Zuerst das Ergebnis: Im mikroelektronischen Maßstab ändert der Druckfehler seinen Charakter. Beim konventionellen Druck ist „nicht gefüllt" ein Parameterproblem — Rakeldruck, Geschwindigkeit, Trenngeschwindigkeit, Pastenzustand. Nachstellen bringt in der Regel zurück ins Fenster. Unterhalb einer bestimmten Öffnungsgröße tritt etwas anderes auf: Öffnungen, die unter keiner Parameterkombination mehr als sehr wenig Paste abgeben — oder gar keine. Weiter am Drucker nach einem Fenster zu suchen hat dann keinen Ausgang, denn die Grenze hat sich von der Maschine in die Öffnung selbst verlagert.
Dieser Beitrag behandelt, wo dieser Übergang liegt, wovon er bestimmt wird, und welche Entscheidungen vor dem Schneiden der Schablone fallen müssen.
1. Unterfüllung und Nichtauslösung sind zwei verschiedene Fehler
Beide zeigen sich im SPI als zu geringes Pastenvolumen. Ursachen und Gegenmaßnahmen sind gegensätzlich.
Unterfüllung heißt, die Öffnung wurde nie richtig gepackt. Sie korreliert meist mit dem Rakelweg — Positionen am Ende des Hubs sind schlechter — und verändert sich merklich beim Wechsel der Pastencharge oder beim Nachstellen von Druck und Geschwindigkeit. Das ist ein Parameterproblem.
Nichtauslösung heißt, die Paste ist in die Öffnung gelangt und beim Trennen darin geblieben. Ihr Kennzeichen ist Positionsunabhängigkeit: Jede Öffnung dieser Größe auf der Platine ist gleich schlecht, während unmittelbar daneben etwas größere Öffnungen einwandfrei sind. Parameteränderungen bringen sehr wenig und kosten oft an anderer Stelle — langsameres Trennen zugunsten der Auslösung ruiniert den Linientakt.
Die Zuordnung ist direkt: Prüfen, ob der Fehler der Öffnungsgröße folgt und nicht der Position. Wenn alle kleinen Öffnungen versagen und alle großen bestehen, ist die Antwort nicht am Drucker zu finden.
2. In kleinen Öffnungen ist Paste keine Flüssigkeit mehr
Bei konventionellen Größen verhält sich Lotpaste näherungsweise wie ein hochviskoses, scherverdünnendes Kontinuum: Das Rakel schert sie, sie verdünnt und füllt, die Scherung endet und sie erholt sich ausreichend zur Formhaltung, beim Trennen zieht das Pad den gesamten Pfropfen heraus.
Das Verkleinern der Öffnung zerstört zwei Voraussetzungen dieses Modells gleichzeitig.
Erstens sinkt die Partikelzahl. Paste ist Metallpulver in einem Flussmittelträger, und das Pulver hat eine Korngrößenverteilung. Wenn die Öffnungsbreite nur noch wenige der größeren Partikel aufnehmen kann, lässt sich der Inhalt nicht mehr als Kontinuum behandeln — es ist eine Packung weniger Partikel plus Träger, bestimmt vom Kontakt zwischen Partikeln und zwischen Partikel und Wand, nicht von makroskopischer Rheologie. Das ist ein Problem „zu wenig Partikel", kein Problem der Pastenqualität.
Zweitens kehrt sich das Flächenverhältnis um. Eine Öffnung ist ein Hohlraum, und damit Paste herauskommt, muss die Haftung auf der Pad-Seite die Haftung an der Wandseite übertreffen. Skaliert man eine Öffnung proportional herunter, sinkt die Pad-Fläche quadratisch, die Wandfläche linear und multipliziert mit der Tiefe. Mit anderen Worten: Je kleiner die Öffnung, desto relativ größer ihre Wand. Daher ist das Flächenverhältnis — Öffnungsfläche zu Wandfläche — die maßgebliche Kenngröße, und daher bricht es bei kleinen Größen so schnell ein.
IPC-7525 nennt als Erfahrungswerte etwa 0,66 Flächenverhältnis und etwa 1,5 Breiten-zu-Dicken-Verhältnis; darunter verschlechtert sich die Auslösung rasch. Wie diese Werte berechnet werden und welche Fehlerbilder zu welcher Seite der Linie gehören, steht gesondert in Flächenverhältnis der Schablonenöffnung und Pastenauslösung; hier wird nur das Ergebnis verwendet. Hier geht es darum, was übrig bleibt, wenn die Pads so klein sind, dass die Linie ohnehin nicht erreichbar ist.
