Wenn viele elektronische Bauteile dauerhaft und sicher mit der Leiterplatte zu verbinden sind, wird manuelles Löten zunehmend unattraktiver. Und wenn dann noch kleine SMD-Bauteile zum Einsatz kommen, haben Druckverfahren unbestritten große Vorteile. Mit einem Schablonendruckverfahren werden Lotpastendepots auf die Pads der Leiterplatte aufgebracht. Mit gleicher Technologie lassen sich aber auch andere Pasten aufbringen, zum Beispiel für die Wärmeleitung oder Klebstoffe.

Der LPKF Stencil Laser G 6080 wählt für jeden Lochtyp die optimalen Schneidparameter und prüft das Schneidergebnis direkt im Prozess ohne zusätzliche Maschinenzeit.

Der LPKF Stencil Laser G 6080 wählt für jeden Lochtyp die optimalen Schneidparameter und prüft das Schneidergebnis direkt im Prozess ohne zusätzliche Maschinenzeit. LPKF

Im industriellen Bereich sind überwiegend lasergeschnittene Schablonen zu finden, auch das Elektro-Forming hat einige Bedeutung, also der galvanische Aufbau auf einer fotolithografisch hergestellten Form.

Lasergeschnittene Schablonen

Mit steigender Anzahl elektronischer Bauelemente erweist sich manuelles Löten als unpraktisch, deshalb nutzt der industrielle Bereich Schablonendruckverfahren, um Lotpastendepots auf die Pads der Leiterplatte aufzubringen. Am häufigsten anzutreffen sind lasergeschnittene Schablonen, wie sie sich etwa mit dem Stencil Laser G 6080 von LPKF herstellen lassen. Dieses Spitzensystem bietet bei jeder Apertur die Wahl zwischen einfacher und hochwertiger Bearbeitung sowie zwei Schneidgasen.

eCAD-Programm liefert Layoutdaten

Beim Laserverfahren werden große Bleche aus Edelstahl oder anderen Metallen lose in einem Rahmen eingespannt oder auf ein Gitternetz in einem starren Siebrahmen aufgeklebt. Die erforderlichen Schneiddaten lassen sich aus den Layoutdaten des eCAD-Programms übernehmen. Die CAM-Software des Lasersystems übernimmt diese Daten und erlaubt die automatische oder manuelle Bearbeitung der Schneidlöcher. Entsprechende Funktionen vorausgesetzt, lassen sich auch unregelmäßige Aperturen erzeugen, die ein spezifisches Auslöseverhalten der Lotpastendepots beim Abheben der Schablone von der Leiterplatte bewirken.

Die Herstellung der Aperturen erfolgt durch ein Laser-Schmelzschneiden. Der feine Laserstrahl sticht in der Mitte einer Apertur ein, schmilzt das Material bis zum Durchbruch und treibt die Schmelze mit einem Schneidgas aus der Schneidzone aus. Das Schneiden der Lochkonturen erfolgt erheblich schneller als beim Verdampfen des Materials und mit einer geringen thermischen Einflusszone. Dabei ist die geometrische Genauigkeit beeindruckend: Das System bearbeitet bis zu 1 mm dicke Bleche und erreicht dabei eine Präzision von ± 2 µm.

Ungewöhnliche Aperturen

Die Qualität lasergeschnittener Lotpastenstencils lässt sich durch geschickte Prozessparameter exakt einstellen. Hier spielt natürlich das bearbeitete Material eine große Rolle, aber auch Parameter wie Laserenergie, Pulsdauer, Fokuslage und verwendetes Schneidgas. Das Spitzensystem LPKF Stencil Laser G 6080 kann für jede Apertur zwischen einfacher und hochwertiger Bearbeitung und zwei eingesetzten Schneidgasen umschalten.

Anspruchslose Schnitte wie bei Randperforationen erfolgen dann sehr schnell, während Aperturen zum Beispiel für µBGA-Bauteile langsamer, aber dafür hochpräzise hergestellt werden. Dank einer In-Process-Kontrolle lässt sich darüber hinaus der erfolgreiche Schnitt für jedes einzelne Loch dokumentieren. Mit einer Erweiterungsoption ist dieses Lasersystem für die Herstellung von Stencils mit einer Maximalgröße von 160 x 60 cm² geeignet. Die maximale Rahmengröße beträgt dann 74 x 180 cm².

