Optimierungen im Schablonendruckprozess

Transkript

1 Products Solutions Services Schablonendruck für SOD und SOT Bauformen Folie 1

2 Übersicht über den Campus in Maulburg m² Produktions- und Bürofläche Aktuell in Erweiterung Folie 2

3 Zahlen und Fakten 2017 Familienunternehmen gegründet % Umsatzrendite Patente und Patentanmeldungen 2,2Milliarden Euro Umsatz Mitarbeiter weltweit % Eigenkapital 140 Millionen Euro Investitionen Folie 3

4 Unser Produktangebot Füllstandsmesstechnik Durchflussmesstechnik Druckmesstechnik Analysemesstechnik Temperaturmesstechnik Systemprodukte und Datenmanager Softwarelösungen Folie 4

5 Vorfertigung als Erfolgsfaktor Elektronische Vorfertigung Jährlich über 3 Mio bestückte und geprüfte Leiterplatten und 260 Mio elektronische Bauteile Tägliche Fertigung von über Keramik- und Siliziumsensoren im Reinraum Mechanische Vorfertigung Spanabhebende Bearbeitung von über 1 Mio mechanischen Teilen Folie 5

6 Hohe Qualität dank intensiver Tests und Prüfungen Test Center Gerätetests unter realen Anwendungsund Umgebungsbedingungen Simulation von typischen Kundenanwendungen Kalibrierlabor ISO akkreditiertes Labor, DAkkS D-K Überwachung von Mess-/Prüfmitteln Kalibrierungen pro Jahr Folie 6

7 Agenda SOT- und SOD- Bauformen Anforderungen Lotspalt / Verkippung Leiterbahnanbindungen Unterätzung von Pads Praxisbeispiele Stufenschablonen Beschichtung - Nacharbeitsverfahren - Spannzug Pastenviskosität beim Drucken Folie 7

8 SOT und SOD Bauformen SOT 883 DFN (1,0 x 0,6 x 0,48) mm SOD 882 DFN SOT 891 XSON6 (1,0 x 0,6 x 0,48) mm (1 x 1 x 0,48) mm Quelle: Nexperia Folie 8

9 Anforderungen bei der Verarbeitung von SOD- und SOT- Bauformen Layout Leiterplatte Bauelement Kupferdicke Ätzfaktor Lötstopplack Gehäuseform Padgestaltung Bauteilmix (Mikro/Makro) Leiterbahnanbindung Anforderungen Öffnungsgeometrie Nacharbeitsverfahren Beschichtung Spannsystem Druckschablone Folie 9 Lotspalt Verkippung Zuverlässigkeit

10 Anforderungen aus dem Layout SOT 883 Folie 10 SOD 882

11 Anforderungen Mikro-Makro Quelle: Nexperia Folie 11

12 Anforderungen: Lotspalt Verkippung Verkippung > 4 Die minimale Lotspaltdicke wurde für die vorliegenden Bauelemente mit 15 µm definiert. Folie 12 keine Verkippung Lotspalt 7µm Zuverlässigkeit?

13 Leiterbahnanbindung einfache Leiterbahnanbindung unsymmetrische Leiterbahnanbindung Verdrehung des Bauelementes dreifache Leiterbahnanbindung größere benetzbare Fläche Folie 13 symmetrische Leiterbahnanbindung

14 Beispiel SOT 891 Um für diese Padgrößen noch ein prozesssicheres Auslösen der Lotpaste aus der Schablone zu erreichen, müssen die Öffnungen 1:1 bedruckt werden (Area Ratio min. 0,66) Die bisher durch Reduzierung erreichte Abdichtung zwischen Schablone und Pad ist nicht mehr gegeben. Folie 14

15 Unterätzung CAD-Daten Leiterbahndicke Padstruktur einer Leiterplatte Ätzfuß Leiterbahnbreite (Oberseite) Leiterbahnbreite (Substratseite) Bauteil-Pad Leiterplatten-Pad Bauteil bestückt Folie 15

