientakt passende Geschwindigkeit zu erreichen, hat der Elektronikfertiger die Reinigung nach jedem dritten Board festgelegt.

Bild 4: Die beschichtete Pad-Wandung verbessert die Ausformung des Pastendepots und verhindert sogenannte Dog-ears.

Bild 4: Die beschichtete Pad-Wandung verbessert die Ausformung des Pastendepots und verhindert sogenannte Dog-ears. ASM

Darüber hinaus hilft die bessere Füllung der Aperturen mit einem Pro-Flow-System, Brückenbildungen bei 0,4-ICs zu vermeiden. Da die Nano-Ultra-Beschichtung das Dog-ear-Phänomen ebenfalls minimiert, kann die Standardform weiter zum Einsatz kommen, lediglich die Dimensionierungen sind leicht anzupassen (Bild 4).

Praxistest 3: Ablöseverhalten im Langzeittest

Um das Langzeitverhalten gezielt zu evakuieren, druckte ein Hersteller über einen Zeitraum von mehreren Monaten insgesamt 74.580 Leiterplatten mit der Schablone. Die Unterseitenreinigungsrate lag bei 50 Leiterplatten. Ab 66.060 bedruckten Leiterplatten verzeichneten die SPI-Messergebnisse einen leichten Volumenverlust.

Bild 5: Nano-Ultra-Schablonen verzeichnen kaum Volumenverlust im Langzeittest und führen zu größeren Reinigungszyklen.

Bild 5: Nano-Ultra-Schablonen verzeichnen kaum Volumenverlust im Langzeittest und führen zu größeren Reinigungszyklen. ASM

Dieser Volumenverlust ist allerdings nur als absoluter Wert feststellbar – eingestellte Grenz- und Schwellwerte werden nicht verletzt, die Kontrolle am Ende der Linie ist weiterhin unauffällig und die Konturen der Lotdepots entsprechen den Vorgaben. Im äußeren Bereich der Schablone ist die Beschichtung abgetragen, im aktiven Druckbereich aber noch vorhanden.

Grenzwerte dauerhaft gewährleistet

Der Langzeittest zeigt die Dauerhaftigkeit der Nano-Ultra-Beschichtung und untermauert zugleich die positive Wirkung der Beschichtung auf das Ablöseverhalten der Lotpaste und damit letztlich auf die Stabilität und Qualität des Druckprozesses (Bild 5).

 

SMT 2016: Halle 7, Stand 311