SMT-Prozesstechnik Gemischt bestücken – wie lässt sich der Druckprozess optimieren?

Im Diagramm dargestellt sind die Auswirkungen des Flächenverhältnisses bei dicken und dünnen Schablonen, bezogen auf große und kleine Komponenten. 
Tabelle: DEK

Mehr Funktionen und gleichzeitig immer kleinere Baugruppen - das passt eigentlich nicht zu den Regeln des Design-for-Manufacture (DFM) und stellt die Elektronikfertiger vor die Aufgabe, Elemente mit kleineren Strukturgrößen und größere Komponenten gleichzeitig verarbeiten zu müssen.

»Die Herausforderung solcher Fertigungsprozesse liegt vor allem  im  Druckprozess«, erklärt Clive Ashmore, Senior Process Development Specialist bei DEK.

DEK hat analysiert, wie sich ein Standard-Druckprozess durch minimale Veränderungen an solche Herausforderungen anpassen lässt. Für moderne Elektronikfertiger ist es kaum ein Problem, Produkte mit sehr feinen Strukturen und hoher Komplexität zu fertigen. Die Probleme entstehen erst dann, wenn Baugruppen große und sehr kleine Elemente enthalten. »In der Oberflächenmontage wird die bevorstehende Einführung von 0,3 mm großen CSPs (Chip Scale Packages) die Strukturgrößen unter 200 µm treiben – doch größere Komponenten wie HF-Abschirmungen und Steckerleisten werden immer noch benötigt«, gibt Ashmore zu bedenken. »Um die Herausforderungen zu lösen, die sich beim Schablonendruck für die gemischte Bestückung häufig stellen, muss man den Druckprozess optimieren.«

Das Aspect Ratio ist entscheidend

Einen wesentlichen Hinweis auf mögliche Probleme im Schablonendruck bei gemischt bestückten Baugruppen gibt das Flächenverhältnis der Schablonenöffnung (Aspect Ratio). Es berechnet sich aus der Öffnungsfläche, geteilt durch die gesamte Wandfläche der Schablonenöffnung. »Für beide Komponententypen lässt sich  die Lotpaste einigermaßen erfolgreich mit einer dünnen Schablone drucken. Allerdings fällt bei dem großen Bauteil die aufgeschmolzene Lötverbindung wegen des zu geringen Pastenvolumens eher dürftig aus«, schildert Ashmore. Verwendet man eine dickere Schablone, erhält das große Bauteil zwar ein gutes Pastenvolumen, dafür kommt aber das kleinere Bauteil zu kurz. »Die Paste tendiert dazu, an der größeren Oberfläche der Öffnungswandung haften zu bleiben, und das resultiert dann in einer mageren oder sogar kalten Lötstelle«, beschreibt Ashmore.

Eine Beispielrechnung:

Wenn eine Schablone 100 µm dick und die Schablonenöffnung 250 x 250 µm groß ist, beträgt das Flächenverhältnis 0,625 ((250 x 250) : (100 x 250 x 4)). Verringert man die Dicke der Schablone auf 75 µm, reduziert sich natürlich auch die Fläche der Öffnungswandung, was zu einem Flächenverhältnis von 0,833 führt. Ashmore betont, dass das Flächenverhältnis alleine aber noch nichts aussagt: »Es geht darum, wie das Flächenverhältnis das Auslösen der Paste beeinflusst, was wir dann »Transfereffizienz« der Schablonenöffnung nennen. Diese ist entscheidend für den Druckprozess, und es liegt auf der Hand, dass sie beeinflusst werden kann, indem man die Schablonengeometrie anpasst.« Die Querschnittsfläche der Öffnung lässt sich beim Schablonendesign allerdings nicht beliebig verändern. Sie wird ausschließlich durch Größe und Form des Pads auf der Leiterplatte bestimmt, was wiederum dem Komponententyp entsprechen muss, der zu bestücken ist.