HOCHGESCHWINDIGKEITSDOSIERUNG VON OBERFLÄCHENMONTIERENDEM KLEBSTOFF ZWISCHEN LÖTPADS
Einführung
Oberflächenklebstoffe
sind seit
den Anfängen der SMT ein Teil der Anwendungen in der Elektronikfertigung. In Verbindung mit Wellenlötprozessen wurden damit
Millionen von Bauteilen erfolgreich auf
die Unterseite von Leiterplatten gelötet. Um die
Herstellungsprozesse robuster zu gestalten und die Qualität der Baugruppen zu verbessern ,
wurden viele herkömmliche Unterseitenmontagelinien um
einen Lötpastendruckschritt und einen Reflow-Lötschritt erweitert.
Diese
Vorgänge werden hinzugefügt, um Fehler wie fehlende
Komponenten und unzureichende Lötstellen zu verringern.
Davon können sowohl SMT- (doppelseitiges Reflow) als auch Through-Hole-Verfahren (gemischtes SMT/THT) profitieren
Prozess unter Verwendung von Klebstoff und Lotpaste. Einige der Prozessüberlegungen
betreffen Düsendesign, Pad-Design, PCB-Layout, Schablonendesign
und Klebstoffeigenschaften. Dieser Artikel befasst sich mit den
Besonderheiten, die bei der Einrichtung dieses Prozesses berücksichtigt werden müssen, wie
er erfolgreich implementiert werden kann und mit typischen Linienkonfigurationen, die
mit diesem Prozess verbunden sind. Die wichtigste Grundlage herkömmlicher
Prozesse zur Montage der Unterseite ist der Klebstoff.
Klebstoffauswahl
Bei der Auswahl eines
Klebstoffs für Anwendungen, bei denen oberflächenmontierte
Klebstoffe zwischen Lötpads aufgetragen werden, ist es wichtig, einen
Klebstoff zu wählen, der so formuliert ist, dass er ganz bestimmte rheologische oder Fließeigenschaften bietet
.
Der ausgewählte Klebstoff sollte so formuliert sein, dass ein Punkt mit höherem Profil möglich ist, der nur ein sehr geringes Absacken aufweist. Dadurch kann der Kleber
beim Platzieren
des Bauteils oberhalb der Höhe der Lotpastenablagerung mit dem Bauteil in Kontakt kommen .
Für diese Art
der Anwendung aufgetragene Punkte sollten eine hohe, zylindrische Form haben, damit
der Kleber vor dem Aushärten nicht richtig am Bauteil haften kann
und dann das Bauteil durch Wellenlöten halten. Dies führt dazu, dass nach dem
Wellenlötvorgang eine
große Anzahl von Fehlern aufgrund fehlender Komponenten auftritt .
Nach der manuellen Montage kann es auch vorkommen, dass zu viele Komponenten fehlen,
weil die Klebefuge nicht groß genug ist, um
die nötige Festigkeit zu bieten, um die Komponenten an Ort und Stelle zu halten.
Der für diese Anwendungen gewählte Oberflächenklebstoff
muss außerdem eine hohe Anfangsfestigkeit aufweisen,
um das Bauteil vor dem Aushärtungsprozess zu halten. Diese Grünfestigkeit trägt auch dazu bei, dass der Klebstoff die
hohe zylindrische Punktform
beibehält, die beim Auftragen zwischen mit Lötpaste versehenen
Pads erforderlich ist. Ohne sie sinkt die Klebeschicht ab, die Kontaktfläche
zum Bauteil geht verloren und die Festigkeit der
Klebeverbindungen nimmt ab.
Bei
Klebstoffauftragsprozessen unter Einsatz von Wärme ist es schwierig, die
erforderliche Punkthöhe zu erreichen. Durch die Einwirkung von Wärme auf den Klebstoff wird die Viskosität des Materials
verringert, sodass es leichter fließt. Diese Art der
Fließcharakteristik führt dazu, dass der Klebepunkt nach
dem Auftragen absackt. Probleme, die dadurch entstehen, dass der Klebstoff die
Komponente nicht berührt (fehlende Komponenten nach dem Wellenlöten usw.), werden
häufiger auftreten, und die Anzahl der Fehlermöglichkeiten, wie z. B.
eine Pad-Verunreinigung, wird zunehmen.
