Einleitung: Herausforderung Fine-Pitch-SMT

Die neuste Generation ultraflacher und hochminiaturisierter Komponenten wie QFN-ICs, LGA-Leistungsbauteilen und 03015-Chipwiderständen (0,3 mm x 0,15 mm) stellt hohe Anforderungen an die Bestückungsunternehmen. Sie müssen einen extrem präzisen Schablonendruck realisieren, nicht nur im Hinblick auf die Positionierung, sondern auch auf das Lotpastenvolumen. Gleichzeitig stehen die Bestücker unter dem Druck, die Einrichtungs- und Produktwechselzeiten so kurz wie möglich zu halten, um eine hohe Produktivität sicherzustellen. In der Hochvolumen-Produktion kommt noch die Forderung nach kurzen Zykluszeiten hinzu.

Verbesserungen des Druckprozesses

Die Leistungsfähigkeit des Druckprozesses ist für den End-of-Line-Ertrag von höchster Bedeutung. Es ist allgemein bekannt, dass bei 70 % der am Ende der Linie als mangelhaft gefundenen Leiter-platten der Druckprozess die Fehler verursacht hat. Die Hersteller dürfen bei der Einrichtung dieses kritischen Prozessschrittes nicht einmal Kleinigkeiten übersehen, geschweige denn die Prozessüberwachung vernachlässigen, um dadurch kürzere Zykluszeiten zu erreichen. Dennoch steht Geschwindigkeit immer im Mittelpunkt der Optimierung, wenn der Kostenrahmen und die Lieferfristen eingehalten werden sollen. Es sind also neue Wege gefragt.

Die Produktivität wird durch die Besonderheiten des Druckprozesses gehemmt, die sich seit Jahren kaum geändert haben. Dazu zählt auch das Drucken einer Reihe von Versuchsleiterplatten zu Beginn eines Loses, um Einstellungen wie die korrekte Ausrichtung der Schablone auf die Leiterplatte überprüfen zu können. Beim Arbeiten mit einem festen Rakelwinkel wird normalerweise für die ersten Druckzyklen nach jeder Reinigung die Verfahrgeschwindigkeit der Rakel reduziert. Darüber hinaus wird das Drucken immer komplexer, etwa durch den vermehrten Gebrauch von Stufenschablonen mit doppelter Stärke, um die geringen Lotpastenvolumen zu erzielen, die für Bauteilgrößen wie 03015 erforderlich sind, zugleich aber für größere Bauteile auf der Leiterplatte weiterhin ein ausreichendes Pastenvolumen zu garantieren. Einige Hersteller bevorzugen für diesen Zweck die Verwendung zweier separater Schablonen mit unterschiedlicher Stärke. Beide Praktiken haben einen Einfluss auf die Einstellungen des Druckers und des Druckprozesses. Die besten Ergebnisse werden durch einschneidende Änderungen am Drucker und an der Rakel erzielt.

Im Bereich der Schablonenausrichtung stellen die großen Unterschiede zwischen den kleinsten und den größten Bauteilen auf der Leiterplatte bei herkömmlicher Ausrichtung mithilfe von Passermarken ein Problem dar. Als beste Praxis hat sich hier die Umstellung auf eine Ausrichtung anhand der kleinsten Merkmale erwiesen, welche die höheren Fehlertoleranzen bei größeren Merkmalen nutzt.

Verbesserungen an den Schablonendruckern, etwa beim Prozess der Ausrichtung, bei der Rakelmechanik und bei den Prozessüberwachungssystemen können auch die Besonderheiten der Geometrie winziger Bauteile bewältigen. Gleichzeitig erleichtern sie den Herstellern die Einrichtung und den Produktwechsel, bieten kurze Druckzykluszeiten und sorgen damit für ein hohes Maß an Produktivität.

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Abb. 1: Das Grafiktool bietet bei der Optimierung der Ausrichtung der Schablonen auf die Leiterplatten mehr Flexibilität.

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Abb. 3: Das „Rail Vacuum System“ RVS reduziert den Ausrichtungsfehler zwischen Schablone und Leiterplatte bei beiden Druckrichtungen.

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Abb. 4: Der 3S-Kopf spielt eine zentrale Rolle bei der Steigerung der Produktivität des Druckprozesses.

