Schablonen für Lotpasten- und Kleberdruck

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Schablonen für Lotpastenund Kleberdruck
© 2013 Christian Koenen GmbH – HighTech Stencils – • Otto-Hahn-Straße 24 • 85521 Ottobrunn-Riemerling
Tel.: +49 (0)89 665618-0 • Fax: +49 (0)89 665618-30
Internet: www.ck.de • E-Mail: info@ck.de
Standorte der
Christian Koenen GmbH
84 Mitarbeiter
2.500 m² Büro und Fertigung
1.2.2013 Standort Ungarn-Györ
Lutherstadt Eisleben
Eisleben
Györ - Ungarn
Györ
Ottobrunn bei München
© 2013 Christian Koenen GmbH – HighTech Stencils
Hauptsitz Ottobrunn
Fertigung und Applikation
• Vollklimatisierte Schablonenfertigung
• Lasersysteme der neuesten Generation
•Reinraumumgebung
•Klasse 1000 /<100
• Drucken und Messen im AC
Application Center für
Forschung & Entwicklung
STS
Onyx 24
Wagenbrett
KY
3020T
CT
300
Heraeus
Leica
GMS
S1
Gliederung
•
•
•
•
•
•
Grundlagen
Kleberdruck
Stufenschablonen
Schablonentechnologie in der 3. Dimension
M-TeCK Produktgruppe
Zusammenfassung
Druckperformance
Druckqualität
• Anforderungen an einen guten Druck
•
•
•
•
•
•
klare Definition der Form
scharfe Kanten
flache Oberseite
Depothöhe  Schablonendicke
gut ausgerichtet
kein auslaufendes Flussmittel
Prozesskosten
• Anteil der
Schablone an den
Materialkosten
meist weit weniger
als 1 %
• direkte Auswirkung
der Schablonenqualität auf die
Nacharbeits- und
Ausschusskosten
Ausschuss
Nacharbeit
Ver- &
Entsorgung
Material
Betriebsmittel
Arbeitsleistung
Maschinen
Fehlerverteilung im SMT - Prozess
Schablonendruck
Bestückung
SMT
Reflow
Produkt
6%
15%
15%
64%
sonstige
Bestückung
Reflow & Reinigen
Pastendruck
nach C. H. Mangin
Fehlerschwerpunkte
• wachsende Layoutansprüche
• Sonderbauteile
z. B. 01005, 0201, Flip Chip, µBGA, CSP, Fine Pitch,
großflächige Bauteile, Masseanschlüsse usw.
• Sonderprozesse
z. B. THR Through Hole Reflow
Quelle Texas Instruments
Quelle: W. C. Heraeus GmbH
Equipment
Druckparameter
Materialien
Maschine
Rakelgeschwindigkeit
Substrat
Rakelkopf
Ausrichtung
Rakelkraft
Absprung
Lotpaste / Kleber
Schablone
Schablonenhalter
Trenngeschwindigkeit
Rakel
Genauigkeit
Markenparameter
Reinigungsmedium
Wiederholbarkeit
Reinigungsparameter
Sonst. Materialien
Zuverlässigkeit
Oxidation
Gewissenhaftigkeit
Stromspitzen
Auslastung
Temperatur
Praxis
Training
Luftfeuchte
Schwingungen
Fachwissen
Staub
Bediener
Umfeld
Druckqualität
Einflussgrößen
Grenzwertprüfung Öffnung
• Öffnungsverhältnis /
Aspect Ratio
a
r
t
b
kleinste Öffnungsbreite
Schablonendicke
a
Öffnungsverhältnis   1,5
t
Öffnungsverhältnis 
• Area Ratio / Flächenverhältnis
Flächenverhältnis 
projizierte Fläche der Schablonenöffnung
Mantelfläche der Schablonenöffnung
a  b  r 2 4  Π 

 0,66
2ta  b  r Π  4
Grenzwertprüfung Lotkugel
• Lotkugelregel
• In die kleinste Öffnungsweite des Layouts müssen 4…6 Lotkugeln nebeneinander
passen.
• 4…5 Kugeln bei länglichen Öffnungen
• 5…6 Kugeln bei runden oder quadratischen Öffnungen
• Wird diese Regel verletzt, kann die Öffnung nicht mehr gut gefüllt werden.
