Isolated Copper

Lotpaste / Lotpastenschablone

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Ein entscheidender Arbeitsschritt bei der Herstellung einer Leiterplatte ist die Bestückung der Leiterplatte. Voraussetzung für einen effektiven Reflow- oder ähnlich gearteten Lötprozess ist der Druck der Lotpaste auf die Leiterplatte.

Hinweis: IPC-J-STD-005A Anforderungen an Lotpasten IPC-7527 Anforderungen an den Lotpastendruck IPC-7525B Designrichtlinie für Druckschablonen

Eng verknüpft zu diesem Artikel ist ebenfalls der Artikel Lötstoppdruck

Die Art und Weise wie die Lotpaste auf die Platine aufgetragen wird, kann auf unterschiedlichen Arten bzw. Vorgehensweisen beruhen. Auch wenn es sich dabei im ersten Augenblick um ein relativ unscheinbares Fertigungsfeld handelt, entscheidet die Qualität des Lotauftrages auch über die Qualität des Endproduktes! Im industriellen Umfeld geschieht der Lotpastenauftrag immer noch zumeist mittels Schablonendruck. Als aktuelleres Verfahren kann man an dieser Stelle das sogenannte JET-Print Verfahren benennen.

Beiden Verfahren gemein ist das Ziel die für den Lötprozess notwendige Lotpaste auf die Anschlussflächen zu verbringen, welche den Prozessanforderungen entspricht (IPC-A-610). Hier kommt es auf die aufgetragene und richtig dosierte Menge an. Zu wenig Paste kann zu schlechtem Kontaktverhalten führen - zu viel hingegen zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Pads. Wie bei gutem Stangenlötzinn auch, setzt sich die Lotpaste aus dem Lot selbst und einem bestimmten Anteil Flussmittel zusammen (Volumenverhältnis 1:1). Das Flussmittel wird beim Lötprozess nahezu aufgebraucht - daraus kann man schließen, das sich das Volumen letztendlich um die Hälfte verringert. Bei der Wahl der Paste ist unbedingt auf die vorhandenen Pad- und Leiterbahnstrukturen zu achten. Sie bestimmen die Öffnungen in der Lotpastenschablone, welche im Umkehrschluß wiederum Einfluß auf die Pastenkörnungen haben. Zu große Körnungen und feinste Strukturöffnungen (Richtwert: <250µm) der Schablone können zu mangelhafter Benetzung der Pads mit Lot führen.

Wie bereits im vorausgehenden Abschnitt angesprochen, ist der Schablonendruck eine weit verbreitete und effektive Art, Lotpaste auf die Anschlussflächen aufzutragen. Die Schablonendaten beinhalten alle relevanten Öffnungen - alle anderen Bereiche sind also abgedeckt. Egal ob manuell oder automatisch, die Paste wird mittels eines Rakels flächig über die Schablone gezogen. Dabei verfüllen sich die Öffnungen mit ausreichend Lot. Die Höhe der Lotschicht entspricht der Dicke der Schablone. Folglich ist diese ebenfalls mit Bedacht auszuwählen, um nicht zu viel oder zu wenig Lot aufzutragen. Ein weiteres Kriterium liefert die Größe der Körnung. Diese sollte so ausgewählt sein, dass mindestens 5 Lotkugelkörner nebeneinander durch den kleinsten Schablonendurchbruch zu liegen kommen könnten. Um Kurzschlüsse benachbarter Pads beim Aufschmelzvorgang des Lotes zu vermeiden, müßen die Schablonenausbrüche beispielsweise der Pads umlaufend etwa 50µm kleiner als das Pad selbst sein. Anders ausgedrückt, der Schablonendruck benetzt nicht die komplette Padfläche, sondern ein um umlaufend 50µm kleineren Bereich der Pads (Pastendepotbreite=Padbreite-2x50µm). Doch welche kleinsten Strukturen kann man mittels Schablonendruck sinnvoll nutzen? Eine einfache Daumenregel hilft hier weiter. Die Dicke der Schablone legt die minimale Breite des Lotpastenpads und ebenfalls den minmalen Reststeg benachbarter Lotpastenpads fest. Das bedeutet, dass eine oft benutzte 150µm dicke Schablone auch eben nur einen Reststeg benachbarter Pads von 150µm ermöglicht und 150µm breite Pads als Untergrenze zulässt. Schablonen werden in den Dicken von etwa 70µm bis hinauf zu 300µm hergestellt bzw. deren Herstellung angeboten. Hinweis: Auch rund um dieses Thema geht die Entwicklung stetig voran. Mittlerweile gibt es Verfahren, welche es ermöglichen, sogenannte Stufenschablonen anzufertigen. Diese Schablonen / Stencils variieren das auftragbare Lotpastenvolumen. Anwendung findet dies in Bestückungsbereichen, in welchen Bauteile mit einem anderen Lotpastenbedarf bestückt werden, als an anderer Stelle der LP - FinePitch-Bauteile benötigen weniger Lotpaste als beispielsweise robustere Steckverbinder. Der große Vorteil dieser Technologie kann gewährleisten, dass der Lotpastenauftrag innerhalb eines Prozesschrittes durchgeführt werden kann. Mittels Lasertechnologie werden hierfür lokale Vertiefungen (Step-Down) durch Materialreduktion/-subtraktion eingearbeitet, wodurch der mögliche Pastenauftrag begrenzt wird (Höhe der Schablone beeinflußt das Pastenvolumen). Ebenso sind auch Erhöhungen möglich (Step-Up), welche durch Materialauftrag realisiert werden (hier werden Verstärkungsfolien aufgebracht).

