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Bewerten Sie das Risiko des Lotpastendrucks vor dem Zusammenbau, indem Sie das Flächenverhältnis der Schablonenöffnungen überprüfen, die Pastenpartikelgröße anhand der kleinsten Öffnungen überprüfen, bestätigen, dass die Schablonendicke mit dem Komponentenabstand übereinstimmt, und SPI-Schwellenwerte festlegen, die Volumen und Volumen erfassen. Höhenabweichungen. Diese vier Prüfungen verhindern die meisten Reflow-Fehler, bevor sie auftreten.
Warum der Lotpastendruck die Baugruppenausbeute bestimmt
Der Lötpastendruck ist der Schritt mit der größten Hebelwirkung in PCBA, da er direkt das auf jedem Pad aufgetragene Lotvolumen steuert. Im Gegensatz zur Komponentenplatzierung oder zum Reflow, mit denen geringfügige Abweichungen ausgeglichen werden können, breiten sich Fehler beim Pastenauftrag über den gesamten Montageprozess aus. Ein Pad mit zu wenig Paste führt nach dem Reflow zu einer kalten oder offenen Verbindung. Ein Pad mit überschüssiger Paste kann eine Brücke zu einem benachbarten Pad bilden und so einen Kurzschluss verursachen, der ohne Röntgenuntersuchung möglicherweise nicht sichtbar ist.
Der Druckprozess umfasst drei interagierende Variablen: das Schablonendesign, die Pasteneigenschaften und die Druckereinstellungen. Jede Variable muss vor Produktionsbeginn ausgewertet werden. Die Kosten für die Entdeckung eines pastenbedingten Defekts während der Montage sind deutlich höher als für die Erkennung bei der Überprüfung des Schablonendesigns. Nacharbeiten an einer vollständig bestückten Platine erfordern das Entfernen von Komponenten, das Reinigen, das erneute Einfügen und das Aufschmelzen, wodurch die Gefahr einer Beschädigung benachbarter Komponenten und des PCB selbst besteht.
Für eine typische Mixed-Technology-Platine mit Fine-Pitch-QFNs und größeren diskreten Elementen muss der Pastendruckprozess widersprüchliche Anforderungen erfüllen. Fine-Pitch-Komponenten benötigen dünne Schablonen, um Lötbrücken zu verhindern, während große Wärmeleitpads dicke Schablonen benötigen, um ein ausreichendes Lotvolumen für die Wärmeableitung zu gewährleisten. Die Lösung dieses Konflikts erfordert ein sorgfältiges Schablonendesign und in einigen Fällen den Einsatz von Stufenschablonen.
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Designregeln für Schablonenöffnungen, die Fehler verhindern
Flächenverhältnis und Seitenverhältnis
Der wichtigste Parameter des Schablonendesigns ist das Flächenverhältnis, also die Fläche der Aperturwand dividiert durch die Fläche der Aperturöffnung. Für eine rechteckige Apertur wird das Flächenverhältnis wie folgt berechnet:
Flächenverhältnis = (L × B) / (2 × (L + B) × T)
Dabei ist L die Länge der Öffnung, W die Breite der Öffnung und T die Dicke der Schablone.
Als Faustregel gilt in der Branche, dass das Flächenverhältnis für eine zuverlässige Pastenabgabe größer als 0,66 sein muss. Unterhalb dieses Wertes neigt die Paste dazu, an den Öffnungswänden zu haften, anstatt auf das Pad zu übertragen. Bei kreisförmigen Öffnungen sollte das Seitenverhältnis (Öffnungsdurchmesser dividiert durch Schablonendicke) größer als 1,5 sein.
Wenn das Flächenverhältnis unter 0,66 fällt, sinkt die Effizienz der Pastenübertragung dramatisch. Dies bedeutet, dass das aufgetragene Pastenvolumen stets geringer ist als das Öffnungsvolumen, was zu unzureichenden Lötstellen führt. Das Problem verschlimmert sich bei Komponenten mit feinerem Rastermaß, da die Öffnungsabmessungen kleiner werden, während die Schablonendicke konstant bleibt.