• Die Formel hat keine Aussage, ob die Paste auch ausgelöst werden kann.
• Gerechnet wird hier mit dem mittleren Kugeldurchmesser des Lotpulvertyps.
Lotpulvertyp
runde / quadratische
Öffnungen
längliche Öffnungen
3
225…270
180…225
4
190…228
152…190
5
125…150
100…125
6
75…90
60…75
Lotpulvertypen
Pulvertyp
Partikeldurchmesser [µm]
3
<3 %
kleiner
<10 %
>85 %
<10 %
alles
kleiner
1
50
50 ... 75
75 ... 150
150 ... 200
200
2
3
4
5
6
7
8
9
32
15
15
10
5
2
2
32 ... 45
15 ... 20
15 ... 20
10 ... 15
45 ... 75
20 ... 45
20 ... 38
15 ... 25
5 ... 15
2 ... 11
2…8
1…5
75 ... 100
45 ... 60
38 ... 50
25 ... 30
15
11
8
100
60
50
30
20
15
10
8
Typ 4
Verhältnis
Oberfläche / Volumen
2
1
0
0
50
100
150
Kugeldurchmesser [µm]
Typ 3
Typ 5
Typ 6
Typ 2
Typ 1
Typ 7
Typ 8
Typ 9
Quellen:
Siemens Dematic – Grundlagen der SMT & Heraeus
Öffnungsreduzierung
Pad (Leiterplatte)
• Gängige Werte
• 5 … 10 % umlaufend
• 25 … 50 µm umlaufend
Schablonenöffnung
Eckenradius r
• Hintergrund
• Toleranzen im Prozess abfangen
• Ausrichtungsgenauigkeit des Druckers
• Toleranzen der Leiterplatte
• Trotz Toleranzen noch eine optimale Abdichtung zwischen
Schablonenöffnung und Pad
• Optimal
• Feste Werte, die übliche Toleranzen abdecken
• Prozentuale Werte beeinflussen große Pads stärker und
erzeugen
z. B. an QFP – Pads asymmetrische Verhältnisse.
Verrundung der Öffnungsecken
• Gängige Werte
• Radius = 100
bzw. 75 µm
• Hintergrund
• Reduzierung der Adhäsionskräfte
in den Öffnungsecken
= Adhäsion
• Optimal
• Öffnungsradien ergeben sich aus dem Lotpulvergrößen:
• Typ 2
• Typ 3
• Typ 4
100 µm
60 µm
50 µm
• zu großer Radius = Volumenverlust
• zu kleiner Radius = Lotreste in den Öffnungsecken
mit einem Sicherheitsfaktor von 2
 Eckenradius  größter Lotkugeldurchmesser
Unterteilung großer Öffnungen
• Gängige Werte
• Unterteilung für Öffnungen >5 mm
Steg
• Hintergrund
• Ausschöpfen durch das Rakel vermeiden
• Risiko für unterschiedliche Lotvolumen bei 90° gedrehten Depots
• Gaskanäle anlegen
• Verschwimmen vermeiden
• Optimal
• alle größeren Öffnungen mit Stegen in
Rakelrichtung versehen
• bei Masseflächen die Stege ggf. nach
außen hin verbreitern, um die Gase
beim umschmelzen der Paste möglichst
vollständig abzuleiten
Spezialformen
• Gängige Werte
• Home Plate, Häuschen – Form
auch konvexes Design genannt
konvexe Innenseite
„home plate“
• Hintergrund
• Reduzierung der Pastenmenge zur Vermeidung von zu hohen
Lotradien, die die Bauteile leicht aufstellen können
• Reduzierung der Paste unter dem Bauteil zur Vermeidung von
Lotperlen
• Optimal
konkave Innenseite
„bow tie“
• konkaves Design
• reduziert das Pastenvolumen auf dem Pad
• minimieren „Grabsteine“ & Lotperlen
• zu besseren Toleranz von Bestückversätzen die Lotdepots
dichter zusammenschieben
Elektropolierverfahren
• Bilder aus einer Studie des Fraunhofer-Instituts über
unser Elektropolierverfahren
Unpoliert
Poliert
CK-PLASMA-Schablone
1 0 0
9 5
b e s c h ic h te t
E d e ls ta h l
9 0
8 5
8 0
7 5
Prozentuale Bedeckung über 1000 Drucke
7 0
1
1 0 1
2 0 1
3 0 1
4 0 1
5 0 1
6 0 1
7 0 1
8 0 1
9 0 1
10. Druck mit einer Plasma-beschichteten Schablone (Dicke 150 µm)
Brücke: 100 µm Steg mit 60 % runde Öffnungen 250 µm
