Fine-Pitch? BGA? High-Density? Großserie? Bei der Auswahl einer SMD-Schablone entsteht schnell der Eindruck, bestimmte Baugruppen würden automatisch ein bestimmtes Schablonensystem erfordern. So einfach ist es in der Praxis nicht.
Eine festgerahmte SMD-Schablone ist nicht allein deshalb die richtige Wahl, weil sich ein BGA auf der Leiterplatte befindet. Und eine Schnellspannlösung ist nicht automatisch besser geeignet, nur weil eine Baugruppe in kleiner Stückzahl gefertigt wird.
Entscheidend ist vielmehr die Frage: Welche Anforderungen stellt die Kombination aus Baugruppe und Fertigungsprozess an die mechanische Stabilität, Reproduzierbarkeit und Handhabung der Schablone? Unter bestimmten Bedingungen können festgerahmte SMD-Schablonen hier besondere Vorteile bieten.
Was zeichnet eine festgerahmte SMD-Schablone aus?
Bei einer festgerahmten SMD-Schablone sind Schablonenfolie und Rahmen dauerhaft miteinander verbunden. Die gespannte Folie und der Rahmen bilden damit eine feste mechanische Einheit, die für den Einsatz im Lotpastendruck bereitsteht.
Das ist insbesondere dann interessant, wenn über viele Druckzyklen hinweg möglichst definierte mechanische Bedingungen gefragt sind.
Der Fixrahmen unterstützt dabei unter anderem:
- eine stabile Geometrie der Schablonen-Rahmen-Einheit
- definierte Spannungsverhältnisse
- eine geeignete Planlage
- reproduzierbares Handling bei wiederkehrenden Produkten
Damit ist allerdings noch nicht beantwortet, für welche Baugruppen das System sinnvoll ist. Dafür müssen wir einen Schritt weitergehen.
1. Fine-Pitch-Baugruppen: Wenn das Prozessfenster kleiner wird
Fine-Pitch-Komponenten besitzen geringe Abstände zwischen ihren Anschlüssen. Entsprechend klein und präzise müssen häufig auch die zugehörigen Pastendepots ausgeführt werden. Für den Lotpastendruck bedeutet das: Die Aperturen werden kleiner und die Anforderungen an Pastentransfer und Reproduzierbarkeit steigen.
Bereits geringe Abweichungen können bei engen Strukturen stärker ins Gewicht fallen als bei großzügig dimensionierten Pads. Eine festgerahmte Schablone kann hier interessant sein, weil Schablonenfolie und Rahmen dauerhaft eine definierte Einheit bilden. Das allein garantiert jedoch noch keinen guten Fine-Pitch-Druck.
Mindestens ebenso wichtig sind:
- die passende Schablonendicke
- ein geeignetes Aperturdesign
- die Qualität der Aperturen
- die verwendete Lotpaste
- Druck- und Trennparameter
- die Unterstützung der Leiterplatte
Der Fixrahmen schafft also mechanische Voraussetzungen. Die eigentliche Prozessqualität entsteht erst aus dem Zusammenspiel aller Parameter.
2. BGA und µBGA: Viele kleine Depots müssen reproduzierbar stimmen
Bei Ball Grid Arrays befinden sich die elektrischen Anschlüsse unterhalb des Bauteils. Vor der Bestückung müssen die zugehörigen Pads mit definierten Lotpastendepots versehen werden. Nach dem Bestücken sind die Verbindungsstellen jedoch nicht mehr ohne Weiteres direkt sichtbar. Das erhöht die Bedeutung eines kontrollierten Prozesses bereits vor dem Reflow-Löten.
Besonders bei kleinen Ball-Pitches beziehungsweise µBGAs können sehr kleine Aperturen und enge Prozessfenster entstehen. Für die SMD-Schablone bedeutet das: Nicht ein einzelnes perfektes Pastendepot ist entscheidend.
Eine große Anzahl kleiner Depots muss möglichst gleichmäßig und wiederholbar entstehen. Stabile mechanische Bedingungen können dabei einen wichtigen Beitrag leisten. Deshalb können festgerahmte Schablonen für BGA-Anwendungen insbesondere dann interessant sein, wenn hohe Anforderungen an Reproduzierbarkeit und wiederkehrende Serienprozesse bestehen.
3. High-Density-Baugruppen: Wenn viele Anforderungen zusammentreffen
Hohe Packungsdichte bedeutet nicht zwangsläufig nur kleine Bauteile. Gerade moderne Baugruppen kombinieren häufig sehr unterschiedliche Komponenten auf engem Raum. Neben kleinen passiven Bauteilen können beispielsweise Fine-Pitch-ICs, BGAs, QFNs, Steckverbinder und größere Bauteile auf derselben Leiterplatte vorkommen.
