Elektronische Baugruppen werden typischerweise im Fertigungsnutzen aufgebaut. Dies ermöglicht eine effektive und kostengünstige Herstellung durch automatisiertes Handling. Eine kostengünstige Produktion erfordert hierbei die maximale Ausnutzung der Leiterplattenfläche, was oftmals eine randnahe Platzierung von Bauelementen zur Folge hat. Nahezu am Ende des Produktionsprozesses wird der Baugruppennutzen vereinzelt. Umso wichtiger ist es hierbei, durch geeignete, schonende Trennprozesse die erreichte Wertschöpfung in den Einzelbaugruppen zu erhalten. Die Erwartung an die Nutzentrennung ist demzufolge, dass das Ergebnis der Vereinzelung unter Schonung hochempfindlicher Bauteile perfekt ist und keine Nacharbeit erfordert. Es soll ein staubfreies und stressarmes Verfahren zum Einsatz kommen, das schnell und zuverlässig arbeitet. Dazu muss es einfach zu bedienen sein und einen geringen Investitions- und Wartungsaufwand erfordern.

Probleme tauchen auf, wenn der Nutzen nicht den Erfordernissen entspricht. Der Preisdruck in der Elektronikfertigung erfordert die möglichst vollständige Ausnutzung des Fertigungspanels, sodass die Einzelleiterplatten effizient auf einem Fertigungsnutzen in einer Matrix angeordnet werden. In der Konstruktion des Nutzens können Schwachpunkte enthalten sein. Insbesondere die Anordnung und Ausführung der Haltestege kann zu Schwierigkeiten beim Trennen führen. Die Positionierung steht möglicherweise im Konflikt mit der Bauteilplatzierung oder dem Leiterbild. Der Nutzen wird instabil durch zu tief ausgelegte Ritzungen oder zu wenige Haltestege oder die Leiterplatte ist zu dünn für die gewählte Nutzengröße. Bauelemente, die über die Leiterplattenkante hinausragen, liegen außerhalb des Konturbereichs oder das Leiterbild verläuft zu dicht an der Kontur und wird somit beim Trennvorgang beschädigt. Zu groß dimensionierte Stege oder eine zu dicke Leiterplatte erschweren den Trennvorgang. Dazu kommen Toleranzen im Fertigungsprozess. Das kann zu hohen mechanischen Belastungen bis hin zur Beschädigung der Leiterplatte wie etwa Delamination oder Lackbeschädigungen sowie (Mikro-)rissen in Bauteilen und Lötverbindungen führen.

Nutzentrennen im Leiterplattendesign

Weil die Nutzentrennung fast am Ende der Wertschöpfungskette liegt, muss Nutzengestaltung bereits zu Beginn der Entwicklung eines neuen Produkts und noch vor dem Leiterplatten-Design in das Produkt einfließen. Kritische Bauteilbelastungen können durch Dehnungsmessungen ermittelt, Trennprozesse und Handling qualifiziert werden. Das Fraunhofer ISIT unterstützt mit Messtechnik und Expertise.

Richtlinien für Nutzentrennung

Zum Thema Nutzengestaltung und Nutzentrennung findet man in den IPC-Richtlinien sinnvolle Hinweise. Das IPC-Richtlinienwerk bietet umfassende Informationen und Bewertungskriterien für elektronische Baugruppen. Mit dem Thema Nutzengestaltung befassen sich unter anderem die IPC-2221 [1]und die IPC-2222 [2]. In der IPC-7351 [3] sind Designregeln für die Nutzenbildung zu finden. Die Richtlinien IPC-A-600 [4] und die IPC-A-610 [5] bieten eine gute Hilfestellung bei der Qualitätsbewertung von Leiterplatten und elektronischen Baugruppen und zeigen anhand umfangreicher Bildbeispiele von Kanten und Laminatzuständen Abnahmeanforderungen für die Herstellung von Leiterplattennutzen bzw. elektrischen und elektronischen Baugruppen.

Bild 1: Stumpfe Ritzmesser sorgen für ungleichmäßige Ritzergebnisse. Die Folge: Ausgefranste Glasfasern nach dem Trennvorgang.

Bild 1: Stumpfe Ritzmesser sorgen für ungleichmäßige Ritzergebnisse. Die Folge: Ausgefranste Glasfasern nach dem Trennvorgang. Fraunhofer Isit

Die IPC-2222 beschreibt beispielsweise Designanforderungen an die Baugruppe hinsichtlich Erstellung des Leiterbilds und liefert Empfehlungen für Ausbrechzungen und gefräste Schlitze sowie Standardparameter für das Ritzen. Messer mit einem kleinen Schneidwinkel erfordern weniger Platz für den Ritzgraben und ermöglichen eine randnähere Bestückung und somit bessere Ausnutzung der vorhandenen Leiterplattenfläche. Zu bedenken ist aber, dass diese Messer schneller stumpf werden können und das Ritzergebnis damit ungleichmäßiger wird. Eine wechselnde Schnitttiefe und damit undefinierte und ungleichmäßige Reststegdicke kann zu Problemen beim Trennvorgang führen. Unzureichend getrennte Leiterplatten, zu hohe mechanische Beanspruchung beim Trennvorgang und eine raue Bruchkante mit unzulässig ausgefransten Glasfasern nach dem Trennvorgang können die Folge sein (Bild 1).