3. Öffnungsgeometrie: Welches Verhältnis zuerst anschlägt
Die beiden Kenngrößen begrenzen unterschiedliche Öffnungsformen und müssen beide geprüft werden.
Das Breiten-zu-Dicken-Verhältnis (kleinste Öffnungsbreite ÷ Folienstärke) betrifft schmale, schlitzförmige Öffnungen — geteilte Thermalpads feinrasteriger QFN, lange Steckverbinder-Pads. Flächenmäßig nicht klein, aber eine Richtung ist eng, und die Paste wird dort zwischen zwei Wänden eingeklemmt.
Das Flächenverhältnis betrifft nahezu quadratische und runde Öffnungen — feinrasterige BGA, Pads der Klasse 01005. Keine Richtung ist besonders eng, aber alle Maße sind klein.
Das jeweils schlechtere Verhältnis bestimmt das Ergebnis. Ein häufiger Fehlschluss ist, eine Platine allein über das Flächenverhältnis freizugeben, obwohl sie voller schmaler Schlitze ist. Praktisch sortiert man die Öffnungen der Platine nach Form, prüft die schmalen über Breite-zu-Dicke und die quadratnahen über das Flächenverhältnis und sieht, welche Gruppe zuerst aus der Grenze fällt. Diese Gruppe ist der Engpass der Platine und der Ort für Optimierung.
Zwei geometrische Mittel helfen bei kleinen Größen deutlich: konische Öffnungswände (Öffnung oben etwas kleiner, damit die Paste sich zum Pad hin trennt) und Eckenverrundung (damit Paste nicht in rechtwinkligen Ecken eingeklemmt wird). Beide verbessern die Auslösung ohne Änderung der Öffnungsgröße, aber die gewonnene Reserve ist begrenzt. Keines rettet eine Öffnung, die weit unter dem Erfahrungswert liegt.
4. Warum „dünner ist besser" bei der Folie nicht gilt
Die Folienstärke steht im Nenner beider Kenngrößen, eine dünnere Schablone verbessert also beide. Richtig — aber nur begrenzt und zu drei Kosten.
Kosten eins: Dünne Folie begrenzt die dickste Lötstelle der Platine. Eine Schablone hat eine Stärke (Stufenschablonen ausgenommen) und muss alle Bauteile bedienen. Dünn genug für feinrasterige BGA, und große Steckverbinder, Schirmbleche und Leistungsbauteile derselben Platine erhalten zu wenig. Solche Mischbestückungskonflikte werden mit Stufenschablonen gelöst; die Abwägungen stehen in Stufen- und Mehrstufenschablonen.
Kosten zwei: Dünne Folie ist weniger steif. Je dünner, desto stärker verformt sie sich unter Rakeldruck lokal im Öffnungsbereich, und desto leichter drückt zu hoher Rakeldruck Paste von der Öffnungsmündung in den Spalt zwischen Schablone und Platine. Das Dünnen verschiebt einen Teil der Schwierigkeit von der Auslösung in die Prozessstabilität.
Kosten drei: Dünne Folie reagiert stärker auf Planheit der Platine. Die Schablone muss durchgehend am Board anliegen, und je dünner die Folie, desto mehr hängt das davon ab, wie die Platine abgestützt wird. Diese Seite behandelt Unterstützung der Platine und Planheit beim Schablonendruck.
Dünnen ist also keine kostenlose Verbesserung, sondern eine Umverteilung der Schwierigkeit. Vor der Entscheidung ist der Bedarf der dickesten Lötstelle zu prüfen und ob das dünnere Fenster sie noch enthält.
5. Der Wandzustand gewinnt bei kleinen Öffnungen an Gewicht
Die Rauheit der Öffnungswand ist bei konventionellen Größen ein Faktor zweiter Ordnung und bei kleinen Größen einer erster Ordnung — aus demselben geometrischen Grund: Je kleiner die Öffnung, desto größer der Wandanteil an der Gesamthaftung. Raue Wände bieten mehr mechanische Verzahnung, und die Paste will weniger heraus.
Daraus folgen zwei Dinge. Erstens sind bei Platinen mit überwiegend kleinen Öffnungen Herstellverfahren und Nachbehandlung der Schablone keine Option mehr: Wandzustand nach dem Schneiden, Polieren, Beschichtung mit niedriger Oberflächenenergie — davon hängt ab, ob die Schablone überhaupt brauchbar ist. Die Auswahl behandelt Politur der Öffnungswand und Nanobeschichtung. Zweitens lassen Schablonen mit kleinen Öffnungen im Einsatz schneller nach: Beschichtungsverschleiß und Wandrückstände zeigen sich früher als sinkendes Pastenvolumen.