Aperture Wall-Qualität
Die Öffnungswände müssen glatt und gerade sein. Lasergeschnittene Schablonen mit Elektropolierung erzielen die besten Ergebnisse. Durch das Elektropolieren werden die durch den Laserschneidprozess entstandenen rauen Kanten und Mikrograte entfernt, wodurch das Anhaften der Paste an den Wänden verringert wird. Eine raue Öffnungswand vergrößert die Oberfläche für die Pastenhaftung und verringert die Übertragungseffizienz.
Bei feinen Öffnungen mit einem Abstand von weniger als 0,5 mm ist die Wandbeschaffenheit von entscheidender Bedeutung. Ein Grat oder eine raue Stelle an der Wand kann den Pastenfluss vollständig blockieren oder zu einer ungleichmäßigen Ablagerung führen. Wenn Sie einen Schablonenlieferanten bewerten, fragen Sie nach den Elektropolierspezifikationen und überprüfen Sie die Wandbeschaffenheit mit einem Mikroskop am ersten Artikel.
Änderungen der Blendenform
Bei Öffnungen mit Flächenverhältnissen unter dem empfohlenen Schwellenwert können Schablonendesigner die Öffnungsform ändern, um die Pastenabgabe zu verbessern. Zu den üblichen Modifikationen gehören:
- Verrundungsformung: Abrunden der Ecken der Öffnung, um scharfe Kanten zu reduzieren, an denen Paste haften kann
- Konische Wände: Erzeugt eine leichte Verjüngung, sodass die Öffnung auf der Rakelseite größer ist als auf der Pad-Seite
- Step-Down-Schablonen: Reduzierung der Schablonendicke in bestimmten Bereichen, um das Flächenverhältnis für Fine-Pitch-Komponenten zu verbessern
Diese Modifikationen müssen sorgfältig bewertet werden, da sie das aufgetragene Pastenvolumen verändern. Eine Kehlform reduziert das Öffnungsvolumen, was für kleine Komponenten akzeptabel sein kann, bei größeren Pads jedoch zu unzureichendem Lot führen kann.
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Einfügeauswahl und ihre Auswirkung auf das Druckrisiko
Partikelgrößenklassifizierung
Lotpaste wird gemäß der Norm IPC J-STD-005 nach Partikelgröße klassifiziert. Paste vom Typ 3 hat Partikelgrößen im Bereich von 25 bis 45 Mikrometer, während Typ 4 im Bereich von 20 bis 38 Mikrometer und Typ 5 im Bereich von 15 bis 25 Mikrometer liegt. Die Partikelgröße muss auf die kleinste Öffnung der Schablone abgestimmt sein.
Als Faustregel gilt, dass mindestens fünf Lotpartikel über die Öffnungsbreite passen sollten. Für einen QFN mit einem Rastermaß von 0,4 mm und einer quadratischen Öffnung von 0,2 mm ist Paste vom Typ 4 oder Typ 5 erforderlich. Bei der Verwendung von Paste vom Typ 3 besteht bei dieser Anwendung die Gefahr einer Verstopfung der Öffnungen und einer inkonsistenten Pastenablagerung.
Allerdings haben feinere Partikelgrößen einen Nachteil. Sie haben ein höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was bedeutet, dass sie schneller oxidieren und mehr Flussmittel benötigen, um die gleiche Benetzungsleistung zu erzielen. Die Paste hat außerdem eine kürzere Lebensdauer der Schablone und erfordert häufigere Kontrollen der Druckqualität.
Legierungsauswahl und Reflow-Kompatibilität
Die Lotlegierung muss zum Reflow-Profil und den thermischen Anforderungen des Bauteils passen. Standard-SAC305 (96,5 % Zinn, 3 % Silber, 0,5 % Kupfer) hat einen Schmelzpunkt um 217 °C und eignet sich gut für die meisten Anwendungen. Bei wärmeempfindlichen Bauteilen oder Substraten können jedoch Niedertemperaturlegierungen wie SAC305 mit Wismutzusätzen die Spitzentemperatur beim Reflow-Löten senken.
