Plasma-Schablonen steigern die Produktivität

Immer häufiger werden Funktionalitäten, die bisher auf mehrere Baugruppen verteilt waren, in ein Produkt komprimiert. Damit steigen Baugruppenkomplexität und Bauformenumfang, beispielsweise bei der Kombination von Leistungsteil, mit vergleichsweise großen Bauformen, und Regelteil, mit zum Teil hoch integrierten Bauteilen. Genau hier liegt die Problematik: Hoher Lotpastenbedarf im Leistungsbereich oder bei Steckverbindern steht den Anforderungen des Regelteils mit Fine-Pitch- und µBGA-Bauteilen entgegen. Hier schafft die Stufentechnologie, die unterschiedliche Dicken in einer Schablone kombiniert, die Möglichkeit, in jeder Apertur exakt die richtige Lotmenge reproduzierbar zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich entstehen Ansprüche der feinen Raster und kleinen Öffnungen an die Substratebenheit und bei der Schablonenreinigung. Die Plasma-Schablone ist eine konsequente Weiterentwicklung, mit der Christian Koenen für Abhilfe sorgt.

Durch die Antihaftbeschichtung der Schablonenoberfläche bietet die Plasma-Schablone einige Vorteile, die die Effizienz und Qualität der Fertigungslinie steigern.Christian Koenen

Nutzen von Plasma

Zykluszeitreduzierung, Materialersparnis, Durchsatzsteigerung und Prozessstabilisierung sind nicht nur griffige Schlagwörter. Hinter diesen Begrifflichkeiten stecken teils immense Herausforderungen, denen die hiesige  Elektronikfertigungsbranche stets begegnen muss. Effiziente Fertigungsprozesse bei gleichzeitig steigenden Qualitätsanforderungen sind dabei zu bewältigen. Im besonderen Fokus steht dabei der Druckprozess, da das Drucken der Lotpaste als kritischster Prozessschritt in der SMT-Fertigung. gilt. Beim Schablonendruck müssen verschiedene Faktoren optimal zusammenspielen: Rakeldruck und Rakelgeschwindigkeit des Druckers, das Ablösen der Schablone, das Auslösen der Paste und nicht zuletzt das Reinigen der Druckschablone.

Die Plasma-Schablone weist eine Beschichtung mit Antihafteigenschaften auf, wodurch sie positiven Einfluss auf die kritischen Punkte im Druckprozess nimmt. Diese Stabilisierung führt zu einem besseren und konstanteren Druckergebnis und damit zu einer Steigerung der Produktqualität. So lassen sich mit ihr kleine Strukturen wie Fine-Pitch-Öffnungen, 0201, 01005, 03015 (metrisch) und μBGAs deutlich besser auslösen als mit konventionellen Druckschablonen. In Folge der besseren Auslösung bleiben weniger Rückstände des Druckmediums in den Schablonenöffnungen zurück. Das Antrocknen von Pastenrückständen wird reduziert und dadurch das Anlaufverhalten nach kurzen Linienstillständen verbessert. Daraus resultiert weniger Nacharbeit und Ausschuss.

Höhere Schablonenstandzeit

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Plasmabeschichtung ist die deutliche Reduktion des Reinigungsbedarfs. Die Antihaft-Beschichtung vermindert das Unterwandern der Schablone mit Flussmittel während des Druckprozesses. Dadurch ist es möglich mehr Leiterplatten zu bedrucken, bis eine Unterseitenreinigung der Schablone notwendig ist. Das spart Zeit, Reinigungsmedien und stabilisiert den Druckprozess zusätzlich, da die Schablone nach jeder Reinigung erst wieder über ein bis drei Drucke „Anlaufen“ muss, bis wieder der optimale Pastenauftrag erreicht wird. Jede eingesparte Unterseitenreinigung spart demnach nicht nur Zykluszeit, sondern bringt auch eine geringere Schwankung des Pastenauftrags mit sich – also ein doppelter Nutzen für die Produktivität der Fertigungslinie. Bei der Bewertung des Schablonenzustandes über die Streuung des übertragenen Pastenvolumens bewirkt die Plasma-Schablone eine deutliche Erhöhung der Schablonenstandzeit.

Mit dem Einsatz der Plasma-Schablone lassen sich Lösungsmittel, Reinigungsvlies und Zykluszeit einsparen, was für den Anwender schließlich weniger Materialeinsatz und eine gesteigerte Linienleistung bedeutet. Wenn im Schablonendrucker vor dem sechsten Druck die Schablone gereinigt wird, liegt hier ein hohes Einsparungspotenzial. Das Diagramm zeigt wie hoch der Einfluss der Reinigung auf die Zykluszeit ist, wenn häufig gereinigt wird. Zum Teil basieren die Reinigungsintervalle auf „historischen“ Vorgaben, die oft keinen aktuellen Bezug zum Produkt haben, und können, bei einer Kontrolle des Druckergebnisses, angepasst werden. Der hohe Reinigungsbedarf kann auch auf Substratunebenheiten, Offsets oder ungünstige Druckparameter hinweisen. Dann können diese Verursacher mit geeigneten Schablonenoptionen direkt angegangen werden, um die Reinigungsintervalle zu optimieren. In jedem Fall ist eine Kontrolle der gewählten Reinigungsintervalle wirtschaftlich sinnvoll.

