Herausforderungen bei 0201-mm-SMD-Chips Den Schablonendruck optimieren

Hochvolumige und ultrakleine Pastendepots, hergestellt im zweiphasigen, sequenziellen Lotpastendruck
Hochvolumige und ultrakleine Pastendepots, hergestellt im zweiphasigen, sequenziellen Lotpastendruck

0201-mm-Chipkondensatoren und -widerstände gehen derzeit bei modernen Package-in-Package-Modulen in die Produktion und könnten in kürzester Zeit ihren Platz in normalen Baugruppen-Designs erobern. Druck-, Montage- und Inspektionsprozesse stellt dies vor eine große Herausforderung.

Mit ihrer Industriestandard-Größe von nur 0,25 mm × 0,125 mm erreichen 0201-mm-Bauteile nur etwas mehr als die Hälfte der Größe des Formfaktors 0402 (0,4 mm × 0,2 mm). Ihr Erscheinen auf SMT-Bestückungslinien ist eine echte Herausforderung für Druck-, Montage- und Inspektionsprozesse, denn die Genauigkeit muss bei gleichbleibender Geschwindigkeit gesteigert werden.

Grundlage eines hochwertigen Oberflächenmontage-Prozesses ist ein präziser, wiederholbarer Druckprozess. Die absolut korrekte Einstellung der Prozesse wird wichtiger denn je, weil 0201-mm-Bauteile in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Studien haben nachgewiesen, dass die Sicherstellung einer zuverlässigen Abdichtung zwischen Schablone und Leiterplatte sowie die Optimierung der Öffnungsfüllung und die effiziente Pastenauslösung nach der Trennung einen starken Einfluss auf die Prozessausbeute haben.

Um Schablone und Leiterplatte ausreichend gut abzudichten, beträgt der zulässige Abstand (Gap) maximal 0,2 mm. Diese Grenze wird beim Druck für 0201-mm-Bauteile kritischer denn je. Bild 1 zeigt eine statistische Analyse der Wiederholgenauigkeit des Pastenvolumens bei einer Aperturgröße von 0,22 mm × 0,24 mm und demonstriert, dass sich die Wiederholgenauigkeit schnell verschlechtert, wenn der Abstand zwischen Schablone und Leiterplatte 0,2 mm überschreitet.

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 extrem 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° auf 50° 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 0201-mm-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 0402-mm-Bauteile, sind aber teurer.

Eine weitere Reduzierung der Partikelgröße ist erforderlich, um einen wiederholbaren Druck auf Pads für 0201-mm-Bauteile zu gewährleisten. Typ-6-Paste mit einer Partikelgröße von 10 µm 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 Reflow-Fehler wie Bauteilablösungen verhindern.