SIPLACE SMT-InSIghTS Prozess-Technologie

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1 SIPLACE SMT-InSIghTS Prozess-Technologie

2 Editorial Der Trend zur Miniaturisierung und höherer Funktionsdichte in der SMT ist ungebrochen. Verstärkt müssen Hersteller und Anwender zusammenarbeiten, um technologisch praktikable und kosten - günstige Lösungen zu erarbeiten. SIPLACE arbeitet als Marktführer für SMT- Bestückautomaten in enger Kooperation mit allen Beteiligten der SMT-Wertschöpfungskette stets an neuen Technologien und der Einführung neuer Prozesse. Mit SMT-Insights begleiten wir Sie in die Welt der Verarbeitung und unterstützen Sie bei der Einführung von Bauelementen. Sicherlich kann diese Broschüre nur erste Einblicke in die Technologie geben. Wir verweisen jedoch an dieser Stelle auf das SIPLACE Technologie- Handbuch, in dem Sie ausführlich alle bei der Verarbeitung von Bauelementen beteiligten Prozesse finden werden. Bei weiteren Fragen bezüglich wenden Sie sich einfach an die SIPLACE Technologie-Experten. Ihr SIPLACE Team Unser besonderer Dank gilt allen Mitautoren der Firmen Schweizer Electronic AG, SMW Elektronik GmbH, DEK Printing Machines und W. C. Heraeus GmbH & Co KG. 2

3 Der Weg in die Mikro-SMD-Technik nur über Design for Manufacturability Marktanteil 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Miniaturisierung der passiven Bauelemente 0805 und größer ,2 Tm 2,2 Tm 4,5 Tm 8 Tm Einheiten Einheiten Einheiten Einheiten Zunehmende Verkleinerung 0603: 1,6 x 0,8 x 0,8 mm 0402: 1,0 x 0,5 x 0,5 mm 0201: 0,6 x 0,3 x 0,23 mm 01005: 0,4 x 0,2 x 0,13 mm 0402 nach wie vor am verbreitetsten 0201 immer verbreiteter In Modulen seit 1990 Heute Standard-Bauelement in mobilen Elektronik-Tools in Frontend-Modulen einsetzbar Auf gängigen Leiterplatten nur wenig verwendet Kürzlich adaptiert für Smartphones und Tablet Computer Passive Bauelemente erfolgreich integriert in speziellen RF-Modul- Anwendungen Bild 1: Trend des prozentualen Anteils verschiedener passiver Bauteilgrößen Die Welt dreht sich weiter, das gilt insbesondere für die Welt der Elektronik. Elektronik kommt in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Immer mehr Funktionen sind auf immer kleineren Baugruppen vereint. Um diese Herausforderung zu bewältigen, genügt es heute auf dem Weg von der SMD-Technik in die Welt der Mikroelektronik nicht mehr, Bauteile nur zu verkleinern. Bereits in der Produktplanungsphase müssen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Materialien und Fertigungsprozessen analysiert und berücksichtigt werden. Die Prognose ist klar: Parallel zum Trend zu immer kleiner werdenden passiven Bauelementen werden aufgrund elektrischer Grenzen (Leistung) auch größere Bauformen weiterhin Verwendung finden. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen und der damit einhergehenden Einschränkungen in Bezug auf die Verarbeitung und die elektrischen Werte sind Bauteile hauptsächlich in spezifischen Anwendungen zu finden. Haupteinsatzgebiet ist die Verwendung in sogenannten Modulen oder Submodulen, in der Sensorik (Bild unten), in der Medizintechnik (z. B. Hörgeräte) und dort, wo bereits in den Innenlagen von Leiter platten Bauteile eingebracht werden ( embedded ). Bild 2: Beispiel einer Anwendung von Quelle: Fraunhofer IZM 3