Die Wahl der Legierung beeinflusst die Rheologie der Paste. Niedertemperaturlegierungen mit Wismut sind tendenziell viskoser und erfordern möglicherweise andere Druckereinstellungen. Bei einem Legierungswechsel muss der Druckprozess mit einem Erstmusterlauf erneut validiert werden.
Lagerung und Handhabung von Paste
Lotpaste ist ein verderbliches Material. Es muss gekühlt bei der vom Hersteller angegebenen Temperatur gelagert werden, typischerweise zwischen 2 °C und 10 °C. Vor der Verwendung muss die Paste auf Raumtemperatur gebracht werden, um Kondensation zu verhindern, die zu Lotklumpen und Hohlräumen führen kann.
Bei ordnungsgemäßer Lagerung beträgt die Haltbarkeitsdauer der Paste in der Regel sechs Monate ab Herstellungsdatum. Nach dem Öffnen beträgt die Haltbarkeit der Paste je nach Sorte und Umgebungsbedingungen 8 bis 12 Stunden. Die Verwendung abgelaufener oder unsachgemäß gehandhabter Paste birgt Risiken, die durch eine visuelle Inspektion allein nicht erkannt werden können.
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Druckerparameter und Prozesssteuerung
Rakeldruck und -geschwindigkeit
Der Rakeldruck bestimmt, wie gut die Paste in die Öffnungen gedrückt wird. Zu geringer Druck führt zu einer unvollständigen Pastenfüllung, während zu viel Druck dazu führen kann, dass Paste aus feinen Öffnungen herausgeschöpft wird oder dass Paste unter der Schablone ausläuft. Der optimale Druck hängt von der Rakelhärte, der Pastenviskosität und dem Schablonendesign ab.
Bei Metallrakeln wird der Druck typischerweise zwischen 6 und 10 kg eingestellt. Bei Polyurethan-Rakeln ist der Druck geringer, etwa 4 bis 6 kg. Die Rakelgeschwindigkeit liegt typischerweise zwischen 20 und 80 mm pro Sekunde. Bei langsameren Geschwindigkeiten hat die Paste mehr Zeit, die Öffnungen zu füllen, was bei Fine-Pitch-Komponenten von Vorteil ist.
Trenngeschwindigkeit
Die Trenngeschwindigkeit, auch Abbruchgeschwindigkeit genannt, steuert, wie schnell sich die Schablone nach dem Drucken vom PCB abhebt. Eine langsame Trenngeschwindigkeit ermöglicht ein sauberes Ablösen der Paste von den Öffnungswänden. Die empfohlene Trenngeschwindigkeit beträgt typischerweise 1 bis 3 mm pro Sekunde.
Wenn die Trenngeschwindigkeit zu hoch ist, kann die Paste Spitzen bilden oder Ablagerungen auf der Unterseite der Schablone hinterlassen, was beim nächsten Druck zu einem Verschmieren führt. Dieser Fehler ist besonders problematisch für Fine-Pitch-Komponenten, bei denen die Pastenvolumentoleranz eng ist.
Reinigung unter der Schablone
Die Unterschablonenreinigung (USC) entfernt Pastenrückstände von der Unterseite der Schablone zwischen den Drucken. Die Reinigungshäufigkeit hängt vom Pastentyp, der Lochdichte und den Umgebungsbedingungen ab. Ein typischer Reinigungszyklus findet alle 5 bis 10 Drucke statt, wobei ein trockenes Abwischen und anschließend ein Abwischen mit einem Staubsauger oder Lösungsmittel erfolgt.
Unzureichende Reinigung führt zu Pastenansammlungen auf der Schablonenunterseite, was zu Verschmierungen und Lotkugeln auf dem PCB führt. Das Reinigungspapier und das Lösungsmittel müssen mit der Pastenchemie kompatibel sein, um eine Kontamination zu vermeiden.
