Fragen und Antworten:
Wie funktioniert eigentlich… der Lotpastendruck?
Der Lotpastendruck gehört zu den zentralen Prozessen in der Elektronikfertigung. Er legt den Grundstein für Qualität – noch bevor das erste Bauteil bestückt oder gelötet ist.
Wie funktioniert der Lotpastendruck?
Anfang der 1980er Jahre verbreitete sich weltweit die Reflowlöttechnologie für Surface Mount Devices (SMD). Für die ganzheitliche Technologie entstanden in der Folge neue Bauelemente, Materialien und Fertigungsverfahren – wobei die Lotpaste eine Art von „Schlüsselmaterial“ darstellt. Sie wird mithilfe des sogenannten Pastendrucks auf die Leiterplatte aufgebracht. Anschließend befindet sich das Lot an den richtigen Stellen – also dort, wo Bauelement und Leiterplatte miteinander verbunden werden.
Foto: Während des Drucks rollt ein Rakel die Lotpaste über die Schablone.
Welche Materialien und Ausrüstungen kommen zum Einsatz?
1. Lotpaste
Die Lotpaste besitzt besondere Eigenschaften, die für den Druckprozess und das Reflowlöten unverzichtbar sind. Hierzu gehören unter anderem:
- Das Legierungsmetall: Die Legierung definiert den Schmelzpunkt und sorgt für die Zuverlässigkeit einer Lötstelle. Außerdem beeinflussen Korngröße, Geometrie und Verteilung der Metall-Körner das gesamte Druckverhalten. Der Metallgehalt ist entscheidend für das spätere Lotvolumen.
- Die chemische Formulierung: Sie prägt das Benetzungs- und Fließverhalten und verändert durch Rückstände (Residues) das Korrosionsverhalten der Baugruppe.
- Viskosität und Thixotropie: Sie bestimmen über das Verhältnis zwischen Druckverhalten und Stehvermögen der Paste – und damit über das Risiko des „Slumping“ (Auseinanderfließen).
- Die Klebkraft: Sie sorgt dafür, dass Bauelemente sicher auf den Pastendepots haften – eine Grundvoraussetzung für die SMD-Bestückung.
Foto: Lotkörner unter dem Mikroskop
2. Schablone oder Sieb
Grundsätzlich kommt eine Schablone oder ein Sieb zum Einsatz. Ersteres besteht aus einem dünnen Metallblech – zumeist aus Edelstahl – mit einer Vielzahl von Öffnungen (Aperturen), durch die Lotpaste hindurch gedrückt wird. Im Unterschied dazu besteht das Sieb aus einem Draht- oder Polymergeflecht – inklusive einer Kunststoffmaske mit Aperturen. In der Reflowlöttechnologie haben sich Metallschablonen durchgesetzt, da sie für höchste Präzision (etwa im Fine-Pitch-Bereich) sorgen. Siebe finden vor allem dort Anwendung, wo große Pastenmengen übertragen werden – etwa bei Solarzellen.
Foto: Eine Schablone von Kraus Hardware
3. Equipment
Je nach Produktionsvolumen kommen Offline- oder Inline-Drucksysteme zum Einsatz. Bei Kraus Hardware ist ein ERSA VERSAPRINT-MP‑1 System im Einsatz. Es verfügt über eine integrierte 2D-Pasteninspektion (SPI), das standardmäßig zum Einsatz kommt. Zudem verfügt das Unternehmen über das 3D-SPI-Offline-System – für besondere Härtefälle. Es ermöglicht die Früherkennung von Fehldrucken und verbessert den First Pass Yield (FPY) signifikant.
Ein weiterer Qualitätsfaktor bei Kraus Hardware ist die automatische Schablonenreinigung im Drucksystem: Pastenreste in den Aperturen und auf der Oberfläche der Schablone werden regelmäßig mit chemischen Lösemitteln und Reinigungstüchern entfernt. Dabei erfolgt der Prozess zyklisch oder am Ende der Bestückung, so dass stets saubere Schablonen für den nächsten Auftrag bereitstehen.
Foto: Das ERSA VERSAPRINT MP-S1 von Kraus Hardware im Einsatz
Wie läuft der Prozess ab?
Zunächst spannt man die Schablone im Drucksystem ein und richtet sie exakt zur Leiterplatte aus. Dafür gibt es in den Anlagen unterschiedliche Hilfesysteme. Außerdem wird die Lotpaste sorgfältig aufbereitet bzw. geschmeidig gerührt, um eine homogene Konsistenz zu gewährleisten. Anschließend kann man sie manuell auftragen – wobei je nach Drucksystem auch Kartuschen zum Einsatz kommen.
Während des Drucks rollt ein Rakel die Lotpaste über die Schablone. Das sorgt einerseits für die gleichmäßige Durchmischung der Paste und andererseits für ein vollständiges Füllen der Aperturen. Interessant dabei: Auch die runde Geometrie der Lotpasten-Körner unterstützt diesen Vorgang – wobei es darum geht, die Paste nicht über die Schablone zu „schieben“. Darüber hinaus beeinflussen Parameter wie Rakelkraft und ‑winkel, Druckgeschwindigkeit sowie Abheb- und Trenngeschwindigkeit das Ergebnis. Außerdem wichtig: Die Schablone liegt plan auf der Leiterplatte, was eine perfekte Abdichtung zwischen Pad und Apertur gewährleistet.
Nach dem Druck hebt die Schablone von der Leiterplatte ab, wobei sich die Lotpaste aus den Aperturen löst. Die bedruckte Leiterplatte verlässt das Drucknest, eine unbedruckte Leiterplatte fährt automatisch ein und der Druckprozess beginnt von Neuem.
Foto: Perfekt bedrucktes BGA-Layout
Welchen Einfluss hat der Lotpastendruck auf die Qualität der Baugruppe?
Der Einfluss ist groß – schließlich stellt die Lotpaste das wesentliche Verbindungselement (Lot) zur Verfügung. Und das heißt im Umkehrschluss: Unzureichende oder übermäßige Lotmengen haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Baugruppe. Übrigens sollte man an dieser Stelle die Lotpaste nicht mit dem festen Lot verwechseln, da sie einen großen Volumenanteil an Chemie enthält (bis zu 50 %). Das homogene Lotmetallvolumen entsteht also erst durch den Reflowlötprozess!
Im Übrigen betrifft der simultane Lotpastendruck stets die gesamte Leiterplatte bzw. den Leiterplatten-Nutzen. Deshalb wirken sich kleine Fehler (etwa nicht vorhandenes Lotpastendeposit wegen eines mangelhaften Pasten-Auslöseprozesses) global aus. Typische Fehlerbilder sind dabei:
- Nichtlötungen (opens) aufgrund eines fehlendes Lotpastendepot
- Unterbelotungen (less solder) wegen eines mangelhaften Rakeldrucks und unzureichenden Lotpastendepots
- Lotbrücken (bridges) wegen des mangelhaften Rakeldrucks (dog tails), bei Versatz oder durch eine verschmierte Lotpaste
- Lotperlen (solder balls) bei verschmierter Lotpaste
Foto: Verschmierte Lotpaste
Gibt es Alternativen zum Lotpastendruck?
Es gibt andere Verfahren für den Lotpastentransfer. Dazu gehören das Dispensen und das Jetten. Als hochproduktives simultanes Verfahren dominiert der Schablonendruck aber weltweit im Markt.
Foto: Eine weitere Schablone von Kraus Hardware