Fakultät Elektrotechnk und Informatonstechnk Insttut für Aufbau- und Verbndungstechnk der Elektronk Fähgketsuntersuchungen bem Lotpastendruck Dr.-Ing. H. Wohlrabe Ottobrunn, 2. Februar 2009
Qualtätsmerkmale bem Lotpastendruck Volumen der gedruckten Depots Schchtdcke der Depots Homogentät der Depots Genaugket der Poston der gedruckten Depots Form der Depots Errechbarer mnmaler Ptch Auslaufen u.ä. der Depots nach dem Druck Beenflusst von: Paste, Drucker, Schablone, Umgebung, Rengung, Substratoberfläche,.
Enflüsse auf de Genaugket der gedruckten Depots Für en Depot: Genaugket des konkreten Pads auf dem Substrat Genaugket der Schablone für das konkrete Depot Genaugket der Postonerung der Schablone zum Substrat Egenschaften der Lotpaste Rakelenflüsse (Rchtung, Druck, Typ,...) Umgebungsbedngungen (besonders de Temperatur) Der ganze Drucker: Summe aller Depots (über de gesamte bedruckte Fläche)
Möglche Auswrkung - Grabsteneffekt Gelb - potenteller Grabsten Rot Grabsten aufgetreten! Bestück- und Druckversätze snd potentelle Verursacher von Grabstenen! Wetere Quellen: Temperaturprofl Konstrukton (thermsche Senken) Lotpasten, Oberflächen,?? wetere zahlreche Wechselwrkungen??
Möglche Spezfkatonen fürlotpastendrucker Genaugket des Drucks Genaugket der gedruckten Depots (n x- and y-rchtung ) über de volle Fläche des Substrates Informaton über de Prozessfähgket typsch : d.h. C pk >.0 25..50 µm/3 sgma mt T u -25..-50 µm und T o 25..50 µm Das st de Größe, de den Kunden nteressert!!!
Genaugket des Drucks Was hat der Druckerhersteller zu verantworten?? Postonerung der Maske zum Substrat Umgebungsbedngungen (Temperatur) Enflüsse der Rakelrchtung und wetere Enstellungen (z.b. Rakeldruck) Was hat der Druckerhersteller ncht zu verantworten?? Ungenaugketen der Schablone (krtsch st nsbesondere de Lage der Fducals) Ungenaugketen und Veränderungen der Substrate (Fducals und Schrumpfungen nach dem ersten Lötprozess) Für ene objektve Beurtelung des Druckers sollten dese Enflüsse elmnert werden!!
Möglche Spezfkatonen für Lotpastendrucker De Wederholgenaugket De Genaugket der Postonerung der Maske zum Substrat (n x-, y- and Θ-Rchtung) Informaton über de Maschnenfähgket des Druckers typsch : 25 µm/6 sgma (x- and y-rchtung) 0,008 /6 sgma (rotaton) d.h. C mk >2.0 De Rotaton muss spezfzert werden, se st sehr bedeutend!! De Wederholgenaugket st ene notwendge, aber ncht hnrechende Egenschaft des Druckers
Messung der Wederholgenaugket von Druckern Grundprnzp: Postonerung ener spezellen Maske (aus Stahl oder besser Glas) über en hochgenaues Glassubstrat und Messung der Lagedfferenzen Marke auf der Maske Messmarke auf dem Glassubstrat Δy Bldausschntt Δx Messung mt Hlfe der Bldverarbetung Mnmale Anzahl der Messmarken: 4.. 8 Messzet pro Marke: s Messgenaugket: < µm Anzahl der Postonerungen: Mnmal 50
