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Während der Technologietage konnten sich die Teilnehmer einen Überblick über den Maschinenpark verschaffen.
Im Applikationscenter war der Andrang groß: Die Möglichkeit, Fragen und Probleme zu erörtern wurde von den Teilnehmern gut aufgegriffen.
Die Liveschaltung vom Applikationscenter zum Tagungsraum eröffnete den Teilnehmern die einzelnen Demostationen vorab kennenzulernen.
Das Druckschablonenportfolio von Christian Koenen ist für jeglichen diffizilen Lotpastenauftrag ausgelegt.
Layoutanpassungen zur Verringerung der Pastenmenge und Integration von Gaskanälen.
Layoutanpassung zur Minimierung von Lotperlen und Grabsteinen: Die Reduzierung der Paste unter dem Bauteil vermeidet ein Verquetschen der Paste, und damit ein Verlassen der benetzbaren Fläche.
Ein häufig auftretender Lötfehler ist der Grabsteineffekt.

Qualität hat ihren Preis. Der Blick in die Produktion zeigt den hohen Aufwand, den das Unternehmen bei der Herstellung von Druckschablonen betreibt. Da reihen sich mittlerweile beispielsweise acht Lasersysteme von LPKF – diese Systeme sind auf die vielfältigen Ansprüche zur Druckschablonenherstellung adaptiert. Teilweise hatten Christian Koenen und LPKF gemeinsame Entwicklungsprojekte, so dass es sich bei einigen Systemen um kundenspezifische Varianten handelt. Jüngste Investition ist eine Anlage zur Plasmabeschichtung. Damit trägt der Druckschablonenhersteller dem wachsenden Bedürfnis nach beschichteten Druckschablonen Rechnung.

In der SMT-Prozesslinie ist der Druck der erste Produktionsschritt und verdient daher besondere Beachtung. Insbesondere die ständig steigenden Ansprüche an das Schablonenlayout durch die fortschreitende Miniaturisierung sowie die Mischanteile an Bauteilen wie μBGAs, CSPs, Finepitch-SMDs und großflächigen Komponenten, Masseanschlüsse und Sonderprozesse wie etwa Through-Hole-Reflow, nehmen großen Einfluss auf die Druckqualität und die damit verbundenen möglichen Fehler. Hinzu kommen viele Einflussgrößen, welche die Druckqualität und den -prozess begleiten: Die Druckerausstattung, die Druckparameter, verwendete Materialien, Einflüsse aus dem direkten Umfeld und nicht zuletzt der Bediener an der Maschine.

Durchgängige Prozessverbesserung

An einen guten und somit optimalerweise fehlerfreien Druck werden daher hohe Anforderungen gestellt. Die Investitionskosten beim Kauf einer Druckschablone aus dem Hause Christian Koenen relativieren sich schnell, ist Harald Grumm überzeugt. Für ihn beginnen genau hier die Kosteneinsparpotenziale – insbesondere im Bereich der Nacharbeit und Ausschuss: „Nachbearbeitungen oder Reparaturen sind heute keine Lösung mehr, da das Handlöten immer schwieriger wird.“ Er leitet nun im sechsten Jahr das Applikationcenter und ist für die Forschung und Entwicklung bei Christian Koenen verantwortlich. Über die Jahre zeichnete er nicht nur für technische Neuerungen verantwortlich – auf seinem Know-how basieren zahlreiche neue Produkte und Layoutanpassungen zur Prozessoptimierung. Wo sich der Fertigungsprozess verbessern lässt, macht er an vier Punkten klar: der Rüstzeitenreduzierung, der Verkürzung der Zykluszeit, der Integration von nachfolgenden Prozessen und die Minimierung von Lötfehlern.

