Hans-Jürgen Lütter, Geschäftsführer von ANS Answer Elektronik, bringt es schnell auf den Punkt: Mit der fortschreitenden Miniaturisierung erhöht sich die Packungsdichte bei immer beengteren Platzverhältnissen auf der Leiterplatte. Anschaulich stellt er es mit einer bestückten Leiterplatte dar. Mit der hohen Bauteildichte einher geht eine sehr hohe Padanzahl. Bei einem Board, bestückt mit etwa 3000 Bauteilen, kommen auf diese Weise rund 14.000 Pads zustande. Ganz zu schweigen von den versteckten Lötverbindungen. Da bleibt die Nacharbeit nicht aus, was wiederum zu Qualitätseinbußen führt.
Worauf ist also zu achten? Den 24 Teilnehmern wurden mögliche Fehlerquellen entlang der SMT-Fertigungslinie aufgezeigt – ohne dabei den Informationsfluss zu überfrachten. Nur vier Vorträge, dafür aber ein umfangreicher Praxisteil am Nachmittag im Demoraum ermöglichten eine intensive Interaktion an den Demomaschinen mit den Referenten und Experten. Der Informationsbedarf war indes groß. An den Maschinen ließen die Teilnehmer keine Gelegenheit aus, um sich beraten zu lassen, aber auch Problemstellungen in der Fertigung zu diskutieren.
Effiziente Fertigung – worauf kommt es an?
Wenn einiges beim Lotpastenauftrag nicht stimmt, ist die gesamte Baugruppe beeinträchtigt. Freilich ist das eine Binsenweisheit, die jedoch in der Praxis zu empfindlichen Qualitätseinbußen führen kann. Mehdi Djavadi, General Manager von Koki Deutschland hat viel Erfahrung auf dem Gebiet. Als Chemiker kennt er sich mit den Legierungsbestandteilen von Lotpasten und deren Reaktionen im Lötprozess aus. Fehlerquellen gibt es entlang des SMT-Prozesses viele. Jedoch ist der richtige Lotpastenaufdruck ein entscheidender Faktor: Zu wenig Lötzinn sorgt für eine schlechte Auslösung der Lotpaste aus der Druckschablone. Das kann zur übermäßigen Oxidation führen und zum unvollständigen Aufschmelzen der Lotpaste mit einer recht körnigen Oberflächenstruktur. „Manchmal kann es vorkommen, dass man sich beim Schablonenlayout verkalkuliert“, beschreibt Djavadi eine typische Fehlerquelle.
Dem pflichtet Andreas Mahr bei. Der Technische Leiter AV von LTC Laserdienstleistungen hat viel Know-how hinsichtlich der Druckschablonen aufzubieten. Als Hauptgefahren bei QFNs sieht er die Kurzschlussgefahr, verursacht durch zu viel aufgetragene Lotpaste. Dies wiederum hat seinen Ursprung in einer nicht optimal auf die Anforderungen zugeschnittenen Druckschablone: „Ein wesentliches Problem ist die Definition von Verkleinerung bei der Padbearbeitung. Da gibt es unterschiedliche Auffassungen, ob dabei umlaufend, in der Länge und Breite oder das Flächenmaß gemeint ist“, erklärt er. Dass dies aber ein wichtiger Aspekt ist, begründet er damit, dass die Geometrie der Aperturen das Auslöseverhalten der Lotpaste entscheiden. Das richtige Verhältnis von Area Ratio, also das Verhältnis zwischen Grundfläche und Wandungsfläche der Schablonenöffnung, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Überdies wirken sich gerundete Ecken ebenfalls positiv auf das Auslöseverhalten aus. Denn für die Lotpastenkugeln reduziert sich damit die Anlegefläche und somit Reibung entlang der Wandung. Oder anders formuliert: Sie bleiben nicht hängen.
Die Crux mit der Lotpaste
Ein relativ häufig auftretender aber unterschätzter Fehler beim Reflow-Prozess ist der sogenannte Pillow-Effekt. Dabei wird zwar das Lot auf den Pads aufgeschmolzen, jedoch schmilzt der BGA-Ball nicht vollständig auf. Die Ursache für das schlechtere Aufschmelzverhalten ist häufig die Oxidation der Lotoberflächen von BGA-Ball und Lotpaste. Allerdings kommt dieser Effekt auch bei Mischtechnologien zum Tragen, wenn das Lötverfahren nicht entsprechend abgestimmt ist, sondern mit normaler Peaktemperatur von zirka 220 °C reflowgelötet wird. Mischtechnologien, also das Verwenden von beispielsweise bleifreien Bauteilanschlüssen mit verbleitem Lot, ist durchaus noch eine gängige Kombination, die in der Automobilelektronik oder in der Luft- und Raumfahrt zur Anwendung kommt. Der Experte empfiehlt die Peaktemperatur auf über 220 °C zu halten, um eine ausgeprägte Lötstelle zu erhalten.
Den diversen Lötproblemen Rechnung tragend, hat sich Koki daran gemacht, eine hitzebeständige und oberflächenaktive Lotpaste zu entwickeln. Die neuartige niederschmelzende Lotpaste weist eine hochzuverlässige Lotlegierung auf, weil als Legierungsbestandteile Wismut und Indium zum Einsatz kommen. Durch die Beigabe von Indium in der Lotpasten-Zusammensetzung Sn3.5Ag0.5Bi6.0In reduziert sich der Schmelzpunkt signifikant: Der niedere Schmelzbereich erstreckt sich von 201 °C bis 210 °C. Zum Vergleich: konventionelle SAC-Lotpasten haben einen Schmelzbereich von 217 °C bis 219 °C. Darüber hinaus schützt die niedrige Peaktemperatur (ab 220°) temperaturempfindliche Komponenten. Die Lotpaste weist überdies einen sehr guten Temperaturwechselwiderstand und eine hohe Haftfestigkeit der Lotpaste auf den Pads auf.
