Die 3D-Schablonentechnologie von Christian Koenen ermöglicht die Versorgung der Bauteilanschlüsse in Kavitäten der Leiterplatte mit Lotpaste
Die Generierung von Bauraum in elektronischen Produkten ist eine wichtige Zielsetzung unserer Zeit. Kavitäten in der Leiterplatte schaffen Platz für Neues: ein größerer Akku, eine bessere Displayhinterleuchtung und vieles mehr. Durch die Möglichkeit, Kavitäten mit passiven oder aktiven Bauelementen zu bestücken, kann der zusätzliche Raum für neue Funktionen oder eine Verkleinerung des Produktes genutzt werden. Beispielsweise können hohe Bauteile teilweise oder vollständig in der Leiterplatte versenkt werden.
Die 3D-Schablonentechnologie von Christian Koenen ermöglicht die Versorgung der Bauteilanschlüsse in Kavitäten der Leiterplatte mit Lotpaste
Drucken in Kavitäten einer Leiterplatte

3D-Schablonentechnologie

Pastenvolumen (Paste Typ 3)
Pastenvolumen (Paste Typ 3)
Pastenvolumen (Paste Typ 4)
Pastenvolumen (Paste Typ 4)
Pastenvolumen (Paste Typ 4) mit manueller Schablonenreinigung
Pastenvolumen (Paste Typ 4) mit manueller Schablonenreinigung
Wechselwirkung der Fläche im Verhältnis zum Pastenvolumen
Wechselwirkung der Fläche im Verhältnis zum Pastenvolumen
Untersuchung der Flächenbedeckung
Untersuchung der Flächenbedeckung

Die Generierung von Bauraum in elektronischen Produkten ist eine wichtige Zielsetzung unserer Zeit. Kavitäten in der Leiterplatte schaffen Platz für Neues: ein größerer Akku, eine bessere Displayhinterleuchtung und vieles mehr. Durch die Möglichkeit, Kavitäten mit passiven oder aktiven Bauelementen zu bestücken, kann der zusätzliche Raum für neue Funktionen oder eine Verkleinerung des Produktes genutzt werden. Beispielsweise können hohe Bauteile teilweise oder vollständig in der Leiterplatte versenkt werden.

Den Anforderungen dieser oben erwähnten Technologie an die Fertigungsprozesse sind die meisten Fertigungsschritte entlang der SMT-Linie gewachsen. Nur der Schablonendruck erfolgt vorrangig auf einer Ebene. Erst durch eine dreidimensionale Gestaltung der Schablone und des Rakel kann der Schablonendruck auf unterschiedlichen Druckebenen erfolgen.

Projektwissen effizient genutzt

Die Firmen AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG und Christian Koenen GmbH – HighTech Stencils haben in einem gemeinsamen Projekt das Wissen erarbeitet, das den effiziente Einsatz von Kavitäten in Leiterplatten ermöglicht.

Das Testlayout basiert auf einer Leiterplatte mit fünf aktiven Ebenen (0 µm, 50 µm, 250 µm, 500 µm und 750 µm). Im Layout kommen primär kompakte Bauformen für hohe Pinanzahlen auf geringer Fläche zum Einsatz: 0603, 0402, Fine-Pitch 0,5 mm und 0,4 mm sowie µBGAs mit 0,5 mm und 0,3 mm Pitch. Die Pads haben einen Abstand von 2 mm zur Wandung der Kavität.

Die Leiterplatte basiert auf einem 12-fach-Multilayer mit einer Stärke von 2,1mm. Die von der AT&S AG entwickelte 2.5D Technologie ermöglicht das Bedrucken und Testen von 5 Layern verschiedener Tiefen auf einer Platine. Mit Hilfe einer Trennschicht einem Laserschneideprozess werden die unterschiedlichen Tiefen zwischen der Laminierung und den Auslöseflächen realisiert. Final erfolgen das Abheben der Volumenaussparung und das Abwaschen der Trennschicht. Übrig bleibt somit eine lötbare Kupferstruktur in der Kavität, die bei Bedarf mit einem Oberflächenfinish und/oder Lötstopplack versehen werden kann. Die Passmarken sind auf dem äußersten Layer angelegt und ermöglichen den Druckprozess in einem Schritt. Kompatibilität besteht zu aktuell gebräuchlichen HDI Herstellungsstandards.

