Schablonendruck - der Schlüsselprozess in der SMT - Fertigung

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1 Schablonendruck - der Schlüsselprozess in der SMT - Fertigung Harald Grumm 2008 Christian Koenen GmbH HighTech Stencils Otto-Hahn-Straße Ottobrunn-Riemerling Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: info@christian-koenen.de

2 Bundesrepublik Deutschland Fläche: km² Einwohner: 82,365 Mio. Hauptstadt: Berlin Bruttoinlandsprodukt (BIP) 2006: 2.307,20 Mrd. Euro; +2,7 % Anteile am BIP: Dienstleistungen 69,2 %, Industrie und Baugewerbe 29,9 %, Landwirtschaft 1,0 % Export / Import 2006 Mrd. : 896,05 / 731,48 Exportschlager: Kraftwagen und Kraftwagenteile, Maschinen, chemische Erzeugnisse Höchster Berg: Zugspitze m Längste Flüsse: Rhein 865 km, Elbe 700 km, Donau 647 km Größte Seen: Bodensee 572 km², Müritz 110 km², Chiemsee 80 km² Tourismus: Land und Leute, Königsschlösser, Oktoberfest München

3 Firmendaten Gründung der Koenen GmbH durch Karl-Heinz & Isabella Koenen Zusammenschluss zur KOENEN GROUP: KOENEN HighTech Screens KOENEN Solar Screens KOENEN HighTech Stencils Firmendaten der KOENEN GROUP Mitarbeiter 130 Firmenfläche Σ 5500 m² Christian Koenen HighTech Stencils 2400 m² Koenen HighTech Screens & Solar 3100 m² Lasersysteme 7

4 Produkte der Christian Koenen GmbH Metallschablonen für Lotpasten-, Kleberdruck, Wafer Bumping, LTCC und Finelinetechnik Stufenschablonen zur Realisierung mehrerer Pastenhöhen in einem Druck oder Ausgleich von Substratunebenheiten beschichtete und oberflächenbehandelte Schablonen Gravur von Bar- & DataMatrix Codes PumpPrint Schablonen Reparaturschablonen Layoutberatung Eillieferservice Zubehör Druckrahmen, Gewebe und Selbstspannsysteme Schablonenlagersysteme Metallrakel Reinigungsmedien für den Schablonendruck

5 Gliederung Schablonendruck ein Schlüsselprozess? Einflussgrößen technologische & wirtschaftliche Anforderungen Druckmedium Leiterplatte Schablone Lösungen für einen stabilen Prozess Oberflächenbehandlung Verbesserungen am Layout CK Stufenschablonen reproduzierbare Fertigung Application Center der Koenen Group

6 Schlüsselprozess? Definition: Ein Schlüsselprozess ist ein Ablauf, der für das jeweilige Ziel relevant ist. Ziel: Ein qualitativ hochwertiger und wirtschaftlicher Gesamtprozess.

7 Druckvorgang Komponenten des Schablonendrucks Rakelrichtung Schablone Lotpaste Rakel Rahmen Gewebe Pad Leiterplatte

8 Bewertung der Druckqualität a) Bedruckte Fläche: 90 % 70 % <50 % einwandfrei ausreichend nicht akzeptabel b) Depothöhe: Schablonendicke einwandfrei ausreichend nicht akzeptabel Quelle: EKRA GmbH

9 Druckqualität Anforderungen an einen guten Druck klare Definition der Form scharfe Kanten flache Oberseite Depothöhe Schablonendicke gut ausgerichtet kein auslaufendes Flussmittel

10 Gestiegene technologische Ansprüche wachsende Layoutansprüche Sonderbauteile z. B , 0201, Flip Chip, µbga, CSP, Fine Pitch, großflächige Bauteile, Masseanschlüsse, Stecker usw. Sonderprozesse z. B. THR Through Hole Reflow 3 mm trotzdem weiter gefordert: optimales Druckergebnis stabiler Prozess Quelle: CK + W. C. Heraeus GmbH

11 Prozesskosten Anteil der Schablone an den Materialkosten meist weit weniger als 1 % direkte Auswirkung der Schablonenqualität auf die Nacharbeits- und Ausschusskosten Ver- & Entsorgung Ausschuss Nacharbeit Betriebs- mittel Arbeits- leistung Material Maschinen

12 Schlüsselprozess! Definition: Ein Schlüsselprozess ist ein Ablauf, der für das jeweilige Ziel relevant ist. Ziel: Ein qualitativ hochwertiger und wirtschaftlicher Gesamtprozess.

