Schablonendruck SMT: Rakel, Trennung und Leiterplattenauflage

Zwei Fehlerklassen, und nur eine reagiert auf Maschinenparameter

Wenn das Pastenvolumen einbricht oder Pads brücken, wird auf den meisten Linien zuerst der Rakeldruck verändert. In etwa der Hälfte der Fälle hilft das. In der anderen Hälfte bewirkt es nichts und verschiebt das Problem an eine Stelle, die schwerer zu diagnostizieren ist.

Die Unterscheidung ist einfach: streuen die Fehler über Positionen und Nutzen, oder fällt dieselbe Position auf jeder Leiterplatte aus?

• Streuung innerhalb des Fensters: Fehler wandern, verbessern sich nach Pastenwechsel oder einem Unterseitenwisch, unterscheiden sich von Nutzen zu Nutzen. Das Prozessfenster ist zu schmal, Maschinenparameter helfen.
• Versagen außerhalb des Fensters: dasselbe Pad, dieselbe Nutzenposition, auf jeder Leiterplatte. Diese Öffnung lässt sich mit dieser Schablone auf dieser Leiterplatte nicht brauchbar drucken; weiteres Einstellen verschlechtert nur alle anderen Positionen.

Dieser Beitrag behandelt die erste Klasse. Abschnitt sieben zeigt, wie die zweite erkannt wird und wohin sie stattdessen gehört.

Die Voraussetzung: bei Spalt unter der Schablone sind Rakelparameter Rauschen

Physikalisch leistet der Schablonendruck drei Dinge: die Rakel schiebt Paste in die Öffnungen, die Paste verdichtet sich in der Öffnung, und beim Abheben bleibt sie auf dem Pad statt an der Öffnungswand.

Am häufigsten wird die Voraussetzung des zweiten Schritts vorausgesetzt statt geprüft: kein Spalt zwischen Schablonenunterseite und Leiterplattenoberfläche. Mit Spalt breitet sich Paste unter Rakeldruck seitlich aus und landet neben dem Pad. Daraus entstehen Verschmierungen unter der Schablone und Druckbilder, die größer sind als die Öffnung. Der Rakeldruck ist beteiligt, die Ursache liegt aber nicht bei ihm.

Die Diagnose beginnt deshalb bei der Dichtung zur Leiterplatte. Praktikable Prüfung: Schablonenunterseite ansehen. Flächige Pastenspuren – nicht nur geringe Rückstände direkt an den Öffnungen – bedeuten, dass die Abdichtung verloren ist. Wer dann die Rakel verstellt, kompensiert eine Variable mit einer anderen, und das Fenster wird mit jedem Durchgang schmaler.

Variablengruppe eins | Rakel: drei Parameter, zwei dauerhafte Konflikte

Drei Größen auf der Rakelseite werden verstellt. Jede steuert etwas anderes, und sie arbeiten gegeneinander.

• Der Winkel bestimmt das Verhältnis zwischen der Kraft, die Paste nach unten in die Öffnung drückt, und der Kraft, die sie nach vorn schiebt. Steiler bedeutet mehr Kraft nach unten und vollständigere Füllung, zugleich stärkere Beanspruchung der Schablonenoberfläche.
• Der Druck bestimmt, wie saubergewischt die Oberfläche wird und wie fest die Schablone an die Leiterplatte gepresst wird. Zu wenig: Paste bleibt auf der Schablone und wird beim nächsten Hub dort abgelegt, wo sie nicht hingehört. Zu viel: die Rakel beginnt Öffnungen auszuschaufeln, bereits verdichtete Paste wird mitgenommen, Feinraster-Bereiche erhalten dadurch weniger statt mehr Paste, und Verschleiß an Rakel und Schablone steigt.
• Die Geschwindigkeit bestimmt, wie viel Zeit die Paste zum Einfließen hat. Schneller heißt unvollständigere Füllung tiefer Öffnungen. Zu langsam verweilt die Paste jedoch vor der Rakel, ihre Viskosität verändert sich unter Scherung, und kleine Öffnungen werden schwerer statt leichter füllbar.