So lässt sich die Rüstzeit effizient durch eine exakte Aufarbeitung der Daten realisieren. Beispielsweise würden die Experten im hauseigenen Labor nicht nur die mechanischen Abmessungen untersuchen, sondern auch die Schablone anhand ihrer Leistung im Druckprozess bewerten. „Die fundierten Kenntnisse und jahrelange Forschung lassen sich in Form von exakten Berechnungen ausdrücken und fließen in die Layoutgestaltung und die Schablonenfertigung mit ein“, weiß Grumm zu berichten. Dadurch ließen sich beispielsweise Brückenbildung, Grabsteineffekte oder Voids schon im Vorfeld auf ein Minimum reduzieren, erläutert er: „Nur so ist es uns möglich, den Anwendern im Endergebnis eine Schablone zur Verfügung zu stellen, die durch konsequente Prozessoptimierung beste Ergebnisse liefert.“

Die Verkürzung der Zykluszeit lässt sich am besten durch die Minimierung des Reinigungsaufwands erzielen. Dabei spielt die Oberflächengüte der Druckschablone in den Aperturen, aber auch das richtige Area Ratio (das Verhältnis zwischen Grundfläche und Wandungsfläche der Schablonenöffnung) eine entscheidende Rolle. Grumm macht dies anhand eines Beispiels klar: War es bislang nötig, nach jedem fünften Druckzyklus die Druckschablone zu reinigen, sorgt etwa die Plasmabeschichtung dafür, dass erst nach der 3 bis 8-fachen Druckanzahl (15 … 40 Drucke) ein Reinigungsprozess nötig ist. Zweifelsohne erhöhe sich dadurch die Fertigungsqualität drastisch, erläutert der Experte: „Häufiges Reinigen bremst die Linie aus und man kommt aus dem Einfahren des Druckprozesses nicht richtig raus.“

Lötfehler minimieren

Viel hilft viel? Nicht beim Lotpastenauftrag. Für die Lotpastendepots entscheidend sind die klare Definition der Form, scharfe Kanten, flache Oberseiten und eine präzise Ausrichtung der Paste zum Pad. Absolut notwendig ist es, die richtige Menge der Lotpaste zu errechnen, damit das Bauteil nicht verschwimmt.. Exakte Berechnungen sorgen auch dafür, dass sich der Aufwand zur Integration von nachfolgenden Prozessen verringern lässt. Kleben selbst sperriger oder besonders großflächiger Bauteile ist da keine wirklich gute Lösung, bedeutet es doch einen zusätzlichen Prozessschritt.

Häufige Lötfehler sind der Grabsteineffekt, Lotperlen und verformte Lötstellen. Und bei allen drei Effekten dreht sich alles um die Frage: Wie genau sitzt die Lotpaste auf dem Pad? Bereits ein minimaler Druckversatz gepaart mit einem noch in der Toleranz befindlichen Bestückversatz können im Lötprozess für ungleich verteilte Kräfte sorgen, die das Bauteil senkrecht in die Höhe aufstellen lassen. Einzelne Lotperlen, die an Anschlussbeinchen kleben oder sich unter einem Bauteil verstecken, können Kurzschlüsse erzeugen und die Funktionstüchtigkeit der elektronischen Baugruppe beeinflussen. Verantwortlich dafür ist ein ungünstiges Schablonenlayout, berichtet Grumm. Die Lotperlenwanderung wird dabei teilweise durch die Kapillarkräfte im Vorheizbereich begünstigt. Daher sei es notwendig, die Gradienten im Vorheizbereich nicht zu steil zu gestalten, damit das Lot auf den Pads bleibt. Abhilfe schafft ein konkaves Schablonenlayout. Es sorgt dafür, dass die Lotpaste auch nach dem Bestücken des Bauteils das Pad nicht verlässt.

Was überdies Lötfehler vermeiden hilft, ist ein prozessorientiertes Layout der Druckschablone: „Weil die Kosten für ein Loch oft wesentlich höher sein können als angenommen“, erklärt er und behilft sich eines interessanten Anschauungsbeispiels. So gelang es dem Mars-Rover Curiosity auf dem Mars das wohl bislang teuerste Loch zu bohren. Das Bohrloch mit einem Durchmesser von lediglich 16 mm und einer Tiefe von 64 mm kostet sagenhafte 2.500.000.000 US $. So teuer sind die Aperturen in Druckschablonen zwar nicht, jedoch hat das Paddesign eine eklatante Auswirkung auf das Auslöseverhalten der Schablonen. Je nach Vorgabe der Bestückungsparameter empfehlen sich Öffnungsreduzierungen, Verrundungen der Öffnungsecken, sowie die Unterteilung großer Öffnungen. Zudem gibt es Spezialformen, die wesentliche Vorteile beim Umgang mit Grabsteinen oder Lotperlen bieten.

