Typische Fehler beim Lotpastendruck: Ursachen erkennen und Druckfehler vermeiden

Verschmierte Konturen, schwankende Pastenvolumina oder unvollständige Pastendepots: Fehler beim Lotpastendruck können viele Gesichter haben.

Die Herausforderung bei der Fehlersuche liegt häufig darin, dass ein sichtbares Fehlerbild nicht automatisch auf eine eindeutige Ursache schließen lässt.

Liegt es an der Lotpaste? An den Druckparametern? An der SMD-Schablone? An der Leiterplatte? Oder wirken mehrere Faktoren gleichzeitig?

Eine systematische Fehleranalyse betrachtet deshalb den gesamten Druckprozess. Dabei lohnt es sich besonders, das Fehlerbild genau zu verstehen und mögliche Ursachen Schritt für Schritt einzugrenzen.

Warum ist der Lotpastendruck so fehlerkritisch?

Der Lotpastendruck steht am Anfang des SMT-Prozesses. Mithilfe einer SMD-Schablone wird Lotpaste auf die dafür vorgesehenen Pads der Leiterplatte übertragen. Erst danach werden die Bauteile bestückt und im Reflow-Prozess verlötet.

Damit werden bereits beim Drucken wichtige Voraussetzungen für die spätere Lötstelle geschaffen. Ist beispielsweise zu wenig Paste vorhanden, kann ein nachfolgender Prozessschritt die fehlende Lotmenge nicht einfach ergänzen. Ungünstig positionierte oder zu große Pastendepots können wiederum Fehler in den folgenden Prozessschritten begünstigen.

Besonders anspruchsvoll wird das bei Fine-Pitch-Strukturen, BGAs, QFNs und hohen Packungsdichten. Je enger das Prozessfenster, desto stärker können kleine Abweichungen ins Gewicht fallen.

Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht nur: Ist der Druck gut?

Sondern: Bleibt er über viele Druckzyklen hinweg reproduzierbar gut?

Warum haben Druckfehler selten nur eine Ursache?

Beim Lotpastendruck greifen zahlreiche Parameter ineinander.

Dazu gehören unter anderem:

• Schablonendicke und Aperturgeometrie
• Eigenschaften und Zustand der Lotpaste
• Rakeldruck und Rakelgeschwindigkeit
• Schablonenspannung und Planlage
• Leiterplattenunterstützung
• Ausrichtung von PCB und Schablone
• Trennparameter nach dem Druck
• Reinigungszustand von Schablone und Aperturen
• Temperatur und weitere Umgebungsbedingungen

Deshalb ist bei der Fehlersuche Vorsicht mit schnellen Schlussfolgerungen geboten. Ein verschmiertes Druckbild bedeutet beispielsweise nicht automatisch, dass die Schablone fehlerhaft ist. Ebenso wenig ist ein schwankendes Pastenvolumen grundsätzlich auf die Lotpaste zurückzuführen. Das Fehlerbild ist der Ausgangspunkt der Analyse, nicht bereits die Diagnose.

Fehlerbild 1: Lotpaste verschmiert oder unterkriecht die Schablone

Ein typisches Problem sind unscharfe Pastendepots oder Lotpaste, die sich außerhalb der vorgesehenen Padbereiche befindet. Häufig wird dabei vom Unterkriechen der Schablone gesprochen.

Wie entsteht das?

Für einen sauberen Druck müssen Leiterplatte und Schablone unter den vorgesehenen Prozessbedingungen definiert zueinander positioniert sein.

Entsteht lokal ein unerwünschter Abstand, kann Lotpaste seitlich unter die Schablone gelangen. Beim nächsten Druck kann diese Paste wiederum auf die Leiterplatte übertragen werden. Auch eine verschmutzte Schablonenunterseite kann das Fehlerbild verstärken.

Mögliche Ursachen

Zu den möglichen Ursachen gehören:

• ungünstige Planlage
• unzureichende Leiterplattenunterstützung
• Verformungen der Leiterplatte
• fehlerhafte Ausrichtung
• ungeeignete Druckparameter
• verschmutzte Schablonenunterseite
• ungünstige Pasteneigenschaften oder Prozessbedingungen

Was sollte geprüft werden?