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Inprozesssteuerung ab der 1. Leiterplatte

Die Produktivität kann gesteigert werden, wenn sich bei der Einrichtung die optimale Ausrichtung der Schablone auf die Leiterplatte erreichen lässt, ohne dazu auf eine SPC-Analyse für die Berechnung der erforderlichen Versatzwerte warten zu müssen. Die grafikgestützte Ausrichtungs-funktion von Yamaha (siehe Abb. 1) erlaubt es den Technikern, die Ausrichtung anhand eines Kombinationsbild zu optimieren, das die Darstellungen der Leiterplatten- und der Schablonen-Erkennungskameras zusammenfasst. Nach geringfügigen Anpassungen der X- und der Y-Richtung, welche die Bilder am Display wie gewünscht aufeinander ausrichten, berechnet die Lehrfunktion automatisch die Versatzwerte für ein korrektes Alignment. Dieser Ansatz gibt den Technikern die Flexibilität zur Priorisierung der Ausrichtung auf die kleinsten Leiterplatten¬merkmale ebenso wie die Möglichkeit, nach Bedarf Passermarken oder andere Merkmale für die Ausrichtung zu wählen.

Damit die berechnete optimale Ausrichtung auch während des Druckprozesses aufrechterhalten werden kann, fixiert das nur bei Yamaha erhältliche Schienen-Ansaugsystem (Rail Vacuum System, RVS, siehe Abb. 2) den Metallbereich der Schablone an den Transportschienen. Dadurch wird die Ausrichtungsänderung in Druckrichtung, wie sie bei Beaufschlagung der Rakel mit Druck auftritt, deutlich reduziert. Diese Verschiebung kann bei herkömmlichen Systemen, die sich nur auf eine mechanische Schablonenklemmung stützen, bis zu 25 µm betragen. Abb. 3 zeigt die Reduzierung des Versatzes mithilfe des Yamaha RVS.

Die Standardkonfiguration vieler Inline-Schablonendrucker arbeitet mit zwei Rakeln für den Vorwärts- und den Rückwärts-Druckhub. Der Anstellwinkel beider Rakel wird bei der Einrichtung festgelegt und kann nur bei gestoppter Maschine manuell geändert werden. Yamahas Einzel-Schwingrakelkopf (Swing Single Squeegee, 3S) nach Abb. 3 erlaubt dem Drucker eine auto-matische Optimierung des Rakelwinkels in Echtzeit, so dass Änderungen der Prozessbedingungen sofort berücksichtigt werden können. Dadurch lassen sich schlechte Druckergebnisse zu Beginn oder bei einer Unterbrechung der Produktion vermeiden – also die bekannten Hauptursachen für ein Anwachsen der Defektrate.

Direkt nach dem Start zeigt die Lotpaste ein nicht-Newtonsches Verhalten – ihre Viskosität verändert sich in Abhängigkeit von den einwirkenden Kräften. Bei den ersten zwei bis vier Leiterplatten ermittelt die SPC normalerweise erratische Abweichungen beim aufgebrachten Pastenvolumen, bis die Paste ihre optimale Arbeitsviskosität hat. Sobald diese erreicht ist, unterstützen Inhibitoren die Beibehaltung einer konstanten Viskosität, so dass sich der Prozess stabilisiert. Bei einer Unterbrechung der Produktion kann die Lotpaste wieder in ihren statischen Zustand übergehen, und muss die gewünschte Viskosität erst zurückgewinnen, bevor gute Druckergebnisse zu erwarten sind.

Durch die Anpassung des Rakelwinkels in Abhängigkeit von der Pastenviskosität steigert der 3S-Kopf die Aperturfüllung, wenn die Viskositätswerte über dem Optimum liegen. Dadurch wird eine bessere Aperturfüllung beim Starten oder nach einer Produktionsunterbrechung erzielt, wobei die Rakelgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Die gleichbleibende Rakelgeschwindigkeit sorgt für eine Scherwirkung auf die Lotpaste, was ein rasches Erreichen der Arbeitsviskosität unterstützt.
Der 3S-Kopf kann darüber hinaus den Rakelwinkel sofort nach einer Schablonenreinigung wieder optimieren. Dies verhindert, dass auf der Schablone verbliebenes Reinigungsmittel die Apertur-füllung beeinträchtigt.