Zwei Konflikte bestehen immer: Druck gegen Feinraster-Füllung – mehr Druck schaufelt kleine Öffnungen aus. Geschwindigkeit gegen Großöffnungs-Füllung – langsamer lässt große Depots an den Rändern einsinken. Rakelparameter sind daher kein Optimum, sondern ein Band, das beide Enden der Leiterplatte akzeptieren. Das feinste Raster auf der Leiterplatte bestimmt, wie schmal dieses Band ist. Die PCBA-Fertigung von SKPCB beherrscht ein minimales Raster von 0,2 mm bei BGA und 0,3 mm bei QFN/QFP (CLAIM_REGISTER: PCBA-PITCH) sowie 01005 als kleinstes bestücktes Bauteil (PCBA-MIN); bei solchen Leiterplatten ist das Rakelband deutlich schmaler als bei gewöhnlichen Mischbestückungen.

Variablengruppe zwei | Trennung: die Paste wird herausgezogen, nicht herausgelassen

Im Moment des Abhebens halten zwei konkurrierende Haftungen die Paste: die Öffnungswand und das Pad. Die Paste bleibt nur dann auf der Leiterplatte, wenn das Pad gewinnt.

Das erklärt zwei Punkte, die in der Praxis regelmäßig verdreht werden.

1. Langsamer trennen ist nicht automatisch besser. Zu langsam zieht sich die Paste an der Wand zurück, die Ränder bleiben hängen, das Depot kommt zu niedrig und eingesunken heraus. Zu schnell reißt die Paste, ein Teil bleibt in der Öffnung. Wirksam ist ein langsamer Lösehub über eine kurze Strecke und anschließendes Beschleunigen – nicht eine einzige Geschwindigkeit über den gesamten Weg.
2. Trennungsprobleme werden als Füllprobleme gelesen. Unterfüllte Öffnungen waren nie voll, das Depot ist niedrig, aber vollständig und oben flach. Bei schlechter Trennung war die Öffnung voll und nur ein Teil kam heraus, das Depot ist oben eingekerbt oder kegelig. Die Depotform trennt beides, das Volumen allein nicht.

Wandzustand und Schablonenspannung verschieben dieses Gleichgewicht: rauere Wände und ungleichmäßige Spannung verschlechtern die Trennkonsistenz. Beides sind Eigenschaften der Schablone, nicht des Druckers.

Variablengruppe drei | Auflage und Fixierung: drei Leiterplattentypen, drei Probleme

Die Auflage wird am häufigsten übersprungen und bestimmt dennoch die Breite des Fensters. Eine gleichmäßig unterstützte Leiterplatte lässt den gesamten Rakeldruck in die Füllung gehen. Eine ungleichmäßig unterstützte verwandelt einen Teil davon in Durchbiegung.

• Dünne Leiterplatten biegen sich mittig unter der Rakel nach unten und öffnen einen Spalt. Kennzeichen: systematische Verschmierung oder Pastenverlust in der Plattenmitte bei normalem Druckbild am Rand. Dafür braucht es eine eigene Unterstützung, nicht nur Randschienen.
• Nutzen sind an den Verbindungsstellen – Ritzen oder V-Schnitt – weniger steif als in der Mitte einer Einzelplatte. Die Durchbiegung ist ungleich, das Depotvolumen unterscheidet sich zwischen den Einzelplatten eines Nutzens. Nutzenaufbau und Verbindungsart sind Eingaben der Leiterplattenseite und müssen vor der Schablonenbestellung festliegen.
• Zweitseitendruck über bestückten Bauteilen schließt flache Auflageplatten aus; eine Freistellungsauflage ist zwingend. Falsche Auflagepositionen drücken auf verlötete Bauteile oder heben die Leiterplatte lokal um sie herum an. Große Bauteile verschärfen das: SKPCB verarbeitet in der PCBA-Fertigung BGA/QFP bis 74 mm Diagonale (PCBA-MAXCOMP); eine Zweitseite mit Bauteilen dieser Größe braucht eine geplante, keine improvisierte Auflage.

Die Fixierung verhindert, dass sich die Leiterplatte in Rakelrichtung verschiebt. Ist sie zu schwach, verschiebt der erste Hub die Leiterplatte um einen kleinen Betrag, jedes Depot sitzt versetzt zum Pad, und es sieht nach Schablonenfehlpassung aus, obwohl sich die Leiterplatte bewegt hat. Prüfkriterium: stimmt die Versatzrichtung mit der Rakelrichtung überein?

