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25 Jahre FED - Ein Rückblick

Neue Mitglieder

10.07.2013

Bericht und Vortragsfolien | EPN ELECTROPRINT GmbH | FED-Rundreise 2013

Gastgeber der Regionalgruppensitzung Jena war am 10.07.2013 die EPN Electroprint GmbH in Neustadt an der Orla. Der Leiterplattenfertiger EPN ist langjähriges Mitglied des Fachverbandes FED und stellte für die Regionalgruppenveranstaltung den Seminarraum und die Projektionstechnik zur Verfügung. Die Pausenversorgung mit Kaffee, Plätzchen und Getränken wurde ebenso von EPN übernommen. Für die reibungslose Organisation der Veranstaltung sollen hier stellvertretend die EPN-Mitarbeiter Frau Cornelia Veit, Frau Simone Seeliger, Herr Ronny Hahn und Herr Andreas Hoigk genannt werden.

Die Begrüßung der 25 Teilnehmer, Referenten und EPN-Mitarbeiter des Regionalgruppentreffens erfolgte durch den Regionalgruppenleiter  Wolfgang Kühn. Er gab aktuelle Informationen zu den Aktivitäten der Regionalgruppe Jena und eine Vorausschau der noch für dieses Jahr geplanten Veranstaltungen.

Eine Ergänzung der Tagesordnung wurde vorgenommen. Auf Antrag von Herrn Volker Linde wurde der Tagesordnungspunkt „ Resolution zum Bedarf einer ingenieurtechnischen Fachausbildung auf dem Gebiet der Elektroniktechnologie“ aufgenommen, zu dem er ausführliche Erläuterungen geben wollte.

Als Dank für die die gewährte Gastfreundschaft  wurde an den Geschäftsführer der EPN, Herrn Christian Hirsch durch Wolfgang Kühn ein kompletter Satz der „ FED-Bibliothek des Wissens“
übergeben.



Vorstellung der Fa. EPN Electroprint GmbH durch den Geschäftsführer Herrn Hirsch

Herr Hirsch stelle in einer Power-Point-Präsentation den Werdegang des Unternehmens und die
aktuellen Fertigungstechnologien und Möglichkeiten der LP-Fertigung in EPN vor.  
Die leitenden Mitarbeiter der einzelnen Bereiche und Ansprechpartner der EPN GmbH wurden den anwesenden Gästen vorgestellt.

Die Gründung des Unternehmens erfolgte noch zu DDR-Zeiten im Jahr 1988. Damals wurden mit 12 Mitarbeitern einfache 1Lagen und 2Lagen Leiterplatten gefertigt.
Durch Management-Buy-Out wurde am 01.07.1990 die EPN Electroprint GmbH gegründet und unter
den schwierigen Bedingungen des zusammenbrechenden ostdeutschen Marktes die ersten zwei Jahre über alle wirtschaftlichen Klippen geführt.

Im Jahr 1992 erfolgte die Übernahme von EPN durch den Reutlinger Leiterplattenfertiger Erich Kern GmbH. Investitionen in neue technische Ausrüstungen stabilisierten das wirtschaftliche Wachstum  von EPN und ließen das Unternehmen deutschlandweit zu einem zuverlässigen Leiterplattenfertiger werden. In der Folge wurde weiter in Mitarbeiter ( 29 im Jahr 1995) und moderne technische Anlagen investiert. Steigende Umsätze ermöglichten eine Ausweitung der Fertigung. Dafür wurde eine neue Werkhalle am jetzigen Standort in den Grupenäckern 2 in Neustadt/Orla gebaut, deren Lage zur BAB4 und BAB9 ein strategischer Vorteil ist. Um die Multilayerfertigung umsetzen zu können, wurde ab 2003 in neueste Technik investiert. So können jetzt mit nunmehr 60 Beschäftigten auch Multilayer bis zu 16 Lagen in HDI-Technologie und höchster Qualität gefertigt werden. Ein wesentliches Merkmal von EPN ist die schnelle Fertigung von Prototypen (PCB-Jet). Das Produktspektrum von EPN umfasst kleine bis mittlere Serien, die ausschließlich am Standort Neustadt gefertigt werden.