Messung der Genaugket der gedruckten Depots Grundprnzp: Drucken von normalen Depots auf ene hochgenaue Glasplatte und deren Vermessung Gedrucktes Depot Messmarkenauf dem Glasssubstrat Empfohlene Form der Depots: Krese Vermessung mt Hlfe der Bldverarbetung Anzahl der Depots: 50 Messzet: s Messgenaugket: <5 µm Δy Bldausschntt Δx
Berechnung der Versätze Δ Δ Δ Δ n D n D y n y x n x + + Δ Δ Δ Δ ΔΘ 2 2 2 2 n n n n n n n n n n D y x n y x x y y x n x y y x Gegeben: n Anzahl der vermessenen Depots Δx Δy gemessene Depotversätze x y Koordnaten der Depots Gesucht: Versätze Substrat-Schablone Δx D Δy D ΔΘ D
Das Drehpunktproblem Wenn systematsche Versätze bem Drucken festgestellt werden, dann muss der Drucker korrgert werden! Insbesondere de Verdrehung (Substrat/Schablone) kann Probleme bereten!! Solllage Istlage Drehpunkt Drehpunkt 2
Lage des Drehpunktes - Maske-Substrat. De Lage des Drehpunktes hat auf das Streuungsverhalten der Maschne kenen Enfluss! 2. Es wrd empfohlen, desen Drehpunkt n de Substratmtte zu legen Folgender Hauptvortel: de Enstellparameter (x, y, Θ) snd vonenander unabhängg!! Alle anderen Drehpunktlagen zehen Abhänggketen nach sch!! z.b. : Lage des Drehpunktes m Substratursprung (mestens das erste Fducal) Ene Änderung der Verdrehung ändert auch de Mttelwerte n x- und y--rchtung Forderung an de Maschnenhersteller, desen Drehpunkt enstellbar gestalten!! oder Be Engabe von Korrekturen st des geegnet umzurechnen!
Messbespel 40 Devaton 20 0-20 -40-60 -80 Berechnete Fähgketen; Spezfkaton 25 µm/3 sgma) C p C pk x 0,80 0,78 y 0,46 0,00-00 0 00 200 300 400 500 600 700 lfd. Num. All prnts x-devaton All prnts y-devaton
Enflüsse der Genaugket der Schablone 30 20 0 x-devaton [µm] 0-0 measurement x-devaton measurement y-devaton -20-30 -40 0 20 40 lfd. Num. 60 80 00 Das Drucken mt ener solchen Schablone und enem dealen Drucker st en unfähger Druckprozess!!
Analyse der Ungenaugketen der Maske -5.0-7.5-0.0-2.5 Versätze [µm] -5.0-7.5-20.0-22.5-25.0 measurement x-devaton measurement y-devaton -27.5-30.0-32.5-35.0 0.0 50.0 00.0 50.0 200.0 250.0 x-koordnate [mm] Systematken erkennbar!! Möglche Ursache: Vorspannung der Schablone
Analyse der Enflüsse 30 25 20 5 0 x-versatz [µm] 5 0-5 -0-5 -20-25 -30 0.0 0.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 lfd. Num. Gemessene Werte Nach Elmnerung der Schablonenund Temperaturenflüsse
Typsches Bespel Anfangszustand
Auswertung der ersten 8 Drucke x-offset [µm] 60 50 40 30 20 0 0-0 -20-30 -40-50 Mean/Standard devaton -60 2 3 4 5 6 7 8 cont. number of measurement x-offset y-offset
Endzustand 20 Drucke
Enfluss des Lotpastentyps 30 30 25 25 20 20 5 5 0 0 y-versatz [µm] 5 0-5 -0-5 -20-25 -30 0.0 5.0 0.0 5.0 20.0 lfd. Nummer Messung -0-5 -20-25 -30 0 5 0 5 20 lfd. Nummer Messung Lotpaste Lotpaste 2 y-versatz [µm] 5 0-5
Rolle der Verdrehung - Überlagerung der Enflüsse Genaugket bem Lotpastendruck Statstsche Beschrebung des Enflusses des Verdrehwnkels zwschen Leterplatte und Schablone Gesucht: Vertelungsdchten der x/y-versätze!