13 Einflussgrößen Anforderungen Variablen Materialien Druckparameter

14 Position im SMT - Prozess Der Druckprozess ist der erste Schritt in der Prozesskette und verdient besondere Beachtung Magazin- Beladung Magazin- Entladung Drucker Dispenser SMD -Bestücker Reflowofen TH -Bestücker Wellenlöt-anlage

15 Verteilung möglicher Fehler im SMT - Prozess Schablonendruck Bestückung SMT Reflow Produkt 6% 15% 64% 15% sonstige Reflow & Reinigen Bestückung Pastendruck nach C. H. Mangin

16 Einflussgrößen Equipment Maschine Rakelkopf Ausrichtung Schablonenhalter Genauigkeit Wiederholbarkeit Druckparameter Rakelgeschwindigkeit Rakelkraft Absprung Trenngeschwindigkeit Markenparameter Reinigungsparameter Zuverlässigkeit Oxidation Gewissenhaftigkeit Auslastung Stromspitzen Temperatur Praxis Luftfeuchte Training Schwingungen Fachwissen Staub Bediener Umfeld Materialien Substrat Lotpaste / Kleber Schablone Rakel Reinigungsmedium Sonst. Materialien Druckqualität

17 Kernpunkte des Druckprozesses Gesamtprozess: Druckprozess: Druckvolumen Verschmierungen / Auslaufen Cold Slump / Verlaufen Ausrichtung Klebrigkeit Grabsteineffekt Benetzung / Lunkerbildung Brückenbildung SIR / Korrosion Hot Slump Lotperlenbildung allgemein / am Bauteil Quelle: EKRA GmbH

18 Druckmedium Materialien für den Druck Lotpaste Festlegung des Pastentyps

19 Materialien für den Druck Lotpaste Kleber Epoxi Silikone Tinten Leiterplatten Keramik LTCC Flexible Substrate Wafer Solar Zellen Hauptanwendung: Lotpaste auf Leiterplatten

20 Lotpaste Ein komplexes System aus: Metallpulver Flussmittel Lösungsmittel Rheologische Mittel Typische Lotlegierungen: Sn/Pb 63/37 (eutektisch) Schmelzpunkt: 183 C Sn/Pb/Ag 62/36/2 Schmelzpunkt: 179 C Sn/Ag 96,5/3,5 Schmelzpunkt: 221 C Sn/Ag/Cu 95,5/4/0,5 Schmelzpunkt: 217 C Pastensysteme nach Flussmittel: No clean (NC) oder (RMA) Rückstände müssen nicht abgewaschen werden Wasserlöslich Rückstände müssen durch Waschen entfernt werden

21 Lotpaste Aufgabe der Lotpartikel: Bereitstellung der Lotmenge für die Verbindung, Definition der Auflösung der Paste über die Lotkugelgröße (Typ) & Roll- und Standeigenschaften der Paste mitbestimmen. Aufgaben der Lösemittel und die Harze: Vorgabe der Viskosität und der Thixotropie, homogener Aufbau der Paste, verhindern die erneute Oxidation des Metallanteils bei der Lagerung, beseitigen beim Löten Oxide an den Pads & Bauteilen & Bereitstellung einer ausreichend großen Klebekraft. Typ3 (25-45µm) x200 x500

22 Lotpulvertypen Pulvertyp 1 <3 % kleiner 50 Partikeldurchmesser [µm] <10 % >85 % <10 % alles kleiner Verhältnis Oberfläche / Volumen Kugeldurchmesser [µm] Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 1 Typ 6 Typ 2 Typ 7 Quellen: Siemens Dematic Grundlagen der SMT & Heraeus

23 Festlegung des Pastentyps In die kleinste Öffnungsbreite müsse mindestens Lotpastenkugeln nebeneinander passen! kurze Seite (a)