6. Pulverkörnung und Öffnungsgröße aufeinander abstimmen
Das ist die direkte Gegenmaßnahme zum Partikelzahlproblem aus Abschnitt 2: Werden Öffnungen kleiner, muss das Pulver feiner werden.
Üblich ist die Prüfung, wie viele der größeren Partikel über die kleinste Öffnungsbreite passen. Zu wenige, und die Füllzufälligkeit steigt stark an — sichtbar als größere Streuung des Pastenvolumens zwischen gleich großen Öffnungen derselben Platine; nicht gleichmäßig niedrig, sondern unruhig. Deshalb zeigen sich Probleme kleiner Öffnungen oft zuerst in der Standardabweichung des SPI und nicht im Mittelwert.
Die gleichzeitig abzuwägenden Gegenkosten: Feineres Pulver hat mehr spezifische Oberfläche, ist oxidationsempfindlicher, stellt höhere Anforderungen an Lagerung, Akklimatisierung und Offenzeit und verändert die Viskosität beim Druck schneller. Feineres Pulver hat laufende Kosten und ist kein kostenloses Upgrade. Für Sorten und Korngrößenbereiche gilt das technische Datenblatt der verwendeten Paste; wir nennen hier keine Zahlen.
7. Entscheidend ist in Wahrheit die Pad-Seite
Sechs Abschnitte über Schablonen — und nun die Tatsache, die klar gesagt werden muss: Im Zähler des Flächenverhältnisses steht die Öffnungsfläche, und deren Obergrenze wird von Pad und Lötstopplack-Öffnung gesetzt. Kleines Pad, kleine Öffnung. Kleine Öffnung, kein Weg zurück zu einem brauchbaren Flächenverhältnis.
In der Konstruktionsphase ist daher Folgendes wirksamer als alles, was an der Schablone geschieht:
- Pads nicht ohne Grund verkleinern. Für die Leitungsführung verengte Pads werden beim Druck bezahlt.
- Die Art der Lackfreistellung festlegen. Lötstopplack-definiert (SMD) und kupferdefiniert (NSMD) ergeben unterschiedliche nutzbare Pad-Flächen und verändern die Lage der Paste.
- Kleine Pads am gleichen Netz maßlich einheitlich halten. Gleiche Öffnungen können ein Prozessfenster teilen; fünf verschiedene kleine Pad-Maße verlangen von einem Parametersatz mehrere Fenster gleichzeitig.
- Teilungsmuster von Thermalpads gemeinsam mit den Lunkeranforderungen festlegen. Die Teilung beeinflusst Auslösung und Lunker nach dem Reflow zugleich. Die PCBA von SKPCB kann die Lötlunkerrate unter Stickstoff-Reflow unter 10 % halten, das setzt aber das Zusammenspiel von Pad- und Öffnungsdesign voraus und ergibt sich nicht aus dem Reflowprozess allein.
8. Reale Randbedingungen nahe den Grenzwerten
Zusammengenommen erklärt das, warum ein Grenzwert der Fertigungsmöglichkeiten keine Zusage für jede Platine ist.
Die PCBA-Grenzwerte von SKPCB lauten: kleinstes Chipbauteil 01005; kleinstes Raster 0,2 mm bei BGA und 0,3 mm bei QFN/QFP; größtes Bauteil ein Gehäuse der BGA/QFP-Klasse bis 74 mm Diagonale; BOM-Umfang 1000 Positionen; Montage nach IPC-A-610 Class 3.
Grenzwerte sind jedoch Extremwerte einzelner Achsen und keine frei kombinierbare Menge. Dass 01005 und 0,2-mm-BGA jeweils machbar sind, heißt nicht, dass beide zusammen mit einem Steckverbinder mit hohem Pastenbedarf auf einer Platine mit einer Schablone und einem Parametersatz gut herauskommen. Entscheidend ist die Spanne zwischen kleinster Öffnung und größtem Pastenbedarf auf dieser Platine. Kleine Spanne, weites Fenster. Große Spanne, und man ist bei Stufenschablonen, zweifachem Druck oder Prozessteilung — alles gehört in Angebot und Prozessvorbereitung, nicht in eine Entdeckung beim Anlauf.
