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22.10.2013

Bericht und Vortragsfolien | Rheinmetall Air Defence AG

Das Regionalmeeting konnte verdankenderweise wiederum bei der Fa. Rheinmetall Air Defence AG, Zürich, durchgeführt. Zudem wurden die Getränke gesponsert und der FED bot „Guätzli“ an. Dem Gastgeber wurde als Anerkennung das Buch „Das grosse Buch vom Licht“ übergeben.

Die 22 Teilnehmer und die Referenten wurden herzlich zum 3. Regionalmeeting in diesem Jahr begrüsst und das Kommen verdankt.


Eingangs referierte Herr Klaus Dingler (FED-VS-Mitglied) über die Neuigkeiten aus dem Verband. Dabei wurde auch die erfolgreiche Konferenz in Bremen thematisiert.

Beide Vorträge zeigten auf, dass mit zunehmender Komplexität auch beim Leiterplattenmaterial Forschung und Entwicklung betrieben werden muss, um den neuen und hohen Ansprüchen zu entsprechen. Z.B. Leiterplatte müssen einerseits die steigende Anforderung bei sehr hohen Fre-quenzen (Gigabereich) erfüllen und andererseits sind steigende Wärmebeständigkeiten gefragt.

Dasselbe muss auch für die Schablonenentwicklung und -herstellung für Klebpunkte und Lotpasten mit ihren verschiedensten Möglichkeiten und Anforderungen Genüge getan werden.

In diesen beiden Referaten kam der schnelle Fortschritt zum Ausdruck. Um diese auch konform umsetzen zu können, bedingt es entsprechende Materialien und Werkzeuge.

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 Fre-quenzbereichen 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 Rauig-keit 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 Fre-quenzen sind, umso mehr verschiebt sich die Leitung des Signales an die Oberfläche des Lei-tungsmateriales, hier die Cu-Folie. Da die Rauigkeiten der Cu-Folie an der Oberfläche nach Be-handlung (Shiny-site) und der Unterseite unterschiedlich sind, 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 Schaltungs-aufbaues. 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 aufge-spleist, 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 Die-lektrika 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 Me-chanical 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.

TMA -|| DSC +10%-|| DMA +10%

  • Zersetzungstemperatur Td: Der Kennwert ist der Verlust des Gewichtes von 5% durch Zer-setzung 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 ge-messen.

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

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

Im zweiten Fachvortrag nach der Pause referiert Daniel Rudolph, Firma 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. Ferti-gungsstätten befinden sich außerdem in Eisleben und Györ in Ungarn.

Die Anforderungen an eine gute Druckqualität, Formstabilität, scharfe Kanten, gleichmäßige De-pothöhe und kein auslaufendes Flussmittel, werden von den Druckparametern, der Schablonendi-cke 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 Layoutan-spruch, wie Sonderbauteile und Sonderprozesse, verhältnismäßig groß. Die Einflussgrößen sind nachfolgendem  Fehlerbaum zu entnehmen:


Quelle: Vortragsfolien Daniel Rudolph, Fa. 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 Schablo-nenöffnung 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 vorge-beben, da die verbleibenden Kleberresteile durch den Alkohol aushärten und dadurch die Öffnun-gen 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 de-cken 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- Schab-lonentechnologie, die es ermöglicht in zwei Ebnen zu drucken, in den Gravitäten und auf der nor-malen 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.

Die Foliendateien zu den Vorträgen auf dieser Veranstaltung sind auf der Homepage unter der Regionalgruppe Schweiz zu finden.