QFP - Pads 160 µm
Plasmatechnologie
• Beschichtung mit Antihafteigenschaften
• Schablonendicke = 150 µm; Paste: Typ 3
BGA-Pads (rund)
Durchmesser
250 µm
Dickenverhältnis
1,67
Flächenverhältnis
0,42
QFP-Pads
Steg- & Öffnungsbreite 150
µm
Dickenverhältnis
1,00
Flächenverhältnis
0,48
Kleberdruck
• Zur Fixierung von Bauteilen für den Wellenlötprozess
• Vorteil:
• keine zusätzliche Investition für Dispenstechnik
• beliebige Punktanzahl unabhängig von der Zykluszeit
• unterschiedliche Punkthöhen können in einem Layout realisiert werden
• Nachteil:
• Layoutanpassungen erfordern eine neue Schablone
Kleberdruckvarianten
• Kontaktdruck
• Realisierung unterschiedlicher Punkthöhen durch die
Größe der Schablonenöffnung
• Enge Öffnung
• Optimale Öffnung
• große Öffnung
=> kleiner Punkt
=> maximale Punkthöhe bei r  2  t
=> Schablonendicke = Punkthöhe
• Punkthöhe kann größer als die Schablonendicke sein
Kleberdruckvarianten
• Drucken – Fluten
• Fluthöhe / Höhe der großen Punkte kann variiert
werden
• sehr große Punkthöhen möglich
PumpPrint™- Technologie
• Zum Bedrucken von Substraten mit Erhebungen
(z. B. Bauteile, Bauteilpins, Abdecklacke)
• Kleber und Lotpaste kann gedruckt werden.
PumpPrint™-Technologie
• Schablonendicken
2,0 mm
2,5 mm
3,0 mm
optional bis 10 mm
• Material
POM
optional ESD - fähig
Probleme beim Kleberdruck
• Alkohol härtet SMD-Kleber aus
Stufentechnologie
• Anpassung an den Pastenbedarf des Bauteils
• Dickenänderung der Schablone
• Jedes Bauteil bekommt die richtige Menge an Paste
• Kompensation von Substratunebenheiten
• Kavitäten in der Schablonenunterseite
• Vias, Lotstopp usw. können ausgeglichen werden
• Drucken auf unterschiedlichen Ebenen
• Parallele Druckebenen in einer Schablone
Stufenschablonen
• Unterschiedliche Pastenhöhen in einer Schablone
realisierbar
• zusätzliches Volumen für z. B. Stecker
• reduziertes Volumen für z. B. feine Raster
Schliffbilder erstellt durch Fa. Mair
Werte für Stufenschablonen
Standardrakel
normale Rakelkraft
Standardrakel
doppelte Rakelkraft
gedünnte Rakel
normale Rakelkraft
IPC [mm]
Abstand zur
Öffnung (c /
d) [mm]
Stufenbreite
(a) [mm]
Stufenlänge
(b) [mm]
Abstand zur
Öffnung (c /
d) [mm]
Stufenbreite
(a) [mm]
Stufenlänge
(b) [mm]
Abstand zur
Öffnung (c /
d) [mm]
Stufenbreite
(a) [mm]
Stufenlänge
(b) [mm]
0,36
1,08
1,80
3,60
9,00
<0,30
0,90
1,70
5,80
12,00
>0,25
>1,00
>10,00
>30,00
>75,00
>0,25
>1,00
>2,00
>10,00
>10,00
1,60
3,80
11,30
>10,00
>20,00
>30,00
>1,00
>5,00
>10,00
<0,30
0,60
1,50
2,50
9,00
>0,25
>1,50
>10,00
>10,00
>30,00
>0,25
>1,50
>1,50
>1,50
>10,00
d
b
a
c
t
Rakelrichtung
Stufe (t)
[µm]
10
30
50
100
250
Beispiele Substratebenheit
• Viafilling
40
35
30
25
20
55
40
25
15
10
10
-5
5
-20
0
-35
-5
-50
-10
-15
-65
-20
-80
-25
-95
-30
-110
-35
-125
-40
-140
-45
-155
-170
-185
-200
Substratebenheit
• Unebenheiten verhindert die Abdichtung der
Schablonenöffnungen durch die Pads
• Unebenheiten können aus Lötstopplack,
Viafillings, Verunreinigungen usw. entstehen
Spalt
Lötstoplack
Pad
Schablone
Leiterplatte
Bereits bestückte
Bauelemente / Abdecklacke
• Trotz Erhebungen auf der Leiterplattenoberfläche
kann gedruckt werden.
