Lotpastendruck in der Elektronikfertigung

Die Entwicklung von Lotpasteninspektionsystemen in den vergangenen Jahren verdeutlicht, dass Elektronikfertiger verstärkt auf das Optimieren des Druckprozesses achten. Dabei spielt es keine Rolle, ob ein vollautomatischer oder manueller Drucker eingesetzt wird. „Die ersten Ungenauigkeiten können schon beim Druck der Lotpaste entstehen, die man in den anschließenden Prozessen nur bedingt korrigieren kann“, merkt Anton Hacklinger an, Geschäftsführer der High Q Electronic Service.

Daher ist es umso wichtiger, schon zum Start einer Produktion den Druckprozess so genau wie möglich einzurichten, da bei der Herstellung elektronischer Baugruppen bis zu 64 Prozent aller Fehler im ersten Arbeitsschritt verursacht werden. „Wir konzentrieren uns auf die Fertigung von Prototypen sowie von kleinen und mittelgroßen Serien. Aufgrund der sehr vielen Produktwechsel fertigen wir nicht Inline. Ein SPI wäre also ein zusätzlicher Arbeitsschritt, der die Produktionszeit verlängert. Aus diesem Grund haben wir uns für einen anderen Schritt entschieden“, erklärt Hacklinger.

Die Überlegung dahinter war, je leistungsfähiger und genauer die Schablone ist, desto weniger Ungenauigkeiten entstehen und eventuelle Nacharbeiten werden ausgeschlossen. Der Geschäftsführer von High Q Electronic Service hat errechnet, dass circa 1 Prozent der Materialkosten einer elektronischen Baugruppe durch die Druckschablone verursacht wird. Wird allerdings eine zu alte oder qualitativ schlechte Schablone verwendet, hat dies wiederum einen direkten Einfluss auf die Kosten der Nacharbeit. So belaufen sich die Kosten der Nacharbeit auf bis zu 25 Prozent der Gesamtkosten.

Komplexe Baugruppen mit einem umfangreichen Bauteilespektrum stellen hohe Anforderungen an die Planung und Durchführung des Fertigungsprozesses. High Q Electronic Service

Exakter Lotpastendruck für eine Minimierung der Nacharbeit

Mehr als zwanzig Parameter wirken sich bereits beim Lotpastendruck auf die Qualität und die Performance der gesamten Elektronikfertigung aus. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Linien- oder Inselproduktion handelt. Aus diesem Grund ist ein angepasstes Schablonenlayout in Verbindung mit einem optimalen Auslöseverhalten beim Drucker entscheidend für den Produktionsverlauf. „Es ist leider immer noch der Fall, dass eine Vielzahl der in der SMT-Fertigung auftretenden Fehler auf mangelhafte Lötverbindungen zurückzuführen ist, die ihre Ursachen im Lotpastendruck haben“, stellt Thomas Lehmann, Leiter CAD/CAM Kundenbetreuung von Christian Koenen fest. Um diese Fehler zu vermeiden, wählte der Münchener EMS den Hersteller von Präzisionswerkzeugen für den technischen Druck als Lieferant aus.

Christian Koenen eröffnete im Jahr 2008 das hauseigene Labor für Forschung und Entwicklung, das Application Center. Die technische Einrichtung ermöglicht den Kunden die Auslagerung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Verbesserung der Druckprozesse. Des Weiteren können im Application Center bestimmende Informationen gesammelt werden, um die Schablonen einer kontinuierlichen Weiterentwicklung zu unterziehen. Das dadurch entstandene Expertenwissen rund um den Druckprozess wird allen Kunden zur Verfügung gestellt. „Gerade bei schwierigen Leiterplattenlayouts ist die Prozessberatung für uns wichtig. Bsonders in solchen Fällen ist die Erfahrung des Lieferanten ausschlaggebend, inwieweit wir einen fehlerfreien Fertigungsprozess starten können“, erklärt Hacklinger. „Eine Steigerung der Fertigungsleistung durch Reduktion der Fehlerquoten beim Druck sowie eine deutlich erhöhte Schablonenperformance sprechen für sich“, erklärt Christian Koenen, geschäftsführender Gesellschafter der Christian Koenen.

Hohe Varianz in den Öffnungsgrößen

Auch im halbautomatischen Lotpastendruck spielt die Genauigkeit eine große Rolle. High Q Electronic Service

Eine große Bauteilevielfalt und die Mischung aus großen und kleinen Bauformen ergeben für die Lotpastenschablone eine hohe Varianz in den Öffnungsgrößen. Eventuell sind dabei unterschiedliche Schablonendicken erforderlich, die dem speziellen Pastenbedarf und der unterschiedlichen Bauteile Rechnung tragen. Genau hier beginnt die Betrachtung der kritischen Punkte, die bei der Definition der richtigen Schablone berücksichtigt werden müssen. Komplexe Baugruppen mit einem umfangreichen Bauteilespektrum stellen hohe Anforderungen an die Planung und Durchführung des Fertigungsprozesses.