16 Schablonenöffnungen Schablonenöffnung ist größer als die Fläche der Oberseite des Pads Paste wird durchgedruckt undefinierte Pastendepots Unterseitenverschmutzung steigende Anzahl an Unterseitenreinigungszyklen Adhäsionskraft Auf Grund der kleineren Padoberfläche steht im Verhältnis zur Schablonenöffnungsfläche eine deutlich kleinere Adhäsionskraft zur Verfügung. Folie 16

17 Eintauchen von Pads in Schablonenöffnungen Folie 17

18 Praxisbeispiel: Eintauchen von Pads in die Schablonenöffnung Unterätzung Pad (Padbreite um 46 µm und Padlänge um 39 µm) 5 Kugelregel Area Ratio (AR) Aspect Ratio Folie 18

19 Praxisbeispiel: Lötstopplack Lötstopplackhöhe: Unterätzung der Pads Öffnungsgeometrie: Druckergebnis: Folie µm ca.30 µm

20 Beispiel: Verbesserung der Prozesssicherheit Leiterplatte Hersteller A Qualifizierungsversuch Ergebnis: i.o. Schablonenöffnung: (200 x 200) µm Eckenradius 75 µm Schablone 80 µm AR 0,65 Leiterplatte Hersteller B Fertigung Problem: Lötstopplackhöhe Optimierungsmöglichkeiten für: Leiterplatte Hersteller B Anpassung Schablonendicke Öffnungsvergrösserung Vergrößerung des Area Ratio Folie 20 Schablonenöffnung: (225 x 225) µm Eckenradius 40 µm Schablone 80 µm AR 0,74

21 Schablonenöffnungen: Mikro-Makro-Anwendungen Mikro- und Makrobauteile werden auf einer Leiterplatte eingesetzt. D.h. in der Schablone werden Bereiche von z.b. 120 µm und 80 µm Stärke benötigt. Diese Stufen können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Damit in diesen Stufen (40 µm in die Tiefe) das Rakel prozesssicher funktioniert, sind Vorgaben für die Abstände der Öffnungen in der Stufe zu beachten. Folie 21 Berechnung der Abstände für die Stufe zur Öffnung: Abstand in Rakelrichtung: Stufenhöhe 30 = 1200 µm Abstand 90 zur Rakelrichtung: Stufenhöhe 100 = 4000 µm

22 Stufenschablonen Druckergebnis neben der Stufe Stufen Bauteil neben der Stufe Abstandsvorgaben für Stufen: z.b. CK Quelle: Christian Koenen GmbH Folie 22

23 Optimierung der Nutzengestaltung für Stufenschablonen Rakelrichtung Stufen 90 zur Rakelrichtung nach Optimierung des Fertigungsnutzens Stufen in Rakelrichtung Folie 23

24 Stufenschablone für Mischbestückung THT/SMD partielle Pumpprintschablone THT-Pins werden durch die Stufe aufgenommen THT-Teile geklebt Stufenbereich (THT) 1,4 mm Standardbereich (SMD) 150 µm Folie 24

25 Beschichtung (Standardschablone) Beschichtungsformen: Sol-Gel-Verfahren (Nano) Plasma-Verfahren Aufgaben der Beschichtung: Unterseitenverschmutzung vermeiden / reduzieren Auslöseverhalten verbessern Wiederholgenauigkeit erhöhen Folie 25 mit Beschichtung ohne Beschichtung

26 Beschichtung (Stufenschablone) Grundstärke der Schablone: 100 µm; Stufenhöhe 20 µm Volumen(%) Stufen ohne Beschichtung Stufen mit Beschichtung Auswertung der Bauteile (2512): Übertragung von ca. 25 % mehr Pastenvolumen im Bereich der Stufen bei Schablonen mit Beschichtung. Folie 26

27 Beschichtung (Stufenschablone) Grundstärke der Schablone: 100 µm; Stufenhöhe 20 µm Volumen(%) Stufen ohne Beschichtung Stufen mit Beschichtung Auswertung der Bauteile (0603): Übertragung von ca. 15 % mehr Pastenvolumen im Bereich der Stufen bei Schablonen mit Beschichtung. Folie 27