Zunächst sollte kontrolliert werden, ob PCB und Schablone korrekt ausgerichtet und unterstützt werden.

Anschließend lohnt sich ein Blick auf Planlage, Schablonenunterseite, Rakelparameter und Reinigungsintervalle.

Tritt der Fehler lokal immer an derselben Position auf, kann dies einen wichtigen Hinweis auf eine geometrische oder mechanische Ursache geben.

Fehlerbild 2: Schwankende Pastenvolumina

Ein einzelnes Pastendepot liegt innerhalb der Spezifikation, das nächste ist zu groß, ein weiteres zu klein. Solche Schwankungen sind besonders problematisch, weil der Prozess zunächst durchaus funktionstüchtig erscheinen kann. Die eigentliche Schwäche zeigt sich in der Streuung.

Mögliche Ursachen

Schwankende Pastenvolumina können unter anderem entstehen durch:

• instabile Druckparameter
• Veränderungen der Lotpasteneigenschaften
• ungleichmäßige Aperturfüllung
• teilweise zugesetzte Aperturen
• ungünstiges Auslöseverhalten
• mechanische Veränderungen der Schablone
• unzureichende Leiterplattenunterstützung
• Veränderungen von Spannung oder Planlage

Gerade bei kleinen Aperturen können bereits geringe Veränderungen des Transferverhaltens relevant werden.

Warum ist das in der Serie kritisch?

In einer Serienfertigung genügt es nicht, im Durchschnitt das richtige Pastenvolumen zu erreichen. Ein stabiler Prozess muss möglichst viele Drucke innerhalb des definierten Prozessfensters halten. Steigt die Streuung, nimmt damit auch das Risiko zu, dass einzelne Depots die zulässigen Grenzen verlassen.

Eine Solder Paste Inspection (SPI) ist deshalb ein wichtiges Werkzeug: Sie macht Veränderungen von Volumen, Fläche, Höhe und Position der Pastendepots messbar und kann Prozessdrift frühzeitig sichtbar machen.

Fehlerbild 3: Zu wenig Lotpaste

Sind Pastendepots kleiner als vorgesehen oder fehlen teilweise, steht für die spätere Lötverbindung möglicherweise nicht ausreichend Lot zur Verfügung. Je nach Bauteil und Ausprägung kann dies unzureichende oder offene Lötverbindungen begünstigen.

Mögliche Ursachen

Zu geringe Pastenvolumina können beispielsweise verursacht werden durch:

• ungeeignete Aperturabmessungen
• ungünstiges Verhältnis von Apertur und Schablonendicke
• unvollständige Aperturfüllung
• zugesetzte oder verschmutzte Aperturen
• ungünstiges Auslöseverhalten beim Trennen
• ungeeignete Lotpaste für die jeweilige Aperturgeometrie
• nicht optimal eingestellte Druck- oder Trennparameter

Hier zeigt sich besonders deutlich, warum Aperturdesign und Prozess nicht getrennt voneinander betrachtet werden sollten. Eine theoretisch korrekt dimensionierte Öffnung garantiert noch nicht automatisch, dass das vorgesehene Pastenvolumen tatsächlich auf der Leiterplatte ankommt.

Fehlerbild 4: Zu viel Lotpaste

Auch ein zu großes Pastendepot kann problematisch sein. Mehr Lotpaste bedeutet nicht automatisch eine robustere Lötverbindung. Bei kleinen Padabständen kann überschüssige Paste beispielsweise das Risiko erhöhen, dass sich benachbarte Bereiche verbinden. Bei anderen Bauteilen können sich wiederum spezifische Folgeprobleme ergeben.

Mögliche Ursachen

Zu hohe Pastenvolumina können unter anderem mit folgenden Faktoren zusammenhängen:

• zu große Aperturen
• ungeeignete Schablonendicke
• ungünstiges Aperturdesign
• Druckparameter
• unerwünschte Paste außerhalb der eigentlichen Aperturfläche
• fehlerhafte Prozessabstimmung zwischen Pad, Schablone und Bauteil

Maßgebend ist deshalb nicht „möglichst viel Paste“, sondern das für die jeweilige Lötstelle geeignete Pastenvolumen.