Die Bewertung der Druckbarkeit der Strukturen erfolgt mit normalem Fertigungsequipment. Es kommen zwei bleifreie Pasten vom Typ 3 und Typ 4 zum Einsatz. Die Edelstahlschablone ist in einen festen Aluminiumrahmen (736 mm x 736 mm) gespannt Die Stufentiefe wird von der Rakelseite der Schablone passend zur Kavitätstiefe nachgeführt, um den Druckbereich konstant auf einer Stärke von 80 µm zu halten.

Das spezielle Rakel ist, durch voneinander unabhängig bewegliche Segmente, in der Lage den Vertiefungen in der Rakelseite der Schablone folgen.

Angewandte Testmethodik

Nach dem Druckprozess werden die Depotvolumen mit einem Koh Young KY-3020T Tabletopsystem gemessen und ausgewertet. Der Fokus dieser Auswertung liegt auf dem Pastenvolumen in den unterschiedlich tiefen Kavitäten. Mit einem Cyberscan CT300 von Cybertechnologies werden einzelne Bereiche zur Visualisierung gescannt.

Im ersten Durchgang werden in der Testreihe 10 Leiterplatten mit einer Paste Typ 3 bedruckt und hinsichtlich Pastenvolumen sowie Oberflächenbeschaffenheit ausgewertet. Im nächsten Schritt werden, nach einer externen Reinigung der Schablone, weitere 10 Leiterplatten mit einer Paste Typ 4 bedruckt. Die Ergebnisse der Messungen werden im Abschnitt Messung und Auswertung der Druckergebnisse dargestellt. Aufgrund von Fehlstellen im Depot mit Paste Typ 3 werden die nachfolgenden Tests mit Paste Typ 4 fortgesetzt. Da die Fehlstellen auf die für die Schablonendicke von 80 µm zu großen Lotpartikel des Typs 3 zurückzuführen sind.

Im weiteren Test werden 10 Platinen mit Paste Typ 4 bedruckt, wobei die Schablone nach jedem 2. Druck manuell gesäubert wird. Alle Drucke werden zu 100 % mit dem 3D-Pasteninspektionsgerät vermessen und ausgewertet.

Insgesamt fließen in die Auswertung 30 bedruckte Leiterplatten ein:

· 10 LPs bedruckt mit Paste Typ 3

· 10 LPs bedruckt mit Paste Typ 4

· 10 LPs bedruckt mit Paste Typ 4 und Schablonenreinigung.

Druckergebnisse

Alle Messergebnisse werden aus den AOI-Systemen ausgelesen und zusammengefasst, um die Wechselwirkungen, Abweichungen und Tendenzen zu ermitteln.

Messungen mit Paste Typ 3:

Die erste Testreihe mit Paste Typ 3 ergab nachfolgende Ergebnisse: es zeigten sich konstant magere Depots, die eine reproduzierbare Tendenz aufwiesen. Das Pastenvolumen lag bei der 0 µm-Kavität bei durchschnittlich 113,9 %. Die deutlich höheren Werte im Bereich der 0µm-Kavität resultieren speziell aus dem 25 µm-Delta zwischen Kupferfläche und Lötstoppmaske. Das extrem niedrige Pastenvolumen auf den kleinen Flächen ergibt sich aus der ungenügenden Auflösung des Pastentyps 3 für die verwendeten Öffnungsgrößen. Bei der Mittelung über alle Einzelwerte ergibt sich ein durchschnittliches Pastenvolumen von 62,9 % für den Pastentyp 3.

Messungen mit Paste Typ 4:

Vernachlässigt man die 0 µm-Kavität, in Folge der Höhendifferenz aus dem Lötstopplack, so ergibt sich ein durchschnittliches Volumen auf allen Flächen von 93,7 %. Verglichen mit dem Durchschnittswert von 62,9 % mit Paste Typ 3, ist eine deutliche Steigerung mit der Paste Typ 4 festzustellen.

Messungen mit Paste Typ 4 und manueller Schablonenreinigung:

Die dritte Testreihe wird mit Paste Typ 4 gedruckt und nach jedem zweiten Druck wird eine manuelle Schablonenreinigung durchgeführt. Es ergibt sich ein Durchschnittswert von 70,7 % bezogen auf alle Flächen. Interessanter Weise hat sich das Volumen im Vergleich zum Druck mit Paste Typ 4 ohne Schablonenreinigung leicht reduziert. Ein Unterschied zeigt sich in der Streuung der Werte, die durch die Reinigung minimiert wird.