28 Bürsten versus Elektropolieren Bild: Multi Circuit Boards Bürstverfahren: keine Vergrößerung der Aperturen geringster Materialabtrag gleichbleibende Materialstärke geringere Kantenverrundung deutliche Vorteile bei der Verwendung ab Pastenklasse Typ 4 Folie 28 Elektropolierverfahren: Vergrößerung der Aperturen höherer Materialabtrag schwankende Materialstärke größere Kantenverrundung Effekte sind abhängig von der Einwirkdauer und von der Häufung/Anordnung der Schablonenöffnungen

29 Vergleich Bürsten - Elektropolieren gebürstete Schablonenöffnung REM Aufnahme: EHT = 20.00kv Mag = 200x Quelle: Fraunhofer ISIT elektropolierte Schablonenöffnung REM Aufnahme: EHT = 20.00kv Mag = 200x Quelle: Fraunhofer ISIT Folie 29

30 Auswertung aus Druckversuch gebürstet im Vergleich zu elektropoliert (Schablone 100 µm, Paste Typ 4) gebürstet elektropoliert Volumen Folie 30 gebürstet Volumen ganze LP elektropoliert

31 Optimierung: Spannzug Volumenvergleich über ganze Leiterplatte, 100 µm Schablone Vector Guard High Tension Vector Guard: VG High Tension: Festrahmen: 32 N/cm 47 N/cm 50 N/cm High Tension Mit dem High Tension System werden auf Grund des hohen Spannzuges höhere Volumen und eine verbesserte Wiederholgenauigkeit erreicht. Folie 31

32 Einflussfaktor Spannzug Bauteil Vector Guard High Tension Bei kleinen Öffnungen ist ein höherer Spannzug von Vorteil, weil das Auslöseverhalten begünstigt wird. Folie 32

33 Optimierung: Konditionierung der Lotpaste Kein Walken der Paste im Drucker notwendig Aufrühren der Paste durch Mitarbeiter entfällt Reproduzierbare Druckergebnisse nach Konditionierung Reproduzierbarer Andruck (1. Leiterplatte) Folie 33

34 Andrucken 1. Druck konditioniert 1. Druck Pastenvolumen Bauteile Druck Pastenvolumen Bauteile 2512 konditioniert 1. Druck Folie Druck

35 Viskositätsverlauf der Lotpaste während dem Druckvorgang Der Drucker sollte über die Möglichkeit verfügen Rakelvorlauf und Nachlauf einzustellen. In diesem Bereich kann die Paste auch gewalkt werden, ohne dass eine Leiterplatte gedruckt werden muss. Folie 35

36 Optimierung: Rakelweg-Pastenviskosität Rakelweg (Abstand) zur ersten kritischen Schablonenöffnung, Auswirkung auf die Viskosität der Paste. Rakelrichtung vorne nach hinten Viskosität niedrig Rakelrichtung hinten nach vorne Viskosität hoch 13 mm, hinten kritische Öffnungen 30 mm, vorne Folie 36

37 Lösungsansatz zur Verbesserung der Prozesssicherheit (SOD und SOT) Layout: Position kritischer Bauteile nicht im Randbereich auf der LP bzw. im Nutzen Leiterplatte: geringere Kupferstärke (kleinerer Ätzfaktor) homogene Lötstopplackhöhe Druckschablone: hochwertiges Schablonengrundmaterial funktionierende Beschichtungen Bürsten der Schablonenöffnungen Area Ratio der Öffnungen min. 0,66; Tendenz zu 0,7 Lotpaste: Schablonenbeschichtung auf Flussmittel anpassen Folie 37

38 Products Solutions Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen? Folie 38 Services Endress+Hauser SE+Co. KG Christoph Hippin F+E Prozessentwicklung Hauptstrasse Maulburg Tel.: chrístoph.hippin@pcm.endress.com