Fujitsu verfügt mit dem Werk in Augsburg über einen Produktionsstandort für Computer und Speichersysteme. Sie ist die einzige verbliebene PC-Fertigung in Deutschland.Fujitsu

Plasma-Schablone im Test

Die erste Erprobung der Plasma-Beschichtung im realen Fertigungsumfeld erfolgte vor fünf Jahren bei drei namhaften Elektronikfertigungs-Dienstleistern, unter anderem Zollner Elektronik aus Zandt. Jeder der Erprobungspartner hat eine Versuchsreihe in seiner Fertigungsumgebung konzipiert, die sich über einen Zeitraum von bis zu 23 Monaten erstreckte. So wurden bei einem Dienstleister 228.000 Druckzyklen, bei einem zweiten Partner 131.000 Druckzyklen und bei Zollner 50.000 Druckzyklen durchgeführt. Die positiven Auswirkungen auf den Lotpastendruck wurden einhellig bestätigt: Vor allem ein besseres Auslöseverhalten, die konstantere Performance und der geringere Reinigungsbedarf gegenüber konventionellen Oberflächen sorgten für große Akzeptanz. Auch waren der geringere Einfluss von Substratfehlern und die längere Schablonenstandzeit ebenfalls Faktoren, die überzeugten.

Vor allem das sehr gute Auslöseverhalten haben die drei Probanden überzeugt. Bei einem Flächenverhältnis von 0,6 im reellen Fertigungsumfeld und bei Einsatz der Lotpaste Typ 3 (SAC) ließen sich Pseudofehler um 20 Prozent und im Druckprozess auftretende Fehler um 97 Prozent reduzieren. Auch dass es weniger Schwankungen im Pastenvolumen gab, wurde positiv aufgenommen. Zusätzlich reduziert die Benetzungseigenschaften der Oberfläche eine Unterwanderung der Schablone. Daraus resultiert ein geringerer Reinigungsbedarf, also mehr Drucke zwischen den Unterseitenreinigungszyklen. So wird Zykluszeit gespart und gleichzeitig die Druckqualität gesteigert. Das macht die Schablone vielfältig geeignet und einsetzbar wie etwa beim Waferbumping, für feine Strukturen in der SMT-Fertigung und für hochvolumige Produkte.

Besonders ein Proband nahm die Plasma-Schablone in Anbetracht
der Nullfehler-Qualitätsstrategie streng ins Visier: Dabei wurden Druckschablonenausführungen untersucht, da durch die Technologieentwicklung bedingten Forderungen extrem unterschiedliche Lotpastendepots zu realisieren sind. Die Druckschablonen wiesen unterschiedliche Oberflächenspannungen auf, die unter anderem mit Testtinten ermittelt wurden. Demnach wiesen lasergeschnittene Edelstahlschablonen Werte von 72 mN/m, zusätzlich elektroplolierte von 66 mN/m und dazu zusätzlich plasmabeschichtete von 28 mN/m auf. Auch die Transfereffizienz
war unterschiedlich. Durch die Plasmabehandlung verbesserte sich das übertragene Volumen beispielsweise bei BGA-Pads um 20 Prozent. Selbst bei einem Flächenverhältnis von unter 0,66 beziehungsweise einem Aspektverhältnis unter 1,5 lag bei der Plasmaschablone die Transfereffizienz bei über 80 Prozent. Dadurch ließ sich die Schablonengeometrie besser optimieren. zudem können die Reinigungsintervalle verdoppelt und so der Durchsatz der Linie gesteigert werden.

Erfolgreicher Einsatz

Die Plasma-Schablone verfügt also über Eigenschaften, die den Druckprozess wesentlich verbessern. Diese Erfahrung hat auch Peter Siegel von Fujitsu (Augsburg) gemacht. Er merkt an, dass man die Pastendruckschablone mit Plasmaoberfläche auf einem Technologietag im Hause Christian Koenen kennengelernt habe. Neben der M-TeCK-Schablone wurde die Plasmaoberfläche als Innovation vorgestellt: „Nach internen Absprachen waren wir uns schnell einig, dass wir eine solche Schablone testen wollen.“

Anspruchsvolle Endgeräte wie Computer und Server sind komplexe Baugruppen mit sehr hoher Bauteilvarianz.Fujitsu

Die Tests fielen positiv aus, erklärt Peter Siegel: „Das Auslöseverhalten bei feinen Aperturen ist gegenüber Schablonen ohne Oberflächenbehandlung deutlich besser, was zu einem homogeneren Druckbild und einer konstanteren Lotpastenmenge führt. Auch war es möglich, die Reinigungsintervalle produkt-abhängig zu verdoppeln oder gar zu verdreifachen.“ Dieser Umstand führte letztlich auch zu positiven Auswirkungen auf den Linientakt und half zudem, den Verbrauch von Reinigungsmedium und Reinigungspapier zu senken. In einer Langzeiterprobung im Dreischichtbetrieb konnten keine negativen Einflüsse auf die Standzeit der Schablone festgestellt werden, erläutert Siegel: „Über die viermonatige Erprobungsphase wurden weit über 100.000 Drucke mit der Testschablone gedruckt – immer mit einem gleichbleibend guten Druckbild.“ Aufgrund der positiven Testergebnisse wurde bei Fujitsu entschieden, Pastendruckschablonen mit Plasmaoberfläche bei Produkten mit großer Aperturenanzahl einzusetzen. Die große Aperturenanzahl liegt hier bei bis zu 16.000 lasergeschnittenen Pads.

(mrc)