Die Schwingmechanik des Kopfes erlaubt die Verwendung einer Einfachrakel für die Vorwärts- und die Rückwärtsauslenkung. So kann der Druck über eine einfache Wägezelle gesteuert werden, was Druckänderungen zwischen Vorwärts- und Rückwärtshub ausschließt und damit eine präzise Prozesssteuerung ermöglicht.

Das Rakelblatt hat ein scharfes Profil, um die Pastenkontamination der Schablonenoberfläche zu minimieren. Gleichzeitig sorgt das Profil bei Stufenschablonen doppelter Stärke für bessere Ergebnisse. Außerdem haftet nur eine geringere Lotpastenmenge an der Rakel an. Dies unterstützt die Beibehaltung einer gleichbleibenden Menge auf der Schablonenfläche und reduziert das Austrocknen der Lotpaste. Eine hochfeste, reibungsmindernde Schutzbeschichtung sorgt dafür, dass das Rakelprofil über einen langen Zeitraum hinweg gleich bleibt. Für die Beschichtung wird die gleiche Werkstofftechnologie genutzt wie für die Zylinderwandungen der Hochleistungs¬motoren von Yamaha Motorrädern. Die reibungsreduzierenden Eigenschaften minimieren die Abnutzung von Rakelblatt und Schablone, außerdem verhindern sie, dass die Lotpaste an der Rakel anhaftet.

Aufrechterhaltung der Druckstabilität

Im Normalfall wird durch den Einrichtungsvorgang festgelegt, wie häufig für eine stabile Apertur-füllung Lotpaste auf die Schablonenoberfläche zudosiert werden muss. Wenn zu viel oder zu wenig Lotpaste vorhanden ist, rollt die Paste nicht, was eine unzureichende Aperturfüllung verursacht.
Zum Ermitteln des optimalen Nachfüllintervalls werden üblicherweise so lange Leiterplatten bedruckt, bis die Inspektion nach dem Drucken ein zu geringes Lotpastenvolumen meldet. Die Option der Druckstabilitätssteuerung von Yamaha (Print Stability Control, PSC) überwacht kontinuierlich die Größe der Lotpastenrolle und führt automatisch zusätzliche Lotpaste zu, wenn die Menge sich der Untergrenze des Zielbereichs nähert. Dadurch können die Folgen einer nicht gleichbleibenden Aperturfüllung vermieden werden. Die Einrichtungszeit wird kürzer, weil PSC das Drucken von Versuchsleiterplatten überflüssig macht. Gleichzeitig steigt die Produktivität, da die Fertigung ohne Unterbrechungen durch die manuelle Zuführung von Lotpaste fortgesetzt werden kann.

Die Kombination von 3S-Kopf, Grafikebenen-Ausrichtung und PSC sorgt für einen exakt steuer-baren und stabilen Druckprozess von der ersten Leiterplatte an. Dadurch steigt die Produktivität aufgrund einer Maximierung der effektiven Maschinenbetriebszeit bei gleichzeitiger Minimierung mangelhafter Drucke. Die entsprechenden Funktionen stehen bei allen Yamaha Druckern zur Verfügung, auch beim YSP, dem YSP20 mit Zweibahn- und Zweischablonenfähigkeit und beim neuen YCP10.

Zweibahn-Produktivität

Das Doppelsystem YSP20 erreicht unter Nutzung beider Bahnen für den abwechselnden Druck mit zwei Schablonen Linientaktzeiten von ca. 5 Sekunden. Die Dual-Stage-Konstruktion ermöglicht zudem die Nonstop-Einrichtung und den Nonstop-Produktwechsel. Sie kann aber auch für höhere Geschwindigkeiten genutzt werden, wenn Leiterplatten sequenziell unter Verwendung zweier unterschiedlicher Schablonen verschiedener Stärke bedruckt werden.