Fehlerbild 5: Lötbrücken und Bridging

Von Bridging spricht man, wenn zwischen benachbarten Anschlüssen eine unerwünschte leitende Verbindung entsteht. Die eigentliche Lötbrücke wird typischerweise im späteren Lötprozess sichtbar. Ihre Ursache kann jedoch bereits beim Lotpastendruck angelegt worden sein.

Welchen Einfluss hat der Druck?

Werden Pastendepots zu groß, unsauber begrenzt oder ungünstig positioniert, kann dies die Wahrscheinlichkeit einer späteren Brückenbildung erhöhen. Besonders kritisch sind kleine Abstände, wie sie beispielsweise bei Fine-Pitch-Komponenten auftreten.

Mögliche Ursachen im Druckprozess

Dazu gehören unter anderem:

• zu große oder ungeeignete Aperturen
• zu hohe Pastenvolumina
• Fehlausrichtung zwischen Schablone und PCB
• verschmierte Pastendepots
• Lotpaste unter der Schablone
• ungünstige Planlage oder Kontaktbedingungen

Wichtig: Eine Lötbrücke kann auch Ursachen außerhalb des Schablonendrucks haben. Deshalb sollte auch hier der Gesamtprozess betrachtet werden.

Fehlerbild 6: Aperturen werden nicht sauber ausgelöst

Nach dem Druck muss sich die Schablone von der Leiterplatte trennen und die Lotpaste möglichst definiert aus den Aperturen lösen. Bleibt Paste teilweise in einer Öffnung zurück, kann das resultierende Pastendepot kleiner oder ungleichmäßig werden.

Warum passiert das?

Mit kleiner werdenden Aperturen steigt die Bedeutung des Verhältnisses zwischen Öffnungsfläche und Aperturwand. Aperturgeometrie, Schablonendicke, Qualität der Aperturwände und Eigenschaften der Lotpaste beeinflussen deshalb das Auslöseverhalten. Zusätzlich spielen die Parameter des Trennvorgangs eine Rolle.

Bei anspruchsvollen Fine-Pitch-Anwendungen muss die Schablone daher nicht nur geometrisch korrekt gefertigt sein. Das gesamte Design muss einen zuverlässigen Pastentransfer unterstützen.

Welche Rolle spielen Planlage, Spannung und Rahmen?

Gerade bei wiederkehrenden Druckfehlern lohnt sich ein Blick auf die mechanischen Bedingungen.

Der Rahmen einer festgerahmten SMD-Schablone bildet gemeinsam mit der Schablonenfolie eine mechanische Einheit. Er unterstützt die erforderliche Spannung und Stabilität der Folie. Eine geeignete Planlage wiederum schafft wichtige Voraussetzungen für definierte Kontaktbedingungen zwischen Schablone und Leiterplatte.

Verändern sich diese Bedingungen, kann sich auch der Pastentransfer verändern. Das bedeutet allerdings nicht, dass der Rahmen „schuld“ ist, sobald ein Druckfehler auftritt. Mechanische Faktoren sind vielmehr ein Teil des gesamten Ursachenbildes und sollten bei einer strukturierten Fehleranalyse nicht übersehen werden.

Welche Rolle spielt die Reinigung der SMD-Schablone?

Eine saubere Schablone ist eine wichtige Voraussetzung für einen stabilen Druckprozess. Lotpastenreste können sich an der Unterseite oder innerhalb der Aperturen ansammeln. Dadurch können sich sowohl die Konturen als auch das übertragene Pastenvolumen verändern.

Die Reinigung verfolgt deshalb zwei Ziele:

Zum einen sollen unerwünschte Pastenreste entfernt werden. Zum anderen muss die Schablone dabei so behandelt werden, dass sie nicht unnötig beschädigt oder mechanisch belastet wird.

Reinigungsmittel, Verfahren und Intervalle sollten daher zur verwendeten Schablone und Lotpaste passen. Auch hier gilt: Möglichst häufig zu reinigen ist nicht automatisch besser. Es gilt, ein prozessgerechtes Reinigungsintervall zu finden.

Druckfehler systematisch analysieren statt Parameter auf Verdacht verändern

Tritt ein Fehler auf, ist die Versuchung groß, unmittelbar einzelne Maschinenparameter anzupassen. Mehr Rakeldruck. Andere Geschwindigkeit. Häufigere Reinigung.

Damit lässt sich ein Symptom möglicherweise kurzfristig verändern – die eigentliche Ursache ist jedoch noch nicht zwingend gefunden. Eine strukturierte Fehleranalyse ist deshalb sinnvoller.

1. Fehlerbild genau beschreiben

Was stimmt tatsächlich nicht? Ist das Depot zu groß, zu klein, verschoben oder verschmiert? Tritt der Fehler auf einzelnen Pads, in einem bestimmten Bereich oder auf der gesamten Leiterplatte auf?

2. Wiederholbarkeit prüfen

Tritt der Fehler bei jedem Druck an derselben Stelle auf oder wandert er? Ein positionsgebundener Fehler liefert andere Hinweise als eine zufällige Schwankung.

3. SPI-Daten nutzen

Wenn SPI-Daten verfügbar sind, sollte nicht nur auf einzelne Grenzwertverletzungen geschaut werden. Auch Trends und zunehmende Streuungen können auf eine beginnende Prozessveränderung hinweisen.

4. Einflussgrößen einzeln überprüfen

Schablone, Paste, Druckparameter, PCB-Unterstützung, Reinigung und Maschinenbedingungen sollten systematisch untersucht werden. Wer mehrere Parameter gleichzeitig verändert, erschwert die Ursachenanalyse.

5. Ursache beseitigen und Prozess erneut beobachten

Nach einer Korrektur sollte geprüft werden, ob nicht nur das sichtbare Fehlerbild verschwindet, sondern auch die Prozessstreuung wieder stabil ist. Das Ziel ist schließlich nicht der nächste gute Druck. Das Ziel ist ein dauerhaft beherrschter Prozess.

Wie lassen sich Fehler beim Lotpastendruck vermeiden?

Vollständig ausschließen lassen sich Prozessabweichungen in einer industriellen Fertigung kaum. Viele Risiken lassen sich jedoch bereits vor dem ersten Druck reduzieren. Dazu gehört eine anwendungsbezogene Auslegung der SMD-Schablone ebenso wie ein stabil eingerichteter Druckprozess.

Besonders wichtig sind:

• ein zur Baugruppe passendes Aperturdesign
• eine geeignete Schablonendicke
• stabile mechanische Bedingungen
• passende und überwachte Druckparameter
• eine geeignete Leiterplattenunterstützung
• definierte Reinigungsprozesse
• kontrolliertes Handling und Lagerung der Schablone
• regelmäßige Prozessüberwachung

Bei anspruchsvollen Baugruppen sollte deshalb möglichst früh betrachtet werden, welche Anforderungen das Layout an den späteren Lotpastendruck stellt. Denn manche Probleme lassen sich im laufenden Prozess nur noch kompensieren. Besser ist es, sie bereits bei der Auslegung der Schablone zu vermeiden.

Vom Druckfehler zur Prozessoptimierung

Druckfehler sind ärgerlich, können aber gleichzeitig wertvolle Informationen liefern. Denn jedes wiederkehrende Fehlerbild zeigt, dass mindestens eine Einflussgröße des Prozesses nicht optimal beherrscht wird.

Das Augenmerk sollte dann aber nicht nur darauf liegen, den Fehler möglichst schnell zu beheben, sondern vor allem zu prüfen, wo und wie er entstanden ist. Nur so lässt sich verhindern, dass sich dauerhaft immer wieder Fehler und Abweichungen einschleichen und der Prozess nicht sicher beherrscht wird. 

Genau hier treffen Schablonen-Know-how und Prozessverständnis aufeinander.

Bei BECKTRONIC betrachten wir eine SMD-Schablone deshalb nicht isoliert. Aperturdesign, Schablonendicke, mechanische Eigenschaften und konkrete Anforderungen der Baugruppe müssen gemeinsam betrachtet werden. Dazu beziehen wir Prozessparameter schon bei der Schablonenkonfiguration bestmöglich mit ein, um ein bestmögliches Werkzeug für den SMT-Prozess zu liefern.