4 01005-Bauteile Dimensionen und Verpackung mm Bild 3: Bauteile im Größenvergleich mit Kochsalzkristallen Kondensator Widerstand Dimensionen (mm) L W T e g min. 0,4 ± 0,2 ± 0,2 ± 0,07 0,13 0,02 0,02 0,02 0,14 e g e Bild 4: Typisches Aussehen und Maße von Kondensatoren und Widerständen L W Widerstand T 0,12 ± 0,02 T Sofern man die Bauteile nicht vor sich liegen hat, ist es schwierig, sich deren Größe richtig vorzustellen. Bild 3 zeigt Bauteile in Bezug zu Kochsalzkristallen. Bild 4 zeigt hingegen die typischen Maße von Bauteilen. Hierbei sind wie bei allen passiven Bauteilen Unterschiede zwischen Widerständen und Kondensatoren zu erkennen: Die Widerstände sind dünner als die Kondensatoren im Fall des um ca. 80 μm und die Metallisierungen beim Widerstand sind nur dreiseitig (oben, unten und stirnseitig), während sie beim Kondensator fünfseitig ausgeführt sind. Dies führt zu einer unterschiedlichen Ausbildung von Lötstellen. Aus diesem Grund muss ein hochkant Montieren ( Billboarding ) von Widerständen vermieden werden, wohingegen dies bei Kondensatoren aufgrund des quadratischen Querschnitts und der allseitigen Metallisierung unerheblich ist. Da das Verhältnis von Bauteilgröße zu Verpackungsmaterial (8-mm-Gurt) immer ungünstiger wird, haben einige Hersteller den 4-mm-Gurt eingeführt. Bei diesem ändert sich aber nicht nur die Breite von 8 auf 4 mm, sondern auch der Abstand der BE-Taschen im Gurt (Pitch) verringert sich von 2 auf 1 mm. Allerdings ist wegen der geänderten Perforation (Löcher und Pitch) ein Förderer mit neuer Mechanik notwendig geworden. Dadurch wird eine Ein sparung an Verpackungsmaterial erreicht und der benötigte Lagerplatz für Gurtrollen wird drastisch reduziert. Kosten: Heute liegen die Bauteilkosten für Widerstände noch weit höher als für oder 0201-Bauelemente. 4

5 Leiterplatten Topografie und Prozesseigenschaften Kupferhöhe der Pads 45 µm Stopplack-Höhe 40 µm Höchster Punkt Aufkupferung Basiskupfer 18 µm Glas und Epoxydharz Innenlage 18 µm Bild 5: Topografie der LP-Oberfläche bei NSMD (Non Solder Mask Defined) Ein weiterer wichtiger Partner für die Montage dieser sehr kleinen Bauteile sind prozessgeeignete Leiterplatten. Bei der Konstruktion der Leiterplatten sind folgende Punkte von Bedeutung: Wölbung und Verwindung der Substrate und Dehnung sowie Stauchung Leiterbahnstrukturen und Pad-Abmessungen Nutzengröße und Nutzenteilungen Stopplack-Typ und Stopplack-Design (Non Solder Mask Defined (NSMD)/ Solder Mask Defined (SMD)) Leiterplatten-Topografie an den Einbauplätzen Spezifikation von Oberflächen für Lotpastendruck und Löttechnik Auf einer NSMD-Leiterplatte bildet sich folgende Topografie aus: Auf dem Basiskupfer wird während der Erzeugung der Durchkontaktierungen eine zusätzliche Kupferschicht (Aufkupferung) abgeschieden, durch die die endgültige Kupferhöhe (der Pads) bestimmt wird. Nach Beschichten der Leiterplatte mit Stopplack und der anschließenden Entwicklung der Stopplackstrukturen (Öffnungen) sind dann die durch Stopplack abgedeckten Leiterbahnen die höchsten Strukturen auf der Leiterplattenoberfläche (Pfeil). Kosten: Bedingt durch die miniaturisierten Strukturen, die Einhaltung engster Toleranzen und den Einsatz komplexer Fertigungsprozesse erhöhen sich die Fertigungskosten. 5