 

Nutzenausführungen und Nutzentrennverfahren

Unterschieden wird in Ritz- oder Kerb- sowie Fräsnutzen. Oftmals werden je nach Leiterplattenkontur und Bauteilplatzierung verschiedene Nutzenausführungen miteinander kombiniert. Diese können zusätzlich Bohrungen in den Haltestegen enthalten, was bei richtiger Ausführung und Platzierung ein einfaches Heraustrennen der Einzelleiterplatten mit minimiertem mechanischem Stress bedeutet.

Bild 4 zeigt beispielhaft die von Halbleiterherstellern empfohlene Anordnung von Chipkondensatoren (7).

Bild 4 zeigt beispielhaft die von Halbleiterherstellern empfohlene Anordnung von Chipkondensatoren (7). Fraunhofer Isit

Ritz- oder Kerbnutzen sind weit verbreitet bei gerader, durchgängiger Kontur der Leiterplatte. Sie lassen sich mit kostengünstigen Verfahren trennen, allerdings nicht immer Baugruppen schonend und es verbleibt oft eine raue Bruchkante. Fräsnutzen kommen bei unregelmäßiger Kontur der Einzelleiterplatte zur Anwendung. Die verbleibenden Frässtege, oftmals mit sogenannten Brech- oder Perforationsbohrungen versehen, müssen dem Nutzen ausreichend Stabilität für das Handling bieten und dürfen trotzdem beim Vereinzeln nur minimalen mechanischen Stress verursachen.

 

Unterschieden wird nach Trennverfahren in:

  • Zerteilende, nicht spanende (brechende, schneidende, scherende, stanzende,…) Nutzentrennung,
  • Spanende Nutzentrennung (sägen oder fräsen),
  • Lasernutzentrennung

 

und nach Einbindung in den Produktionsprozess in:

  • Inline-Nutzentrenner (automatisiert),
  • Offline-Nutzentrenner (nicht in eine Produktionslinie eingebunden, mit i.a. manueller Be- und Entladung).
Bild 5: Dehnungsverlauf bei Rollen-Linearmessertrennung: Deutlich ist zu erkennen, dass es zu einer Stauchung beziehungsweise Dehnung mit Amplituden deutlich größer 1500 ppm kommt.

Bild 5: Dehnungsverlauf bei Rollen-Linearmessertrennung: Deutlich ist zu erkennen, dass es zu einer Stauchung beziehungsweise Dehnung mit Amplituden deutlich größer 1500 ppm kommt. Fraunhofer Isit

Zerteilende Nutzentrennverfahren sind zum Beispiel das Herausbrechen von Hand entweder ohne Hilfsmittel oder über eine Brechschiene beziehungsweise Brechvorrichtungen, das Trennen mittels Seitenschneider und Papageienzange, die Nutzentrennung mit Rollenmesser (sogenanntes Pizza-Cut-Verfahren) und die Nutzentrennung mit einer Stanzeinrichtung oder mit einem Keilmesser. Hingegen wird unter das spanende Nutzentrennverfahren das Trennsägen mit einer dünnen Diamanttrennscheibe und das Trennen mit einem flexiblen Fräser verstanden, der sich für eine hohe Trenngenauigkeit kameraunterstützt positionieren lässt.

Bild 2: Mit den auf der Leiterplatte aufgeklebten DMS-Folien lassen sich Oberflächendehnung oder Oberflächenstauchung beim Nutzentrennen erfassen.

Bild 2: Mit den auf der Leiterplatte aufgeklebten DMS-Folien lassen sich Oberflächendehnung oder Oberflächenstauchung beim Nutzentrennen erfassen. Fraunhofer Isit

Des Weiteren wird zunehmend das Lasernutzentrennen eingesetzt, bei dem der Baugruppennutzen unter einer Laserquelle oftmals mit einem großen Arbeitsabstand durch den flexibel positionierbaren Laserstrahl ohne mechanischen Stress berührungslos mit hoher Präzision getrennt wird. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Laser zum Einsatz. Entstehende Stäube oder im Fall der Lasernutzentrennung entstehender Schmauch werden abgesaugt. Abhängig vom Nutzentrennverfahren ergeben sich unterschiedlich breite Trennschnitte, wobei der Laser bei FR4 mit <<100 µm deutlich dünnere Schnitte als etwa das Sägen (typ. 0,5…0,8 mm) und das Fräsen (typ. 1,6/2,0/2,4 mm) verursacht.

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