SMD-Schablonen für die Leiterplattenbestückung
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Übersicht
Um Lotdepots mit einer Paste auf die blanke Leiterplattenoberfläche aufzubringen sind Schablonen mit entsprechenden Öffnungen notwendig. Größe der Öffnungen ( Aperturöffnungen ) und Dicke der Schablonen bestimmen dabei die Menge und die Form der aufgebrachten Lotpaste. Eine Reproduzierbarkeit des Druckes und eine gute Reinigung der Schablone muss gewährleistet sein. Anfänge der Schablonentechnik findet man bereits vor vielen Jahren bei der Herstellung von Dickfilm-Schaltungen. Für die Bestückung von Baugruppen wurde diese Technologie durch die Einführung der ersten SMD-Bauteile erforderlich. Bis heute sind die Treiber der Entwicklung der Schablonenherstellung die immer kleiner werdenden Bauteile mit immer größerer Anzahl von Anschlussstellen und die immer komplexer werdenden Struktur auf den Leiterplatten.
Schablonenarten
Für den heutigen Stand der Technik der SMD-Bauelemente hat die Siebdruckschablone für die Aufbringung der Pastendepots keine große Bedeutung mehr. Abgelöst wurde sie durch die Metallschablonen, die durch immer bessere Herstellungsverfahren den genauer werdenden Auftrag und die Formstabilität der Lotdepots für die kleinen Leiterbahnabstände und -breiten und den vielpoligen Bauteilen Rechnung tragen. Auch die Umstellung auf bleifreie Pastenlegierungen hat wesentlich zur Weiterentwicklung beigetragen. Zur Aufnahme der Schablonen sind je nach Verwendungsart verschiedene Möglichkeiten gegeben, feste Rahmen oder auch Schnellspannsysteme. Bei den Metallschablonen werden hauptsächlich vier Fertigungsverfahren angewendet.
Bohrschablone
Hierbei wurden die Aperturöffnungen durch Bohrtechnik in den Schablonenblechen erzeugt. Sie findet in der heutigen Verfahrenstechnik kaum mehr Anwendung.
Ätzschablone
Hierbei handelt es sich um ein älteres Verfahren. Wie in der Siebdrucktechnik werden photoempfindliche Aufträge verwendet. Nach dem Entwickeln werden, wie in der Leiterplattenfertigung üblich, die Öffnungen herausgeätzt. Die Rauhigkeiten an den Kanten und die unscharfe Konturen der Öffnungen führen zu einer heute nur noch sehr geringen Anwendung.
Galvanotechnisch hergestellte Schablone
Auch in dieser Technik wird ein photosensibler Lack verwendet, der auf ein Trägermaterial aufgetragen und entsprechend den Öffnungen für die Lötdepots belichtet wird. Nach dem Entwickeln bleiben die Aperturen auf dem Träger. Auf den freien Flächen wird Nickel abgeschieden und die dann fertige Schablone wird vom Trägermaterial getrennt. Trotz des Vorteil von glatten Wänden der Öffnungen hat dieses Verfahren hat als Nachteil sehr hohe Fertigungskosten.
Laserschablone
Die Öffnungen im Schablonenmaterial werden dabei durch einen Laservorgang hergestellt. An das Material werden vielfältige Anforderungen, wie definierte Dicken, niedrige Kantenrauhigkeit und große Planarität, gestellt. Edelstahl hat sich hier als gut geeignet erwiesen. Beim Laservorgang entsteht eine Trapezform der Öffnung, die das Abheben der Schablone erleichtert und zur Formstabilität des Lotdepots beiträgt. Eine Nachbehandlung der Kanten durch Anschleifen oder Elektropolieren ist für die Qualität des Druckes notwendig.
Stufenschablone
Eine Sonderausführung in der Schablonenherstellung ist die Stufenschablone, die bei Baugruppen mit Mischbestückung und unterschiedlich großen Bauteilen Anwendung findet. Die Stufen in der Schablone werden durch Abätzen der Metallschicht oder durch Aufkupfern an den entsprechenden Stellen erreicht. Eine Beachtung der Designregeln ist hier dringend notwendig.