6 Lotpaste Eigenschaften und Druck Typ nicht größer als Weniger als 1 % sind größer als Mindestens 80 % sind zwischen Maximal 10 % sind kleiner als kleinste Öffnung 5 größte Lotkugel Leiterplatte kleinste Öffnung größte Lotkugel [µm] = 36 [µm] größte Lotkugel 5 Typ4 [20 38 µm] nur knapp erfüllt Bild 6: 5-Kugelregel, darunter: Anwendung auf µm 150 µm 150 bis 75 µm 20 µm 2 80 µm 75 µm 75 bis 45 µm 20 µm 3 50 µm 45 µm 45 bis 25 µm 20 µm 4 40 µm 38 µm 38 bis 20 µm 20 µm 5 30 µm** (28 µm) 25 µm 90 % minimum* 10 µm 25 bis 10 µm 6 20 µm** (18 µm) 15 µm 90 % minimum* 15 bis 5 µm 5 µm 7 15 µm 11 µm 90 % minimum* 11 bis 2 µm 8 11 µm 10 µm 8 bis 2 µm maximal 1 % > 2 µm Lotpulverklassifizierung nach J-STD-005 (IPC-TM-650) und DIN %-Angaben in Massen- bzw. Gewichtsprozent (*), (**) DIN Lotpulverklassen 7 und 8: Standard noch nicht festgelegt Da die Lotpastenvolumina bei der Verarbeitung extrem gering sind (in der Größenordnung um 0,002 bis 0,003 mm³), muss die Lotpaste besondere Eigenschaften aufweisen, um für diese Montageprozesse geeignet zu sein. Je nach Lotkugeldurchmesser befinden sich auf einem Pad nur noch ca. 200 bis 700 Kugeln von oder μm Durchmesser. Zur Einhaltung des serigraphischen Prinzips beim Lotpastendruck gilt als Erfahrungswert, dass mindestens 5 Lotkugeln nebeneinander durch die kleinste Öffnungsweite der Schablone passen sollten (Bild 6). Für eine sichere Verarbeitung ist deshalb eine Typ-4-Paste die Mindestvoraussetzung. Noch bessere Druckergebnisse werden mit Typ-5-Paste erzielt. Durch die vergrößerte Oberfläche der Typ- 5-Lotkugeln, ist es jedoch erforderlich, eine Flussmittelanpassung für gleichbleibende Verarbeitungsbedingungen vorzunehmen. Hierbei ist es wichtig, den höheren Oxidgehalt aufgrund der größeren Oberfläche der Lotpartikel zu berücksichtigen, um schlechte Lötergebnisse und Instabilitäten der Paste während der Lagerung auszuschließen. Neue Schablonentechnologien, insbesondere Oberflächenbehandlungen wie Nano- oder Plasmabeschichtung, helfen das Auslösen der Lotpaste zu verbessern. Ebenso sind Stufenschablonen interessant, wenn ein Mix aus kleinsten und größeren Bauteilen zu verarbeiten ist. Kosten: Es gilt die Regel: Je feiner die Pastenkörnung, umso höher der Preis! 6

7 Fertigungsprozess höchste Anforderungen an die Prozesstechnik Bild 7: Haar auf Leiterplatte Bild 8: Pipette innen verschmutzt Fertigungsumgebung Bei der Verarbeitung von Baugruppen sind die Abmessungen der Bauteile und Lötflächen im Vergleich zu SMD-Standardbaugruppen etwa um den Faktor 10 geringer. Damit stellt die Prozesstechnik höhere Anforderungen an das Umfeld im Bereich der Baugruppenfertigung. Der Fertigungsbereich sollte bestimmte Mindestanforderungen erfüllen: Die Fertigungsräume sollten rein im Sinne von sauber sein, da Ablagerungen von Staub oder anderen Partikeln auf Leiterplatten zu Fehlern beim Lotpastendruck sowie zum Verstopfen der extrem kleinen Pipettenquerschnitte führen können. Die prozesssichere Verarbeitung von Lotpasten in der Strukturfeinheit von Bauteilen setzt konstante Bedingungen der Raumatmosphäre voraus, die vorzugsweise durch eine Klimatisierung der gesamten Fertigungsumgebung sichergestellt werden. In jedem Fall sollte die Temperatur jedoch zwischen 20 und 25 C und die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 40 und 70 % liegen. 7

8 Fertigungsprozess Lotpastendruck... zu geringes Pastenvolumen... zu viel Paste... Brückenbildung... Bildung von Satellitenkugeln... Brückenbildung Druckrichtung Rakeldruck variiert während des Zyklus ungleichmäßige Unterstützung Bild 9: Pastendruck auf SMD-Pads für und 0201 Bild 10: Mögliche Druckfehler durch ungleichmäßige LP-Unterstützung Für den Lotpastendruck ist die richtige Schablone der Schlüssel zu einem präzisen und stabilen Druckprozess. Das Volumen der gedruckten Lotpastendepots wird durch die Größe, die Gleichförmigkeit durch die Form der Schablonenöffnungen bestimmt. Die Herstellung einer prozessgeeigneten Schablone beginnt bereits mit der richtigen Wahl des Öffnungs- Designs, der Materialstärke und des Herstellverfahrens. Designregeln wie das Flächenverhältnis (bedruckte Fläche in Relation zur Wandungsfläche der Öffnung) und das Aspektverhältnis (Öffnungsweite in Relation zur Schablonenstärke) sind zu beachten. Ob die Schablone in einem Festrahmen (Aluminiumrahmen mit Siebgewebe bespannt) eingeklebt oder als Schablonenblech in einem Spannrahmensystem eingesetzt wird, spielt für den Druckprozess keine Rolle. Kritisch ist hierbei das Rüsten, Reinigen und Lagern der Schablone, da bei der Verarbeitung von Bauteilen sehr dünne Schablonen verwendet werden. Bereits kleinste Beulen und Knicke im Blech machen die Schablone unbrauchbar. Ebenfalls hoch sind die Anforderungen an die Leiterplattenunterstützung in der Druckmaschine, denn gleichzeitig werden Leiterplatten immer dünner. Diese dünnen Leiterplatten müssen an jedem Punkt stabil und eben unterstützt werden, da sie sonst unter dem Druck des Rakels zu schnell nachgeben. Die Folge wären Fehldrucke durch Verschmierungen und Offsets (Bild 10). 8