Genaugket bem Lotpastendruck Berechnung der Versätze (für klene Wnkel) Δx Dep, Δy Dep x Co,y Co x Rot,y Rot Δx P, Δy P ΔΘ P Annahmen: Δx P, Δx P, ΔΘ P x Co, y Co Gesucht: Δx Δy Dep Dep Δx Δy ndvduelle Versätze des Depots Koordnate der Struktur Rotatonspunkt Schablone -Substrat Versätze Schablone - Leterplatte normalvertelt glechvertelt Vertelung der Komponenten auf der Leterplatte Vertelung von Δx Dep und Δy Dep? P P + ( y co y rot ) Δθ p ( xco xrot ) Δθ p
Genaugket bem Lotpastendruck Vertelung der Versätze Δx Dep Δx P y co Δθ p + y rot Δθ p normalvertelt glechvertelt Konstante Als Zufallsgröße: ΔX Dep ΔX P Y co ΔΘ P + y rot ΔΘ P Faltung Multplkaton von Zufallsgrößen ΔX D
Ermttlung der Vertelungsdchte des Lotpastendrucks + dx x z f x f z f Y X Z Y X Z ) ( ) ( ) ( Faltung (Addton bzw. Subtrakton) dx x z f x f x z f Y X Z Y X Z ) ( ) ( ) ( Multplkaton ( ) ( ) P x y P Sze p D X p P sze sze co YCo d e y x f e f y y y y f p p P D Sze D p p P P ΔΘ ΔΘ Δ ΔΘ Θ Θ Θ Θ ΔΘ Δ Θ Δ ΔΘ Θ ΔΘ 2 2 2 2 2 0 2 2 2 ) ( sonst 0 0 ) ( σ μ σ μ πσ πσ nur numersch oder mt Monte-Carlo-Smulaton lösbar Multplkatve Verknüpfung der Zufallsgrößen y-koordnate Y Co (glechvertelt) und des Verdrehwnkels ΔΘ p (normalvertelt)
Analyse der Smulatonsergebnsse Es ergeben sch symmetrsche, sptzgpflge und bret auslaufende Vertelungen! Maßstab dafür st besonders der Excess (Wölbung) >0! 80 Vertelung 50 20 Cauchy Normal 90 60 30 0-24 -4-4 6 6 26 36 De Cauchy-Vertelung st am besten angepasst, lefert aber kene technsche Erklärung!
Konsequenzen - Berechnung der Fähgketsndces De Prozessfähgket wrd durch ene Qualtätsfähgketskennzahl beschreben, mt der de Fähgket enes Prozesses zum Ausdruck gebracht wrd, en bestmmtes Merkmal n glechblebender Wese nnerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen zu erzeugen. Unser Zel: gerngste Fehlerquoten (z.b. 3,4 DPM)! Nchtnormalverteltes Merkmal Prozessmodell A2 DIN 5539 Nutzung der Methoden M2 und M4 für de Prozessfähgket Methode M2 - Überschretungsantelmethode p u p o C pk 3 u max( p u, p o ) T u T o
Auswrkungen auf Fähgketskoeffzenten Prozentantelmethode M4 0,35 % Punkt 99,865 % Punkt 3s u µ 3s o C p To Tu 3 s + 3s u o C pk Mn x T 3s u u To ; 3s o x Berechnung der Ersatzstreuungen s u, s o über de Quantle!
Verglech der Methoden M2 und M4 Verglech Normalvertelung - t-vertelung (f) 3-sgma Normalvertelung 3-sgma t-vertelung 4-sgma Normalvertelung 4-sgma t-vertelung De Überschretungsantelmethode M2 berückschtgt das starke Auslaufen der Vertelung und damt de auftretenden Fehler am Rand! De Prozentantelmethode M4 berückschtgt vor allem de Form der Vertelung m 3-sgma Berech! Vorzug für de Überschretungsantelmethode M2!
Auswrkungen auf Fähgketskoeffzenten Nutzung der Überschretungsantelmethode M2 m Verglech zur klassschen Methode M be gegebener Normalvertelung C pk u p 3 C pk Methode M Sprechwese Fehlerquote p Nutzung der Normalvertelung Fehlerquote p (smulerte Lotpastendepots) C pk (Methode M2 für de Lotpastendepots),0 3-sgma 350 3700 0,89,33 4-sgma 32 26,7,5 6-sgma 3,4 55,29 (Motorola),67 5 sgma 0,28 2,37 De klasssche Berechnung der Fähgketskoeffzenten (M) funktonert be der Gesamtbeschrebung der geometrschen Montagequaltät nur telwese und lefert nsbesondere für das Zel, klenste Fehlerquoten zu errechen, stark fehlerhafte Ergebnsse!
