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Der Schablonendrucker SP700AVI/MC mit Dispenseinheit.
Mit dem Accucheck-Feature für MPM-Schablonendrucker im Vertrieb bei GPS Technologies können Anwender jederzeit die Genauigkeit ihres Prozesses überprüfen und dokumentieren.
Das Modell HP520SPI von SJ Innotech im Vertrieb bei Smarttec ist ein Schablonendruckvollautomat mit integrierter 3D-Pasteninspektion.
Ekra-Schablonendrucksystem mit User Interface Simplex.

Seit der Einführung der SMD-Technik vor mehr als 25 Jahren hat sich nichts daran geändert: Der Lotpastendruck verursacht nach wie vor die meisten in den Folgeprozessen an den Tag tretenden Fertigungsfehler. Neben den Materialien wie Lotpaste, Schablone und Leiterplatte spielen deshalb bei der Auswahl des passenden Schablonendruck-Vollautomaten wesentliche Leistungsmerkmale, wie z. B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, maximale Leiterplattengröße oder Durchsatz und Investitionsvolumen eine Rolle. Die im deutschsprachigen Raum angebotenen und betreuten Maschinen sind heutzutage durchweg auf dem Stand der Technik und lassen – auch was die zusätzlich verfügbaren Optionen angeht – kaum noch Wünsche offen.

Beim Lotpastendruck verwendet man in der Regel viel Mühe darauf herauszufinden, welche Pasten, Schablonen, Druckgeschwindigkeiten, welcher Pastendruck etc. für die jeweiligen Zwecke am besten geeignet ist. Um diese Entscheidungen, die an dieser Stelle nicht weiter unter die Lupe genommen werden sollen, kommt man nicht herum.

Leiterplattenzentrierung über Passmarken

Damit Leiterplatte und Schablone vor dem Druckprozess „deckungsgleich“ zueinander ausgerichtet sind, ermittelt ein Kamerasystem von oben die Lage der Leiterplatte zur Schablone.

Ungenauigkeiten der Schablone, insbesondere die Lage der Fiducials, sowie Ungenauigkeiten und Veränderungen der Substrate bezüglich Passmarken und Schrumpfungen nach dem ersten Lötprozess hat der Druckmaschinenhersteller nicht zu verantworten.

Diese Passmarken dienen dem Schablonendrucker zum Zentrieren von Leiterplatte und Schablone. Die Marken werden an einer Schablonenseite angelasert, schwarz eingefärbt und mittels eines Epoxy-Klebers wieder verfüllt. Standardmäßig werden Einfachkreuze als Passmarken verwendet. Sie werden vom Schablonenhersteller automatisch erkannt. Werden Fiducials als Marken verwendet, sollten diese in den Kontrollplots gekennzeichnet sein, so dass der Hersteller die Marken eindeutig zu ordnen kann.

Programmierbare Parameter

Normalerweise verändert man Druckgeschwindigkeit, Rakeldruck oder den Lotpastentyp während des Arbeitsprozesses nicht. Jede Änderung dieser Parameter könnte schließlich zu einem instabilen und nicht voraussagbaren Prozess führen.

Rakeldruck

Ist der Rakeldruck zu niedrig, ergeben sich Verschmierungen, zu hohe Lotdepots oder gar unvollständige Füllungen. Ist er zu hoch, dann können sich leicht Brücken bilden durch zwischen den Pads verlaufender Lotpaste. Zudem erhöht sich der Rakel- und Schablonenverschleiß. Die Optimale Einstellung ist die mit geringster Kraft, bei der die Schablone sich noch sauber abziehen lässt. Ekra empfielt z. B. eine Druckkraft von ca. 2 bis 3 N/cm der Rakellänge anzuwenden.

Druckgeschwindigkeit

Die Druckgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften der Lotpaste ab. Für höhere Geschwindigkeiten gibt es zum Teil speziell entwickelte Lotpastentypen. Außerdem kommt es auf das Rakelsystem an. Es gibt Standardrakel, geschlossene Rakelsysteme und neuerdings sogar vibrierende Rakel.

Allerdings gilt immer: Je kleiner die Schablonenöffnungen, desto geringer sollte die Druckgeschwindigkeit sein.

Einen weiteren Einfluss hat der Rakelwinkel. Neuste Untersuchungen befassen sich bereits mit der dynamischen Anpassung des Rakelwinkels im laufenden Druckprozess.

Der Anpressdruck des Rakels sollte so niedrig wie möglich gewählt werden. Er sollte gerade noch sicherstellen, dass nach der Rakelbewegung quer über der Schablone auf dieser kein dünner Pastenfilm verbleibt. Der Leiterplattensupport an der Unterseite muss auf jeden Fall gewährleisten, dass keinerlei Nachgeben der Leiterplatte auftritt während der Druckkopf über die Schablone gleitet. Aus diesem Grund sollte auch ein zu hoher Rakel-Anpressdruck dringend vermieden werden.