Akkurate Geometrien, glatte vertikale Seitenwände und Stege von nur 50 µm zeichnen die Arbeit des Stencil Laser G 6080 aus.

Akkurate Geometrien, glatte vertikale Seitenwände und Stege von nur 50 µm zeichnen die Arbeit des Stencil Laser G 6080 aus. LPKF

Stufen im Stencil

Stufenschablonen variieren das Lotpastenvolumen lokal und liefern genau die richtige Menge für unterschiedliche Bauteile bei der Leiterplattenbestückung. Im SMD-Lotpastenstencil werden dazu lokale Vertiefungen (Step-down) eingebracht oder Verstärkungen (Step-up) hergestellt. Dies ermöglicht das Bestücken mit SMD-Bauteilen mit geringem Pitch wie fpBGAs oder mit robusten Anschlusskomponenten wie Steckern in einem Arbeitsgang.

Der optimierte Produktionsprozess ist gut geeignet, um definierte Materialmengen abzutragen oder Verstärkungen aufzuschweißen. Das belegt auch eine von LPKF durchgeführte Studie zu den Effekten, die bei der gezielten Modifizierung der Materialstärke auftreten.

Mit LPKF Stencil Lasern lassen sich sowohl Step-down- als auch Step-up-Stencils herstellen. Rechts im Schliffbild: Step-up-Komponenten (gelb) und eine Stufe (rot).

Mit LPKF Stencil Lasern lassen sich sowohl Step-down- als auch Step-up-Stencils herstellen. Rechts im Schliffbild: Step-up-Komponenten (gelb) und eine Stufe (rot). LPKF

Kostenlose Tech-Paper

Die im LPKF Tech-Paper „Herstellung von Step-Down-Stufenschablonen“ diskutierten Versuchsreihen betrachten ein komplexes Konglomerat von Einflussfaktoren wie Maschinenparameter, Aufbereitung der CAM-Daten, Einfluss der Prozessgasparameter (Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft), Pulsabstand und mittlere Streckenleistung. Um ein sicheres Bearbeitungsfenster zu identifizieren, lag dabei besonderes Augenmerk auf nichtlinearen Effekten der Pulsweite.

Mit dem Stencil Laser G 6080 lassen sich auch Step-up-Stencils durch ein gezieltes Aufschweißen von Verstärkungsfolien im Druckbereich herstellen. Angepasste Prozessparameter stellen ein festes Verbinden von Materialien verschiedener Stärken sicher. Das verwendete Punktschweißverfahren ist schnell und liefert eine gute Haftung, ohne nennenswerte thermische Einflüsse auf die Basisfolie. Auch für diese Anwendung stellt LPKF ein kostenloses Tech-Paper bereit.

Es muss nicht immer Edelstahl sein: Für Prototypen mit einer begrenzten Auflage leisten auch Polyimidstencils gute Dienste.

Es muss nicht immer Edelstahl sein: Für Prototypen mit einer begrenzten Auflage leisten auch Polyimidstencils gute Dienste. LPKF

Stencils für das PCB-Prototyping

Wenn es etwas kleiner werden darf – zum Beispiel für das Prototyping – müssen Anwender auf professionelle Lotpastenstencils nicht verzichten. Gerade im PCB-Prototyping leisten Stencils aus Polyimid gute Dienste. Sie sind für eine begrenzte Druckanzahl mechanisch stabil und unempfindlich gegen Lösungsmittel und Temperatureinflüsse. Wird die Leiterplatte in einem chemiefreien Verfahren per Fräsbohrplotter oder Laser strukturiert, lassen sich mit diesen Geräten auch Stencils herstellen. Bei den gefrästen Polyimid-Stencils sind Strukturgrößen um die 200 µm bei einer Positioniergenauigkeit von rund 20 µm erreichbar, während ein lasergeschnittener Polyimid-Stencil Strukturgeometrien im Bereich des Laserfokus-Durchmessers (~ 20 µm) aufweisen kann.

SMT Hybrid Packaging 2016: Halle 6, Stand 434