9. Mischbestückung: Mit der Spanne umgehen
Eine Platine mit 01005 und einem großen Schirmblech ist normal. Die Wege sind wenige, jeder mit klaren Kosten:
- Eine Kompromissstärke. Am einfachsten, aber beide Enden liegen am Fensterrand, mit der geringsten Toleranz gegenüber Pastencharge und Umgebungsschwankung. Geeignet bei moderater Spanne.
- Stufenschablone. Unterschiedliche Stärke je Zone, beide Enden bedient. Kostet Schablonengeld, erfordert zusätzliche Absicherung des Rakelverhaltens an der Stufe und Abstand um Stufengrenzen.
- Zweifacher Druck. Für extreme Spannen. Kostet Takt und bringt ein Passungsrisiko.
- Design ändern. Die Quelle der Spanne entfernen — das Bauteil mit hohem Pastenbedarf auf die zweite Seite verlegen oder anders anbinden. Der günstigste Weg, aber er muss in der Konstruktionsphase angesprochen werden.
Die Wahl hängt von der Größe der Spanne, der Stückzahl und der Zahl noch kommender Revisionen ab. Bei High-Mix-Low-Volume ist eine Kompromissstärke mit strengerer Eingangs- und Prozessüberwachung oft wirtschaftlicher als eine Stufenschablone; bei Serie mit großer Spanne kehrt sich das um.
10. SPI-Auswertung und Bedruckbarkeitsvorprüfung
Probleme kleiner Öffnungen haben zwei Fenster zur Früherkennung.
Nach Anlauf das SPI auf Streuung lesen, nicht auf den Mittelwert. Zu geringe Partikelzahl zeigt sich zuerst als unruhiges Volumen zwischen gleich großen Öffnungen. Ein Regelwerk, das nur Mittelwert und Grenzen beobachtet, übersieht dieses Signal, bis die Ausbeute leidet. Statistik nach Bauteiltyp gruppieren und die Streuung innerhalb der Gruppe beobachten ist nützlicher als die Durchlaufquote der Platine.
Noch wertvoller ist die Vorprüfung vor Anlauf. Mit den Schablonendaten die Öffnungen nach Form sortieren, Flächenverhältnis und Breite-zu-Dicke berechnen und alles unter dem Erfahrungswert markieren. Vor der Einplanung kostet das nur Engineering-Zeit. Es beantwortet die Frage, ob diese Platine eine Öffnungsklasse enthält, die zwangsläufig nicht auslöst — und wenn ja, zu ändern sind Pad, Öffnung oder Folienstärke, nicht die Parameter nach Anlauf.
Die Qualitätskette von SKPCB umfasst über 10 Prüftore, darunter 100 % elektrischer Test, 100 % FQC und chargenweise Zuverlässigkeitsprüfung; die PCBA-seitige Prüfabdeckung reicht von SPI, Inline-2D-AOI, 3D-AOI nach dem Ofen, Röntgen bis ICT und FCT. Die Stellung des SPI in dieser Kette ist unmittelbar nach dem Druck, und sein Wert hängt davon ab, ob die Auswerteregeln richtig gesetzt sind. Eingangs- und Übergabeprüfungen behandelt Eingangsprüfung und Übergabe der Schablone.
11. Was bei Anfrage und Prozessvorbereitung anzugeben ist
Trägt die Platine Öffnungen im mikroelektronischen Maßstab, vermeiden diese Angaben bei der Anfrage den größten Teil der Nacharbeit:
- Kleinstes Pad-Maß und kleinstes Raster der Platine sowie die zugehörigen Gehäuseklassen.
- Das Bauteil mit dem größten Pastenbedarf (Steckverbinder, Schirmblech, Leistungsbauteil), zur Bestimmung der Spanne.
- Art der Lackfreistellung (SMD / NSMD) und ob Pad-Anpassungen zulässig sind.
- Ob eine Stufenschablone akzeptabel ist und ob das Layout dafür angepasst werden kann.
- Stückzahl und Rüsthäufigkeit, maßgeblich für Schablonenlebensdauer und Nutzen einer Beschichtung.
- Lunkeranforderungen an Thermalpads, gemeinsam mit dem Teilungsmuster bestätigt.
- Ob beidseitig bestückt wird, da die Druckrandbedingungen der zweiten Seite von der ersten abweichen.
Mit diesen Angaben in der Prozessvorbereitung wird die Bedruckbarkeitsvorprüfung belastbar. Nur ein Gerber-Satz plus „nach strengster Spezifikation" bedeutet in der Regel, dass die Prozesstechnik Abwägungen für Sie trifft, die Sie nie sehen.
