Moderne Bauteile wie die LED-Matrix EVIYOS ermöglichen die punktgenaue Anpassung eines Automotive-Frontlichtes in Echtzeit. Für einwandfreie Funktion ist neben einem passenden Schablonenlayout auch ein konstanter Druckprozess erforderlich, um dauerhaft reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Advertorial | Erschienen in: EPP 10/2019
Autor: Harald Grumm

Moderne Bauteile, wie die LED-Matrix EVIYOS, ermöglichen die punktgenaue Anpassung des Frontlichtes im Automobilbereich in Echtzeit. Das DFN (Dual Flat No lead) Package zeichnet sich dabei durch einen sehr geringen Platzbedarf aus. Diese Bauformen benötigen für ihre einwandfreie Funktion eine optimale Lötstellenausführung und damit eine genaue Planung des Schablonendruckprozesses.

Infos zum Produkt

Das Bauteil hat auf seiner Unterseite fünf Pad-Arten, die sich in ihren Abmessungen unterscheiden. Ziel der Schablonendruckplanung ist es, für jede Pad-Art das richtige Lotvolumen zur Verfügung zur stellen und dabei jeweils die gleiche Lötverbindungshöhe zu erzeugen. So sitzt nach Abschluss des Lötprozesses das Bauteil parallel zur Substratoberfläche, ohne dabei Fehlstellen oder Brücken zwischen den Pads zu erzeugen.

Zu beachten ist dabei die zu erwartende Form der Lötverbindung. Einfluss haben hier die Abmessungen und die Lage der Pad-Flächen zueinander.

Die Pad-Form P1 ist am Bauteil und auf dem Substrat identisch, damit ergibt sich eine rechteckige Lötverbindung mit konstanter Höhe. Das Volumen bildet sich hier aus den Kantenlängen und der zu erwartenden Lötverdingungshöhe.

Bei den Pad-Formen P2 und P3 ragt das Substrat-Pad unter dem Bauteil heraus. Hier ist für das minimale Volumen die Anwendung der Formel für den Pyramidenstumpf sinnvoll. Allerdings ist zu beachten, dass ein Lotanstieg an der Stirnfläche zusätzliches Lotvolumen aufnehmen kann.

Bei den Thermal Pads kommt näherungsweise die Pyramidenstumpfformel zum Einsatz, um das Lotvolumen zu berechnen.

Bei allen drei Berechnungen ist die gleiche Lötverbindungshöhe (h) einzusetzen. Hier empfiehlt die IPC-7093 Höhen von (50 … 75) µm, die in der Praxis schwer zu erreichen sind. Typische Lötverbindungshöhen liegen zwischen 25 µm und 40 µm. Allerdings ist anzumerken, dass bei BTCs (Bottom Termination Components) mit der Lötverbindungshöhe die Zuverlässigkeit wächst.

Die berechneten Lotvolumen werden durch dem prozentualen Volumenanteil des Lotpulvers in der Lotpaste geteilt und ergeben das Lotpastenvolumen. Dieses wird so auf dem zugehörigen Substratpad verteilt, dass ein gutes Auslöseverhalten aus der Schablone und eine geringe Neigung zur Brückenbildung zu erwarten ist. Hierbei hilft die Formel für das Flächenverhältnis:

und die Umsetzung der Öffnungsbreite mit der Hälfte des Pad-Rasters. So wird der maximal mögliche Abstand zwischen den Schablonenöffnungen gewährleistet. Die nach diesen Regeln erstellten Schablonenlayouts sind gute Startwerte für die Erprobung in der Praxis. Durch Ausgasungen, Pad-Größenabweichungen usw. können jedoch weitere Anpassungen notwendig sein.

Neben dem Schablonenlayout ist ein konstanter Druckprozess notwendig, um reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen. Hier ist geeignete Anlagentechnik zu wählen, die bedienerunabhängig eine hohe Prozessstabilität erreicht und ggf. direkt im Drucker eine Inspektion des gedruckten Lotpastenvolumens erlaubt. Der VERSAPRINT 2 erfüllt alle diese Punkte. Mit der übersichtlichen Menüstruktur ist er einfach zu bedienen und mit den verfügbaren Kamerasystemen kann die Inspektion der gedruckten Lotpaste zweidimensional als Fläche oder dreidimensional als Volumen erfolgen. Die Auswahl der Inspektionsart richtet sich nach den Anforderungen der Baugruppen. Speziell für sehr kleine Öffnungen (Bauformen <0402 oder µBGAs) ist eine 3D-Inspektion zu empfehlen. So werden bei diesen Bauformen auch Abweichungen in der Bedruckungshöhe erkannt, die durch in der Schablonenöffnung anhaftende Lotpaste entstehen – selbst wenn die Grundfläche vollständig bedruckt wurde.