Die EPN unterhält ein kombiniertes Qualitäts- und Umweltmanagementsystem, das die Anforderungen der Normen DIN EN ISO 9001:2008 und DIN EN ISO 14001:2004 erfüllt. Mit der Biologischen Abwasseraufbereitungsanlage erfüllt EPN die strengen Auflagen des Umweltschutzes.

Vorstellung des Verbandes durch Herrn Klaus Dingler

Hierbei wurden die Schwerpunkte der FED-Arbeit  den Teilnehmern erläutert:

  • aktuelle Informationsbereitstellung zu allen Belangen des Elektronikdesigns der Leiterplatten- und Baugruppenfertigung
  • Bereitstellung von Normen und Richtlinien
  • Aus- und Weiterbildungsangebote
  • Organisation des Erfahrungsaustausches / Regionalgruppentreffen

Klaus Dingler informierte ausführlich über die aktuellen Neuerscheinungen des FED: hier im Wesentlichen die durch die FED-Mitarbeiter erarbeiteten deutschsprachigen Übersetzungen einer Vielzahl von IPC-Richtlinien.

Er gab einen kurzen inhaltlichen Abriss von zwei durch den FED organisierten Veranstaltungen:

  • 4. PCB-Designer-Tag - Ein Rückblick ( 14.05.2013 in Würzburg)
  • IPC/FED-Conference on Embedded Components (04.bis 05.06.2013 in Frankfurt)

und wies auf den Höhepunkt des Verbandsgeschehens, der 21. FED-Konferenz in Bremen vom 19.09. -21.09.2013 hin und lud die Anwesenden zu dieser interessanten und hochinformativen Veranstaltung der Elektronikbranche ein.

1.Fachvortrag: Leiterplattenmaterial jenseits von FR4
(Roland Schönholz, Fa. ISOLA GmbH)

Im ersten Vortrag berichtet Roland Schönholz, Firma ISOLA, über Basismaterialien jenseits von FR4. Die Isola-Group ist ein global aufgestelltes Unternehmen mit dem Hauptquartier in Chandler, Arizona. Entwicklungsabteilungen sind zusätzlich in Deutschland/Düren und Asien/Singapore zu finden. Weltweit sind Fertigungs- und Vertriebsstätten angesiedelt.
Durch die Komplexität der Leiterplattenbaugruppen geht der Bedarf an einfachen FR4-Basismaterialien weiter zurück und die I-Materialien, Materialien für Hochfrequenzanwendungen im Frequenzbereich 500kHz bis in den GHz-Bereich, gewinnen an Umsatz. In den oberen Frequenzbereichen bis 77Ghz befinden sich die Anwendungen für die Automotivindustrie, die Luftfahrt und die optische Industrie. Bei diesen High-Speed-Materialien gewinnen der Einfluss der Cu-Folien, der Aufbau des Glasgewebes und das Harz wesentlich an Einfluss.

Eine große Rauigkeit der Oberfläche ist für die Haftbarkeit der Cu-Folien von wesentlichem Vorteil aber für die Anwendung bei höheren Frequenzen nachteilig. Haben Standardfolien eine Rauigkeit von 10µm, werden die neuesten Materialien – Low Profile und Very Low Profile - mit einer Rauigkeit von unter 2µm für Hochfrequenzanwendungen gefertigt. Dabei muss jedoch das Harz auf das feine Profil abgestimmt werden um genügend Haftbarkeit der Folie zu gewährleisten. Bestimmend für die  Verwendung der Materialien für höhere Frequenzen ist der Skin-Effekt. Je höher die Frequenzen sind, umso mehr verschiebt sich die Leitung des Signales an die Oberfläche des Leitungsmateriales, hier die Cu-Folie. Da die Rauigkeit der Cu-Folie an der Oberfläche vor und nach der Behandlung unterschiedlich ist, sind Laufzeitunterschiede nicht zu vermeiden und diese schaden der Funktion der Baugruppe. Aus den Untersuchungsergebnissen des in den USA von mehreren Firmen entwickelten I-Tera-Materiales zeigen die Kurven für den Dk-Wert und für Tanδ den Einfluss des Verlustfaktors durch die Rauigkeit des Cu-Treatments und durch das Glasgewebe auf. Während beim Dk-Wert der Verlustfaktor wesentlich vom Glasgewebe beeinflusst wird, ist der bestimmende Faktor für den Verlustfaktor beim Tanδ die Rauigkeit der Folie.