Zur Einordnung Ihrer Platine senden Sie die Konstruktionsdaten für eine Schablonenfertigung und Bedruckbarkeitsbewertung, oder sehen Sie PCBA- und SMT-Bestückungsmöglichkeiten sowie Grenzen der Fertigungsmöglichkeiten.
Interne Links (de, in out/ geprüft vorhanden)
/de/smt-stencil//de/pcba//de/capabilities//de/blog/smt-stencil-aperture-area-ratio-paste-release//de/blog/step-stencil-multilevel-aperture-design//de/blog/smt-stencil-aperture-wall-polish-nano-coating-selection//de/blog/stencil-printing-board-support-tooling-flatness//de/blog/smt-stencil-incoming-inspection-handoff/
FAQ
Frage: Wie klein ist „mikroelektronischer Maßstab"? Gibt es ein festes Maß?
Antwort: Es gibt kein absolutes, bauteilunabhängiges Maß, weil das Kriterium ein Verhältnis und keine Abmessung ist. Dieselbe Öffnungsbreite über 100 µm Folie und über 50 µm Folie unterscheidet sich im Breiten-zu-Dicken-Verhältnis um den Faktor zwei und verhält sich völlig anders. Praktisch berechnet man Flächenverhältnis und Breite-zu-Dicke und prüft die Nähe zu den Erfahrungswerten von IPC-7525 (etwa 0,66 und etwa 1,5). Öffnungen darunter gehören zur hier beschriebenen Klasse der Nichtauslösung.
Frage: Löst ein besserer Drucker das Auslösungsproblem kleiner Öffnungen?
Antwort: Er verbessert Stabilität und Wiederholbarkeit des Drucks, ändert aber die Physik der Auslösung nicht. Auslösung ist der Wettstreit zwischen Wand- und Pad-Haftung, bestimmt von Öffnungsgeometrie, Folienstärke, Wandzustand und Paste. Der Drucker kann unter gegebenen Bedingungen nur Verluste minimieren. Liegt eine Öffnungsklasse deutlich unter dem Erfahrungswert, bringt ein Maschinenwechsel sehr wenig.
Frage: Ist das Dünnen der Schablone die wirksamste Maßnahme?
Antwort: Es verbessert beide Kenngrößen gleichzeitig, zu drei Kosten: Die dickste Lötstelle der Platine kann zu wenig erhalten, die geringere Foliensteifigkeit macht den Prozess empfindlicher, und die Empfindlichkeit gegenüber der Planheit steigt. Vor der Entscheidung prüfen, ob der größte Pastenbedarf noch erfüllt wird. Bei großer Spanne passt eine Stufenschablone meist besser als generelles Dünnen.
Frage: Braucht eine kleine Öffnung immer feineres Lotpastenpulver?
Antwort: Sobald die Öffnungsbreite nur wenige Partikel aufnimmt, ist feineres Pulver notwendig, sonst treibt die Füllzufälligkeit die Volumenstreuung hoch. Feineres Pulver hat jedoch mehr spezifische Oberfläche, ist oxidationsanfälliger, verschärft Anforderungen an Lagerung, Akklimatisierung und Offenzeit und verschiebt die Viskosität beim Druck schneller. Es ist eine Abwägung mit laufenden Kosten. Sorten und Korngrößen nach technischem Datenblatt der Paste.
Frage: Wie erkenne ich vor Anlauf, ob meine Platine Druckprobleme bekommt?
Antwort: Mit einer Bedruckbarkeitsvorprüfung. Öffnungen aus den Schablonendaten in schmale Schlitze und quadratnahe Formen trennen, jeweils Breite-zu-Dicke und Flächenverhältnis prüfen und alles unter dem Erfahrungswert markieren. Vor der Einplanung kostet das nur Engineering-Zeit; nach Anlauf kostet es eine Schablone oder eine Designänderung. Kleinstes Pad-Maß, kleinstes Raster und das Bauteil mit größtem Pastenbedarf bei der Anfrage machen die Prüfung belastbar.
Frage: Kleine Öffnungen drucken schlecht — warum sieht die SPI-Quote trotzdem akzeptabel aus?
Antwort: Weil zu geringe Partikelzahl die Streuung vor dem Mittelwert beeinflusst. Gleich große Öffnungen lesen hoch und niedrig, der Mittelwert liegt möglicherweise noch in der Spezifikation, und ein Regelwerk mit nur Mittelwert und Grenzen übersieht das. Gruppierung nach Bauteiltyp und Beobachtung der Streuung innerhalb der Gruppe erkennt es früher.