Damit muss die SMD-Schablone teilweise sehr unterschiedliche Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Ein Bereich benötigt kleine, exakt definierte Pastendepots. An anderer Stelle wird möglicherweise deutlich mehr Lotpaste benötigt.
Die Herausforderung liegt damit nicht nur in der Präzision einzelner Aperturen, sondern in der Prozessfähigkeit der gesamten Baugruppe. Bei regelmäßig gefertigten High-Density-Baugruppen kann eine festgerahmte Schablone deshalb eine interessante Grundlage für stabile mechanische Bedingungen bilden. Das eigentliche Schablonendesign muss anschließend auf die unterschiedlichen Pastenvolumina abgestimmt werden.
4. Baugruppen mit sehr kleinen Prozessfenstern
Nicht jede anspruchsvolle Baugruppe lässt sich anhand eines bestimmten Bauteiltyps erkennen. Manchmal ergibt sich die Herausforderung erst aus der Kombination verschiedener Anforderungen.
Beispielsweise können:
- sehr kleine Aperturen
- geringe Padabstände
- hohe Packungsdichte
- unterschiedliche benötigte Pastenvolumina
- hohe Qualitätsanforderungen
zusammen ein enges Prozessfenster erzeugen.
Je kleiner dieses Prozessfenster wird, desto wichtiger ist es, unnötige Prozessvariablen zu reduzieren.
Genau hier liegt eine grundsätzliche Stärke festgerahmter Systeme: Die Schablone wird als dauerhaft definierte Schablonen-Rahmen-Einheit eingesetzt. Das bedeutet nicht, dass dadurch sämtliche Prozessschwankungen verschwinden. Es bedeutet vielmehr, dass die mechanische Bereitstellung der Schablone möglichst konstant gehalten werden kann.
5. Serienbaugruppen: Wenn derselbe Prozess immer wieder funktionieren muss
Eine weitere typische Anwendung ergibt sich weniger aus dem Layout als aus der Produktionsstrategie. Wird dieselbe Baugruppe regelmäßig und in hohen Stückzahlen gefertigt, verändert sich die Zielsetzung. In der Prototypenfertigung kann zunächst entscheidend sein, überhaupt ein gutes Druckergebnis zu erreichen.
In der Serienfertigung lautet die wichtigere Frage: Lässt sich dieses Ergebnis auch über viele Druckzyklen hinweg stabil wiederholen? Für wiederkehrende Serien steht eine festgerahmte SMD-Schablone als vollständige, definierte Einheit bereit. Ein erneutes Einspannen der Folie in einen separaten Spannrahmen ist nicht erforderlich.
Damit kann sie insbesondere bei stabilen Produktionsprogrammen und wiederkehrenden Baugruppen Vorteile im Handling und bei der Reproduzierbarkeit bieten.
6. Qualitätskritische Baugruppen: Wenn Prozessstreuung teuer wird
Nicht jede Baugruppe wird aufgrund ihrer Geometrie kritisch. Manchmal ist es ihre Anwendung. Bei Produkten mit hohen Qualitätsanforderungen können Nacharbeit, Ausschuss oder ein später Ausfall besonders hohe Kosten verursachen.
In solchen Fällen gewinnt die Prozessfähigkeit gegenüber dem reinen Anschaffungspreis einzelner Fertigungsmittel an Bedeutung. Ein möglichst stabiler Lotpastendruck ist dann ein Baustein innerhalb der gesamten Qualitätssicherung.
Festgerahmte Schablonen können hier sinnvoll sein, wenn ihre mechanischen Eigenschaften und ihr Handling zur gewünschten Prozessstrategie beitragen.
Auch hier gilt jedoch: Der Fixrahmen ersetzt keine Prozesskontrolle. SPI, definierte Druckparameter, geeignete Lotpaste, Reinigung und ein kontrollierter Gesamtprozess bleiben ebenso wichtig.
Ist festgerahmt bei anspruchsvollen Baugruppen automatisch besser?
Nein.
Diese Unterscheidung ist wichtig. Auch hochwertige Schnellspannsysteme können anspruchsvolle Baugruppen zuverlässig und reproduzierbar drucken.
Die Entscheidung für einen Fixrahmen sollte deshalb nicht aus einer vereinfachten Regel wie
„Fine-Pitch = festgerahmt“
abgeleitet werden.
Vielmehr sollte geprüft werden, welche Anforderungen die konkrete Fertigung stellt. Ein Unternehmen mit sehr vielen Produktvarianten, häufigen Layoutwechseln und kleinen Losgrößen kann beispielsweise andere Prioritäten haben als ein Serienfertiger, der dieselbe anspruchsvolle Baugruppe täglich produziert. Deshalb müssen Baugruppe und Fertigungsstrategie gemeinsam betrachtet werden.
