Pin in Paste. Pastendruck für bedrahtete Bauteile (Through Hole Components). 13/04/2004

Transkript

1 Pin in Paste Pastendruck für bedrahtete Bauteile (Through Hole Components).

2 Inhalt der Präsentation... Der Druckprozess für Pin in Paste Prozessabbild Interaktionen der Prozessparameter Prozessdesign Rakelsysteme Funktion Einfluss auf den Pin in Paste -Prozess Tipps und Tricks 2

3 Der Druckprozess für Pin in Paste Through Hole Reflow Quelle: Phoenix Contact Derzeit bearbeitet DEK ca. 1 bis 3 Pin in Paste Anfragen pro Woche. Aus dieser Anfragehäufigkeit ist eine Check-Liste für den Pin in Paste -Druck entstanden: 1. Geeignete Leiterplatte (Bauteilspektrum, beidseitige Bestückung,...) 2. Geeignete Bauteile/Komponenten 3. Verwendete Paste (Druckcharakteristik) 4. Das Rakelsystem (offen/geschlossen) 5. Das bisherige Schablonen-Layout 6. Verwendete Unterstützung 7. Druckparameter (bisher verwendete Einstellungen) Auf den folgenden Seiten werden die Bedeutung und die Einflüsse der einzelnen Punkte erläutert.

4 Die passende Baugruppe z.b. eine LP mit nur wenigen THT Komponenten ACHTUNG: Pastenfresser ACHTUNG: Unterschiedliche Bohrungsdurchmesser die Bohrungen 0,1 bis 0,2 mm > Pin-Durchmesser Bauteiltoleranzen Zinnvolumen klein halten 4 Generell sollte bei der Auswahl der geeigneten Baugruppe darauf geachtet werden, dass Kosten und Nutzen der Umstellung auf Pin in Paste im ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Allerdings sollte der Gedanke an eine Umstellung nicht zu schnell verworfen werden, da sich diese, vor dem Hintergrund der Umstellung auf den bleifreien Produktionsprozess, sehr schnell rechnen kann. Sparen Sie den Wellenlötprozess ein, so sparen Sie gleichzeitig notwendige Investitionen für eine neue Wellenlötanlage ein. Eine viel gestellte Frage ist: Lassen sich die SMD-Bauteile mit den pastenintensiven Durchsteckbauteilen gemeinsam vearbeiten? Die Antwort lautet: Ja! Die Schablonenstärke spielt im Pin in Paste -Prozess eine untergeordnete Rolle. Deshalb werden die SMD-Bauteile in der Regel mit dem gewohnten Schablonendesign verarbeitet. Die THT-Bauteile können den Prozess nur dann gefährden, wenn Sie die Leiterplatte/Baugruppe in einen Pastenfresser verwandeln. Das heißt, die Leiterplatte verbraucht während des Drucks in einzelnen Bereichen so viel Paste, dass die nachfolgenden Schablonendurchbrüche nicht mehr vollständig gefüllt werden. Diesen Effekt kann man jedoch mit einem geschlossenen Druckkopfsystem (wie z.b. Proflow) erfolgreich entgegenwirken. Eine weitere Herausforderung stellen unterschiedliche Bohrungsgeometrien dar. Bohrungen kleiner 0,8 mm sind nicht mehr zu füllen und aus großen Bohrungen kann die Paste heraustropfen (eine genaue Durchmesserangabe ist von der Paste und der Verarbeitungstemperatur abhängig). Die Problematik liegt in den unterschiedlichen Pasteneigenschaften (Viskosität, Nasshaltekraft) und den Druckparametern, die nur einmal für alle Bohrungen einstellbar sind. Große Bohrungen können mit Stegen im Schablonen-Layout abgedeckt werden, um so dass Volumen in der Bohrung zu steuern und zu reduzieren. Kleine Bohrungen werden mit einem geschlossen Drucksystem (Proflow) besser gefüllt, da der Druck von oben auf die Paste einwirkt. Speziell Proflow bietet darüber hinaus die Möglichkeit Druckrampen zu fahren. Das heißt, dass in den Bereichen der LP in denen ein höherer Druck benötigt wird, dieser über die Proflow-Programmierung aufgebaut werden kann. Die Bohrungen selbst sollten nicht zugroß gewählt werden, da Sie sonst zuviel Lot zum Füllen der Bohrung benötigen. 0,1 bis 0,2 mm größer als die Pin-Diagonale ist ein guter Daumenwert. Dieser Wert hängt allerdings stark von den Toleranzen der Bauteile und des Bestückers ab.