Board-Design
Typischerweise
sind Pads für oberflächenmontierte Komponenten entweder für die Klebstoffauftragung
oder die Abschirmung von Lotpaste ausgelegt. Der Pad-Abstand ist beim Auftragen von Lotpaste im Allgemeinen kleiner
als beim Auftragen von Klebstoff.
Beispielsweise
beträgt der Bauteil-Pad-Abstand zwischen den Pads einer 0603-Chipkappe/-Widerstand typischerweise 0,020 Zoll, wenn die Platine für den Siebdruck
mit Lötpaste ausgelegt ist. Der Pad-Abstand für dieselbe Platine kann
0,040 Zoll betragen, wenn Klebstoffauftrag verwendet werden soll. Ein Klebstoffpunkt mit einem Durchmesser von 0,030 Zoll
wäre ohne weiteres für die Verwendung zu empfehlen, wenn die Komponentenpads
auf der Platine tatsächlich für die Klebstoffauftragung ausgelegt wären. Allerdings
wurde das Pad-Design ursprünglich für dasselbe Board entwickelt
Bei der Verwendung von Lötpaste als Methode zur Befestigung des Bauteils an der
Platine wäre ein Klebepunkt mit einem Durchmesser von 0,030 Zoll offensichtlich zu
groß, da der Abstand zwischen den Pads jetzt 0,020 Zoll beträgt. Für diese spezielle Anwendung ist ein Punkt mit einem Durchmesser von 0,015 bis 0,018
Zoll erforderlich.
Bei der Gestaltung der Pad-
und Komponentenabstände
müssen auch die Höhe des Pads und die Lotpastenablagerung berücksichtigt werden. Typischerweise beträgt die
Höhe eines Klebepunktes die Hälfte des Durchmessers des Punktes.
Abhängig vom für die Pads verwendeten Material wäre es möglich,
eine Platine zu entwerfen,
auf der kein Klebstoff gedruckt und aufgetragen werden kann. Wenn die typische Punktgröße für eine 0603-Komponente 0,015 Zoll bis 0,018 Zoll betragen würde,
würde die Höhe ungefähr 0,0075 Zoll bis 0,009 Zoll betragen. Wenn die Dicke
der zum Drucken der Lötpaste verwendeten Schablone 0,006 Zoll bis 0,007 Zoll beträgt, kann es sein, dass der Klebepunkt bei einigen
Arten von Platinenoberflächen
den Bauteilkörper nicht berührt .
Ein typisches HASL-Finish ist beispielsweise
ca. 0,003 Zoll dick. Bei einer Dicke der verwendeten Schablone
von 0,007 Zoll müsste der Klebepunkt mindestens 0,011 bis 0,012
Zoll hoch sein, um ordnungsgemäßen Kontakt mit dem Bauteil zu gewährleisten. Dies würde
einen Punkt mit einem Durchmesser von etwa 0,022 Zoll erfordern. Deshalb
ist die Rheologie des Klebstoffs so wichtig. Wenn der Klebstoff nach dem Auftragen überhaupt absackt
, kann es sein, dass er das Bauteil nicht richtig berührt. Auch das Düsendesign
spielt bei der Entwicklung des richtigen Punkts für jede
Anwendung eine Rolle.
Düsendesign
Bei der Auswahl einer Düse zum Auftragen von Klebstoffen müssen vor allem das Düsendesign
, die Abstandsgröße und -platzierung sowie der Düsen-ID berücksichtigt werden. Es besteht ein Zusammenhang
zwischen diesen Eigenschaften und dem Klebepunktdurchmesser.
Bei der Abgabe der Klebstoffmenge sollte die Oberflächenspannung des
Klebstoffs auf der Platte doppelt so groß sein wie die Oberfläche des
Klebstoffs an der Düsenspitze.