Quelle: Vortragsfolien Roland Schönholz, ISOLA GmbH

Das Glasgewebe hat direkten Einfluss auf die Signalintegrität, bzw. die Impedanz des Schaltungsaufbaues. Die Dichtigkeit des Gewebes, Schuss und Kette, ist der bestimmende Faktor, auf den jedoch der Entwickler nach der Auswahl des Glasgewebes keinen Einfluss hat. Für Materialien für komplexe Schaltungen mit hohen Taktfrequenzen werden somit immer dichter und gleichmäßiger gewebte Glasgewebe verwendet. Um die Dichtigkeit zu erhöhen werden die Gewebefasern aufgespleist, bzw. in einem neuen Herstellungsprozess werden die Fasern (Filamente) nicht mehr rund, sondern bereits flach angeordnet. Der Einfluss auf eine bessere Signalintegrität wird damit erhöht, die Benetzbarkeit verbessert und auch die Beständigkeit gegenüber CAF wesentlich verbessert.

Weiterhin ist für Hochfrequenzanwendungen auch der Polarisationseffekt zu beachten. Hierbei werden die Ladungsträger im Dielektrikum, Harz und Gewebe, durch ein äußeres Feld ausgerichtet und dabei Verluste verursacht. Der Effekt wird als „Dipol-Moment“ bezeichnet und wird für Dielektrika mit Tanδ als Messgröße angegeben. Zusammengefasst kann für die drei Bestandteile des Basismaterialies ausgesagt werden:

  • Cu-Folie: je größer die Rauigkeit, desto höhere Laufzeitunterschiede und damit schlechtere Verwendung für Hochfrequenzanwendungen,
  • Glasgewebe: je homogener das Material, desto kleiner die Störungen der Impedanz,
  • Harzsystem: das Harzsystem bestimmt den DK-Wert und Tanδ und damit den Verlustfaktor

Wichtig für die Anwendung von Leiterplattenmaterialien in Geräten und Systemen nach heutigem Stand der Technik sind thermostabile Materialien. Zur Spezifizierung dieser Basismaterialien sind die nachfolgenden Kenngrößen zu beachten:

  • Ausdehnungskoeffizient CTEZ: Der wichtigste Wert ist die Ausdehnung in der Z-Achse. Gemessen wird der Wert nach der TMA-Methode (Thermo-mechanische Analyse). Die Messung erfolgt im Temperaturbereich von 50°C bis 260°C. Der Messpunkt wird durch den Zeitpunkt der starken Zunahme der Ausdehnung (Ausdehnung oberhalb Tg) in Z-Richtung bestimmt.
  • Glasübergangstemperatur Tg: Der Wert ist der Übergang vom glasartigen Zustand in einen weichen. Er wird nach drei unterschiedlichen Methoden bestimmt, der TMA (Thermo Mechanical Analysis); der DCS (Differential Scanning Calorimetry) und der DMA (Dynamic Mechanical Analysis), die alle unterschiedliche Werte liefern. Aus diesem Grunde muss die Messmethode immer mit angegeben werden. Die Werte liegen ca. 10% auseinander.
  • Zersetzungstemperatur Td: Der Kennwert ist der Verlust des Gewichtes von 5% durch Zersetzung des Harzbestandteiles. Die Messung wird mittels TGA (Thermogravimetrische Analyse) durchgeführt, durch Messung des Gewichtes unter Einwirkung von Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit.
  • Zeit  bis zur Delamination T260, T288 und T300: Gemessen wird dieser Wert auch mit der TMA-Methode. Nach Erreichen der Prüftemperatur wird die Zeit bis zur Delamination gemessen.