Zusätzliche Optionen sichern den Druckprozess weiter ab, wie z. B. die Überwachung der Lotpastenmenge auf der Schablone während des Druckens oder eine Kamera-assistierte Support-Pin-Positionierung für eine perfekte Unterstützung der Leiterplatte auch bei komplexen Substraten.

Zum Vortrag

Der Vortrag stellt anhand einer neuartigen Matrix-LED-Bauform dar, wie für die einzelnen Pad-Varianten des Bauteils das theoretische Lotvolumen berechnet wird. Auch die Definition der Randbedingungen für eine optimale Lötverbindungsform und der passende Berechnungsweg werden erörtert. Weiter wird gezeigt, wie das gedruckte Lotpastenvolumen direkt im Drucker geprüft werden kann, um die ermittelten Werte in der Praxis sicher zu stellen.

Referent

Harald Grumm studierte an der Technischen Fachhochschule Berlin Feinwerk- und elektronische Gerätetechnik. Seit 1996 arbeitet er in der Prozesstechnik für die Oberflächenmontage, mit den Schwerpunkten im Schablonen- und Siebdruck. Im Rahmen seiner Tätigkeiten gibt er Schulungen für den Schablonendruck und ist an verschiedenen Veröffentlichungen in den Bereichen Schablonendruck und Baugruppenmontage beteiligt.
Seit 2016 ist er wieder bei der Ersa GmbH und definiert dort die Schablonendruckerreihe VERSAPRINT neu.

Firmenprofil

Als größter Hersteller von Lötsystemen sorgt Ersa weltweit für perfekte Verbindungen in der Elektronikfertigung und zeichnet als Systemlieferant und Automatisierer verantwortlich für reibungslose Prozesse in der Elektronikproduktion. Vor knapp 100 Jahren gegründet, ist man heute nicht nur äußerst traditionsbewusst, sondern erkennt bei Ersa bereits in der Unternehmensvision den Anspruch auf Innovations- und Technologieführerschaft.
Dabei haben die Ersa-Ingenieure stets im Fokus, Produkte und Lösungen so zu gestalten, damit sie die Produktionsprozesse der Ersa-Kunden optimieren. So setzen sie Maßstäbe mit innovativen, bahnbrechenden Technologien und höchst effizienten Produktionsanlagen, die eine Anpassung an die schnelllebigen Veränderungen in der Verbindungstechnik möglich machen.

Im Bereich Lötmaschinen gehören Lotpastendrucker, Reflowöfen, Vakuumlötanlagen, sowie Wellen- und Selektivlötanlagen und intelligente Automatisierungslösungen zum Portfolio. Die Angebotspalette im Bereich Handlöten reicht vom bewährten Lötkolben über intelligente Lötstationen bis zum Lötroboter und vollautomatischen Reparaturarbeitsplätzen zum Ein- und Auslöten.

Vielfältige Services, wie das Kurtz Ersa-Know-How-Transfer-Programm und weltweit zahlreiche Applikationszentren, bieten echte Mehrwerte für den Kunden.

Statement

Neue Bauteile stehen unter einem hohen Innovations- und Preisdruck. Daraus resultiert die Nutzung kostengünstiger Fertigungstechnologien, die in der Regel auf komplexe Anschlussformen, wie Gull Wing oder Solder Balls verzichten. Gerade hier gewinnen die BTCs (Bottom Termination Components) deutlich an Marktanteilen.

Daher ist es wichtig auch diese Bauteile in der Produktion zuverlässig verarbeiten zu können. Dafür ist die theoretische Vorbetrachtung des Öffnungslayouts in der Schablone notwendig. Leider bestehen hier oft Lücken in den Kenntnissen der Layout-Abteilungen in den Firmen, die mit Vorträgen wie diesen zu schließen sind.

Drucktechnisch sind die BTCs in der Regel gut umsetzbar, wenn Rastermaße von 0,5 mm nicht unterschritten werden und dabei die Substrate (Leiterplatten) in einer guten Qualität umgesetzt sind. Das heißt, die Einbauplätze sollten eben sein und die Pad-Größen eingehalten werden. Dann steht dem erfolgreichen Prozess mit einem guten Schablonendrucker, wie z. B. aus VERSAPRINT-Reihe, nichts mehr im Wege.

Harald-Grumm
HARALD GRUMM
Projektleiter Schablonendrucker

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