Ganz anders das schablonenlose JET-Dispens-Verfahren. Hier kann die Menge des aufgebrachten Lotes am besten beeinflußt bzw. korrigiert werden. Somit liegen die Vorteile des sparsamen und effezienten Lotverbrauches klar auf der Hand. Schablonen müssen nicht zeitaufwändig gereinigt, gelagert und vor erneuter Benutzung begutachtet werden. Auch die einzurechnendnen (Um-)Rüstzeiten verkürzen sich auf den Bedarf eines Programmwechsels. Der Fairnes halber sollte hier allerdings dann auch der erhöhte Zeitbedarf für den eigentlichen Druckvorgang erwähnt werden. Ebenfalls nachteilig erscheint die momentan begrenzte Pastenauswahl (auch hinsichtlich der minamalen Korngröße). Allerdings sollte man dem noch relativ jungem Dispens-verfahren auch noch genügend Zeit zur Weiterentwicklung einräumen. Die Technologie ist durchaus bereit für den Einsatz, man kann sich aber auch auf Weiterentwickungen innerhalb dieses Verfahrens einstellen.

Noch ein paar Worte zu Problemen und Fehlerbildern zur Lotpaste

Wie bei allen Prozessschritten, kann es auch hier zu Problemen beim Aufrag der Lotpaste oder bei der anschliessenden Wärmebehandlung kommen. Beispielsweise kann jede einzelne Lötstelle durch sogenannte Voids beeinträchtigt werden. Diese Voids (Blasen, Poren, Einschlüsse) entstehen durch gasförmige Bestandteile des Flussmittels. Diese Gaseinschlüsse schaffen es nicht über den Erwärmungsprozess hinweg an die Oberfläche des Lotes zu gelangen und so zu entweichen. Besonders bei Anschlussflächen unter Bauteilen (BGA )treten diese Probleme bevorzugt auf. Nähere Informationen zu diesem Problem und zu möglichen Designrichtlinien werden in der "IPC-7095 Design and Assembly Process Implementation for BGA's" dargelegt.

Bereits einen Schritt zuvor findet man mögliche Fehlerquellen eher beim Auftrag der Lotpaste auf die Anschlussflächen. Eine falsch oder unpassend gefertigte Lotpastenschablone, falsche Padgeometrien, durch falsche Referenzierung unzureichend genau aufgelegte Schablone oder falsche Wahl der Lotpaste kann es zu einem Versatz der Lotpaste zu den zugehörigen Pads kommen. Klassenbezogen kann dies unterschiedlich schwer gewichtet werden und ist folgendermaßen einzuordnen.

Versatz vom Lotpastendepot und dessen Auswirkungen

• Anzustreben für Klasse 1,2,3
  • Pastendepot liegt mittig auf Pad und erscheint als einheitlicher Block (wenn nicht konstruktionsbedingte Segmentierung beabsichtigt)
  • Alle Lotkügelchen stehen im Kontakt mit dem Lostpastendepot
• Zulässig für Klasse 1,2,3
  • Pastendepot weicht weniger als 25% in x und/oder y-Richtung vom Pad ab (Versatz von weniger 25% in x/y-Richtung ist zulässig)
• Fehler in Klasse 1,2,3
  • Pastendepot hat sich mit benachbarter Anschlussfläche zu einem Kurzschluß verbunden
  • Versatz von mehr als 25% in x/y-Richtung ist unzulässig
  • Lotdepot bildet keinen einheitlichen Block aus (wenn nicht konstruktionsbedingte Segmentierung beabsichtigt)

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