Gehen Hand-in-Hand: Druckprozess und SPI
Neben der Lotpastenwahl und dem Schablonenlayout spielt der Druckprozess selbst eine große Rolle, das bekräftigen die Briten Rod Evans und Chris Whitfield, Product Manager von Speedprint Technology. Beide betonen, dass Präzision, Zuverlässigkeit, Flexibilität und die Funktionalität wichtige Eckpfeiler sind. Diese Leistungsmerkmale machen die Lotpastendrucker vergleichbar. Um vernünftige Druckergebnisse zu erzielen, ist das Zusammenspiel zwischen Drucker, Druckschablone und dem Tooling, etwa Leiterplattentransport, entscheidend: „Wenn diese Faktoren nicht stimmen, dann hilft der teuerste Drucker nichts, um vernünftige Druckergebenisse zu erreichen“, bekräftigt Chris Whitfield und lenkt dabei die Aufmerksamkeit der Teilnehmer auf das jüngste Flaggschiff von Speedprint, den Inline-Schablonendrucker SP710avi mit automatischer Dispense-Unit.
Kann man alle Fehler finden? Und wenn ja, wo in der SMT-Linie werden die Fehler gefunden? Diese Fragen beantwortete Sebastian Glitsch, Produktmanager von ANS, anhand des Lotpasteninspektionssystems (Solder Paste Inspection, SPI) Troi-5700HL von Pemtron. „Das Linien-Layout sollte mehrere Prüfinstanzen aufweisen“, merkt er an und fügt hinzu: „Dadurch lassen sich Fehler sofort finden und Folgefehler vermeiden, was zu geringen Reparaturkosten führt.“
Flotter Lotpastendrucker
Der Drucker SP710avi kann Schablonengrößen stufenlos von 584 mm x 584 mm bis 736,6 mm x 736,6 mm aufnehmen und bis zu 5 mm dicke Platinen mit den Abmaßen von 30 mm x 50 mm bis 600 mm x 510 mm verarbeiten. Die Druckgeschwindigkeit beziffert Rod Evans, Business Unit Manager von Speedprint Technology, mit 5 mm/s bis 250 mm/s bei einer Druckgenauigkeit von 20 µm bei 6 σ. Während der Produktion kontrolliert der Drucker regelmäßig das Druckbild in 2D und 2D+. Dafür sorgt ein Zweifach-Kamerasystem: Während der Schablonenreingung kontrolliert die Kamera das Pastenreservoir auf der Schablone oben und kontinuierlich die Pastenmenge. Eine Neuerung stellt die duale Dispense-Unit dar. Mit diesem System lassen sich nachträglich Klebe-Lotpastenpunkte auf der gesamten Leiterplattenfläche dispensen. Dieser Vorgang geschieht kontaktlos ohne Standoff-Verfahren. Die zu dispensenden Bereiche sind frei programmierbar oder können zusammen mit den Gerberdaten eingelesen werden. Die beiden Dispense-Einheiten arbeiten unabhängig voneinander. Auf diese Art ist es möglich unterschiedliche Medien zu dispensen. Jegliche Kombination zwischen Kleber und Paste ist somit möglich.
Das SPI sollte daher unmittelbar nach dem Lotpastenauftrag erfolgen. Dass dabei das Troi-5700HL seine erste Wahl ist, hat seine Gründe: Das mit der Moirétechnik arbeitende 3D-SPI ermöglicht die gemeinsame und/oder getrennte Nutzung einer 2D- und 3D-Bildaufnahme und erzielt dabei eine Prüfgeschwindigkeit von 19 cm²/s oder 43,3 cm²/s. Die Moirétechnik erlaubt eine genauere Ermittlung des Volumens und der Höhe der Lotpaste. Der 3D-Projektor sendet das Licht über das Pad und die zweite Kamera fängt es auf und berechnet somit die Pastenhöhe. Dadurch hebt sich das System von konventionellen SPIs ab, die einen Laser zur Höhenvermessung der Paste auf der Platine verwenden. Die Systeme der Troi-Serie arbeiten alle mit einer 4-Megapixel-Schwarz/Weiß-Kamera. „Die Verarbeitung in schwarz-weiß ist schneller und genauer als bei Systemen mit RGB“, erläutert Glitsch. Die Ergebnisse der Messung werden in einem Pseudofarbverlauf in 3D dargestellt. Grenzwertüberschreitungen lassen sich so schnell erkennen. Die Ausleuchtung erfolgt mit rotem und blauem LED-Licht. Für die Markenerkennung und Ausrichtung der Leiterplatte ist die Maschine zusätzlich mit einem weißen LED-Ring ausgestattet.
Fertigen ohne Qualitätseinbußen
Wer sich bei kleinen Stückzahlen sicher sein will, dass sein Lotpastendruck auch zu einem fehlerfreien Lötprozess führt, kommt um einen SPI nicht umhin. Für eine Fertigung ohne Qualitätseinbußen ist indes ein gutes Linienkonzept erforderlich. Eine der Stärken von ANS ist die ausführliche Beratung: Mit der langjährigen Erfahrung sieht sich das Unternehmen als Generalunternehmer und koordiniert Gesamtlösungen, angefangen bei der Projektierung über die Systemkonfiguration bis hin zur Endabnahme.
SMT Hybrid Packaging 2013, Halle 7, Stand 556
Marisa Robles Consée
(mrc)