24 Leiterplatten Leiterplatten Lötstopplack Auswirkungen Lötstopplack Leiterplattenunterstützung

25 Leiterplatten Ausführung der Leiterplatte Ebenheit <1% der Leiterplattendiagonalen stabile Struktur, kein Durchhängen der LP direkter Bezug der Marken zum Layout minimaler Verzug Lotstop Grenzen für den Leiterplattenverzug definieren Vorsicht bei mehrfach geritzten Leiterplatten Materialeigenschaften im Zusammenspiel mit der Paste Padmetallisierung Benetzbarkeit (Cu, OSP, Nickel / Gold & HAL) Ebenheit der Oberfläche

26 Lötstoplack Lötstoplack zwischen den Pads zur Reduzierung des Brückenrisikos vorsehen. Bei sehr feinen Rastern ggf. Lötstoplackfenster verwenden, um Positionierungsprobleme des Lotstoplacks zu vermeiden. Auf die korrekte Höhe des Lötstoplacks achten: Der Lack darf nicht höher als das Pad sein.

27 Lötstoplack

28 Lötstopplack & Via Filling Zu dicker Lötstopplack verhindert die Abdichtung der Schablonenöffnungen durch die Pads Auf die korrekte Höhe des Lötstopplacks achten: Der Lack darf nicht höher als das Pad sein. Werden Vias zu hoch gefüllt erzeugen sie die gleiche Problematik. Spalt Lötstoplack Pad Schablone Leiterplatte

29 Leiterplattenunterstützung ungünstig gesetzte LP-Unterstützungen fördern die Brückenbildung Vorsicht bei der Unterstützung in der Nähe von Bauteilen Beschädigungen ausschließen! Gut Schlecht

30 Schablonen Lasergeschnittene Schablonen

31 Lasergeschnittene Schablone alle Öffnungen mit Hilfe von Gerberdaten lasergeschnitten trapezförmige Öffnung verbessere Pastenauslösung min. Öffnungsdurchmesser Schablonenstärke (kleinere Öffnungen bedingt möglich), Öffnungstoleranz ±( ) µm

32 Lösungen für einen stabilen Prozess Oberflächenbehandlung Verbesserungen am Layout CK Stufenschablonen reproduzierbare Fertigung Application Center der Koenen Group

33 Oberflächenoptimierung Rakelseite (Oberseite) gute Haftung der Paste für ein ausgeprägtes Rollen => raue Oberfläche Bürsten Schleifen LP Seite (Unterseite) leicht zu reinigen minimale Flussmittelverteilung gute Abdichtung => glatte Oberfläche Polieren Öffnungswandungen minimale Anhaftung leicht zu reinigen => glatte Oberfläche CK-Elektropolieren / Beschichtung 200 µm 200 µm 100 µm gebürstet 200 µm CK-Elektropolieren 200 µm CK-Elektropolieren 100 µm

34 Datenaufbereitung Öffnungsverhältnis / Aspect Ratio Öffnungsverhältnis = Öffnungsverhältnis = kleinste Öffnungsbreite Schablonendicke a t > 1,5 t b r a Area Ratio / Flächenverhältnis Flächenver hältnis = projizierte Fläche der Schablonen öffnung Mantelfläc he der Schablonen öffnung a = 2t 2 b r ( 4 Π ) [ a + b + r( Π 4) ] > 0,66

35 Datenaufbereitung Reduzierung 5 10 % umlaufend µm umlaufend Verrundung r = 2 x Lotdurchmesser Unterteilung großer Öffnungen Öffnungen >5 mm Gaskanäle anlegen Spezialformen minimieren Grabsteine & Lotperlen Grenzwertprüfung Öffnungs- & Flächenverhältnis Nutzenerstellung Pad (Leiterplatte) Schablonenöffnung Eckenradius r Steg konkave Innenseite bow tie konvexe Innenseite home plate