 

TMA --> DSC +10% --> DMA +10%

(Siehe nebenstehende Folie)

 

 

 

 

 

Generell ist die Aussage, dass die Novolak-gehärteten (phenolgehärtet)  Materialien durch ihre C-O Molekülbindung thermostabiler gegenüber den Dicy-gehärteten Materialien mit C-N Molekülbindung sind.

2. Vortrag: Resolution zum Bedarf einer ingenieurtechnischen Fachausbildung auf dem Gebiet der Elektroniktechnologie (Volker Linde, Fa. Hörmann IMG GmbH)

Herr Linde stellte die Resolution vor und bat die Teilnehmer bzw. deren Firmen um Unterstützung die Forderung einer technologieorientierten Ausbildung von Elektronik-Ingenieuren bzw. –Technikern an die Fach- und Hochschulen heranzutragen. Die Elektronikindustrie ist ein Technologietreiber der Gesellschaft und benötigt Ingenieure und Techniker, die das  System von der Idee bis zum fertigen Endprodukt überblicken und nach weltweit gültigen Industrie-Standards entwerfen können. In der jetzigen Elektroniker- Ausbildung wird der Komplex Elektroniktechnologie kaum oder überhaupt nicht gelehrt. Den Absolventen fehlt dieses Wissen um in der Industrie diese Anforderungen sofort erfolgreich anwenden und umsetzen zu können.

Die Forderung: Hochentwickelte Elektroniktechnologien müssen Bestandteil der Ingenieur- und Techniker-Ausbildung werden. 

3.Fachvortrag: Schablonen für Lotpasten- und Kleberdruck (Daniel Rudolph, Fa. Christian Koenen GmbH)

Im zweiten Fachvortrag nach der Pause referiert Daniel Rudolph, Firma Christian Koenen GmbH, über Schablonen für Lotpasten- und Kleberdruck. Hauptsitz der Firma ist Ottobrunn bei München, wo für Forschung und Entwicklung ein ausgedehntes Applikationscenter untergebracht ist. Fertigungsstätten befinden sich außerdem in Eisleben und Györ in Ungarn.

Die Anforderungen an eine gute Druckqualität, Formstabilität, scharfe Kanten, gleichmäßige Depothöhe und kein auslaufendes Flussmittel, werden von den Druckparametern, der Schablonendicke und der verwendeten Lotpaste bestimmt.  Der Prozesskostenanteil der Schablone ist gering, wobei eine gute Schablonenqualität Nacharbeit und Ausschuss wesentlich verringern kann. Der Fehleranteil des Schablonendrucks ist durch Fehlerschwerpunkte durch wachsenden Layoutanspruch, wie Sonderbauteile und Sonderprozesse, verhältnismäßig groß. Die Einflussgrößen sind nachfolgendem  Fehlerbaum zu entnehmen:


Quelle: Vortragsfolien Daniel Rudolph, Firma Christian Koenen GmbH

Für eine gute Schablonenqualität sollte das Aspect Ratio für das Öffnungsverhältnis >1,5 und für das Flächenverhältnis >0,66 betragen. In die kleinste Öffnung in der Schablone müssen 4 bis 6 Lotkugeln nebeneinander passen. Die gebräuchlichsten Lotkugelgrößen liegen zwischen 1 und 4, d. h. zwischen ca. 100µm und 25µm. Um eine gute Fügestelle zu gewährleisten wird die Schablonenöffnung um bis zu 10% oder 50µm umlaufend gegenüber der Padgröße verkleinert. Damit werden Toleranzen der Leiterplatte und des Druckprozesses aufgefangen, wobei feste Vorgaben aus den Layoutdaten für die Lotdepots besser sind.