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SPI-Schwellenwerte und Inspektionsstrategie
Volumen- und Höhengrenzen festlegen
Systeme zur Lotpasteninspektion (SPI) messen das Volumen, die Höhe und die Fläche jeder Pastenablagerung. Die SPI-Schwellenwerte müssen basierend auf den Komponentenanforderungen und der Prozessfähigkeit festgelegt werden. Bei Fine-Pitch-Komponenten beträgt die Volumentoleranz typischerweise ±30 % des Nennwerts. Bei größeren Bauteilen sind ±50 % akzeptabel.
Die Höhenmessung ist wichtig, da sie mit dem Risiko einer Lötbrückenbildung korreliert. Ein zu hoher Pastenauftrag kann beim Reflow das angrenzende Pad berühren und einen Kurzschluss verursachen. Der Höhenschwellenwert sollte basierend auf dem Komponentenabstand und dem Pad-Abstand festgelegt werden.
SPI-Abdeckung und Sampling
SPI-Systeme können 100 % der Pastenablagerungen auf einer Platine prüfen, was jedoch die Zykluszeit und die Kosten erhöht. Für die Massenproduktion kann eine Stichprobenstrategie verwendet werden, bei der eine Teilmenge der Platinen aus jedem Produktionslauf geprüft wird. Bei neuen Produkten oder wenn der Prozess noch nicht stabil ist, empfiehlt sich jedoch eine 100%-Prüfung.
Die SPI-Daten sollten auf Trends analysiert werden, nicht nur auf Pass/Fail-Ergebnisse. Eine allmähliche Verschiebung des Pastenvolumens in Richtung der Ober- oder Untergrenze weist auf eine Prozessdrift hin, die schließlich zu Fehlern führt. Für die kritischen Komponenten sollten Kontrollkarten geführt werden.
Korrelation mit Reflow-Defekten
SPI-Daten sind nur dann nützlich, wenn sie mit den Reflow-Ergebnissen korrelieren. Ein Pastenauftrag, der den SPI besteht, aber nach dem Reflow fehlschlägt, weist auf ein Problem mit dem Reflow-Profil oder der Komponentenplatzierung hin, nicht mit dem Druckprozess. Die SPI-Schwellenwerte sollten durch Vergleich der SPI-Ergebnisse mit den Röntgen- oder AOI-Ergebnissen derselben Platinen validiert werden.
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Erstmusterprüfung vor der vollständigen Produktion
Überprüfung der Schablonenabmessungen
Vor dem ersten Produktionslauf muss die Schablone anhand der Gerber-Dateien überprüft werden. Die Abmessungen, Positionen und Schablonendicken der Öffnungen sollten gemessen und mit den Designdaten verglichen werden. Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) oder ein Bildverarbeitungssystem können diese Überprüfung durchführen.
Die Toleranz der Aperturposition beträgt typischerweise ±25 Mikrometer für Fine-Pitch-Komponenten. Eine falsch ausgerichtete Öffnung kann dazu führen, dass sich die Paste außermittig ablagert, was zu Lötbrücken oder unzureichender Benetzung führt. Auch die Spannung des Schablonenrahmens sollte überprüft werden, da eine unzureichende Spannung dazu führen kann, dass die Schablone beim Drucken durchhängt und sich falsch ausrichtet.
Erstartikeldruck und Reflow
Ein Druck des ersten Artikels sollte auf einem leeren PCB durchgeführt werden, gefolgt von einer SPI-Inspektion aller Pastenablagerungen. Die SPI-Ergebnisse sollten mit den erwarteten Werten für jeden Komponententyp verglichen werden. Eventuelle Ablagerungen außerhalb der Spezifikationsgrenzen sollten vor dem Fortfahren untersucht werden.
Nach dem Druck des ersten Artikels sollte ein vollständiger Montagelauf mit Komponenten und Reflow durchgeführt werden. Die bestückten Platinen sollten mit AOI und Röntgen untersucht werden, um die Qualität der Lötverbindung zu überprüfen. Dadurch wird der gesamte Prozess validiert, einschließlich des Pastendrucks, der Komponentenplatzierung und des Reflow-Profils.