5 Geeignete Bauteile... Through Hole Reflow Temperaturbeständigkeit Ausdehnungskoeffizienten Pin-Toleranzen Pin-Länge Pin-Design Stand Off 5 Damit sich ein THT-Bauteil (Through-Hole-Technology) THR-Bauteil nennen darf, muss es einige Anforderungen erfüllen: 1. Temperaturbeständigkeit Reflow-Temperaturen (auch bleifrei ) 2. Ausdehnungskoeffizienten Verzieht sich das Bauteil oder die Komponente zu stark, führt dies zu schlechten Lötergebnissen (Spannungsrisse, Fehllötung,...) 3. Pin-Toleranzen Zu große Toleranzen führen zu großen Bohrungsdurchmessern und damit zu erschwerten Bedingungen für den Pastendruck. Je kleiner die Toleranzen des Bauteils/der Komponente, desto stabiler und sicherer der Bestückprozess 4. Pin-Länge Das Flüssige Lot muss in der Lage sein mit seiner Benetzungskraft die Distanz zwischen Pin-Spitze und Bohrung zu überwinden. Innerhalb der Bohrung wirken Kapilarkräfte, die das flüssige Lot in den schmalen Schlitz zwischen Bohrungswandung und Pin ziehen. Der Bauteil-/Komponenten-Pin sollte nicht länger als 1,5 mm aus der Leiterplatte herausschauen. 5. Pin-Design Die geometrische Form des Pin hat einen großen Einfluss auf die Bildung von Voids (Lunker). Die besten Ergebnisse lieferten bisher quadratische Querschnitte 6. Stand Off Zwischen Bauteilkörper und der Leiterplatte sollte ein Freiraum sein, der das Abschnüren des Pastendepots das Verschmieren der Paste das Abschirmen der Ofenwärme verhindert!

6 Positive Pasteneigenschaften... Thixotropie Gutes Fließverhalten beim Druck Gute Nasshaltekraft am Bauteil-Pin Gutes Benetzungsverhalten Zurückziehen der Paste in die Bohrung Langes Stencil Life größere Pastenrolle bei Pin in Paste 6 Die positiven Pasteneigenschaften unterstützen das gute Füllen der Bohrungen und das sichere Verbleiben der Paste innerhalb der Bohrung und am Bautei-Pin. Prinzipiel ist jede Paste geeignet. Die unterschiedlichen Pasteneigenschaften, wie z.b. Viskosität, erweitern oder verengen das Prozessfenster. Beispiel: Ist die Viskosität zu niedrig, reduziert sich der max. druckbare Bohrungsdurchmesser, da viel eher die Gefahr des Heraustropfens von Paste besteht.

7 Rakel... Das Volumen der Pastenrolle beeinflusst die Bohrungsfüllung Volumenschwankungen wirken sich unmittelbar auf den Füllgrad aus Bediener müssen öfter eingreifen 7 Das Volumen der Paste vor dem Rakel, sprich der Durchmesser der Pastenrolle, beeinflusst unmittelbar die Größe der Transferkräfte, die die Paste in die Schablone transferieren. Die Transferkraft wird auf der nächsten Seite genauer erklärt. Der Nachteil der offenen Rakelsysteme liegt in dem Bedienereingriff. Achtet der Bediener nicht auf die Volumenschwankungen wird der Prozess instabil. Kleinere Bohrungen sind mit dem offenen Rakel ebenfalls schwieriger zu füllen.

8 Rakel... Antriebskraft Je größer das Volumen der Pastenrolle, desto höher ist die Transferkraft! Durchmesser der Pastenrolle: Normaler SMD-Druck ca. 15 mm Pin in Paste ca. 25 mm Transferkraft 8 Die Transferkraft ergibt sich als resultierende Kraft aus der Antriebskraft (Rakelgeschwindigkeit) und dem Rakelwinkel. Der Rakeldruck sorgt nur für einen guten Abzug auf der Schablone. Er beeinflusst die Transferkraft nur, wenn der Druck zu einer Durchbiegung des Rakelmessers führt, was einer Verkleinerung des Rakelwinkels entspricht. In einer größeren Pastenrolle entstehen auch größere Scherkräfte. Deshalb wird im Pin in Paste - Prozess ein Pastenrollendurchmesser von 25 mm verwendet. Die höheren Scherkräfte bewirken eine niedrigere Viskosität der Paste und eine höhere Transferkraft. Außerdem ist die Pasten länger mit der Schablonenöffnung in Kontakt und hat damit mehr Zeit die Öfnnung und die darunterliegende Bohrung zu füllen.