36 Verrundung der Öffnungsecken Öffnungsradien ergeben sich aus dem Lotpulvergrößen: Typ µm Typ 3 60 µm Typ 4 50 µm üblicher Eckenradius = 75 µm zu großer Radius = Volumenverlust = Adhäsion zu kleiner Radius = Lotreste in den Öffnungsecken größter Lotkugeldurchmesser Sicherheitsfaktor Eckenradius 2 mit einem Sicherheitsfaktor von 2 Eckenradius größter Lotkugeldurchmesser

37 Stufenschablone CK-Spezialverfahren Stufenschablone (zum Patent angemeldet) Der Edelstahlrohling wird exakt definiert in den vorgesehenen Bereichen abgetragen und im Laser exakt eingerichtet und geschnitten. Stufenübergang 50 µm (erstellt durch Fa. Mair) genau definierte Materialstärke exakte Padgeometrie und -position positive & negative Stufen auf beiden Seiten möglich sanfter Übergang zwischen den verschiedenen Dicken (siehe Schliffbild) kein Zwischenschritt über Filmerstellung nötig kostengünstig schnelle Lieferzeit (2 4 Arbeitstage)

38 Anforderungen an das Rakel Anpassung an die Stufe kein Ausschöpfen großer Öffnungen lange Standzeiten Rakel Schablone Apertur

39 Stufenabmessungen Stufenhöhe / -tiefe (t) Stufenbreite (a) / -länge (b) Abstand zur Apertur außerhalb (c) bzw. in der Stufe (d) Rakelrichtung a d c b t

40 Konsequenzen aus Stufenabmessungen Abstand zur Apertur außerhalb der Stufe (c) = 0 mm weniger Paste in der angrenzenden Apertur Rakelrichtung

41 Konsequenzen aus Stufenabmessungen Abstand zur Apertur in der Stufe (d) im Übergangsbereich des Rakel zu viel Paste am Depot und ein schlechteres Auslösen Rakelrichtung

42 Werte für Stufenschablonen gedünnte Rakel normale Rakelkraft Standardrakel doppelte Rakelkraft Standardrakel normale Rakelkraft Stufenlänge (b) [mm] Stufenbreite (a) [mm] Abstand zur Öffnung (c / d) [mm] Stufenlänge (b) [mm] Stufenbreite (a) [mm] Abstand zur Öffnung (c / d) [mm] Stufenlänge (b) [mm] Stufenbreite (a) [mm] Abstand zur Öffnung (c / d) [mm] IPC [mm] >0,25 >1,50 >1,50 >1,50 >10,00 >0,25 >1,50 >10,00 >10,00 >30,00 <0,30 0,60 1,50 2,50 9, >1,00 >5,00 >10, >10,00 >20,00 >30, ,60 3,80 11,30 >0,25 >1,00 >2,00 >10,00 >10,00 >0,25 >1,00 >10,00 >30,00 >75,00 <0,30 0,90 1,70 5,80 12,00 0,36 1,08 1,80 3,60 9,00 b d a c Rakelrichtung t Stufe (t) [µm] [

43 Fertigung der Schablone effiziente Kommunikation zwischen Kunden & Sachbearbeiter prozessorientierte Anpassung der Schablonendaten optimal ausgerüstete, eingestellte & gewartete Lasersysteme manuelle & automatische Qualitätskontrolle Klimatisierung der Fertigung vollständige Dokumentation der einzelnen Fertigungsschritte & Materialien abschließende Reinigung vor dem Versand

44 Auswirkungen

45 Ausstattung des KOENEN GROUP Application Centers Drucken Ekra X5 STS Ersa S1 Essemtec SP900 Bestücken / Löten ZEVAC Onyx 24 Messen / Dokumentieren Cyber Technologies CT300 Leica M205 Trocknen / Einbrennen Ball Placement Wagenbrett WB300 Reinigen allgemein 60 m² Fläche Klimatisierung & Absaugungen an den Anlagen

46 Zusammenfassung Der Schablonendruck ist ein Prozess mit sehr hohem Fehlerpotential. Viele Fehler können mit guter Vorplanung verhindert werden. Im Vorfeld genügend Zeit auf die Prozessentwicklung verwenden. Wir helfen ihnen gerne ihre Probleme zu lösen.

47 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 2008 Christian Koenen GmbH HighTech Stencils Otto-Hahn-Straße Ottobrunn-Riemerling Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: