Wie viel Lotpaste braucht eine Lötstelle?
In der Praxis ist eine pauschale Antwort auf diese Frage nicht zielführend. Denn nicht jedes Pad und nicht jedes Bauteil benötigt dasselbe Pastenvolumen. Gleichzeitig genügt es nicht, die gewünschte Menge einmal korrekt zu drucken. In der Serienfertigung müssen möglichst gleichmäßige Pastendepots über viele Druckzyklen hinweg entstehen.
Die SMD-Schablone übernimmt dabei eine zentrale Funktion. Schablonendicke, Größe und Geometrie der Aperturen bestimmen wesentlich, welches Pastenvolumen überhaupt bereitgestellt werden kann. Ob dieses Volumen anschließend tatsächlich auf der Leiterplatte ankommt, hängt jedoch von weiteren Faktoren ab.
Was ist das Lotpastenvolumen?
Beim Schablonendruck wird Lotpaste durch die Aperturen einer SMD-Schablone auf die Pads der Leiterplatte übertragen. Nach dem Trennen von Schablone und PCB bleibt auf jedem bedruckten Pad ein Pastendepot zurück.
Das Lotpastenvolumen beschreibt die dreidimensionale Menge der aufgetragenen Lotpaste. Für die spätere Lötverbindung ist dieses Volumen entscheidend. Schließlich enthält die Paste das Metall, aus dem beim Reflow-Prozess die eigentliche Lötstelle entsteht. Dabei gilt weder „mehr ist besser“ noch „weniger ist präziser“. Ziel ist ein für Bauteil, Pad und Prozess geeignetes Pastenvolumen.
Wie bestimmt die SMD-Schablone das Pastenvolumen?
Das theoretisch verfügbare Volumen einer rechteckigen Apertur lässt sich zunächst relativ einfach betrachten:
Aperturfläche × Schablonendicke = theoretisches Aperturvolumen
Eine größere Apertur kann also bei gleicher Schablonendicke mehr Paste aufnehmen. Ebenso steigt das theoretische Volumen, wenn die Schablone dicker wird. Für den realen Druckprozess reicht diese Betrachtung allerdings nicht aus.
Denn die Apertur ist nach dem Rakelvorgang zwar mit Paste gefüllt – beim Trennen von Schablone und Leiterplatte muss sich diese Paste anschließend möglichst vollständig aus der Öffnung lösen. Das tatsächlich auf dem Pad verbleibende Volumen kann deshalb vom theoretischen Aperturvolumen abweichen. Genau hier beginnt die eigentliche Prozessbetrachtung.
Was ist die Transfer Efficiency?
Die Transfer Efficiency, also die Übertragungseffizienz, beschreibt vereinfacht das Verhältnis zwischen dem tatsächlich übertragenen Pastenvolumen und dem theoretischen Volumen der Apertur. Wird beispielsweise eine Apertur vollständig gefüllt, bedeutet das noch nicht automatisch, dass beim Trennen auch die gesamte Paste auf dem Pad verbleibt. Ein Teil kann an den Aperturwänden haften.
Je zuverlässiger und gleichmäßiger sich die Paste aus der Apertur löst, desto kontrollierter lässt sich das gewünschte Pastendepot erzeugen. Die Transfer Efficiency ist deshalb ein wichtiger Faktor bei der Bewertung von Schablonendesign und Druckprozess.
Für die Serienfertigung ist jedoch noch etwas anderes entscheidend:
Nicht nur eine hohe Übertragungseffizienz ist relevant, sondern vor allem eine reproduzierbare Übertragungseffizienz. Ein Prozess, der zwischen den Druckzyklen stark schwankt, ist auch dann problematisch, wenn sein durchschnittliches Pastenvolumen zunächst richtig erscheint.
Was ist das Area Ratio einer SMD-Schablone?
Bei kleinen Aperturen wird das Verhältnis zwischen Öffnungsfläche und Aperturwand zunehmend wichtig. Dafür wird häufig das sogenannte Area Ratio betrachtet. Vereinfacht beschreibt es das Verhältnis der freien Aperturfläche zur Fläche der Aperturwände.
Bei einer rechteckigen Apertur kann es beispielsweise als
Öffnungsfläche / Wandfläche
betrachtet werden.
Warum ist das relevant?
Die Paste soll beim Trennen bevorzugt auf dem Pad verbleiben und sich von den Wänden der Apertur lösen. Wird eine Öffnung im Verhältnis zur Schablonendicke sehr klein, nimmt der Einfluss der Aperturwände zu. Dadurch kann der zuverlässige Pastentransfer schwieriger werden. Deshalb können Schablonendicke und Aperturgröße nicht unabhängig voneinander gewählt werden.
Eine Apertur muss nicht nur das richtige theoretische Volumen besitzen – sie muss dieses Volumen auch zuverlässig übertragen können.
Warum ist die Schablonendicke so wichtig?
Die Schablonendicke ist eine der grundlegenden Stellgrößen beim Lotpastendruck. Eine dickere Schablone ermöglicht bei gleicher Aperturfläche grundsätzlich ein größeres theoretisches Pastenvolumen. Eine dünnere Schablone reduziert dieses Volumen und kann bei kleinen Aperturen günstigere geometrische Voraussetzungen für das Auslöseverhalten schaffen.
Damit entsteht bei komplexen Baugruppen schnell ein Zielkonflikt. Ein großes Bauteil kann relativ viel Lotpaste benötigen. Direkt daneben befindet sich möglicherweise ein Fine-Pitch-Bauteil mit sehr kleinen Pads und entsprechend kleinen Aperturen. Eine einheitliche Schablonendicke muss dann beiden Anforderungen möglichst gut gerecht werden.
Deshalb wird die Schablonendicke nicht pauschal gewählt, sondern anhand des gesamten Bauteilspektrums und der kritischen Strukturen einer Baugruppe ausgelegt.
Warum ist die Aperturgeometrie mehr als nur die Padform?
Es wäre naheliegend, jede Apertur exakt so groß und genauso geformt wie das darunterliegende Pad auszulegen. In der Praxis ist das nicht immer die optimale Lösung.
Aperturen können gezielt angepasst werden, um das gewünschte Pastenvolumen und Transferverhalten zu beeinflussen. Je nach Anwendung können beispielsweise Abmessungen reduziert, Geometrien verändert oder Öffnungen aufgeteilt werden. Das Ziel bleibt dabei immer gleich:
Auf dem Pad soll ein für die jeweilige Lötstelle geeignetes und reproduzierbares Pastendepot entstehen.
Die optimale Apertur ergibt sich deshalb nicht allein aus den Gerber- oder CAD-Daten der Leiterplatte. Bauteil, Pad, Schablonendicke, Paste und späterer Prozess müssen gemeinsam betrachtet werden. Genau darin liegt ein wesentlicher Teil des Schablonendesigns.
Was passiert bei zu wenig Lotpaste?
Ist das Pastendepot zu klein, steht nach dem Reflow entsprechend weniger Lot für die Lötverbindung zur Verfügung. Je nach Bauteil und Ausprägung können dadurch unzureichende Lötverbindungen oder offene Verbindungen entstehen.
Mögliche Ursachen für zu geringe Pastenvolumina sind unter anderem:
- zu kleine Aperturen
- ungünstiges Verhältnis von Aperturgröße und Schablonendicke
- unvollständige Aperturfüllung
- schlechte Pastenfreigabe aus der Apertur
- zugesetzte oder verschmutzte Öffnungen
- ungeeignete Druck- oder Trennparameter
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Designproblem und Prozessproblem.
Ist das theoretische Aperturvolumen bereits zu klein, lässt sich die Ursache nicht sinnvoll durch immer höheren Rakeldruck kompensieren. Ist die Apertur dagegen korrekt ausgelegt, erreicht aber nicht die gewünschte Transfer Efficiency, muss das Auslöseverhalten genauer untersucht werden.
Was passiert bei zu viel Lotpaste?
Auch zu viel Paste kann Probleme verursachen. Insbesondere bei geringen Abständen zwischen benachbarten Pads kann ein zu großes Pastenvolumen die Entstehung von Lötbrücken begünstigen. Je nach Bauteilgeometrie können außerdem weitere Lötfehler entstehen.
Mögliche Ursachen sind beispielsweise:
- zu große Aperturen
- eine für die Anwendung ungünstige Schablonendicke
- ungeeignetes Aperturdesign
- Verschmierungen oder Unterkriechen
- Fehlausrichtung von Schablone und Leiterplatte
Die richtige Lotpastenmenge ist deshalb immer anwendungsbezogen. Ein Pastenvolumen, das für einen Bauteiltyp optimal ist, kann für einen anderen auf derselben Baugruppe bereits zu groß oder zu klein sein.
Warum sind Fine-Pitch und BGA besonders anspruchsvoll?
Bei Fine-Pitch-Bauteilen werden die Abstände zwischen Anschlüssen kleiner. Gleichzeitig werden häufig entsprechend kleine Pastendepots benötigt. Damit sinken die Abmessungen der Aperturen – und das Verhältnis zwischen Aperturöffnung und Aperturwand gewinnt an Bedeutung.
Bei BGAs und insbesondere bei kleinen Ball-Pitches kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Viele Lötstellen liegen unterhalb des Bauteils und sind nach der Bestückung optisch nicht mehr direkt zugänglich.
Ein reproduzierbarer Pastenauftrag ist deshalb bereits vor Bestückung und Reflow besonders wichtig. Je kleiner die Strukturen werden, desto weniger Spielraum besteht häufig für Schwankungen. Das bedeutet jedoch nicht, dass für Fine-Pitch oder BGA einfach grundsätzlich „weniger Paste“ benötigt wird. Auch hier muss das Pastenvolumen passend zu Pad, Bauteil und Lötprozess ausgelegt werden.
Was tun, wenn eine Baugruppe unterschiedliche Pastenvolumina benötigt?
Moderne Baugruppen kombinieren häufig sehr unterschiedliche Bauteile. Fine-Pitch-Komponenten, passive Kleinstbauteile, Steckverbinder und Leistungsbauteile können auf derselben Leiterplatte vorkommen. Damit entstehen unterschiedliche Anforderungen an das Pastenvolumen.
Ein Teil dieser Unterschiede lässt sich über das Aperturdesign lösen. Reicht das nicht aus, können für bestimmte Anwendungen auch Stufenschablonen beziehungsweise Step-Stencils eingesetzt werden. Dabei besitzt die Schablone lokal unterschiedliche Dicken.
So können beispielsweise Bereiche mit höherem Pastenbedarf anders ausgelegt werden als Bereiche mit sehr kleinen Aperturen. Ob eine solche Lösung notwendig und sinnvoll ist, hängt von der konkreten Baugruppe ab. Auch hier gilt deshalb: Nicht die technisch komplexeste Schablone ist automatisch die beste. Die beste Lösung ist diejenige, mit der sich das erforderliche Prozessfenster zuverlässig erreichen lässt.
Welche Rolle spielen die Aperturwände?
Beim Laserschneiden einer SMD-Schablone entstehen die späteren Aperturen mit sehr kleinen Abmessungen. Dabei ist nicht nur entscheidend, ob Länge und Breite einer Öffnung stimmen. Auch die Qualität der Aperturwände beeinflusst das Verhalten der Lotpaste beim Trennvorgang.
Unebenheiten oder ungünstige Oberflächeneigenschaften können die Wechselwirkung zwischen Paste und Aperturwand beeinflussen. Deshalb sind ein präziser Laserschneidprozess und eine kontrollierte Fertigungsqualität besonders bei kleinen Aperturen relevant. Je kleiner die Strukturen, desto stärker kann sich die Qualität eines scheinbar winzigen Details auf den Pastentransfer auswirken.
Welche Rolle spielen Beschichtungen?
Je nach Anwendung können zusätzlich Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen der SMD-Schablone eingesetzt werden. Sie können unter anderem das Benetzungs- und Reinigungsverhalten der Schablonenoberfläche beeinflussen. Gerade bei anspruchsvollen Anwendungen können solche Maßnahmen dabei helfen, den Druckprozess zu unterstützen.
Sie ersetzen jedoch kein korrektes Aperturdesign. Eine Beschichtung kann eine ungeeignet dimensionierte Apertur oder eine falsch gewählte Schablonendicke nicht grundsätzlich kompensieren. Auch hier muss deshalb das Gesamtsystem betrachtet werden.
Warum bestimmen nicht nur Apertur und Schablone das Pastenvolumen?
Selbst eine optimal ausgelegte Schablone kann nur innerhalb eines kontrollierten Druckprozesses reproduzierbar arbeiten. Zu den weiteren Einflussgrößen gehören beispielsweise:
- Eigenschaften und Zustand der Lotpaste
- Rakeldruck
- Rakelgeschwindigkeit
- Füllverhalten der Aperturen
- Leiterplattenunterstützung
- Planlage und Schablonenspannung
- Trennparameter
- Temperatur und Prozessumgebung
- Reinigungszustand der Aperturen
Deshalb sollte eine Veränderung des Pastenvolumens nie ausschließlich anhand der Apertur beurteilt werden. Wenn ein Prozess zunächst stabil läuft und sich die Pastenvolumina anschließend verändern, spricht vieles dafür, auch zeitabhängige Einflussgrößen wie Paste, Reinigung, Mechanik oder Maschinenparameter zu untersuchen.
Wie stellt man reproduzierbare Pastenvolumina in der Serie sicher?
Die zentrale Herausforderung der Großserie lautet nicht, einmal das perfekte Depot zu drucken. Sie lautet: Wie drucken wir dieses Depot tausende Male innerhalb unserer definierten Grenzen?
Dafür sind drei Ebenen entscheidend.
1. Das richtige Schablonendesign
Schablonendicke und Aperturen müssen so ausgelegt sein, dass das erforderliche Pastenvolumen mit ausreichendem Prozessfenster übertragen werden kann.
2. Ein stabiler Druckprozess
Paste, Rakelparameter, Leiterplattenunterstützung, Trennung, Reinigung und mechanische Bedingungen müssen kontrolliert und reproduzierbar sein.
3. Prozessüberwachung
Eine Solder Paste Inspection (SPI) ermöglicht es, Pastendepots direkt nach dem Druck zu vermessen. Dabei können beispielsweise Volumen, Fläche, Höhe und Position überwacht werden.
Für die Prozessfähigkeit ist besonders interessant, wie sich diese Werte über viele Druckzyklen entwickeln. Ein einzelner Messwert außerhalb der Spezifikation ist ein Fehler. Eine langsam zunehmende Streuung kann dagegen bereits vorher zeigen, dass der Prozess zu driften beginnt.
Warum ist Reproduzierbarkeit wichtiger als maximale Transfer Efficiency?
Eine möglichst hohe Transfer Efficiency klingt zunächst immer erstrebenswert. In der Praxis ist jedoch entscheidender, dass die benötigte Paste kontrolliert und wiederholbar übertragen wird.
Ein Prozess mit einem etwas geringeren, aber sehr stabilen Transfer kann besser beherrschbar sein als ein Prozess, dessen Übertragungseffizienz von Druck zu Druck stark schwankt.
Das Ziel ist deshalb nicht die Maximierung eines einzelnen Kennwertes. Das Ziel ist ein ausreichend breites und stabiles Prozessfenster. Diese Unterscheidung ist insbesondere für die Serienfertigung wichtig.
Das perfekte Pastenvolumen entsteht nicht durch einen einzelnen Parameter
Schablonendicke bestimmt das mögliche Volumen. Aperturgeometrie beeinflusst Volumen und Auslöseverhalten. Das Area Ratio hilft dabei, die geometrischen Voraussetzungen für den Pastentransfer zu beurteilen. Paste, Druckparameter und Trennprozess beeinflussen wiederum, was davon tatsächlich auf dem Pad ankommt. Und SPI-Daten zeigen schließlich, wie reproduzierbar dieser Prozess arbeitet.
Die Suche nach der „perfekten Lotpastenmenge“ lässt sich deshalb nicht mit einer einzelnen Zahl beantworten. Sie ist das Ergebnis aus Bauteilanforderung, Schablonendesign und beherrschtem Druckprozess.
Bei BECKTRONIC beginnt die Auslegung einer SMD-Schablone deshalb nicht erst am Laser. Sie beginnt mit der Frage, was die jeweilige Baugruppe im späteren Lotpastendruck benötigt. Denn eine präzise geschnittene Apertur ist nur dann wirklich gut ausgelegt, wenn am Ende auch das richtige Pastendepot entsteht.