Auswertung der Ergebnisse

Die Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Parametern (Pastentyp, Öffnungsgröße, Kavitätstiefen sowie gereinigte/ungereinigte Schablone) zeigen klare Indikatoren auf. Zuerst betrachten wir die Wechselwirkung der Flächen zum Pastenvolumen. Es zeigt sich eine geringe Überlegenheit der Paste Typ 4 gegenüber Typ 3. Dennoch laufen die Pasten nahezu parallel (höhere Performance auf größeren Flächen im Vergleich zu kleineren Flächen). Die Wechselwirkung zwischen Pastentyp und Kavitätstiefe zeigt eindeutig ein bes- seres Druckbild mit der Paste Typ 4. Darüber hinaus ist die Performance des Drucks unabhängig von der Kavitätstiefe beständig. Auch hier gilt, dass die deutlich höheren Werte im Bereich der 0 µm-Kavität speziell aus dem 25 µm-Delta zwischen Kupferfläche und Lötstoppmaske resultieren. Die Wechselwirkung von Anschlussfläche und Kavitätstiefe zeigt auf, dass mit Ausnahme der 0,3 mm µBGA-Struktur ebenfalls eine Beständigkeit in der Druckperformance besteht. Die Bedruckung der Anschlussflächen des 0,3 mm µBGA stellt sich unabhängig von der Kavitätstiefe als problematisch dar.

Die Auswirkungen auf die Anschlussflächen mit gereinigter Schablone führen zu widersprüchlichen Ergebnissen.

Die 0,3 mm und 0,5 mm Pitch BGAs und ebenso die 0603 Anschlüsse zeigen eine nur geringe Volumensteigerung bei einer gereinigten Schablone, die übrigen Anschlüsse dagegen eine Reduzierung des Volumens. Sehr große Schwankungen gibt es laut Auswertungen bei der 0 µm-Kavität. Insbesondere hier treten die größten Differenzen zwischen gereinigter und ungereinigter Schablone auf. Die Untersu-chung der Flächenbedeckung zeigt die Wechselwirkung zwischen Paste/Anschluss, Paste/Kavitätstiefe, Anschluss/Kavitätstiefe sowie Anschluss/Reinigung. Wie zu erwarten, wird durch die Reinigung der Schablonenunterseite die Streuung der Pastenfläche geringer.

Verbesserte Fertigungs- technologie

Die Versuche haben gezeigt, dass das Bedrucken von Leiterplatten mit verschiedenen Kavitätstiefen mittels Schablonendruck effektiv ist, wenn spezielle Stufenschablonen mit Spezialrakeln eingesetzt werden. Im Druckprozess kommen außer der Stufenschablone nur Standardmaterialien und -gerätschaften zum Einsatz.

Im Bereich der 0 µm-Kavität gibt es für den 0,3 mm µBGA die größten Unterschiede in der Druckperformance. Zurückzuführen ist das Phänomen auf die Höhe der Lötstoppmaske, wie auch bei Standard-Leiterplatten ohne Kavitäten anzutreffen. Somit lassen die aufgetretenen Probleme beim Bedrucken der 0,3 mm µBGAs keine einwandfreien Rückschlüsse auf die Kavitätstiefen oder die Stufenschablone zu.

Die Ergebnisse des Projektes führen zu einer weiteren Verbesserung der Fertigungstechnologien für die Leiterplatte und die Stufenschablone. Aus den Versuchen werden Richtlinien für die Verwendung dieser Technologie erstellt. Weitere Versuche werden aktuell u. a. mit der CK Plasma-Beschichtung durchgeführt.

www.christian-koenen.de ; www.ats.net

Andreas Wilbert, Christian Koenen & Markus Leitgeb, AT&S

Quellennachweis

Copyright Originally distributed at the International Conference on Soldering and Reliability", Toronto, Ontario, Canada; May 4–6, 2011

Application of solder paste in PCB cavities, Markus Leitgeb, Christopher Michael Ryder; Austria Technologie & Systemtechnik AG; Leoben, Austria und Dipl.-Ing. Harald Grumm, Leiter Applikation, Christian Koenen GmbH

03.06.2011


Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der Konradin Mediengruppe