• Kavitäten in der Schablonenunterseite nehmen
die Erhebungen auf.
• Das Rakel muss über alle Erhebungen fahren und
ggf. geschlitzt werden, um sich anpassen zu
können.
Lötstopplack zu hoch
• Kompensation von Substratunebenheiten durch
„Zapfen“ auf der Schablonenunterseite
3-D – Schablonentechnologie
• LP mit Kavitäten von 0 µm … 750 µm
3-D-Schablonentechnologie
• Versenkung einer Druckebene in das Substrat.
• Es wird Platz für Wandungen und
Positionstoleranzen benötigt.
t
t
s
• Gedruckte Pastendepots / 750 µm Kavität
• Anwendungsbereiche
• Verkleinerung des Endproduktes
• Versenken von Bauteilen in die LP
• z. B. Handy wird dünner
• Hochfrequenz
• Bauteile werden direkt auf eine Innenlage montiert
• Verkürzung der Signalwege
• Beschleunigungskräfte
• Bauteile werden in die LP integriert
• Der Spalt um das Bauteil wird vergossen
Drucken auf zwei Ebenen
M-TeCK
• Ist die neue Metallisierungs- Technologie der
Christian Koenen GmbH
• Die Produktreihe umfasst
• Schablonen
• Für den Fineline-,
Rahmen- und
Flächendruck
• Spezialrakel
• Reinigungsprozesse
• Medien und Prozesse
M-TeCK Einsatzgebiete
• SMT
• Rahmendruck
• Drucken auf unebenen Substraten
• Solar
• Finger & Busbar
• Dualdruck, Doppeldruck,
Selektiver Emitter…
• Hybrid
• Leiterbahnen, Anschlussflächen,
Isolationsdruck…
M-TeCK - SMT
• Perfekte Anpassung an
Substratunebenheiten
• Optimale Abdichtung
zur Oberfläche
• Druck von geschlossenen
Rahmen möglich
Druckergebnisse Siebdruck
• Finger (getrocknet)
• 80 µm Breite
• 25 µm* Höhe (Ratio 0,31)
• Gleichmäßigkeit der Finger
• Restriktionen durch die Lage der
Kreuzungspunkte in
der Öffnung
* Minimalwert der Höhe im Messbereich
M-TeCK - Solar
• Maximales
Höhen- / Breitenverhältnis
• Konstanter
Linienquerschnitt
• Maximaler
Leitwert
• Hohe Positionsgenauigkeit
• Hohe Standzeit
Längsschnitt siebgedruckter Finger
300 µm
Längsschnitt M-TeCK Finger
300 µm
M-TeCK - Hybrid
• Schichtdicken bis in den
Millimeterbereich sind möglich
• Mehrstufiger Aufbau möglich
• Druck von Linen, Rahmen
und Flächen
• Maximale Verzugsfreiheit
• Maximaler Öffnungsgrad
• Hohe Standzeit
Zusammenfassung
• Der Schablonendruck ist ein Prozess mit sehr
hohem Fehlerpotential.
• Viele Fehler können mit einem optimierten
Schablonenlayout verhindert werden.
• Die Stufenschablonentechnologie bietet
Lösungen.
• unterschiedliche Schichtdicken
• mehrere Druckebenen
• Kavitäten in der Schablonenunterseite
• M-TeCK - Schablonen ermöglichen die volle
Kontrolle der offenen Fläche im Layout.
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit

Schablonen für Lotpasten- und Kleberdruck

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