Chipkondensatoren und -widerstände erobern das Baugruppen-Design

(Bild: Yamaha Motor)

Mit ihrer Industriestandard-Größe von nur 0,25 mm x 0,125 mm erreichen die winzigen 0201mm-SMD-Chips nur etwa die Hälfte der Größe des Formfaktors 0402 (0,4 mm x 0,2 mm). Ihre Umsetzung auf SMT-Bestückungslinien ist eine echte Herausforderung für Druck-, Montage- und Inspektionsprozesse, da zum einen die Genauigkeit gesteigert werden muss und zum anderen die Geschwindigkeit gleichbleiben soll. Dafür sind Verbesserungen im Schablonendruck-Prozess sinnvoll.

Ein Schablonen-Board-Gap von mehr als 0,2 mm beeinträchtigt den Druck. Yamaha Motor

Schablone-Board-Gap

Ein präziser, wiederholbarer Druckprozess ist die Grundlage hochwertiger Oberflächenmontage-Prozesse. Die absolut korrekte Einstellung der Prozesse wird wichtiger denn je, da 0201mm-Bauteile eine breitgefächerte Anwendung finden. Studien haben nachgewiesen, dass das Sicherstellen einer zuverlässigen Abdichtung zwischen Schablone und Leiterplatte sowie das Optimieren der Öffnungsfüllung und die effiziente Pastenauslösung nach der Trennung einen starken Einfluss auf die Prozessausbeute haben. Um eine ausreichend gute Abdichtung zu erreichen, beträgt der zulässige Abstand (Gap) zwischen Schablone und Leiterplatte maximal 0,2 mm. Diese Grenze wird beim Druck für 0201mm-Bauteile kritischer denn je. Da der Schablonenspalt immer kritischer wird, erfordern selbst kleine Details eine erhöhte Aufmerksamkeit. Der Schablonenrahmen muss eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um eine übermäßige Verformung bei der Vakuumklemmung zu verhindern. Auch Prozesse wie das Aufbringen von Positionsdrucken oder Barcodes mittels Druckfarbe können Unebenheiten verursachen. Eine mögliche Lösung besteht darin, flexible Schablonen zu verwenden, die auf der Unterseite mit einem nachgiebigen Material behandelt sind, um die Abdichtung zu verbessern.

Füllgrad der Schablonenöffnungen

Bei kleinen Schablonenöffnungen ist eine optimal wirksame Pastenübertragung nach der Trennung entscheidend. Der Rakelwinkel beeinflusst die Füllung der Öffnungen bekanntlich stärker als der Rakeldruck und muss bei abnehmender Dicke der Pastenwalze reduziert werden. Versuche haben gezeigt, dass sich der Rakelwinkel von etwa 60 Grad auf 50 Grad ändern sollte, bevor die Paste nachgefüllt wird. Yamahas servogesteuerter 3S-Druckkopf (Swing Single Squeegee) des YSP-Druckers stellt den Rakelwinkel bei jedem Druckzyklus automatisch neu ein.

Die kleineren Schablonenöffnungen bei Druckbildern für 0201mm-Bauteile bedeuten, dass auch die Lotkugelgrößen der Pasten zunehmend an Einfluss gewinnen. Derzeit werden Typ-3- und Typ-4-Pasten mit typischen Partikelgrößen von 30 µm und 35 µm in der allgemeinen SMT-Bestückung eingesetzt. Typ-5-Pasten (20 µm) liefern bessere Ergebnisse beim Pastendruck für 0402mm-Bauteile, sind aber teurer. Eine weitere Reduzierung der Partikelgröße ist erforderlich, um einen wiederholbaren Druck auf Pads für 0201mm-Bauteile zu gewährleisten. Typ-6-Paste mit 10 µm Partikelgröße wäre die naheliegende Kandidatin, sie ist aber etwa dreimal so teuer wie Typ-5. Das Mischen von Pulvern zur Herstellung einer Typ-5,5-Paste mit durchschnittlicher Partikelgröße von 15 µm kann eine Lösung darstellen. Größere Partikel können auch die Oxidation reduzieren und Reflowfehler wie Bauteilablösungen verhindern.

Tabelle 1: Pasten-Typen und ihre Hauptmerkmale. Yamaha Motor

Schablonendicke reduzieren

Das Schablonendesign konzentrierte sich seit vielen Jahren auf das Öffnungsverhältnis (Öffnungsweite ÷ Schablonendicke), um eine bestmögliche Füllung und Auslösung zu erreichen. Eine Faustregel hat ein Mindestverhältnis von 1,5 festgelegt. Ein Reduzieren der Öffnungsgrößen erfordert also eine entsprechende Reduzierung der Schablonendicke. In jüngster Zeit ist das Flächenverhältnis (Bodenfläche ÷ Seitenfläche) zu einer weit verbreiteten Metrik geworden und Experten haben ein Verhältnis von 0,6 oder sogar 0,4 für die neuesten Chip-Bauteile vorgeschlagen. Um einer dieser Formeln zu entsprechen, muss die Kontaktfläche des Pads größer sein als die Gesamtfläche der Öffnungswand. Im Endeffekt muss die Schablonendicke reduziert werden, um eine zufriedenstellende Pastenauslösung bei kleineren Öffnungsgrößen zu gewährleisten.

Sequenzielles Drucken

Eine Schablone, die dünn genug ist, um die winzigen Pastenmengen für die kleinsten 0201mm-Pads zu drucken, kann nicht genügend Volumen für größere Bauteile übertragen. Stufenschablonen haben in der Vergangenheit nur begrenzte Erfolge bei der Bewältigung ähnlicher, weniger schwerer Herausforderungen gebracht. Lot-Formteile können dort platziert werden, wo große Volumina benötigt werden. Sie sind aber teuer und verursachen zusätzlichen Platzierungsaufwand. Yamaha hat als mögliche Lösung den zweiphasigen, sequenziellen Druck vorgeschlagen. Die kleinsten Depots werden zuerst mit der dünnsten Schablone gedruckt. Danach wird eine dickere Schablone verwendet, um bei Bedarf größere Pastenmengen aufzubringen. Die Unterseite ist so strukturiert, dass ein Kontakt mit den schon vorhandenen Lotdepots vermieden wird. Zur Realisierung wird ein Doppelspur-Drucker mit sequenziellem Druckmodus, wie beispielsweise der Yamaha YSP20, benötigt. Ein weiterer Vorteil des sequenziellen Druckens ist die Möglichkeit, die Lotpasten-Kosten pro Leiterplatte zu senken, indem die teurere Paste vom Typ 5,5 oder 6 nur für den Druck der kleinsten Strukturen verwendet wird. Für den Auftrag größerer Pastenvolumina können Lotpasten mit größeren Partikeln verwendet werden.