Wenn dieser Zustand vorliegt, löst sich der Klebstoff beim Zurückziehen der Düse sauber von der Düse und hinterlässt einen
klar definierten Punkt mit konstantem Volumen auf der Platine. Die Düse muss
auf der Grundlage der für die Anwendung erforderlichen Punktgröße ausgewählt werden.
Die Düsenauswahl
bezieht sich in diesem Fall auf spezifische Düsenspezifikationen für eine bekannte Punktgrößenanforderung
. Die Anforderungen an die Punktgröße können aus dem
verwendeten Platinendesign oder insbesondere dem Pad-Abstand der
Komponenten abgeleitet werden. Referenz-Pad-Abstand, der zuvor in diesem Dokument besprochen wurde. Es
ist nicht ungewöhnlich, dass Mitarbeiter von Fertigungsingenieuren oder Qualitätsingenieuren
einer Leiterplattenfertigungsanlage nach
dem empfohlenen Klebepunktdurchmesser für einen
bestimmten Komponententyp fragen. Über
empfohlene Pad-Designs und -Layouts für oberflächenmontierte Komponenten für
Anwendungen auf der Unterseite ist viel geschrieben worden. Oberseiten-Pad-Designs werden auch auf der Unterseite der Leiterplatte verwendet
Der Abstand für eine bestimmte Komponente ist für jedes einzelne Kundenprodukt
einzigartig.
Da der Pad-
Abstand für die meisten typischen oberflächenmontierten Komponenten nicht
von einem Kundenprodukt zum anderen standardisiert ist, wird es zu einer anspruchsvollen Aufgabe, zu
empfehlen, welche Werkzeuge verwendet werden sollten, um die
Klebstoffauftragsanforderungen eines bestimmten Kunden für eine bestimmte Komponente zu erfüllen.
Beachten Sie, dass die
Menge an Klebstoff, die erforderlich ist, um die Komponente während der
Hochgeschwindigkeitsplatzierung oder des Wellenlötprozesses an Ort und Stelle zu halten
, bei bestimmten Pad-Designs möglicherweise größer ist als möglich.
Der Düsenabstand
kann als der Abstand von der Spitze der Abgabefläche
bis zum Ende des mechanischen Abstands definiert werden. Der Düsenabstandshalter wird verwendet, um
den Abstand zwischen der Leiterplatte und der Dosierspitze aufrechtzuerhalten. Die meisten
heute verwendeten Spender sind so konzipiert, dass sie eine Art mechanische
Distanz zwischen den Düsen verwenden. Der Abstand bestimmt in der Regel bis zu einem gewissen
Grad die Höhe des ausgegebenen Punkts
Typische Designs für
Düsenabstandshalter sind das Schlossdesign, das Pfostendesign oder ein Doppelpfostendesign
. Für Anwendungen, bei denen Oberflächenklebstoff zwischen Pads verwendet wird,
auf die Lötpaste aufgetragen wurde,
ist eine Düse mit einem einzigen Post-Design am besten geeignet.
Bei dieser Art von Anwendung sollte der Abstandshalter auf 45 ° , 135 ° , 215 ° oder 315 ° um die Pad-Schaltung eingestellt werden.
Bei der Auswahl des
richtigen Düsen-ID gilt als Faustregel, dass der Düsen-ID die
Hälfte des erforderlichen Punktdurchmessers betragen sollte. Dadurch kann der richtige Punktdurchmesser dosiert
werden, sodass der Kleber
ohne Kontamination von der Düse abspringt. Anhand dieser Richtlinie
kann der ungefähre Düsendurchmesser ermittelt und dann basierend
auf dem verwendeten Material angepasst werden.
Überlegungen zum Schablonendruck
Beim Drucken
von Lötpaste vor dem Aufbringen von Klebstoff für die Oberflächenmontage
müssen einige Überlegungen zum Schablonendesign berücksichtigt werden. Die Dicke der Schablone ist wichtig, da sie die
Höhe der Lotpastenablagerungen
bestimmt .