Dabei ist es wichtig, im Vorfeld die richtigen Entscheidungen zu treffen, die eine einwandfreie Produktion ermöglichen. Das beginnt bei den Toleranzen der Leiterplatte, geht über ein stabiles Öffnungslayout der Druckschablone, der richtigen Lotpastenauswahl und endet erst mit dem fehlerfrei gefertigten Produkt.

Ebenso anspruchsvoll sind die Lotpastendepots für sehr kleine Bauteile. Hier besteht eine Diskrepanz zwischen dem wirklichen Pastenbedarf der Lötverbindung und der reproduzierbaren Druckbarkeit kleiner Lotpastenmengen. Es gilt die Grundregel: die Öffnungen in der Schablone so groß wie möglich und dabei so klein wie nötig zu dimensionieren, denn große Öffnungen sind leichter druckbar. Somit müssen verschiedene Berechnungen hinsichtlich des Füllverhaltens der Schablonenöffnungen im Druckprozess sowie das Auslöseverhalten der Paste als auch die Wahl der richtigen Pastenklasse im Vorfeld durchgeführt werden, um eine Entscheidung treffen zu können, wie die Schablone optimal gefertigt werden kann.

Die Kombination machts

Dabei passen die Experten von Christian Koenen den Lotpastendruck anhand der Kundenparameter und der eingesetzten Materialien an, denn die Kombination aus Lotpaste und Drucker ist für die meisten Ungenauigkeiten in der Elektronikfertigung verantwortlich. Dabei spielen verschiedene Parameter eine Rolle, wie die Druckqualität der Lotpaste, die eingesetzte Hardware, die Druckparameter, das Know-how des Maschinenbedieners sowie das Produktionsumfeld. Hinzu kommen häufige Fehlerquellen wie qualitativ schlechte Leiterplatten, Leiterplattenverzug außerhalb der Toleranzen, zu enge Layouts aufgrund einer immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung sowie der Bauteilmix, der schlussendlich auf die Leiterplatte platziert werden soll.

Anschließend müssen unterschiedlichste Optionen, wie die Erstellung unterschiedlicher Materialstärken innerhalb der Druckform (Stufenschablone) oder definierte Oberflächenverfahren wie CK-Elektropolieren, Plasmaschicht und die Gestaltung der Rakelseite eingebracht werden. „Hierbei spielt auch die Qualität und Beschaffenheit der Leiterplatte eine wesentliche Rolle, wie beispielsweise die Lötstopp-Lackhöhe über dem Pad, gefüllte Vias und deren Planarität, Leiterplatten-Verzüge, Kennzeichnungsdruck“, zählt Lehmann auf.

Gerade bei schwierigen Leiterplattenlayouts ist die Prozessberatung wichtig. High Q Electronic Service/Christian Koenen

Gut ausgebildete Mitarbeiter

Auch das Auslöseverhalten beim Herunterfahren und Trennen der Leiterplatte von der Schablone hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Lotdepots. Beim Laserschneiden der Schablone bilden sich Schmelzrückstände an der Schablonenoberfläche und den Innenwandungen der Öffnungen. „Solche Materialveränderungen sind bei vielen Applikationen, vor allem im Fine-Pitch-Bereich, für unsaubere oder auch unzureichend bedruckte Depots verantwortlich“, erklärt Lehmann. Verschiedene Oberflächenverfahren reduzieren diese Effekte deutlich.

Aber auch durch Sonderformen, angepasst an die jeweiligen Bauteile und Prozesse, lässt sich das Auslöseverhalten optimieren. „Den Maschinenbedienern kommt diesbezüglich aber auch eine entscheidende Rolle zu. Der Drucker muss in Bezug auf den Rakeldruck und die Druckgeschwindigkeit richtig eingerichtet werden. Ebenso muss eine gründliche Reinigung der Schablonen erfolgen. Sollten diese Punkte nicht beachtet werden, war die geleistete Vorarbeit umsonst“, führt Lehmann weiter aus. Hacklinger kann dies nur bestätigen: „Ohne gut ausgebildete, erfahrene Mitarbeiter bringt mir die beste Schablone nichts. Gerade bei der Inselfertigung kommt es auf die Mitarbeiter an. Aber für uns als EMS-Anbieter ist es ebenso wichtig, dass Lieferanten uns bei der Optimierung unserer Prozesse mit ihrer Erfahrung unterstützen.“

Christian Koenen stellt auf der Messe SMT Hybrid Packaging 2017 in Halle 4A, Stand 320 aus.

(hw/mrc)