9 Rakel... Pump Print - Rakel Das Rakelmaterial Weiche Poly-Rakel erhöhen die Transferkraft PumpPrint-Rakel Länger Druck von Oben Decken große Öffnungen besser ab 9 Ein weicheres Rakelmaterial erzeugt ebenfalls durch sein stärkeres Durchbiegen für eine höhere Transferkraft. Allerdings schöpfen weichere Rakel auch mehr Material aus den Schablonenöffnungen aus. Das heißt, sie tauchen in die Schablonenöffnung ein. Allgemein läßt sich festhalten, dass der Pastenauftrag mit Stahlrakeln der Schablonenstärke und mit Polyurethan-Rakeln der Schablonenstärke ist. Einen guten Kompromiss stellen Pump Print -Rakel dar. Das sind 45 Polyurethan-Rakel, die auf der Unterseite abgeschliffen sind. Dadurch decken sie besonders große Öffnungen ohne auszuschöpfen hervorragend ab. Gleichzeitig wird durch das weiche Rakelmaterial und dem kleinen Rakelwinkel eine höhere Transferkraft aufgebaut. ACHTUNG! Finger weg von Diamantrakeln! Diese Rakel wurden im Siebdruck verwendet und vor der Erfindung des Doppelrakels und gehören in die Mottenkiste und nicht in eine heutige Fertigung. Der geringe Abstand zwischen Rakelkante und Rakelhalter unterstützt nicht das gute Rollen der Paste, sondern sorgt für verschmierte Pastenhalter und fluchende Bediener.

10 Geschlossener Druckkopf Druck von oben = gute Bohrungsfüllung Immer gleiches Volumen im Kopf Weites Prozessfenster Mehr Kontrolle / Reproduzierbarkeit 10 Geschlossene Drucksysteme, wie z.b. das Proflow-System der Firma DEK, sind die idealen Werkzeuge für den Pin in Paste -Prozess. Sie garantieren eine bessere Abdichtung der Schablone zur Leiterplatte, eleminieren das Problem der Volumenschwankungen, bieten durch den besseren Druck von oben ein breiteres Prozessfenster, ermöglichen höhere Rakelgeschwindigkeiten, halten die Druckergebnisse stabil, reduzieren den Bedienereingriff,....

11 Proflow-System Das Proflow-System ist direkt am Druckschlitten des DEK-Druckers angebracht. Es besteht aus einem eigenen Antrieb, der über einen Schrittmotor den Anpressdruck des Systems auf der Schablone definiert und aus der eigentlichen Proflow-Einheit, die über einen druckluftgesteuerten Kolben den Druck auf die Paste ausübt. Der Druckluftkolben drückt auf die Paste im Transferkopf, in dem der eigentliche Prozess stattfindet. Auf dem Bild ist ein Querschnitt des Transferkopfes zu sehen. Der Transferkopf wird über einen einzelnen Verschluss befestigt und kann jederzeit durch einen anderen Transferkopf in einer anderen Breite oder mit einem anderen Druckmedium getauscht werden. Es gibt zwei Grundtypen von Transferköpfen: Wiederbefüllbare Köpfe und Kassettenköpfe. Wiederbefüllbare Köpfe werden mittels der üblichen Pastenkartuschen befüllt. Kassettenköpfe arbeiten mit Pastenkassetten aus denen der Druckluftkolben der Proflow-Einheit die Paste direkt herausdrückt. Im unteren Teil des Transferkopf befindet sich die Prozesskammer aus der die Paste in die Schablone transferiert wird. Der Prozess des Pastentransfers wird auf dem nächsten Bild erläutert.

12 Proflow-System Das Proflow-System wird über 3 Parameter gesteuert: Systemdruck(Anpressdruck an die Schablone), Pastendruck(Druck auf die Pastenkammer) und Druckgeschwindigkeit. Der Kopf dichtet über 2 Abstreifbleche (Wiper) zur Schablone ab, so das keine Paste auf der Schablone verbleibt. Damit erhöht sich die Standzeit der Schablone, da sie vor dem austrocknen geschützt ist und es reduziert sich der Pastenverbrauch, da beim Produktwechsel keine Paste auf der Schablone bleibt. Über die Druckbewegung wird die Paste in der Prozesskamer in eine Rollbewegung versetzt. Dadurch erreicht die Paste die richtige Viskosität zum Drucken. Durch die Rollbewegung und den Druck auf die Pastenkammer wird die Paste in die Schablone transferiert. Dies geschieht mit einer höheren Effizienz als bei offenen Rakelsystemen und ermöglicht den Anwender die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen. Dadurch das die Transferkraft über den Pastendruck aufgebaut wird, arbeitet das Proflow-System mit einem geringen Anpressdruck. Das verringert den Schablonenverschleiß und schont somit den Geldbeutel des Anwenders.

13 Schablonen-Design... Benötigte Informationen: Gerber-Daten inkl. Bohrungsdaten Lötstopmaske LP-Stärke Bauteilmuster/Maßzeichnung Paste Rakelsystem 13

14 Berechnung des Lotvolumens... d Ø-Pin d Lötauge Lotvolumen = Bohrungsvolumen Pin-Volumen + 2 Lotkegel D LP d Bohrung h =D LP ( d Bohrung ²/4 Ø-Fläche Pin ) + h/6 (d Lötauge ²+ d Lötauge d Ø-Pin +d Ø-Pin ²) - 2h Ø-Fläche Pin = 0,5 Pastenvolumen 14 Die Formel ist lediglich eine Annäherung, da mit einem Kegelstumpf gerechnet wird.

15 Berechnung der Schablone Festlegung des anzunehmenden Füllgrads der Bohrung 2. Unter Berücksichtigung des Füllgrads das Pastenvolumen in der Bohrung und unterhalb der LP berechnen. 3. Das errechnete Volumen vom geforderten Volumen abziehen. 4. Restmenge muss durch das Schablonen-Design realisiert werden. 15

16 Überdruckung... Bauteilauflageflächen Padausschnitte auf Pastenmaske Bohrungen PIN 1+2 Pads im Orginaldesign 16 Sollte das Pastenvolumen in der Bohrung und unterhalb der Leiterplatte nicht ausreichen, so muss auf der Leiterplatte überdruckt werden. Das Bild zeigt ein Beispiel aus der Praxis.

17 Beidseitige Bedruckung Orginaldaten DEK-Layout OS Padausschnitte auf Pastenmaske US BE-Gehäuse Cu-Pads Bohrungen 17 Bei doppelseitigen Leiterplatten besteht die Möglichkeit auf beiden Seiten der Bohrung Paste aufzudrucken. Im ersten Schritt wird nur der Restring bedruckt, um dort bereits ein zusätzliches Volumen aufzubringen. Hierbei ist es wichtig, dass die Bohrung beim ersten Löten nicht durch einfließendes Lot verengt wird.

18 Unterstützung... ACHTUNG PASTE Die durchdruckte Paste berücksichtigen Unterstützungsplatten bringen Sicherheit in den Prozess 18

19 Druckparameter... Abhängig von den SMD-Bauteilen Änderungen nur innerhalb des Prozessfensters der SMD 19

20 Druckparameter... Antriebskraft Transferkraft Antriebskraft Transferkraft Rakeldruckerhöhung Entspricht einer Verkleinerung des Rakelwinkels Nachteil: erhöhter Rakel- und Schablonenverschleiß Kleinerer Rakelwinkel Entspricht einer Erhöhung der Transferkräfte in der Pastenrolle WICHTIG! 25 mm Pastenrolle! 20

21 Druckparameter... Druckgeschwindigkeit Verringern, um der Paste mehr Zeit zum Füllen der Bohrung zu verschaffen. Die Paste und der Linientakt geben das Prozessfenster vor. 21

22 Besondere Lösungen... Pump Printing mit Paste 5 mm Kunststoffschablone Dispenspaste MID / COBs / Gehäuse Pin in Paste -Druck Z.B. Wismut-Paste über eine bereits gelötete Baugruppe 22

23 Weitere Informationen finden Sie......unter Quelle: Weidmüller Interface Demnächst weitere Informationen zu Back Side Reflow Pin in Hole Quelle: Weidmüller Interface 23