Dies bestimmt auch die
Mindesthöhe des Punkts, der gespendet werden muss, um
das Bauteil richtig zu berühren und zu halten. Bei Anwendungen, bei denen auf die manuelle Montage ein Wellenlöten
folgt, kann eine geringere Schablonendicke verwendet werden,
da die endgültige Qualität der Lötverbindung durch den
Wellenlötvorgang bestimmt wird. Bei Pads mit sehr geringem Pad-Abstand kann es auch von Vorteil sein,
die Schablone zu unterschneiden, damit möglichst viel Platz bleibt
Für den Kleberauftrag steht möglichst viel Material zur Verfügung.
Klebstoffaushärtung
Beim Drucken
von Lötpaste und beim Auftragen von Epoxidharz zwischen mit Lötpaste versehenen Pads
ist ein spezieller Aushärtungszyklus erforderlich. Das Aushärten von Epoxidharz bei 150 °C ist eine
Verbindungstemperatur, die mit Thermoelementen an
verschiedenen Stellen überprüft werden sollte. Das Aushärten von Epoxidharz bei Temperaturen über 160 °C kann dazu führen, dass
der Klebstoff spröde wird, was zu einem möglichen Bauteilverlust
während des Lötwellenprozesses führen kann. Die Lösung hierfür besteht darin, dass das Epoxidharz
etwa 90 Sekunden lang bei 150 °C ausgehärtet werden muss, bevor es auf die
Reflow-Temperatur erhöht wird. Diese Art des Reflow-Lötens berücksichtigt sowohl die Aushärtung des Klebstoffs
als auch das Reflow-Löten der Lotpaste. Es sollte darauf geachtet werden, die
Qualität der mit diesem Profil erzielten Lötverbindungen zu überprüfen. Der Graph
Nachfolgend finden Sie ein Beispiel dafür, wie der Aushärtungszyklus aussehen sollte. Das endgültige Profil sollte die empfohlenen Profile sowohl des
Klebstoff- als auch des Lotpastenherstellers
berücksichtigen .
Überlegungen zur Platzierungsmaschine
Bei der Auswahl einer
Bestückungsmaschine für den Einsatz in einem Prozess, bei dem
oberflächenmontierte Klebstoffe zwischen Lötpads aufgetragen werden, ist es wichtig,
die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Bestückungsmaschine
in der Downline zu berücksichtigen. Bei typischen Oberseitenanwendungen mit Lotpastendruck zentrieren
die mit dem Lot verbundenen Kräfte beim Aufschmelzen
der Lotpaste das Bauteil automatisch innerhalb angemessener Grenzen auf seinen
Pads. Wenn dem Prozess Klebstoff hinzugefügt wird, tritt dies nicht auf, da der
Klebstoff diesen Kräften standhält, da er vor dem Aufschmelzen der
Lotpaste ausgehärtet wird.
Bei der Entwicklung eines solchen Prozesses ist es wichtig, alle Maschinen in der Linie zu berücksichtigen .
Typische Konfigurationen von Fertigungslinien
Traditionelle untere Seitenlinie
GDM-Klebstoffspender
Vitronics Reflow-Ofen
HSP-Chipshooter
Typischerweise umfasst eine
herkömmliche Fertigungslinie für die Unterseite einen Klebstoffspender
, einen Chipshooter zum Platzieren der Unterseitenkomponenten und einen
Ofen zum Aushärten des Klebstoffs. An diese Linie schließt sich eine Wellenlötmaschine an
, an die sich wiederum eine Inspektions- und/oder Nachbearbeitungsstation anschließt
.
