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Moderne Rahmensysteme für Wechselschablonen wie Vectorguard sind kompakt, sicher in der Handhabung und bieten eine immer gleichbleibende Folienspannung.
Der Einfluss der Area Ratio auf die Lotpastentransfer-Effizienz.
Lotpastentransfer-Effizienz: Die Schablonenöffnungen mit dem niedrigsten Flächenverhältnis führen zum schlechtesten Druckergebnis, weil sie leichter durch die Lotpaste verstopft werden.
Größen-Modellierung der 0,3-mm-Pitch-Apertur.
Eine Darstellung der Versuchsreihe mit der Lötpasteninspektion: Die blau eingerahmten Ergebnisse waren in Ordnung.
Gegenüberstellung des Schablonenöffnungs-Designs mit nicht ausreichendem Lotpastenauftrag.

Seit der Integration des SMT-Schablonendrucks in den Linienprozess hat sich an der reinen Abfolge der Arbeitsvorgänge kaum etwas geändert. Dennoch war der Wandel im Bereich der Schablonendrucker und ihrer Subsysteme eindrucksvoll – neuartige Package-Technologien, neue Materialien und ein wachsender Kostendruck haben zur Erschließung immer weiterer Elemente ihres Potenzials geführt. Die Forderung nach Montagelinien, die Fine-Pitch-Druck und die Bestückung heterogener Baugruppen in hohen Stückzahlen beherrschen, werden immer mehr zu einer Selbstverständlichkeit.

Im Laufe der Jahre wurde das Schablonendesign in Richtlinien der Association of Connecting Electronics Industries (IPC) faktisch standardisiert. Diese Richtlinien fußen auf dem gut bekannten und vorhersagbaren Zusammenhang zwischen den Dimensionen der Schablonenöffnungen und dem entsprechenden Transfervolumen der Lotpaste. Da jedoch CSPs mit einem Anschlussraster von 0,3 mm inzwischen Standard in der Massenfertigung sind, stoßen die gegenwärtigen SMT-Verfahren an ihre Grenzen und innovative Lösungen sind gefragt.

Das Hauptproblem beim Einsatz kleinerer CSPs ist, dass es immer schwieriger wird, beim Drucken die passende Menge an Lotpaste zu übertragen. Es kommt beim Drucken auf jedes kleinste Quantum Lotpaste an, wodurch das Schablonendesign eine entscheidende Bedeutung gewinnt. Die Effizienz des Lotpastentransfers wurde über die Jahre durch schrittweise Verbesserungen bei der Lotpastenformulierung, der Schablonentechnologie und bei den Prozess-Support-Produkten gesteigert. Jetzt allerdings, da CSPs mit 0,3-mm-Abstandsraster sich zum Standard entwickeln, werden einschneidendere Lösungen erforderlich sein. Alle Faktoren, die Einfluss auf die Effizienz des Lotpastentransfers haben könnten, sind daher zu berücksichtigen.

Schablonenöffnungen: erste Optimierungsversuche

Daher hat Dek kürzlich Versuche durchgeführt, um zu ermitteln, wie sich die Transfereffizienz – besonders im Hinblick auf 0,3-mm-CSPs – maximieren ließe. Die Grundidee hinter den Versuchen war, dass das Flächenverhältnis der Schablonenöffnungen die Größe der gedruckten Pastendepots bestimmt. Das Flächenverhältnis der Schablonenöffnungen bezeichnet das Verhältnis der Öffnungsfläche zu den Wandflächen der Öffnungen. Schablonenöffnungen mit einem hohen Flächenverhältnis haben eine größere Öffnung im Vergleich zu den Wandflächen der Öffnung. Das reduziert das Risiko des Pastenverlustes, da die Paste weniger dazu neigt, an den Wänden der Öffnung kleben zu bleiben und diese zu verstopfen.

In einem Versuch, die Grenzen des Flächenverhältnisses zu überwinden und die Möglichkeiten des Druckprozesses bei Ultra-Fine-Pitch-Anwendungen besser zu verstehen, wurden unterschiedliche Druckfaktoren verglichen, darunter Ultraschall-Rakel gegenüber Standard-Rakeln sowie runde Öffnungsdesigns gegenüber rechteckigen und diese in fünf unterschiedlichen Öffnungsgrößen.

Das erwartete Ergebnis des Versuchs war, dass die Schablonenöffnungen mit dem niedrigsten Flächenverhältnis zum schlechtesten Druckergebnis führen würden, weil sie leichter durch die Paste verstopft werden. Der Versuch war aber konzipiert, das geringstmögliche Flächenverhältnis für ein akzeptables Druckergebnis herauszufinden – wie auch das größtmögliche Pastendruckvolumen einer rechteckigen Öffnung im Vergleich zu einer runden. Nach dem Verlauf der unterschiedlichen Versuche wurde außerdem erwartet, dass – ausgehend von unseren früheren Erfahrungen – die Ultraschall-Rakel eine größere Wirksamkeit als die Standard-Rakel zeigen würde.

