Erfoglreicher Schablonendruck in der SMT-Montage Teil 2: Druckmatrizen

Wenn man über den Erfolg beim Lötpasten-Schablonendruck in der SMT-Montage diskutiert, ist eines der wichtigsten Werkzeuge für einen Ingenieur sein Lötpastenuntersuchungswerkzeug (LPU). Dies ist vor allem bei kleineren Schablonenaperturen/Pastenablagerungen wichtig, die zumindest für einen älteren Herrn, wie ich es bin, mit dem bloßen Auge nur schwer zu erkennen sind.  Es ist wichtig zu wissen, dass sich Lötpaste auf dem Pad befindet, aber die Beständigkeit von Pad zu Pad ist entscheidend. Es gibt zwei wichtige Messgrößen, die man beim Messen des Erfolgs eines Druckverfahrens in Betracht ziehen muss: das Flächenverhältnis und die Transfereffizienz. Das Flächenverhältnis bestimmt das Erfolgspotential; die Transfereffizienz quantifiziert den Erfolg, indem das Volumen der zu befüllenden Apertur mit der tatsächlichen Befüllung der Apertur, wie sie mit LPU gemessen wird, verglichen wird.

Abbildung 1matric

Das Flächenverhältnis (FV) ist eine entscheidende Messgröße für den erfolgreichen Schablonendruck; es ist die Fläche der Schablonenaperturöffnung dividiert durch die Fläche der Seitenwände der Apertur. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung einer kreisrunden Öffnung. Eine einfach Berechnung zeigt, dass das Flächenverhältnis (FV) dem Durchmesser (D) des Kreises dividiert durch 4 Mal die Dicke der Schablone (d) entspricht: FV = D/4d. Die gleiche Formel wird für quadratische Aperturen verwendet, wobei D nun der Seite des Quadrats entspricht. Bei dem FV einer rechteckigen Apertur, ist die Formel etwas komplizierter: ab/2(a+b)d, wobei a und b den Seiten des Rechtecks entspricht. In der Industrie ist weitgehend anerkannt, dass das FV 0,66 entsprechen muss, um einen guten Schablonendruck zu erhalten. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Transfereffizienz niedrig und fehlerhaft ist, wenn das FV < 0,66 ist.

Die Transfereffizienz, eine weitere wichtige Messgröße des Schablonendrucks, wird als das tatsächliche Volumen der Lötpastenablagerung geteilt durch das Volumen der Apertur definiert. Wie bereits erwähnt, ist das wichtigste Werkzeug zum Messen der Effizienz eines Schablonendruckverfahrens eine LPU-Maschine. LPU-Geräte können verwendet werden, um nicht ausreichende oder überschüssige Lötpastenablagerungen zu entdecken, und um zu bestimmen, ob sich die Lötpastenablagerung direkt auf dem PWB-Lotpad befindet.

Die LPU ermöglicht also, genaue Entscheidungen über das Volumen und die Position der Lötpastenablagerung zu treffen. Solche Daten können subjektive und möglicherweise fehlerhafte Entscheidungen vermeiden. Die LPU-Daten können den Verfahrensingenieuren außerdem auf Druckprobleme hinweisen, die andernfalls übersehen werden.

Abbildung 2

In Abbildung 2 sehen Sie ein Beispiel für Schablonendruckergebnisse. Es wurden drei unterschiedliche Lötpasten (Paste A, B und C) bei unterschiedlichen Aperturgrößen bewertet. Abbildung 2 konzentriert sich auf die Lötpastendruckablagerungen von 0402. Die auf der y-Achse gemessene Transfereffizienz ist in Volumenprozent angegeben, wodurch man ein Verhältnis erhält, welches das Volumen der Lötpastenablagerung dividiert durch das tatsächliche Volumen der Schablonenapertur vergleicht. Natürlich ist das Ziel 100 %, da dies bedeutet, dass die Lötpaste die Apertur vollständig ausfüllt und 100 % auf das PCB-Pad abgegeben wurden.

Wenn man einfach den Durchschnitt der obigen Daten nehmen würde, würde man sich vielleicht für Paste C entscheiden. Auch wenn das Volumen sicherlich wichtig ist, ist die Beständigkeit von Pad zu Pad ebenfalls entscheidend und wird häufig übersehen. Es sind zwei Grafiken dargestellt; die untere Grafik zeigt die Standardabweichung der Daten aus der Grafik darüber. Experten sagen, dass die Beständigkeit genau so wichtig für den Erfolg ist, wie das Erreichen des Ziels (Transfereffizienz von 100 % in diesem Fall). Eine Standardabweichung von 10 % oder weniger entspricht einem beständigen Verfahren. Natürlich kann ein Verfahren eine schlechte Beständigkeit aufweisen (noch immer weniger als 10 % Standardabweichung), jedoch eine sehr geringe Transfereffizienz besitzen. Beide Grafiken sind also unerlässlich. Falls Sie sich fragen, Paste A wäre in diesem Fall das Material der Wahl, da sie nahe am Ziel (100 % Transfereffizien) liegt und beständig ist (beinahe 5 % Standardabweichung in den meisten Fällen).

Warum ist die Beständigkeit wichtig? Vielleicht lässt sich dies anhand von ein paar Beispielen erklären. Erstens, bei separaten Komponenten tritt Tombstoning auf, wenn ein Kraftungleichgewicht an beiden Enden der Komponente besteht. Es gibt viele Gründe, weswegen es zu diesem Kraftungleichgewicht kommen kann, wie beispielsweise in diesem Fall, wenn auf einem Pad mehr Lötpaste aufgetragen wird als auf dem anderen. In solch einer Situation kommt es zu einem ungleichen Sog, da sich das Lot an der einen Seite mit mehr Kraft verbindet.

Das zweite Beispiel enthält eine BGA-Komponente. Stellen Sie sich eine Situation vor, in der drei Pads nacheinander in Reihe sind. Wenn die beiden äußeren Pads erheblich mehr Lötpastenauflagerung besitzen als das Pad in der Mitte, steigt  bei der mittleren Verbindung das Potential für einen offenen Defekt erheblich.

Lötpastenuntersuchungsgeräte spielen in unserer Firma eine große Rolle bei den Entwurfs- und Beurteilungsverfahren für Lötpasten. Sie sollten auch eine wichtige Rolle bei Ihrem SMT-Montageverfahren spielen.

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