Nicht nur die Baugruppe entscheidet
Ein wichtiger Punkt wird bei der Auswahl einer SMD-Schablone häufig unterschätzt: Zwei Unternehmen können exakt dieselbe Leiterplatte fertigen und trotzdem zu unterschiedlichen sinnvollen Schablonenkonzepten kommen.
Warum?
Weil sich ihre Produktionsbedingungen unterscheiden können. Unter anderem spielen eine Rolle:
Losgröße:
Werden fünf Baugruppen gefertigt oder mehrere zehntausend?
Wiederholhäufigkeit:
Ist es ein einmaliger Auftrag oder kehrt das Produkt regelmäßig zurück?
Variantenvielfalt:
Wie viele unterschiedliche Layouts werden auf derselben Linie verarbeitet?
Rüststrategie:
Wie häufig müssen Schablonen gewechselt werden?
Qualitätsanforderungen:
Wie eng ist das zulässige Prozessfenster?
Automatisierungsgrad:
Wie ist die Schablone in den vorhandenen Fertigungsprozess integriert?
Lagerung und Logistik:
Wie viele unterschiedliche Schablonen müssen vorgehalten werden?
Die optimale Lösung entsteht deshalb nicht allein aus den PCB-Daten.
Wann spricht besonders viel für einen Fixrahmen?
Eine festgerahmte SMD-Schablone sollte insbesondere dann in die engere Auswahl kommen, wenn mehrere der folgenden Bedingungen zusammentreffen:
Die Baugruppe wird regelmäßig oder in hohen Stückzahlen gefertigt.
Der Lotpastendruck besitzt ein enges Prozessfenster.
Fine-Pitch-, BGA- oder andere anspruchsvolle Strukturen stellen hohe Anforderungen an den Pastentransfer.
Mechanische Konstanz und Reproduzierbarkeit besitzen eine hohe Priorität.
Die Schablone soll ohne erneutes Einspannen wiederkehrend als definierte Einheit eingesetzt werden.
Prozessschwankungen oder Ausschuss verursachen hohe Folgekosten.
Je mehr dieser Faktoren zusammentreffen, desto interessanter wird die Betrachtung eines festgerahmten Systems.
Eine pauschale Entscheidung ersetzen sie dennoch nicht.
Wann kann ein Schnellspannsystem sinnvoller sein?
Auf der anderen Seite gibt es Fertigungsumgebungen, in denen die Vorteile eines Schnellspannsystems stärker ins Gewicht fallen.
Das kann beispielsweise bei:
- hoher Variantenvielfalt
- häufig wechselnden Layouts
- Prototypen
- zahlreichen Kleinserien
- begrenztem Lagerraum
der Fall sein.
Dabei muss jedoch stets geprüft werden, ob das jeweilige Spannsystem die mechanischen Anforderungen der konkreten Anwendung zuverlässig erfüllt.
Es geht also nicht darum, Prozessstabilität gegen Flexibilität auszuspielen, sondern die für die eigene Fertigung relevante Balance zu finden.
Welche Rolle spielt die Wirtschaftlichkeit?
Gerade bei festgerahmten Schablonen wird häufig zunächst der höhere Material- und Platzbedarf betrachtet, da jedes Layout eine eigene Schablonen-Rahmen-Einheit benötigt. Für eine vollständige wirtschaftliche Bewertung reicht der Stückpreis jedoch nicht aus.
Auch folgende Faktoren können relevant sein:
- Rüstaufwand
- Handling
- Standzeit
- Lagerung
- Prozessstabilität
- Ausschuss
- Nacharbeit
- Stillstandskosten
Bei einer häufig produzierten Serienbaugruppe können andere Kostenfaktoren dominieren als bei einem Layout, das nur wenige Male eingesetzt wird.
Deshalb sollte die wirtschaftliche Frage nicht lauten:
„Welche Schablone ist günstiger?“
Sondern:
„Welche Lösung ist für diesen Fertigungsprozess insgesamt wirtschaftlicher?“
Die Baugruppe gibt die Anforderungen vor, der Prozess entscheidet über die Lösung
Fine-Pitch, BGA, High-Density oder hohe Stückzahlen können gute Gründe sein, eine festgerahmte SMD-Schablone genauer zu betrachten. Keiner dieser Faktoren ist jedoch für sich allein ein Automatismus. Die passende Schablone entsteht immer aus dem Zusammenspiel von:
Baugruppe + Prozessfenster + Produktionsstrategie + Qualitätsanforderung.
Genau deshalb beginnt die Auswahl bei BECKTRONIC nicht mit der Frage, welches Produkt verkauft werden soll. Wir erfragen, was die Schablone in Ihrer Fertigung leisten soll.
Erst daraus lässt sich ableiten, welche Schablonendicke, welches Aperturdesign, welche Ausführung und welches Spannsystem sinnvoll sind, um einen zuverlässig beherrschbaren Lotpastendruck zu ermöglichen.a