Die Einstellreihenfolge: fest, nicht vertauschbar

Jeder Schritt ist Voraussetzung des nächsten. Wird einer übersprungen, kompensieren spätere Parameter einen früheren Mangel – genau so wird ein Fenster von Schicht zu Schicht schmaler.

1. Auflage: gleichmäßige Unterstützung sicherstellen, mit dem passenden Konzept für dünne Leiterplatten und Zweitseiten.
2. Abdichtung: kein Spalt zwischen Schablonenunterseite und Leiterplatte, Unterseite sauber.
3. Rakel: Winkel, Druck und Geschwindigkeit in einem Band festlegen, das die feinste und die größte Öffnung dieser Leiterplatte akzeptieren.
4. Trennung: Profil mit langsamem Lösehub und anschließender Beschleunigung festlegen, beurteilt nach Depotform statt Volumen.
5. Wischintervall: festlegen, nach wie vielen Leiterplatten die Unterseite gewischt wird. Das Intervall ist Teil des Fensters, kein Wartungspunkt – zu lang gewählt, ist die zweite Hälfte der Charge nicht derselbe Prozess wie die erste.

Nach jedem Schritt ist zu bestätigen, dass der vorherige noch gilt, statt die Folge durchzulaufen und erst am Ende zu prüfen.

Fünf Fehlerbilder, bei denen weiteres Einstellen falsch ist

Diese liegen außerhalb des Fensters. Die Ursache steckt in der Schablonenkonstruktion oder im Datenpaket; weiteres Einstellen verdeckt sie nur auf Kosten anderer Positionen.

1. Dasselbe Pad hat auf jeder Leiterplatte zu wenig Paste und ist deutlich kleiner als seine Nachbarn – das Flächenverhältnis der Öffnung reicht nicht, die Paste kann geometrisch nicht auslösen. Zuständig ist die Abstimmung von Öffnung und Schablonendicke: siehe Flächenverhältnis und Pastenauslösung.
2. Steckerpads brauchen mehr Paste, Feinrasterbauteile weniger, und eine Dicke genügt keinem von beiden – ein Konflikt der lokalen Dicke, der als Stufenschablonen-Entscheidung zu bewerten ist: siehe Entscheidung zur Stufenschablone.
3. Die Trennkonsistenz unterscheidet sich erkennbar zwischen Bereichen der Schablone – Spannungsverteilung oder Schablonenwerkstoff: siehe Schablonenwerkstoff, Rahmen und Spannung.
4. Alle Depots sind gegenüber ihren Pads verdreht oder skaliert – Bezugs-, Nutzen- oder Fiducial-Abweichung zwischen Schablone und Leiterplatte, also ein Datenpaketthema: siehe Felder des Schablonen-Datenpakets.
5. Eine neue Schablone druckt vom ersten Lauf an schlecht und verhält sich anders als die Vorgängerschablone desselben Layouts – ein Zustand der Anlieferung, der in die Eingangsprüfung gehört, nicht an den Drucker: siehe Eingangsprüfung und Linienübergabe.

Erstmusterfreigabe: was einzufrieren ist, damit das Fenster reproduzierbar bleibt

Ein Fenster ist erst reproduzierbar, wenn seine Eingaben eingefroren sind. Bei der Erstmusterfreigabe sind festzuhalten und zu fixieren: Auflagekonzept einschließlich Freistellungspositionen der Zweitseite, Schablonenkennzeichnung und Revision, Rakelwinkel/-druck/-geschwindigkeit, Trennprofil, Wischintervall sowie das Messergebnis des Erstmusters.

Die Messschleife trägt die PCBA-Prüffähigkeit von SKPCB: SPI für Volumen und Versatz nach dem Druck, Inline-2D-AOI sowie 3D-AOI nach dem Reflow, Röntgen, ICT und FCT für die folgenden Stufen (CLAIM_REGISTER: PCBA-TEST). Die Baugruppenabnahme erfolgt nach IPC-A-610 Class 3 (PCBA-IPC), die Lötstellenporosität wird unter Stickstoff-Reflow unter 10 % gehalten (PCBA-VOID). Das Druckfenster ist anhand der SPI-Daten zu beurteilen, nicht an den Lötstellen nach dem Reflow – dort ist das Reflowprofil längst eingemischt und eine Zuordnung allein zum Druck nicht mehr möglich.

Prüf- und Freigaberegelungen stehen auf Qualität und Prüfung, die Prozessfähigkeit der Bestückung auf PCBA-Fertigungsfähigkeit.

Druckseitige Eingaben vor Anfrage und Erstfertigung

Diese kommen aus Konstruktion oder Prozesstechnik. Jede fehlende Angabe ist eine weitere, die die Linie durch Verstellen der Maschine erraten muss:

• Feinstes Raster und kleinstes Pad der Leiterplatte sowie deren Lage
• Leiterplattendicke und ob sie als dünne Leiterplatte mit eigener Auflage gilt
• Nutzenaufbau, Anzahl der Einzelplatten und Verbindungsart
• Druckseiten sowie Höhe und Lage der auf der Zweitseite bereits bestückten Bauteile
• Lokale Anforderungen an dicke Depots: Steckverbinder, Schirmrahmen, Hochstrompads
• Erwartete Stückzahl und Umrüsthäufigkeit als Grundlage für Wischintervall und Werkstoffrichtung

Schablonenfertigung und zugehörige Leistungen: SMT-Schablonenfertigung.

FAQ

Welcher Rakeldruck ist einzustellen?

Es gibt keinen übertragbaren Wert. Das zulässige Druckband ergibt sich gemeinsam aus der feinsten und der größten Öffnung der Leiterplatte und wird vom Auflagekonzept verschoben. Wir nennen keinen Empfehlungswert, weil eine von der konkreten Leiterplatte gelöste Druckangabe auf der Linie nichts bewirkt. Richtig ist die Reihenfolge aus Abschnitt sechs: nach gesicherter Auflage und Abdichtung das Band anhand der Ergebnisse an feinster und größter Öffnung einengen.

Pastenvolumen zu gering – erst Druck oder erst Geschwindigkeit?

Keines von beiden zuerst. Zuerst die Schablonenunterseite auf flächige Pastenspuren prüfen (Abdichtung) und Plattenmitte gegen Plattenrand vergleichen (Auflage). Sind beide in Ordnung: liegt der Verlust im Feinrasterbereich, zuerst den Druck senken; liegt er bei großen Öffnungen, zuerst die Geschwindigkeit.

Wie unterscheide ich Unterfüllung von schlechter Trennung?

An der Depotform. Unterfüllte Depots sind niedrig, vollständig und oben flach. Schlechte Trennung hinterlässt eingekerbte, kegelige oder randseitig angehobene Depots. In beiden Fällen ist das Volumen zu gering, die SPI-Volumenbewertung allein trennt sie daher nicht.

Ist beim Zweitseitendruck immer eine Freistellungsauflage nötig?

Ja, sobald auf der Unterseite bestückt ist. Eine flache Platte drückt entweder auf verlötete Bauteile oder hebt die Leiterplatte lokal um sie herum an; beides zerstört den Kontakt zwischen Schablone und Leiterplatte. Die Freistellungspositionen sind bei der Programmvorbereitung aus dem Bestückungsbild abzuleiten, nicht an der Maschine zu unterlegen.

Wie oft ist die Schablonenunterseite zu wischen?

Das Intervall ist Teil des Prozessfensters. Es hängt von Leiterplattentyp, Öffnungsdichte und dem Verhalten der Paste auf der Schablone ab, wird am Erstmuster bestimmt und dann eingefroren. Zu vermeiden ist, es als streckbaren Wartungspunkt zu behandeln – mit geändertem Intervall ist das Chargenende nicht mehr mit dem Erstmuster vergleichbar.

Lässt sich jedes Druckproblem am Drucker lösen?

Nein. Die fünf Fälle aus Abschnitt sieben haben ihre Ursache in Schablonenkonstruktion oder Datenpaket; weiteres Einstellen gibt andere Positionen auf, um sie zu verdecken. Entscheidend ist, ob der Fehler auf jeder Leiterplatte an derselben Position auftritt. Wiederholt er sich, liegt er außerhalb des Fensters und gehört zurück in Konstruktion oder Eingangsprüfung.