Um ein gutes Auslöseverhalten der Lotpaste zu erhalten sollten die Ecken der Öffnungen verrundet werden. Die Radien errechnen sich aus den Lotpastengrößen, ein zu großer Radius erzeugt einen Lotpastenverlust auf dem Pad und ein zu kleiner Radius verursacht Lotpastenreste in den Ecken der Öffnungen. Große Öffnungen sollten mit einen Steg aufgeteilt werden, um einen gleichmäßigen Depotauftrag zu erhalten, d.h. ein Ausschaben der Lotpastenfüllung durch den Rakel zu vermeiden. Besonders bei großen Massseflächen ist darauf zu achten. Zur Vermeidung großer Lotdepots, die zu Kurzschlüssen oder Lotperlen führen können, werden konvexe oder konkave Sonderformen für die Öffnungen in der Schablone verwendet.

Um die Oberfläche nach der Laserbearbeitung von Rußpartikeln und Schmelzrückständen zu reinigen, ist der nachfolgende Prozessschritt ein Elektropolierverfahren. Damit ist die Oberfläche auch für das Plasmabeschichten vorbereitet. Diese gewährleistet eine glatte Oberfläche und damit eine hohe Standfestigkeit der Schablone. Zusätzliche Antihafteigenschaften garantieren einen formstabilen Druck der Lotpaste. Durch den verminderten Reinigungsaufwand sind plasmabeschichtete Schablonen sehr kosteneffektiv.

Im Wellenlötprozess sind zur Befestigung der Bauelemente Klebepunkte notwendig. Eine Kleberschablone bietet den Vorteil einer Aufbringung von vielen Kleberpunkten in einem Prozessschritt. Eine zusätzliche Investition in Dispensertechnik ist nicht nötig. Allerdings muss bei Änderung des Layout auch die Kleberschablone neu erstellt werden. Je nach Druck-Varianten für die Aufbringung des Klebers, Drucken oder Fluten, kann durch die Größe der Schablonenöffnung die Höhe des Kleberpunktes variiert werden. Für die Bedruckung von unebenen Leiterplattenoberflächen eignet sich besonders die Pump-Print-Methode. Die Schablonenmaterial besteht für diese Technologie aus POM (Polyoxymethylen (Kurzzeichen POM, auch Polyacetal, Polyformaldehyd oder bloß Acetal genannt) ist ein hochmolekularer thermoplastischer Kunststoff, der wegen seiner hohen Steifigkeit, niedrigen Reibwerte und ausgezeichneten Dimensionsstabilität und thermischen Stabilität als technischer Kunststoff, besonders für Präzisionsteile, eingesetzt wird (Quelle: Wiki-Pedia) ). Ein höherer Verschleiß der Schablone ist durch den Waschvorgang vorgebeben, da die verbleibenden Kleberresteile durch den Alkohol aushärten und dadurch die Öffnungen verstopfen.
Die Stufentechnologie in der Schablonenherstellung garantiert die Anpassung an den benötigten Lotpastenauftrag, kompensiert Unebenheiten auf der Leiterplattenoberfläche und gewährleiste den Druck in unterschiedlichen Ebenen. Unebenheiten können durch den Lötstopplack, Viafillings, Verunreinigungen oder bereits vorher bestückten Bauelementen hervorgerufen werden. Damit ist eine Abdichtung der Schablonenöffnung auf dem Pad nicht mehr gegeben und eine Ausbildung scharfer Kanten des Lotdepots nicht mehr möglich. Kavitäten in der Unterseite der Schablone decken diese Unebenheiten ab. Damit der Rakel über die Erhöhungen einwandfrei gleitet, ist dieser geschlitzt um sich anpassen zu können. Eine Abwandlung der Stufenschablone ist die 3D- Schablonentechnologie, die es ermöglicht in zwei Ebnen zu drucken, in den Gravitäten und auf der normalen Bestückungsebene der Leiterplatte. Die damit möglich gewordene Embedded-Technologie führt zu kleineren und komplexeren Baugruppen.