Prozessfähigkeitsbewertung
Die Erstartikeldaten sollten zur Berechnung des Prozessfähigkeitsindex (Cpk) für die kritischen Pastenablagerungen verwendet werden. Ein Cpk-Wert von 1,33 oder höher ist im Allgemeinen akzeptabel, während ein Cpk-Wert unter 1,0 darauf hinweist, dass der Prozess die Spezifikationen nicht erfüllen kann. Wenn der Cpk niedrig ist, müssen das Schablonendesign, die Pastenauswahl oder die Druckerparameter vor der vollständigen Produktion angepasst werden.
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Häufige Fehler bei der Risikobewertung des Pastendrucks
Ignorieren der kleinsten Blende
Der häufigste Fehler besteht darin, sich auf die durchschnittliche Blendengröße zu konzentrieren und dabei die kleinsten Blenden auf der Platine zu ignorieren. Bei den kleinsten Öffnungen besteht die größte Wahrscheinlichkeit, dass sie versagen, und sie bestimmen die Anforderungen an den Pastentyp und die Schablonendicke. Eine Platine mit meist großen Öffnungen, aber wenigen Fine-Pitch-Komponenten erfordert den gleichen Pastentyp wie eine Platine mit allen Fine-Pitch-Komponenten.
Verwendung einer Standard-Schablonenstärke
Viele Hersteller verwenden für alle Produkte eine Standard-Schablonenstärke von 0,1 mm oder 0,125 mm. Dieser Ansatz schlägt fehl, wenn die Platine eine Mischung aus Fine-Pitch- und großen Komponenten enthält. Um den widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, kann eine Stufenschablone oder eine andere Schablonenstärke erforderlich sein.
Die Pastenübertragungseffizienz wird außer Acht gelassen
Bei der Berechnung des Flächenverhältnisses wird von einer idealen Pastenabgabe ausgegangen, die tatsächliche Übertragungseffizienz hängt jedoch von der Rheologie der Paste, der Oberflächenbeschaffenheit der Öffnungswand und den Druckereinstellungen ab. Ein Entwurf, der die Berechnung des Flächenverhältnisses besteht, kann dennoch in der Produktion scheitern, wenn der Prozess nicht optimiert ist. Zur Bestätigung der tatsächlichen Übertragungseffizienz ist die Erstmusterprüfung unerlässlich.
SPI-Schwellenwerte sind zu locker eingestellt
Zu lockere SPI-Schwellenwerte lassen geringfügige Pastenablagerungen passieren, was zu zeitweiligen Ausfällen im Feld führen kann. Die Schwellenwerte sollten auf den Komponentenanforderungen und der Prozessfähigkeit basieren, nicht auf den Standardeinstellungen des SPI-Systems.
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Praxisbeispiel: 0,4 mm Pitch QFN Auswertung
Betrachten Sie eine Platine mit einem Rastermaß von 0,4 mm QFN, einem Rastermaß von 0,5 mm BGA und mehreren diskreten 0603-Bauteilen. Der QFN hat quadratische Öffnungen von 0,2 mm und der BGA hat runde Öffnungen von 0,25 mm.
Für die QFN Öffnungen mit einer Schablonendicke von 0,1 mm beträgt das Flächenverhältnis:
Flächenverhältnis = (0,2 × 0,2) / (2 × (0,2 + 0,2) × 0,1) = 0,04 / 0,08 = 0,5
Dieses Flächenverhältnis liegt unter dem empfohlenen Wert von 0,66, was auf ein hohes Risiko einer unzureichenden Pastenübertragung hinweist. Zu den Optionen zur Verbesserung des Flächenverhältnisses gehören:
- Reduzierung der Schablonendicke auf 0,08 mm, was ein Flächenverhältnis von 0,625 ergibt
- Verwendung einer Stufenschablone mit dünnerem Abschnitt für den Bereich QFN
- Ändern der Blendenform mit Verrundungen
Für die Pastenauswahl erfordert die 0,2-mm-Apertur Paste vom Typ 4 oder Typ 5. Paste vom Typ 3 hätte Partikel, die für eine zuverlässige Abfüllung zu groß wären.
Die SPI-Schwellenwerte für den QFN sollten auf ±30 % für das Volumen und eine maximale Höhe eingestellt werden, die eine Überbrückung verhindert. Für BGA und diskrete Einheiten kann eine Volumentoleranz von ±50 % verwendet werden.