CK-Technologietage: Stets informativ

Nur drei Vorträge, dafür aber einen großen Praxisteil – mit dem diesjährigen Konzept, das die „Kostenoptimierung durch optimierte Prozesse“ entlang des SMT-Fertigung thematisierte, lud Christian Koenen am 27./28. Februar 2013 zu sich nach Ottobrunn ein. Mehr als 70 Teilnehmer pro Tag fanden sich ein, um sich über die jüngsten technischen Entwicklungen zu informieren. Neben dem Vortrag „Kosteneinsparung durch optimale Prozesse“ von Harald Grumm, referierte Joachim Kolb von Rohde & Schwarz über aufwändige aber lohnende „Prozesssichere SMD-Reparaturen an komplexen Flachbaugruppen“. Schließlich berichtete Norbert Heilmann von ASM Assembly Systems (Siplace) darüber, wie die „Bestückung mit optimierten Abläufen Montagekosten reduziert“.

Im Applikationscenter nutzen zahlreiche Teilnehmer die Gelegenheit, um Fragen und Problemstellungen direkt an den dort installierten Geräten mit den Experten zu erörtern. Damit jeder Teilnehmer die Möglichkeit haben konnte, die einzelnen Stationen im Applikationscenter vorab kennenzulernen, wurde wieder eine Live-Schaltung zum Tagungsraum organisiert. So wurde 3D-Vermessung von Kavitäten in einer Leiterplatte mit dem CT 300 von Cyber Technologies ebenso vorgestellt, wie der Lotpastenauftrag mit der Leistungshybrid-Druckschablone M-TeCK von Christian Koenen am Schablonendrucker X5-Professional von Ekra. Mit dem Schablonendrucker Versaprint S1von Ersa mit integrierten AOI wurde der Druck in eine Leiterplatte mit Kavitäten vorgeführt. Wie sich eine effiziente und vor allem geräuscharme automatische Schablonenreinigung realisieren lässt, wurde anhand des Systems MC5000 von GMS gezeigt. Auch durfte die 3D-Lotpasteninspektion nicht fehlen, die mit dem Lotpasteninspektionssystem 3020T von Koh Young möglich wird. Eine schonende manuelle Schablonenreinigung macht das Handgerät Gensonic von Semtech möglich, das sich besonders für feine Strukturen eignet. Das BGA-Reballing führte man anhand des Systems Rucowa PB46 Print and Ball 4“ x 6“ von Wagenbrett vor. Eine kleine Besonderheit bot das Verfahren „Pin in Paste“, das mit dem Reworksystem Onyx 21 von Zevac realisiert wurde. Damit lässt sich die Lotpaste am Pin umschmelzen. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Einpresstechnik und PiP, da das Lot von unten in die Lötverbindung einzieht.

Christian Koenen auf Wachstumspfaden

Der Druckschablonenhersteller Christian Koenen versteht sich als Technologieunternehmen, das seinen Kunden beratend zur Seite steht und diese bei der Optimierung der Prozesse unterstützt. Dass dies in der zehnjährigen Unternehmensgeschichte seinen Nachhall findet, zeigt sich nicht nur in den stetig steigenden Umsatzzahlen. Christian Koenen hat einen Standort in Ungarn aufgebaut und beschäftigt dort seit dem 01. Februar 2013 die ersten Mitarbeiter. Im vergangenen Jahr hat das Unternehmen die Fertigungslizenz für Rohlinge zum Schnellspannsystem Tetra-Bond erworben. Bereits im Jahr 2007 gelang es dem Schablonenhersteller, eine Lizenz für zur Fertigung von Vector-Guard-Rohlingen zu erhalten. Weitere Meilensteine sind die 3D-Stufenschablone (2009) und die M-TeCK-Hybridschablone (2012). Die im vergangenen Monat getätigte Investition in eine Plasmabeschichtungsanlage stellt den vorerst letzten Höhepunkt dar.

SMT Hybrid Packaging 2013, Halle 7, Stand 205