Das erste
, was beim Einrichten einer Fertigungslinie berücksichtigt werden muss, ist die
Art der Komponenten und Baugruppen, die verwendet oder darauf aufgebaut werden sollen
. Eine herkömmliche untere Seitenlinie kann einfach verwendet werden, um Kleber auf eine
Leiterplatte aufzutragen, Komponenten auf der Platine zu platzieren und dann den
Kleber auszuhärten, um die Teile vor und während des Wellenlötens
und der manuellen Montage auf der Platine zu halten. Bei dieser Art von Anwendung bestimmt die Grünfestigkeit
des Materials, ob die Bauteile
während des Bestückungsvorgangs auf dem Chipshooter an Ort und Stelle bleiben. Die Nachhärtefestigkeit
des Klebstoffs bestimmt, ob die Komponenten haften bleiben oder nicht
der Platine während der manuellen Montage und Handhabung. Daher ist die Wahl des
Klebers sehr wichtig. Nach dem Wellenlöten mit dieser Art von Linie
können Teile aufgrund fehlender oder inakzeptabler Klebepunkte fehlen oder einige wurden
während der manuellen Montage oder Handhabung von der Platine abgeschlagen. Es sollte darauf geachtet
werden, die Kräfte zu kontrollieren, denen diese Baugruppen
ausgesetzt sind. Diese Linie ist in ihrer Funktionalität sehr einfach, kann aber
bei korrekter Implementierung zuverlässig Produkte herstellen.
Untere Seitenlinie mit Lotpastenauftrag
HSP-Chipshooter
DEK Schablonendrucker
Vitronics Reflow-Ofen
GDM-Klebstoffspender
Eine Linie auf der Unterseite,
die das Auftragen von Lötpaste umfasst, umfasst ein System zum
Auftragen der Lötpaste (Schablonendrucker oder Hochgeschwindigkeitsspender), einen
Klebstoffspender, einen Chipshooter für die Komponenten auf der Unterseite und einen
Ofen zum Aushärten des Klebstoffs und zum Aufschmelzen Lötpaste. Dieser Linie folgen dann eine Wellenlötmaschine
und eine Inspektions- bzw. Nacharbeitsstation
.
Diese Art von
Fertigungslinie ist flexibler als die zuvor besprochene Linie.
Bei Anwendungen auf der Unterseite bietet diese Konfiguration eine höhere Drehmomentfestigkeit,
da der Klebstoff mit der Lötpaste kombiniert wird. Dies
trägt dazu bei, die Anzahl fehlender Teildefekte in
der Baugruppe zu reduzieren. Dieser Leitungstyp trägt auch dazu bei, Probleme im Zusammenhang
mit dem Wellenlötvorgang (unzureichendes Lot) zu reduzieren. Bei dieser Art von
Anwendung ist es wichtig, die Punkthöhe zu berücksichtigen, da der Punkt
hoch genug sein muss, um das Bauteil auch über der Lotpastenablagerung zu berühren
. Auch das Design der Schablone muss berücksichtigt werden
zum Drucken der Lotpaste verwendet wird, und das Design der Düse, die für
Hochgeschwindigkeits-Dosiervorgänge verwendet wird. Beide Punkte können
später zu Problemen führen, wenn sie nicht richtig berücksichtigt werden.
Gemischte Technologie-Ober-/Untermontage mit Lotpastenauftrag
Vitronics Reflow-Ofen
HSP-Chipshooter
GDM-Klebstoffspender
DEK Schablonendrucker
Flexible GSM-Platzierung
Eine gemischte Technologielinie
zum Zusammenbau von Ober- und Unterseitenprodukten umfasst ein System zum
Auftragen der Lotpaste (Schablonendrucker oder Hochgeschwindigkeitsspender), einen
Klebstoffspender, einen Chipshooter zum Platzieren der Unterseitenkomponenten und eine
flexible Bestückungsmaschine zum Platzieren von Ober- und Unterseite Seitenkomponenten und
einen Ofen zum Aushärten des Klebers und zum Aufschmelzen der Lotpaste. Dieser Linie folgen dann eine
Wellenlötmaschine und eine Prüfstation.
Aufgrund der Robustheit dieses Prozesses
sollte die Inspektionsstation jedoch nur begrenzt genutzt werden .
Diese Fertigungslinie
ist flexibler als jede der zuvor besprochenen Linien.
