Prozessoptimierung. Elektronik- SMD Herausforderung Materialverzug bei Leiterplatten und Schablonen

Speziell in der Leiterplattenfertigung sind in den letzten Jahren die Anforderungen an die Zulieferer in der Elektronik Supply Chain  enorm  gestiegen  –  und  der  Trend  hält  an.  Alles wird immer feiner und die elektronischen Bauelemente immer kleiner. Das bedeutet auch, dass  der  Platz  für  ein  Bauelement  auf  der  Platine  enger  wird  und  die Landeflächen  kleiner.  Im  Umkehrschluss  hat  das  zur  Folge,  dass  kleinste Ungenauigkeiten in der Leiterplattenproduktion, beim Bestücken und Verlöten der Elemente zu Fehlfunktionen der gesamten Schaltung führen können. 

SMD  (Surface  Mounted  Device)  Bauteile  werden  nicht  durch  vorgebohrte  Löcher auf  die  Leiterplatte  gesteckt  und  verlötet,  sondern  müssen  präzise  an  ihrem Bestimmungsort  platziert  und  verlötet  werden. Damit die Bauteile verarbeitet werden können, wird mithilfe einer Schablone Lötpaste auf die Leiterplatte gedruckt. Die Aussparungen der Schablone müssen hierfür präzise auf die Lotflächen der Leiterplatte passen.

„Die Weiterentwicklung und das Ausreizen der bestehenden Prozesse sowie die Suche nach Potentialen war ein aufwändiger Prozess, den wir  intensiv verfolgt haben. Letztendlich konnten wir in unserem Workflow eine gute Problemlösung anbieten.“ Michael Becker, einer der Geschäftsführer der Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH aus Steinach im Kinzigtal, beschreibt, was viele Kunden im ganzen Bundesgebiet von den Schwarzwäldern kennen. Michael Becker und sein Kompagnon Xaver Müller beobachten die Entwicklungen der Branche stets aufmerksam und ziehen den antizipierten technischen Entwicklungen mit eigenen Lösungsvorschlägen voraus.

Damit wird vermieden, an dem einen oder anderen Punkt der Entwicklung hinterher zu laufen und eventuell handlungsunfähig zu sein. Wobei auch an konkreten Kundenprojekten selbst reagiert wird. Das Unternehmen wurde  beispielsweise aktuell in ein Projekt einbezogen, in dem der Kunde mit der bestehenden Leiterplattenlieferantenbasis die neuen, engen Spezifikationsanforderungen nicht mehr erfüllen konnte. Der Prototypkunde forderte höhere Genauigkeit mit kleineren Toleranzen, wie sie von bisherigen Leiterplattenherstellern nicht erreichbar gewesen waren.

Da Becker & Müller schon im Vorfeld mit Investitionen und eigenen Testreihen die notwendigen Voraussetzungen geschaffen hatte, konnte zeitnah reagiert werden. Der technologisch größte Schritt war die strategische Investition in einen Direktbelichter. Die Layouts werden direkt auf das Trägermaterial aufgebracht und müssen nicht durch einen weiteren Zwischenschritt über einen Film übertragen werden, denn auch das Filmmaterial unterliegt Veränderungen. Dieser Teilschritt und die damit entstehenden Ungenauigkeiten können so eliminiert werden. Durch die direkte Belichtu

ng werden die Layouts wesentlich präziser auf die Materialien übertragen.

Ein wichtiger Schritt war daher die genaue Beobachtung und Analyse, wie die unterschiedlichen Basismaterialien der Leiterplatten unter thermischen Einflüssen reagieren, und wie damit umgegangen werden kann.

Da bei der Fertigung die Leiterplatten einige thermische Prozesse durchlaufen, sind Dimensionsänderungen des Basismaterials normal. Dieser Materialverzug ist nicht weiter störend, solang der Verzug die Fertigungsqualität bei der Bestückung nicht beeinträchtigt. Wenn aber auch nach bester Ausrichtung der Schablone zur Leiterplatte die äußeren SMD-Pads nur noch zur Hälfte deckend sind, wird ein zuverlässiger Druck nicht mehr möglich.

Eine Lösung bietet eine Größenanpassung (Skalierung) der Schablone. Das kann jedoch erst nach Fertigung der Leiterplatte durch präzise Vermessung erfolgen.   Bei der Fertigung von Schablonen selbst treten nur geringe Toleranzen auf, da diese keine thermischen Prozesse durchlaufen müssen –  sie sind nicht relevant.

Ein alternativer, neuer Ansatz ist es, die Leiterplatte Dimensionsgenau herzustellen. Durch intensive Weiterentwicklung und das Ausreizen der bestehenden Leiterplattenprozesse kann so der Verzug von Leiterplatten, die im Standardprozess bis zu +-100µ auf 250mm Länge liegen, wesentlich verbessert werden.

In einem konkreten Kundenprojekt musste der Verzug auf maximal +-25µ bei  dieser Leiterplattenlänge reduziert werden. Da die Verzüge durch die Beschaffenheit des Materials in x- und y-Richtung unterschiedlich sind, muss dies im Lösungsansatz,  wie  er  bei  Becker  &  Müller  verfolgt  wurde, berücksichtigt werden. Die Größe des Layouts wird für den Pastendruck an die thermischen  Eigenschaften des Leiterplattenmaterials  angepasst,  bzw.  skaliert. Natürlich  muss  auch  hier  an  die  korrekte  Ausrichtung  des  Materials  gedacht werden. In der Fertigung konnte auf diesem Weg eine Toleranz von unter +/- 25µ erreicht werden.

Durch  Veränderung  des  Prozesscontrollings  und  durch  Analysen  des  gesamten Prozesses  konnten  die  Paramater  sauber  und  exakt  bestimmt  werden.  Diese werden bei engen Spezifikationsanforderungen (kleiner den Standardtoleranzen) in den  Produktionsprozess  mit  eingeplant. Zum Prozess gehört die Sicherstellung,  dass  die Materialausrichtung immer gleich ist.  Dem anhaltenden Trend zu kleineren SMD Landeflächen,  der  generellen  Miniaturisierung  in  der  Elektronikfertigung  –  und somit  natürlich  der  engen  Toleranzen  in  der  Leiterplattenproduktion –  wird  so kompetent Rechnung getragen. Ein Faktor, der den Verantwortlichen bei Becker & Müller enorm wichtig ist  – und der bundesweit  zu dem innovativen Ruf geführt hat, den die Leiterplattenfertigung im Kinzigtal im Schwarzwald genießt.