Der Nonstop-Betrieb ist möglich, wenn der Bestücker so eingerichtet ist, dass beim Wechsel zwischen Produkten kein Austausch von Förderern notwendig wird. Wenn der Drucker in der Einzelbahn-Konfiguration eingesetzt wird, kann die freie Bahn bereits für das Bedrucken des nächsten Produktes vorbereitet werden. Sobald das laufende Produktionslos abgearbeitet ist, werden die Bestücker für das nächste Produkt umprogrammiert, und der Drucker steht sofort für die erste Leiterplatte der neuen Charge bereit. Dies kann eine deutliche Steigerung der Produktivität bewirken, wenn eine große Zahl unterschiedlicher Produkte in kleinen Losgrößen gefertigt wird.

Alternativ zu Stufenschablonen beinhaltet das sequenzielle Drucken einen ersten Druckschritt mit einer dünnen Schablone, um die geringen Lotpastenmengen für passive 03015-Chips oder für Ultra-Finepitch-Arraybauteile aufzubringen. Danach wird die Leiterplatte ein zweites Mal mithilfe einer dickeren Schablone bedruckt, um die Lotpastendepots für die restlichen Bauteile herzustellen. Die Unterseite der zweiten Schablone ist so ausgefräst, dass es nicht zu einer Berührung der im ersten Druckzyklus platzierten Lotpastendepots kommt. Der Dual-Stage-Drucker YSP20 benötigt für einen vergleichbaren Durchsatz und die gleiche Flexibilität deutlich weniger Stellfläche als zwei herkömmliche Drucker.

Fazit

Für die Entwicklung eines stabilen Schablonendruckprozesses waren viele Jahre der Forschung nötig. Dabei stellten die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile, die wachsende Zahl der IC-Anschlüsse und weitere Neuerungen wie bleifreie Lote stetig neue Anforderungen. Die Entwicklungsarbeiten beziehen sich hier nicht allein auf die Einstellung der Prozessparameter, sondern auch auf die grundsätzliche Konstruktion der Schablonendrucker selbst.

Die Leistungsmerkmale der letzten Druckergeneration erlauben es den Fertigungstechnikern, die Prozesseinstellungen schnell zu optimieren. Nur so können sie die stetig zunehmende Bandbreite von Bauteilen zwischen miniaturisierten Passivchips bis hin zu großen Anschlusskomponenten gleichermaßen abdecken. Zugleich helfen die neuen Funktionen, den Aufwand des früheren Verfahrens von Versuch und Irrtum bei der Einrichtung einer neuen Leiterplatte zu vermindern. Die Produktion verwendbarer Einheiten von der ersten Leiterplatte an sorgt dabei für eine hoch willkommene Steigerung der Produktivität.

Über Yamaha Robotics SMT Section
Yamaha Surface Mount Technology (SMT) Section ist eine Abteilung der Yamaha Motor Robotics Business Unit in der Yamaha Motor Corporation und wurde 1984 gegründet. Yamahas Bestücker haben sich im SMD-Markt einen Namen gemacht mit Ihrem "Modul-Konzept", dass sie hervorragend mit dem Trend bei der Bestückung von Leiterplatten, hin zu kleineren und vielfältigeren elektrischen/elektronischen Bauteilen, kombinieren können.

Yamaha SMT Section hat einen starken Marktanteil im Bereich der SMD-Bestückung mit über 40.000 (2017) installierten Maschinen. Dies ermöglicht, dass Design und Engineering, Herstellung, Vertrieb und Service in einem umfassenden System durchgeführt werden können. Darüber hinaus hat das Unternehmen seine Kerntechnologien in den Bereichen Servomotor-Steuerung und Bilderkennung für Kamerasysteme für Lotpasten-Drucker, Leiterplatten-Inspektion, Flip-Chip-Hybrid-Bestücker Dispenser und intelligente SMD-Lagersysteme eingebracht. Dies ermöglicht es, eine komplette Linie für die elektrische/elektronische Bauteil-Montage anzubieten, d.h. Yamaha kann den Bedürfnissen der Fertigung mit einer optimalen Auswahl an Systemen begegnen.

Yamaha SMT Section verfügt über Vertriebs-und Service-Niederlassungen in Japan, China, Südost-Asien, Europa und Nordamerika und bietet damit ein globales Vertriebs-und Servicenetz mit kurzen lokalen Wegen. Weitere Informationen über Yamaha SMT Section, finden Sie unter:

www.yamaha-motor-im.de