9 Fertigungsprozess SMT-Bestückprozess höchste Präzision ist gefragt Lotpastendepot Pipette Bauteil Bild 11: Zusammendrücken von Lotpastendepots durch hohe Aufsetzkraft Je kleiner die Bauteile und je feiner die Strukturen auf den Substraten sind, umso präziser müssen die Bauteile zugeführt und Substrate sowie Bauteile mit Visionsystemen erkannt und zueinander ausgerichtet werden. Grundlegende Voraussetzung ist natürlich, dass SIPLACE Bestückautomaten oder andere Bestücksysteme zuverlässig und innerhalb der spezifizierten Werte arbeiten. Welche Eigenschaften müssen Bestückautomaten haben, um die Bestückpräzision zu bieten, die für Bauelemente benötigt wird: Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Förderer Rundlauftoleranz der Pipetten Kontrolle, dass Bauteile von der Pipette zuverlässig aufgenommen und wieder abgegeben werden Visionerkennung zur Zentrierung der Bauelemente Um ein Bauelement aus einer Gurttasche mit einer Vakuumpipette abholen zu können, muss der Förderer so genau arbeiten, dass im Idealfall eine komplette Überdeckung zwischen Bauteil und Pipetten öffnung erreicht wird. Dies wird aber bei kleinsten Bauelementen immer schwieriger, da auch der Gurt, in dem das Bauteil angeboten wird, mit Toleranzen behaftet ist. Hierfür ist das berührungslose Abholen die bessere Lösung. Dabei wird nicht erst nach dem Kontakt mit der Bauelemente-Oberfläche das Vakuum aktiviert, sondern bereits vorher und das in einem definierten Abstand zum Bauelement, so dass dieses im Wesentlichen unabhängig von seiner exakten Position in der Gurttasche im vorhandenen Sog an die Pipette gezogen wird. Überdies hat das berührungslose Abholen den Vorteil, dass Bauteile nicht in die Gurttasche eingedrückt werden und verklemmen. Eine mechanische Beschädigung des Bauelements wird damit ausgeschlossen. Pipetten für sollten möglichst das Bauteil in seinen Dimensionen nicht überragen, damit das Problem Bestückschatten auch bei gleich hohen Bauelementen bzw. auch bei Bestückung einer Mischung aus Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten nicht auftritt. Parameter für die Beschreibung von Vision daten für Bauelemente müssen so zu definieren sein, dass die Bauteile sicher erkannt werden. Eine flexible Beleuchtung ist Grundvoraussetzung. Daneben ist es notwendig, dass die Kamera eine hohe Auflösung hat und Auswerte-Algorithmen es beispielsweise ermöglichen, hochkant aufgenommene Bauteile und Facedown zu erkennen. Diese Eigenschaften benötigt man für eine genaue Zentrierung und hohe Bestückqualität. Die Aufsetzkraft (Bestückkraft) muss auf niedrigere Werte einstellbar sein als für Standardbauteile. Ideal sind Werte unterhalb 2 N, möglichst nahe 1 N. Dafür gibt es zwei Gründe: Die mechanische Beschädigung der Bauteile (Brechen, Abplatzen/Ausbrechen der Oberfläche/Kanten) muss verhindert werden. Die mechanisch sensiblen Lotpastendepots dürfen möglichst wenig zusammengedrückt bzw. vom Pad unter das Bauelement oder auf benachbarte Pads gequetscht werden. 9