Wie die Fertigungslinie für die Unterseite mit Lötpaste
bietet diese Konfiguration bei Anwendungen auf der Unterseite eine höhere Drehmomentfestigkeit,
da der Klebstoff mit der Lötpaste kombiniert wird. Dies trägt dazu bei,
die Anzahl fehlender Teile in der Baugruppe zu reduzieren. Dies
trägt auch dazu bei, Probleme im Zusammenhang mit dem Wellenlötvorgang
(unzureichendes Lot) zu reduzieren. Bei dieser Art von Anwendung ist es wichtig, die Punkthöhe
zu berücksichtigen, da der Punkt hoch genug sein muss, um das
Bauteil über die Lotpastenablagerung hinaus zu berühren. Rücksichtnahme auch
Dabei muss auf die Gestaltung der Schablone geachtet werden, die zum Drucken der Lotpaste verwendet wird,
sowie auf die Gestaltung der Düse, die für Hochgeschwindigkeits-Dosiervorgänge verwendet wird
. Diese Linie kann auch für Topside-Anwendungen verwendet werden
, einschließlich der Auftragung von Lotpaste, Chipplatzierung und flexibler
Platzierung (z. B. QFPs und BGAs). Diese Art flexibler
Fertigungslinie ist für Vertragselektronikhersteller zur ersten Wahl geworden,
da sie eine einfache Komplettlösung für die Montage bietet.
Abschluss
Das Auftragen von oberflächenmontierbaren Klebstoffen ist
seit der Entwicklung oberflächenmontierbarer Komponenten
Teil der Elektronikfertigung .
Um die beteiligten Prozesse robuster zu gestalten , wurde vielen
Konfigurationen von Fertigungslinien
Lotpaste hinzugefügt .
Diese Konfiguration trägt dazu bei,
Fehler wie fehlende Komponenten und unzureichende
Lötstellen nach dem Wellenlöten zu beseitigen.
Um
diesen Prozess umzusetzen, müssen viele Überlegungen
berücksichtigt werden. Der verwendete Klebstofftyp muss über rheologische
Eigenschaften verfügen, die einen hohen, zylindrischen Punkt im Gegensatz zum typischen
Hershey-Kusspunkt ermöglichen. Diese Art von Punkt ist erforderlich, damit er richtig
am Bauteil haftet, wenn er auf den Lotpastendepots platziert wird
. Um die richtige Punkthöhe zu erhalten,
muss das Platinendesign sorgfältig überlegt werden. Durch die Konstruktion im richtigen Pad-Abstand
ist die Umsetzung dieses Prozesses viel einfacher. Anschließend muss die benötigte Lotpastenmenge
sowie das Design der
Schablone ermittelt werden. Dabei ist die benötigte Klebepunktgröße zu beachten
Entwerfen der Schablone. Nachdem die Platine entworfen und die
erforderliche Menge an Lotpaste bestimmt wurde, muss eine Düse entworfen werden, die
den richtigen Punktdurchmesser mit Abstandshaltern liefert, die nicht
mit Lotpaste verunreinigt werden. Nachdem der Kleber aufgetragen und die
Chips platziert wurden, muss der Kleber ausgehärtet und die Lotpaste
aufgeschmolzen werden.
Das für diesen Prozess verwendete Profil muss aus dem Klebstoff und den empfohlenen Profilen der Lotpastenhersteller entwickelt werden
.
Schließlich muss bei der Entwicklung einer Fertigungslinie, die
Ihren aktuellen und zukünftigen Anforderungen gerecht wird, auch die Art der zu fertigenden Baugruppen berücksichtigt werden.
Durch die sorgfältige
Berücksichtigung aller Aspekte Ihres Herstellungsprozesses
kann das Auftragen von oberflächenmontierten Klebstoffen zwischen mit Lötpaste versehenen Pads dazu beitragen,
Fehler zu beseitigen, die bei typischen Elektronikfertigungsprozessen auftreten.
Dieses Verfahren hilft, Probleme wie unzureichende Lötstellen zu beseitigen
. Bei Anwendungen, bei denen bisher nur Klebstoff verwendet wurde,
kann diese Art von Prozess dazu beitragen, Fehler wie fehlende Komponenten zu beseitigen,
die durch Handhabung und manuelle Montage entstehen können. Indem Sie sich
die Zeit nehmen, die Merkmale Ihres Fertigungsprozesses zu berücksichtigen,
können die richtige Linienkonfiguration und die richtigen Prozessparameter entwickelt werden, um
Baugruppen von höchster Qualität herzustellen.