Spezifikationen
Bei der Herstellung sind für die Padlayouts (Aperturöffnungen) sind feste Regeln zu beachten. Vorrangig die Dicke der Schablone, unterschiedliche Ausführungsformen für besonders große Pads und Maßnahmen für die Vermeidung von Kurzschlüssen bei kleine Abständen auf der Leiterplatte,ist besondere Beachtung zu schenken. Die Empfehlungen für die Designrichtlinien der Aperturen sind mit den Herstellerfirmen der Schablonen abzustimmen, um eine gute Qualität des Druckes zu erreichen.
Andere Anwendungen und neue Technologien
Für die Aufbringung von Klebepunkten für die Befestigung von Bauteilen, zum Aufbringen von Leitkleber oder Wärmeleitpaste bieten sich ebenfalls Schablonen an. Als weiter Hilfen sind Lötmasken und Aufnahmerahmen für Baugruppen während des Lötprozesses in der Produktion zu finden.
Seit kurzer Zeit sind zur Verbesserung der Eigenschaften der Schablonen und damit ein Beitrag zur Erhöhung der Qualität nanobeschichtete Schablonen am Markt. Diese fördern ein leichteres und sauberes Ablöseverhalten der Lotpasten und gewährleisten damit eine gute Reinigung der gesamten Schablone. Einen Vertiefung des Themas bringen zwei Artikel in der PLUS,
- Qualifizierung des Schablonendruckes unter Verwendung nanobeschichteter Schablonen
- Nanobeschichtete Schablonen mit Anti-Haft-Wirkung
Unter dem Begriff Microstencil-Sercive werden Laserschablonen für besonders kleine Strukturen angeboten. Durch Nachprüfen mit einem Messmikroskop werden hohe Genauigkeiten erreicht, um diese Schablonen zum Bumping von Bauelementen und zum Rework von BGA-Bauteilen einzusetzen.
Über die Schwierigkeiten bei SMD-Schablonen für die heutigen Miniaturbauteile berichtet die SMT-Global in einem interessanten Artikel.
Weitere Informationen
Bericht der Regionalgruppe Berlin vom 22.04.2008 mit Link zu den Vortragsfolien über SMD-Schablonen.
"Schablonentechnik für den Lotpastendruck" Arbeitspapier aus der Projektgruppe "Design" im FED
Bericht über Nanobeschichtete Schablonen in der PLUS Heft 6/2008, Seite 1196 und folgende.
IPC-7526 – Kostenlos herunterladen
In der deutschen Übersetzung der IPC-7525A (Designrichtlinie für Druckschablonen) wird als mitgeltende Richtlinie für die Reinigung von Schablonen und Fehldrucken auf Leiterplatten die IPC-7526 (Stencil and Misprinted Board Cleaning Handbook) genannt. Diese Richtlinie wurde vom IPC nicht als käuflich erwerbbare Richtlinie publiziert und kann kostenlos von der IPC-Internetseite herunter geladen werden. Eine deutsche Übersetzung ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht geplant.
In einem Artikel der SMT-Global sind interessante Hinweise zum Druck von Lotpasten und die auftretenden Fehler zu finden.
Artikel in der Elektronikpraxis berichten über "Typische Fehlerquellen im Druckprozess" und über "Kritische Prozessschritte beim Lotpastendruck". Weitergehende Links sind angegeben.
Vortragsfolien von Harald Grumm, Firma Christian Koenen GmbH, über das Thema Kostenreduzierung_durch_moderne_Schablonentechnik können hier eingesehen und heruntergeladen werden. Ferner wird in zwei weiteren Folienvorträgen über das Thema Plamaschablonen informiert, 1. Die Technologie der Plasmaschablone und 2.Die Plasmaschablone in der Praxis