10 Fertigungsprozess Reflow-Löten 1 mm 1 mm 1 mm o. l.: Kondensatoren bestückt auf Lotpastendepots u. l.: Widerstände bestückt auf Lotpastendepots o. r.: Kondensatoren gelötet Selbstzentrierung In der SMT-Technik hört man in Zusammenhang mit dem Reflow-Lötprozess oft den Begriff Selbstzentrierung, den Effekt, dass das Bauteil bei guter Lötbarkeit aller beteiligten Oberflächen durch die Oberflächenspannung des Lotes im Moment des Aufschmelzens mittig auf seine Pads gezogen wird. Bei blei freien Legierungen gilt, dass aufgrund höherer Oberflächenspannung dieser Effekt nicht so stark ausgeprägt ist. Allerdings muss dabei immer berücksichtigt werden, welche Masse das Bauteil im Verhältnis zu den vorhandenen Metallisierungen oder Beinchen hat. Bei Bauelementen ist aufgrund des geringen Gewichtes (0,04 mg) auch bei blei freien Legierungen die Oberflächenspannung ausreichend groß, um das Bauelement zu bewegen. Der Selbstzentriereffekt sollte jedoch nicht in die Prozessplanung mit eingerechnet werden, da er kein Prozesselement darstellt und nicht steuerbar ist. Das hat zur Folge, dass der Druck- und Bestückprozess mit einer für die Bauteilgröße ausreichenden Genauigkeit durchgeführt werden muss. Tombstoning Tombstoning ist der gegenteilige Effekt zur Selbstzentrierung, denn hier wirken, ausgelöst durch unterschiedlichste Faktoren, die Kräfte der Oberflächenspannung unsymmetrisch auf das Bauteil, sodass es sich aufstellt. Gerade bei Bauelementen werden wegen des geringen Gewichtes ebenfalls keine großen Kräfte benötigt, um das Bauelement um eine der beiden Metallisierungen zu kippen. Auch bei Bauelementen gilt es heute, die gleichen ungünstigen Faktoren zu vermeiden wie bei größeren Bauelementen, die das Tombstoning auslösen. Das Reflow-Profil für muss wie bei anderen Bauteilen auch unter Einhaltung der üblichen Kriterien (keine zu schnelle Aufheizrate/Tombstoning und Einhaltung der maximal zulässigen Temperaturund Zeitgrenzen für Bauteile, Substrate und Lotpasten) erstellt werden. Reflow-Löten unter Stickstoffatmosphäre ist bei Einsatz von Bauteilen eine empfehlenswerte Option. Für eine eventuelle Nacharbeit beziehungsweise Reparatur von Bauteilen sind die Bedingungen wegen der Kleinheit der Strukturen erheblich schwieriger und verursachen dadurch deutlich größere Aufwendungen und höhere Kosten. 10

11 Resümee Der Einsatz von ist mit der Beherrschung einer schwierigeren und damit auch kostenintensiveren Prozesstechnik verbunden und macht deshalb nur dann Sinn, wenn die Verwendung dieser Bauteilgröße technologisch und ökonomisch durch das Produkt gefordert bzw. gerechtfertigt ist. Dabei wird deutlich, dass es bei fortschreitender Miniaturisierung immer wichtiger wird, nicht einzelne Prozessschritte, sondern das Gesamtsystem zu betrachten und dieses insgesamt möglichst optimal zu gestalten. Die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Materialien und den einzelnen Fertigungsprozessen sind bereits in der Produktplanungsphase zu berücksichtigen. Wird diese Forderung konsequent umgesetzt, so wird das Ergebnis ein Produkt sein, das durch Design for Manufacturability hohe Qualität sowie eine hohe Fertigungsausbeute sicherstellt. 11

12 SIPLACE headquarters ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG Rupert-Mayer-Straße München Deutschland Tel.: Fax: SIPLACE South Asia ASM Assembly Systems Singapore Pte Ltd 2 Corporation Road #01-03 Corporation Place Singapore Tel.: Fax: siplace.sg@asmpt.com SIPLACE China ASM Assembly Systems Ltd 138, Pu Dong Avenue, Pu Dong New Area Shanghai China Tel.: Fax: info.china@asmpt.com SIPLACE Americas ASM Assembly Systems, LLC 3975 Lakefield Court Suite 106 Suwanee, GA Tel.: Fax: easales.sea@asmpt.com SIPLACE South West Europe ASM Assembly Systems SAS ZAC Parc Gustave Eiffel 6 avenue Gutenberg Bussy Saint Georges France Tel.: Fax: marketing.siplace.fr@asmpt.com SIPLACE Central Eastern Europe ASM (Assembly Systems) GmbH & Co KG Kürschnergasse Vienna Austria Tel.: Fax: siplace.cee.at@asmpt.com SIPLACE north West Europe ASM Assembly Systems AB Sofielundsvägen Sollentuna Sweden Tel.: Fax: siplace.se@asmpt.com Ausgabe 1/ Änderungen vorbehalten Bestell-Nr.: A10011-ASM-A48 Gedruckt in Deutschland ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG Die Informationen in dieser Broschüre enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsschluss ausdrücklich vereinbart werden. Alle Erzeugnisbezeichnungen können Marken oder Erzeugnisnamen der ASM Assembly Systems GmbH & Co. KG oder anderer, zuliefernder Unternehmen sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann.