SMD-Technik Materialverzug in der Leiterplattenproduktion

Aufgrund der steigenden Anforderungen in der Leiterplattenfertigung muss auch der Verzug des Basismaterials in die Herstellung einbezogen werden.

Bild: Becker & Müller
03.03.2017

Leiterplattenlayouts werden immer feiner, die elektronischen Bauelemente immer kleiner. Das bedeutet auch, dass der Platz für die Bauelemente auf der Platine enger wird. Geringe Ungenauigkeiten in der Leitplattenproduktion, beim Bestücken und Verlöten der Elemente können deshalb bereits zu Fehlfunktionen der gesamten Schaltung führen. Wichtig ist es deshalb auch den Verzug der Basismaterialen der Leiterplatten im Blick zu behalten.

Bei der SMD-Technik wird zunächst mit einer Schablone Lötpaste auf die Leiterplatte gedruckt. Die Aussparungen der Schablone müssen hierfür präzise auf die Lotflächen der Leiterplatte passen. Der Bestückungsautomat platziert die Bauteile danach exakt an ihren Bestimmungsorten. Danach werden sie dort verlötet. SMD-Bauteile (Surface Mounted Device) werden im Gegensatz zu THT-Elementen (Through Hole Technology) nicht durch vorgebohrte Löcher auf die Leiterplatte gesteckt.

Die Anforderungen an die Zulieferer in der Elektronik Supply Chain sind in den letzten Jahren enorm gestiegen. Speziell in der Leiterplattenfertigung ist die Entwicklung stark zu spüren. „Die Weiterentwicklung und das Ausreizen der bestehenden Prozesse ist in unserer Branche absolut notwendig. Nur dadurch können wir unseren Kunden eine sinnvolle Problemlösung anbieten“, sagt Michael Becker. Er ist einer der beiden Geschäftsführer des Leiterplattenherstellers Becker & Müller Schaltungsdruck.

Bei Becker & Müller rechnen sie damit, dass auch zukünftig die Anforderungen weiter steigen werden. Deshalb investierte das Unternehmen in neue Technik, etwa einen Direktbelichter. Mit diesem können die Layouts direkt auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Ein Zwischenschritt, bei dem sie über einen Film übertragen werden, entfällt somit. Das sorgt für eine genauere Fertigung, denn auch das Filmmaterial unterliegt Veränderungen. Durch die direkte Belichtung werden die Layouts wesentlich präziser auf das Trägermaterial übertragen.

Thermische Einflüsse mit einbeziehen

Wichtig ist außerdem die genaue Beobachtung und Analyse, wie die unterschiedlichen Basismaterialien der Leiterplatten unter thermischen Einflüssen reagieren und wie damit umgegangen werden kann. Bei der Fertigung durchlaufen die Leiterplatten einige thermische Prozesse. Dimensionsänderungen des Basismaterials sind dabei normal. Der 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, ist ein zuverlässiger Druck nicht mehr möglich. Lösen lässt sich dieses Problem zum Beispiel durch eine Größenanpassung der Schablone. Diese Skalierung kann jedoch erst nach Fertigung der Leiterplatte durch präzise Vermessung erfolgen. Bei der Herstellung der Schablonen selbst treten nur geringe Toleranzen auf, da diese keine thermischen Prozesse durchlaufen müssen. Sie sind deshalb nicht relevant.

Ein alternativer, neuer Ansatz ist es, die Leiterplatte dimensionsgenau herzustellen. Dadurch kann der Verzug, der im Standardprozess bis zu ±100 µ auf 250 mm Länge beträgt, wesentlich reduziert werden.

Maximal ±25 µ Verzug

Einer von Becker & Müllers Kunden benötigte zum Beispiel einen maximalen Verzug von ±25 µ bei 250 mm. Da der Verzug durch die Beschaffenheit des Materials in x- und y-Richtung unterschiedlich ist, muss das im oben beschriebenen Lösungsansatz berücksichtigt werden. Die Größe des Layouts wird für den Pastendruck an die thermischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials angepasst. Natürlich gilt es dabei auch die korrekte Ausrichtung des Materials zu berücksichtigen. In der Fertigung konnte auf diesem Weise eine Toleranz von unter ± 25 µ erreicht werden.

Je enger die Spezifikationen in der Leiterplattenproduktion sind, desto exakter muss der Herstellungsprozess analysiert werden. Nur wenn diese sauber bestimmt und in die Produktion eingeplant sind, lassen sich die gestiegenen Anforderungen erfüllen. Dazu gehört es sicherzustellen, dass die Materialausrichtung immer gleich ist. Dem anhaltenden Trend zu
kleineren SMD-Landeflächen, der generellen Miniaturisierung in der Elektronikfertigung und somit den sehr engen Toleranzen bei der Produktion von Leiterplatten wird dadurch Rechnung
getragen.

Bildergalerie

  • Materialverzug der Leiterplatten vor der Prozessoptimierung: Gemessen wurde in x-Richtung.

    Materialverzug der Leiterplatten vor der Prozessoptimierung: Gemessen wurde in x-Richtung.

    Bild: Becker & Müller

  • Materialverzug der Leiterplatten nach der Prozessoptimierung: Gemessen wurde in x-Richtung

    Materialverzug der Leiterplatten nach der Prozessoptimierung: Gemessen wurde in x-Richtung

    Bild: Becker & Müller

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