Herausforderungen der Elektronikfertigung – Bauteilgrößen
Von dem Trend der Miniaturisierung bei Bauteilen bis hin zur steigenden Komplexität von Leiterplatten und der erhöhten Packdichte auf Baugruppen – Elektronikfertiger stehen heute vor einer Fülle an Herausforderungen, die sich auf unsere tägliche Arbeit auswirken.
Wir schauen in der Reihe “Herausforderungen der Elektronikfertigung” auf verschiedene Trends und Entwicklungen, die uns als EMS-Dienstleister heute und in den nächsten Jahren beschäftigen werden. Im ersten Teil werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Bauteilgrößen. Entgegengesetzte Trends verlangen von unseren Fertigungsprozessen ein hohes Maß an Können, Präzision und Flexibilität.
Herausforderung 1: Miniaturisierung von passiven Bauteilen
Man könnte meinen, das Thema Miniaturisierung sei ein alter Hut. Aber für uns in der Elektronikfertigung verschieben sich durch die ständige Verkleinerung von Bauteilen die Grenzen des Machbaren. Die Entwicklung geht schon länger von makroskopischen, von Hand bestückbaren Bauteilen hin zu mikroskopischen Bauteilen, die kaum größer sind als ein menschliches Haar. Diese Bauteile fordern uns heute tagtäglich in unserer Arbeit und auch in der Technologie. Kurz gesagt: Technologischer Fortschritt setzt für Elektronikfertiger immer neue Maßstäbe für Präzision und Fertigungstechniken.
Bauteile wie Widerstände oder Kondensatoren sind essenziell für eine elektronische Baugruppe, brauchen aber ihren Platz auf der Leiterplatte. Um diesen Platz so gering wie möglich zu halten, wird hier immer weiter miniaturisiert. Lange Zeit war die Form 01005 mit 0,4 x 0,2 mm das kleinste Bauteil am Markt. Schon hier wurde es für viele Maschinen in der SMD-Bestückung schwierig, die Bauteile richtig aufzunehmen und auf der Baugruppe zu platzieren. Aber es geht noch kleiner – aktuell misst das kleinste Bauteil 008004 nur noch 0,25 x 0,125 mm und ist somit nur annähernd halb so groß wie die Form 01005.
Diese Schrumpfung ist eine beeindruckende technologische Leistung, bringt allerdings auch zunehmend Herausforderungen für die Fertigungsprozesse mit sich. Womit kann eine Maschine das Bauteil greifen oder aufnehmen? Und wie ist gewährleistet, dass dieses Bauteil wirklich auf der Leiterplatte platziert wird, wenn es mit dem bloßen Auge kaum zu sehen ist? Auch die präzise Platzierung und Verlötung dieser winzigen Bauteile auf Leiterplatten erfordern modernste Technologien.
Herausforderung 2: Vergrößerung von SMD-Steckerverbindern
Entgegen der Entwicklung von Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren, gilt für SMD-Steckverbinder ein anderer Trend: Wo früher mehrere kleine Steckverbinder auf den Leiterplatten platziert wurden, werden heute weniger, dafür größere Steckverbinder genutzt um die Signale gebündelt aufzunehmen. Einige der Steckverbinder haben mehr als 250 Pins um Signale zu übertragen.
Ein SMD-Steckverbinder dient zum Verbinden oder Trennen von elektrischen Leitungen. Im Gegensatz zu diskreten Bauelementen wie Widerständen oder Kondensatoren handelt es sich bei SMD-Steckverbindern um Bauteile, die entwickelt wurden, um eine elektrische Verbindung zwischen mehreren Baugruppen oder Geräten herzustellen. Sie werden direkt auf die Leiterplatte gelötet und verfügen über Pins oder Anschlüsse, die Signale, Strom oder Daten platzsparend zwischen den angeschlossenen Komponenten übertragen.
Um zusätzlich noch Platz zu sparen, sind die Pins bei vielen Steckverbindern inzwischen nicht mehr nach außen, sondern nach innen, direkt unter den Korpus gerichtet. Eine Bestückung erfolgt also gewissermaßen blind, da nur noch die Außenkante der Pins sichtbar ist. Die Herausforderung in der Fertigung besteht darin, dass die Baugruppen extrem sauber verarbeitet werden müssen, um eine Brückenbildung zwischen den Pins zu verhindern. Denn gerade bei Pins, die unter dem Stecker liegen, ist eine Brückenbildung fast nicht zu korrigieren. Bei Pinabständen, die zum Teil kleiner als 0,4 mm sind, werden außerdem die Grenzen der manuellen Lötfähigkeiten erreicht.
Exkurs - Was ist eigentlich eine Brückenbildung?
Eine Brücke zwischen Lötstellen (z.B. Pins von Steckverbindern) kann entstehen, wenn die Bauteile nicht korrekt platziert sind oder zu viel Lötzinn /-paste auf die Leiterplatte aufgetragen wird. Während des Lötprozesses entsteht zwischen den einzelnen Anschlüssen durch das Lot eine Verbindung, die zu Fehlfunktionen auf der Baugruppe führen kann. Um eine solche Brückenbildung zu verhindern, sind eine genaue Dosierung von Lotpaste, eine sorgfältige Justierung der Löttemperatur oder auch die fehlerfreie Platzierung der Bauteile auf der Leiterplatte nötig.