Trenngeschwindigkeit

Ein weiterer Aspekt ist die Trenngeschwindigkeit, da sie das Auslöseverhalten der Paste aus der Schablone, die Form des Lotdepots und die Zykluszeit beeinflusst. Trennt sich die Schablone zu schnell von der Leiterplatte, können sich ungleichmäßig geformte Lotdepots ergeben. Die Lotpaste blutet aus (Bleeding) oder es tritt ein Verschmieren (Smearing) des Flussmittels in der Paste auf. Das führt zu deformierten Lotdepots bzw. Brückenbildungen. Erfolgt der Trennvorgang zu langsam, können sich „Ohren“ bilden.

Reinigung der Schablonenunterseite

Die Tendenz der Lotpaste auseinander zu fallen und Reste davon an den Wänden der Öffnungen anzusammeln, verstärkt sich mit kleiner werdenden Schablonenöffnungen: Der Anreicherungseffekt von Pastenresten in den Öffnungen wird also stärker. Ein integriertes Schablonenreinigungssystem trägt wesentlich dazu bei, eine hohe und reproduzierbare Performance und Druckqualität zu erreichen.

Die Reinigung der Schablonenunterseite sollte aber aus Zeit- und Kostengründen so sparsam wie möglich erfolgen.

Postprint-Inspektion

Postprint-Inspektionssysteme, wie z. B. ein sogenanntes 2,5-D-System vergleichen mittels zwei Kamerasystemen simultan die Schablonenöffnungen und die dazu korrespondierenden Pastenvolumina auf der Leiterplatte. Damit lassen sich problemlos Verstopfungen der Schablonenöffnungen, die von Paste bedeckte Padflächen sowie Slumping und Brückenbildung erfassen.

Übersteigt einer dieser Inspektionsparameter die vorgegebenen, programmierbaren Grenzwerte, kann mittels integriertem Vakuum-Reinigungssystem die Schablone automatisch trocken oder nass gereinigt und somit die hohe Druckperformance automatisch wieder hergestellt werden.

Das Prinzip des geschlossenen Regelkreises wurde über die letzten Jahre immer wieder mit neuen Ideen aufgerollt. Es gibt funktionierende Lösungen, die mittels Lotpastendepot-Kontrolle (SPI: Solder Paste Inspection) unmittelbar nach dem Druck und einer Rückmeldung zum Druckprozessmodul in Echtzeit Korrekturen am Druckprozess auslösen und zu respektablen Ergebnissen führen. Die Frage der Wirtschaftlichkeit solcher Ansätze für mehr als nur eine Hand voll Funktionen scheint hingegen noch nicht ganz gelöst.

Optionale Tools

Durch die Einführung geschlossener Druckkammern werden die Auswirkungen durch schwankende Lotpastenvolumen auf der Schablone auf ein Minimum reduziert. Diese Druckköpfe wurden jedoch durch andere Erwägungen, wie z. B. Kosten, Wartungsmöglichkeiten und Reinigungsfreundlichkeit sowie Größenunterschiede des Substrats nicht allgemein als industrieller Standard angenommen.

Eine weitere Option ist die Möglichkeit des dem Druck nachgeschalteten Dispensens von Kleber bzw. Lotpaste auf die Leiterplatte. Bedingt durch die immer stärkere Miniaturisierung von Schaltungen sind die zum Einsatz kommenden Schablonendicken in den Bereich um 120 µm geschrumpft. So kommt es immer öfter vor, dass bei einer typischen Mischbestückung einigen Bauteilen nicht genug Lotvolumen zur Verfügung gestellt werden kann. Eine Lösung können Stufenschablonen bringen, auch wenn oft nur an wenigen Stellen mehr Lot benötigt wird, oder aber man setzt einen Dispenser ein und hat so eine einfache Möglichkeit, das geforderte Mehr an Lot zu dispensen.

Noch häufiger werden diese Systeme zum Dispensen von Kleber verwendet: Speziell beim Reflowlöten, wenn schwere Bauteile wie Spulen auf der ersten Seite montiert sind, werden diese mit Kleber fixiert, um ein Herabfallen beim Löten auszuschließen.

Bedienoberflächen

Die für den Schablonendruck notwendigen, komplexen Bedien- und Einrichtprozesse werden in der Regel über ein zweidimensionales, grafisches User-Interface und einer 10er Block Tastatur durchgeführt. Der Trend geht allerdings deutlich zu Benutzerschnittstellen, die auf einer vollständigen Bedienung über Touch-Screen erfolgen. Hier wird zukünftig auch der größte Nachholbedarf bei den Maschinenherstellern sein. Das große Potenzial für eine zeitgemäße „Mensch-Maschine-Schnittstelle“ wurde offensichtlich noch nicht hinreichend genutzt.