Gestalt der Schablonenöffnung ist wichtig

Erstens (und am wichtigsten) zeigten die Ergebnisse der verschiedenen Öffnungsgrößen, dass es möglich ist, für die Bestückung von 0,3-mm-CSPs die Lotpaste zu drucken – aber das Prozessfenster ist klein. Die Versuche zeigten, dass die Ergebnisse beim Pastentransfer deutlich von der Gestalt der Schablonenöffnungen abhängig sind. Eine viereckige Öffnung, die ein um 21,5 Prozent größeres Volumen als ihr rundes Pendant hat, ist das potenziell wirksamste Mittel, die Transfereffizienz der Lotpaste für 0,3-mm-CSPs zu verbessern. Diese Erkenntnis lässt sich beim Schablonendesign durchaus nutzen: Wenn ein bestimmtes Lotpastenvolumen erzielt werden soll, führt der Einsatz kleinerer rechteckiger Schablonenöffnungen zu einem größeren Abstand zwischen den Öffnungen und damit zu einem stabileren Druckprozess.

Interessanterweise führten bei den getesteten Schablonen mit niedrigem Flächenverhältnis die viereckigen Öffnungen regelmäßig zu weniger Ausreißern als ihre runden Gegenspieler. Und schließlich waren die Ultraschall-Rakel bei den getesteten Schablonen mit niedrigem Flächenverhältnis der Öffnungen tatsächlich effektiver als die Standard-Rakel. Sie ermöglichten den effizienteren Pastentransfer und einen wiederholgenauen Prozess. Das Fazit also: Die Ultraschall-Rakel in Kombination mit sorgfältigem Schablonendesign führen zu einem zuverlässigen Druckprozess für die aufkommende 0,3er-CSP-Technologie.

Wie geht es weiter?

Um anspruchsvolle Finepitch-Strukturen für die SMD-Bestückung drucken zu können und dabei im Hinblick auf Durchsatz und Ertrag wirtschaftlich erfolgreich zu bleiben, müssen die Fertigungsbetriebe heute alle Möglichkeiten zur Optimierung der Maschineneinrichtung und zur optimalen Auslastung der Maschine selbst nutzen. Bei Dek konzentriert man sich daher darauf, mit den langfristigen Branchentrends und den Herausforderungen, denen sich Kunden gegenüber sehen, Schritt zu halten und dafür entsprechende Technologien zu entwickeln. Wichtig dabei ist, das Schablonendesign im Auge behalten, um den Druckprozess für miniaturisierte Bauteile kontinuierlich zu verbessern.

Unter dem Aspekt höchster Produktivität gilt es gerade beim Schablonendruck, sämtliche Prozessparameter und die sie beeinflussenden Randbedingungen so genau wie möglich in den Griff zu bekommen. Die richtigen Schablonen und Tools helfen dabei, bestimmte Unzulänglichkeiten bereits im Vorfeld zu eliminieren und das Prozessfenster zu vergrößern. Während der diesjährigen Productronica liegt ein besonderer Fokus auf dem „Solutions Center“. Experten geben Tipps wie sich Schwierigkeiten im Druckprozess vermeiden lassen. In Ergänzung zu den Druckplattformen von Dek, die live am Stand zu erleben sind, wird im „Solutions Center“ auch ein ganzes Programm an Demonstrationen zu Themen, welche die Branche bewegen, angeboten – wie auch die Prozess-Support-Produkte (PSP). Dazu gehört das High-Tension-Schablonensystem Vectorguard, das Anfang des Jahres vorgestellt wurde. Dieses System bietet eine sehr gute Pastenübertragung und -definition, bessere Transfereffizienz für hoch miniaturisierte Bauteile und verzeichnet über die Dauer des Schablonenlebens keinen Spannungsverlust. Darüber hinaus wird Proactiv vorgestellt, ein per Ultraschall aktiviertes Rakel, das bereits in den Versuchen sehr gute Ergebnisse erzielt hat.

Feine Strukturen

In Zukunft werden SMT-Anwender sich verstärkt um Packaging-Aufgaben bemühen müssen, die eigentlich eine Domäne der Halbleiterhersteller sind. Dazu gehört auch das Aufbringen von Lotkugeln auf Substrate für Schaltungsträger. Viele der heute eingesetzten SMT-Schablonendrucksysteme stellen schon jetzt die für solche Prozesse notwendige Präzision bereit.

Productronica 2013: Halle A2, Stand 405