Herausforderung 3: Aktive Bauteile im Fokus - Von BGAs zu VFBGAs
Bis dato sprechen wir hier von passiven Bauteilen. Aktive Bauteile sind genauso vom Trend der Miniaturisierung betroffen. Eine klassische Bauform der aktiven Bauteile ist ein BGA – Ball Grid Array. Im Unterschied zu anderen Bauteilen mit seitlichen Anschlüssen, sitzen die Anschlüsse eines BGAs in Form von Lötkugeln direkt unter dem Bauteil. Diese Kugeln haben regulär Abstände von 0,7 mm bis 2,5 mm.
Um die Packdichte auf den Baugruppen zu erhöhen, werden die BGAs kleiner – sie werden zu VFBGAs (Very Fine Ball Grid Arrays). Der Name ist Programm: VFBGAs zeichnen sich durch noch kleinere Abstände zwischen den Lötkugeln aus. Weniger als 0,5 mm Abstand sind inzwischen die Regel. Ein einzelnes Bauteil kann dabei mehrere Hundert dieser Lötkugeln beinhalten.
Ähnlich wie bei den Steckern braucht es auch hier einen sehr präzisen Druck von Lotpaste vor der Bestückung. Denn Brückenbildungen zwischen den Kugeln sind praktisch nicht korrigierbar. Vielmehr muss im Falle einer Bücke das gesamte BGA entfernt und das Bauteil erneut platziert werden. Daher erfordert die Integration von VFBGAs in die Elektronikfertigung ein äußerst präzises Arbeiten sowie eine hochqualitative Fertigungsumgebung.
Die Lösung: Präzision und Qualitätskontrollen in der Fertigung
Die einen Bauteile werden immer kleiner, andere werden größer. Als Fertiger fragen wir uns häufig: Wie bekommen wir diese kleinen, sehr feinen Strukturen von Bauteilen sauber verarbeitet, ohne dass es zu Kurzschlüssen kommt? Dieser Herausforderung muss sich jeder Elektronikfertiger heute stellen und die Fertigungsprozesse hieran anpassen. Um unseren Kunden das bestmögliche Ergebnis zu liefern, müssen reguläre Werkzeuge durch spezialisierte Systeme ersetzt werden – insbesondere in der automatisierten Leiterplattenbestückung.
Durch Druckschablonen mit einer Elektropolierung sowie einer zusätzlichen Nanobeschichtung wird beispielsweise ein sauberer Pastendruck gewährleistet. Elektropolierung in Kombination mit Nanobeschichtung verbessert die Konturschärfe der Lotpaste und verhindert durch den Anti-Haft-Effekt auch das Anhaften der Paste auf der Unterseite der SMD-Schablone. Dadurch lassen sich auch feinste Strukturen sauber, stabil und prozesssicher drucken.
Im nächsten Fertigungsschritt müssen aber auch die Bestückungsautomaten selbst in der Lage sein, die kleinen Bauteile aufzunehmen und zu platzieren. SMD-Linien müssen zum Beispiel die entsprechenden Materialzuführer – Feeder – haben, mit denen sie die ganz kleinen wie auch die ganz großen Bauteile aufnehmen können. Gleiches gilt für Greifer oder Nozzle in dem Bestückungsautomaten. Nicht alle SMD-Linien sind im Standard mit den entsprechenden Werkzeugen ausgestattet, um beide Extreme an Bauteilen abdecken zu können.
Im Bestückungsautomaten sind schmale, röhrenförmige Sauger verbaut, die wie Pipetten aussehen. Die Sauger entnehmen kleine SMD-Bauteile von Materialrollen eines Feeders und platzieren sie auf der Baugruppe. Diese kleinen Sauger nennt man „Nozzle“. Für diese kleinen SMD-Bauteile sind Greifer nicht geeignet.
Greifer werden verwendet, um größere Bauteile wie Steckverbinder oder andere Komponenten, die nicht durch einen Sauger aufgenommen werden können, von den Feederrollen aufzunehmen und präzise auf der Leiterplatte zu positionieren.
Von der optischen Inspektion zur Röntgeninspektion
Als Elektronikfertiger ist die einwandfreie Bestückung unser oberstes Ziel. In der Fortsetzung zu der Bestückung zeigt sich aufgrund der kleinen Bauformen aber immer mehr die Herausforderung, dass die regulären optischen Inspektionen nicht alle Fehlerquellen erkennen können. Reguläre AOIs (Automatische Optische Inspektion) gelangen hier an ihre Grenzen. Zum einen kann selbst ein 3D-AOI keine Fehler bei Anschlüssen feststellen, die unter dem Bauteil liegen wie bei BGAs. Zum anderen muss die Programmierung von AOIs äußerst sorgfältig sein, um auch die kleinsten Pinabstände ohne permanente Pseudofehler zu überwachen. Daher geht der Trend hin zu Inspektionsgeräten auf Röntgenbasis. Diese ermöglichen einen Blick unter das Bauteil, um die Qualität der Verlötung zu überprüfen und sicherzustellen, dass alle Komponenten einwandfrei platziert sind. AXIs (Automatische Röntgeninspektionen) werden immer relevanter, um eine vollständige und zuverlässige Qualitätskontrolle zu gewährleisten.
Bei A+B Electronic haben wir Trends, Herausforderungen und Lösungen der Elektronikindustrie immer im Blick. So stellen wir sicher, dass die Projekte unserer Kunden zukunftssicher produziert werden. Sie haben Fragen zu einem Projekt? Dann sprechen Sie uns gerne an. Gemeinsam finden wir die beste Lösung.