Die Schablonen in der neuen M-TeCK-Technologie sind für den Einsatz in der Fineline-Technik, für den Rahmen- und den Flächendruck gedacht. Das Schablonenmaterial ist Edelstahl, das mit Laser und Plasma entsprechend bearbeitet wird. Eine hohe Dichtigkeit wird durch eine zusätzliche Kunststoffbeschichtung garantiert und einem Spezialrakel erreicht. Zur Reinigung muss wegen des Kunststoffes ein angepasstes Reinigungsmittel verwendet werden. Durch den Kunststoff wird eine optimale Anpassung und Abdichtung zur Leiterplattenoberfläche erreicht. Anwendung finden die Schablonen in der SMT-Technik, der Solartechnik und der Hybridtechnik.

Zusammengefasst gilt, dass der Schablonendruck ein hohes Fehlerpotential birgt, das aber durch entsprechende Technologien und Prozesse vermindert werden kann.

4. Fachvortrag: FEM-Simulation zur Prozessbegleitung und Zuverlässigkeitsbewertung von eingebetteten elektronischen Bauelementen in Leiterplatten (Robert Schwerz, FhG-IZFP Dresden)

Herr Schwerz stellte dar, das der Trend zur Einbettung von Elektronikbauelementen (SMD) in die Leiterplatte weiter voranschreiten wird.

Die Triebkräfte für dieses PCB-Packaging sind im Wesentlichen:

  • weitere Miniaturisierung
  • Systembedingte Kapselung
  • Kurze Signalstrecken


erhöhte thermische Performance

Er zeigte die einzelnen Packaging-Varianten

  • Oberlächige Bestückung der Komponenten (SMT)
  • Einbettung der Komponenten in die einzelnen LP-Lagen ( Harz-Glasfaser-Gewebe)
  • Einbettung der Komponenten in die einzelnen LP-Lagen mit ausgefrästen Hohlräumen (Kavitäten) und deren Belastungsszenarien auf.

Dabei sind die thermischen Belastungen während des Fertigungsprozesses (Löten, Verpressen) und
während des Betriebes der Baugruppe in einer entsprechenden klimatischen Umgebung für die Zuverlässigkeitsbetrachtungen zu berücksichtigen. Z. B. führt die Absenkung der Temperatur zu einer starken mechanischen Belastung der Lötstellen der eingebetteten Komponenten (Druck- und Scherspannungen).


Quelle: Vortragsfolien Robert Schwerz, IZFP-Dresden

Mit Hilfe der Finite-Elemente-Berechnung kann man diese gefährdeten Materialbereiche im Voraus
bestimmen und somit Konstruktionsempfehlungen geben.

Für die Finite-Elemente-Berechnung muss eine Vielzahl von Parametern der Einzelkomponenten
bekannt sein (Datenblätter) oder sie müssen experimentell ermittelt werden.

Dieser Vortrag demonstrierte in anschaulicher Weise, wie die theoretische Berechnung in der Konzeptphase notwendig wird, um ein zuverlässiges Produkt zu entwickeln und zu fertigen.



Den Abschluss  bildete der Firmenrundgang durch die einzelnen Stationen der Leiterplattenfertigung.

Gegen 17.45Uhr endete die Regionalgruppenveranstaltung bei EPN.

Leiter der FED-Regionalgruppe Jena
Wolfgang Kühn
Jena, den 16.07.2013


Quellen

Basismaterial für die Leiterplattenproduktion jenseits von FR4 (Roland Schönholz, isola GmbH)

Schablonen für Lotpasten- und Kleberdruck (Christian Koenen GmbH)

FEM-Simulationen zur Prozessbegleitung und Zuverlässigkeitsbewertung von eingebetteten elektronischen Bauelementen in Leiterplatten (Robert Schwerz, Fraunhofer IZFP-D)

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