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Wann ist der Hersteller einzubeziehen?
Der PCB-Hersteller und der Baugruppenhersteller sollten frühzeitig in den Entwurfsprozess einbezogen werden, nicht erst, nachdem der Entwurf abgeschlossen ist. Der Hersteller kann Feedback zum Schablonendesign, zur Pastenauswahl und zu den Prozessfähigkeiten geben. Sie können auch potenzielle Probleme mit dem Platinendesign erkennen, z. B. zu kleine oder zu nahe beieinander liegende Pad-Größen.
Bei komplexen Platinen mit Fine-Pitch-Komponenten sollte eine Überprüfung des Entwurfs auf Herstellbarkeit (DFM) durchgeführt werden, bevor die Platine für die Produktion freigegeben wird. Die DFM-Überprüfung sollte das Schablonendesign, den Pastendruckprozess und das Reflow-Profil umfassen. Durch diese Überprüfung können kostspielige Nacharbeiten und Verzögerungen vermieden werden.
Entsprechende Bewertungen sollten auch berücksichtigen, wie der Pastendruckprozess mit anderen Montagerisiken interagiert. Beispielsweise behandelt der Artikel How to Evaluate SMT Assembly Risk from FOPLP and Thermal Processing Trends Überlegungen zur thermischen Verarbeitung, die sich auf die Pastenauswahl auswirken. Im Artikel „So bewerten Sie das SMT-Montagerisiko anhand von Fertigungskapazität und Schablonentrends“ wird erläutert, wie sich die Fertigungskapazität auf die Wahl des Schablonendesigns auswirkt.
Der Artikel So bewerten Sie IMS PCB und PCBA Lieferantenübergaberisiko vor der Montage befasst sich mit Kommunikationsproblemen mit Lieferanten, die sich auf die Pastendruckqualität auswirken können. Der Artikel How to Evaluate SMT Assembly Risk from CEO and REACH Trends befasst sich mit Material-Compliance-Problemen, die Pastenformulierungen einschränken können. Abschließend wird im Artikel So bewerten Sie das Montagerisiko von SMT anhand von Herstellungs- und Beschaffungstrends bei PCB erläutert, wie sich die Oberflächenbeschaffenheit von PCB auf die Benetzung und den Druck der Paste auswirkt.
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Praktische Empfehlungen zur Risikominderung
> Rule of thumb: If the smallest aperture on your stencil has an area ratio below 0.66, do not proceed with production until you have addressed the design. This single check catches most paste printing failures before they occur.
Die folgenden Maßnahmen sollten bei jeder neuen Produkteinführung ergriffen werden:
1. Calculate the area ratio for the smallest aperture on each component type 2. Select the paste type based on the smallest aperture 3. Verify the stencil dimensions against the Gerber files 4. Perform a first-article print and SPI inspection 5. Validate the SPI thresholds against reflow results 6. Maintain control charts for the critical paste deposits
Diese Schritte nehmen Zeit in Anspruch und erhöhen die Kosten für den Produkteinführungsprozess, sie sind jedoch deutlich kostengünstiger als die Überarbeitung einer defekten Platine oder die Behebung von Feldausfällen. Der Pastendruckprozess ist die Grundlage für die Qualität der Montage und verdient die gleiche Aufmerksamkeit wie die Komponentenplatzierung und die Reflow-Prozesse.
Wenn Sie mit einem EMS-Anbieter wie Omini zusammenarbeiten, stellen Sie ihm die Schablonendesigndateien und die SPI-Daten aus dem ersten Artikel zur Verfügung. Mithilfe dieser Informationen kann der Hersteller den Prozess optimieren und potenzielle Probleme erkennen, bevor sie zu Mängeln werden. Ein kollaborativer Ansatz zur Risikobewertung des Pastendrucks führt zu den besten Ergebnissen sowohl für das Designteam als auch für das Fertigungsteam.
> Engineering handoff note: How to Evaluate SMT Assembly Risk from Manufacturing Capacity and Stencil Trends before the release package is frozen.