Schlussfolgerungen De Betrachtung des Druckprozesses st nur en klener Bausten n der gesamten Prozesses! En Tel der Zufallsgrößen des gesamten betrachteten Prozesses überlagert sch ncht durch ene unabhängge Addton! Addton der Streuungen unzulässg! Effekte aus Verdrehungen snd auch m Bestückprozess vorhanden bret auslaufende Vertelungen auch her! Ene effektve Gesamtüberlagerung aller bzw. partell ausgewählter Tele des Prozesses st nur über ene Monte-Carlo-Smulaton möglch!
Bestmmung der Gesamtfähgket durch Smulaton Wesentlche Enflüsse auf de geometrsche Montagequaltät Leterplatte Schablonen Komponenten Lotpastendrucker Bestücker Alle Enflüsse müssen mt Daten gefüllt werden! Zwe Gruppen Geometredaten: Prozessdaten: Bauelementegrößen, Padbreten, Strukturgrößen, Bestückgenaugketen, Druckgenaugketen, Genaugketen der Leterplatte
Enge Smulatonsergebnsse Abhänggket der Genaugket von gedruckten Depots von der Genaugket (Standardabwechung) des Verdrehwnkels Substrat-Maske) Leterplattengröße 400*300 mm 2 30 25 sx, sy 20 5 0 5 sx sy 0 0 5 0 s Θ n /000
Enge Smulatonsergebnsse Prozessfähgket bem Drucken (020) 2,5 Cpk 2,5 0,5 SO75 SO40 Schlussfolgerung: Max. Standardabwechung der Verdrehung 0,003 0 0 5 0 s Θ n /000
Enge Smulatonsergebnsse Ermttlung der Endqualtät n Abhänggket der Leterplatten- und Schablonenqualtät (Genaugket der Strukturlagen),6,5,4 Cpk,3,2, 0,9 0,8 0,7 5 7 9 3 5 Standardabwechung LP/Maske Pn-Pad Depot-Pad Pn-Depot
Analysen gedrucktes Volumen/Schchtdcke Randbedngungen der Tests: Konstrukton enes Testboards mt >0000 Strukturen verschedenster Art (Chps, TO, QFP, BGA, ) Druck des Testboards unter defnerten Bedngungen (unmttelbar hnterenander, mt Rengungen, mt verschedenen Wartezeten) Vermessung (AOI) der gedruckten Boards; Ermttlung von relatven Volumen, bedruckter Fläche und Höhe der Strukturen Statstsche Auswertung mt ener Varanzanalyse
Bespelabhänggketen- Paste Abhänggket Volumen - Chp-Typ be Paste Abhänggket gedrucktes Volumen Orenterung Paste Volumen% Volumen% 0402 0603 0805 20 Chp-Typ Abhänggket Volumen - Drucksystem Paste H V Orenterung Abhänggket Volumen fortlaufende Drucknummer Volumen% Volumen% System System 2 System 3 System 4 Drucksystem 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 Drucknummer
Wechselwrkungen Pasten Wechselwrkungen Drucksystem- Paste Paste Paste Paste 2 Volumen% System System 2 System 3 System 4 Drucksystem Volumen% Wechselwrkungen Paste - fortlaufende Drucknummer Paste Paste Paste 2 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 Drucknummer
Verglech Volumen/Fläche/Schchtdcke Abhänggket Volumen - Chp-Typ be Paste Abhänggketen Chp-Typ-gedruckte Fläche Paste Volumen% Area% 0402 0603 0805 20 Chp-Typ 0402 0603 0805 20 Chp-Typ Abhänggketen Chp-Typ - Schchtdcke Paste Heght 0402 0603 0805 20 Chp-Typ
Auswrkung von Rengungen Volumen% Analyse Volumen und Wrkung der Rengung Drucksystem System System 2 System 3 System 4 2 Druck nach Rengung
Auswrkungen von Wartezeten und Rengungen Volumen% Analyse von Rengung und Wartezeten Paste Druck nach Rengung 2 3 Indrucke 0 mn 0 mn 20 mn 40 mn 60 mn Druckzyklus Verwertung: Gezelte Änderung der Öffnungen der Schablonen Optmerung des Druckregmes (Rengung; Reakton auf Stllstandszeten)
Velen Dank für Ihre Aufmerksamket!