DE19854036A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen von pastösen Medien auf einen Träger - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen von pastösen Medien auf einen Träger vorgeschlagen, bei denen ein Aufbringungsmuster durch eine auf dem Träger angeordnete Maske vorgegeben wird und das pastöse Medium mittels eines Rakels aufgebracht wird, wobei das pastöse Medium in von der Maske freigelassene Ausnehmungen gedrückt wird. Der Rakel wird von einem Aktuator in Schwingungen versetzt, die bei Vorschub des Rakels auf das pastöse Medium übertragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Aufbringen von pastösen Medien auf einen Träger nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im Stand der Technik werden elektronische Bauelemen­ te, d. h. sogenannte bedrahtete Bauelemente durch Bohrlöcher in Leiterplatten gesteckt und mittels Wel­ lenlötanlagen automatisch verlötet. Bei den modernen Bauelementen ist aufgrund der hochvielpoligen An­ schlußzahl der Kontakte diese Technologie nicht mehr möglich. Es wurde daher die SMT (Surface mounted technology) Technik entwickelt, bei der die Bauteile auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert werden. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, daß sowohl die Anschlußpins in ihrer Geometrie als auch die An­ schlüsse auf der Leiterplatte entsprechend ausgeformt sind. Zur elektrischen Verbindung der Anschlußkontak­ te der Bauelemente mit den Anschlußflächen der Lei­ terplatten wird eine Löttechnologie eingesetzt, die als Reflow-Verfahren bezeichnet wird. Mit dieser Technologie, die überwiegend in der Massenproduktion eingesetzt wird, muß ein Depot von pastösem Lot auf dem Landefleck der Leiterplatte plaziert werden, um dann im Nachgang das Bauelement mit den Anschlußkon­ takten dort genau hinein zu plazieren. Danach wird die komplett bestückte Leiterplatte durch einen soge­ nannten Reflow-Ofen transportiert, in dem das zuvor plazierte Zinn aufgeschmolzen wird und eine mecha­ nisch und elektrisch sichere Verbindung zum Bauele­ ment hergestellt.

Das Verfahren zum Plazieren von Lotdepots oder auch von Klebstoff und Leitkleber wird zur Zeit nach ver­ schiedenen Verfahren durchgeführt. Bei dem Dispens­ verfahren wird das entsprechende Material, d. h. Kleb­ stoffe, Lotpasten, Leitkleber und dergleichen mit ei­ nem Dosiergerät sequentiell an den vorgegebenen Stel­ len plaziert.

Da die Leiterplattenfertigung häufig für die Massen­ produktion ausgelegt ist, sind sequentielle Prozesse wie beim Dispensverfahren häufig nicht geeignet. Eine alternative dazu stellt die Drucktechnik dar. Der Druckprozeß ist ein paralleler Prozeß und ermöglicht einen hohen Leiterplattendurchsatz pro Zeiteinheit.

Bei diesen Druckverfahren werden Masken, z. B. in von Sieben oder Schablonen auf der Leiterplatte bzw. auf dem Träger angeordnet und es wird beispielsweise auf die Oberfläche der Schablone Lotpaste aufge­ bracht. Mittels eines Rakels, der vornehmlich als Stahlklinge ausgelegt ist, wird das pastöse Medium, d. h. beispielsweise die Lotpaste mit definierter Ge­ schwindigkeit über die Schablone gerakelt. Bei dieser translatorischen Bewegung unterhalb des typischerwei­ se mit 60° schräggestellten Rakels wird das pastöse Medium in eine Rotationsbewegung versetzt und dreht sich somit in die Durchbrüche der Schablone hinein. Diese Rotation wird durch abgestimmte Verfahrge­ schwindigkeit und Winkellage des Rakels erreicht und ist notwendig, um die Durchbrüche vollständig mit Lotpaste auszufüllen. Wird durch fehlerhafte Parame­ terauswahl die Pastenrotation nicht erreicht, so er­ geben sich Mindermengen in der Schablone. Das daraus entstehende Risiko des zu geringen Lotdepots auf den Landeflächen führt in den weiteren Prozeßschritten zu fehlerhaften Kontaktierungen. Eine Nacharbeit bzw. Inspektion ist jedoch sehr kostenintensiv. Der der­ zeit im Einsatz befindliche Schablonendruck in der Leiterplattenindustrie ist zur Zeit mit ca. 60% am Fehleraufkommen bei der Fertigung einer Flachbaugrup­ pe verantwortlich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Auf­ bringen von pastösen Medien auf einen Träger zu schaffen, mit denen die Prozeßsicherheit beim Scha­ blonendruck erhöht und die Fehlerquoten verringert werden und mit denen eine höhere Verarbeitungsge­ schwindigkeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Ne­ benanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen ihrer Oberbegriffe gelöst.

Dadurch, daß der beim Auftragen verwendete Rakel in Schwingungen versetzt wird, die auf das pastöse Mate­ rial übertragen werden, läuft das pastöse Material besser in die Durchbrüche bzw. Ausnehmungen der Maske oder Schablone ein, so daß diese vollständig mit dem pastösen Medium ausgefüllt sind. Die Verbesserung durch Aufbringen von Schwingungen kann dadurch er­ klärt werden, daß aufgrund der Temperaturerhöhung des Mediums durch die Energiezufuhr die Rollreibung der pastösen Partikel verringert werden und die Viskosi­ tät scheinbar herabgesetzt wird. Da ausschließlich das am Rakel anliegende Medium Schwingungsenergie zu­ geführt bekommt, wird nur hier die Viskosität schein­ bar herabgesetzt. Das Medium läuft dadurch besser in die Freimachungen der Schablone und legt sich in Form der dichtesten Kugelpackung auf dem Substrat ab. Ins­ gesamt wird eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine gesteigerte Druckqualität mit geringerem Vorrat von pastösem Medium auf der Schablone er­ reicht.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

In der Figur ist das Verfahren zum Aufbringen von Lotpaste auf eine Leiterplatte dargestellt, das Ver­ fahren bzw. die Vorrichtung kann auch für andere Druckapplikationen außerhalb der SM-Technologie ein­ gesetzt werden, z. B. im Farbdruck, im Klebstoffauf­ druck zum Bedrucken von Wafern und Bumps oder zum Aufdrucken von Verbindungsleitungen auf voltaischen Solarzellen.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Leiterplatte bezeichnet, auf der ein Schaltungsmuster in Form von Leiterbahnen, Anschlußflächen oder dergleichen, hier mit 2 bezeich­ net, aufgebracht ist. Auf dem Schaltungsmuster 2 ist entsprechend den gewünschten Auftragstellen für die Lotpaste 4 eine Schablone 3 angeordnet, die entspre­ chende Durchbrüche bzw. Ausnehmungen 5 freiläßt.

Die Lotpaste 4 wird auf die Schablone 3, über die ge­ samte Leiterplatte oder über gewünschte Teile dersel­ ben aufgebracht und mit einem Rakel 6 der entspre­ chend der Figur schräg eingestellt ist und der in ei­ ner Spanneinrichtung oder dergleichen aufgenommen ist, wird über die Oberfläche gestrichen, so daß die Lotpaste 4 in die Ausnehmung 5 gedrückt wird. Dabei kann der Rakel 6 direkt mit der Schablone 3 in Kon­ takt stehen oder "schwebend" über die Oberfläche der Schablone 3 hinwegbewegt werden. Im ersten Fall wird die überschüssige Lotpastenmenge durch den Rakel 6 abgestrichen bzw. mitgenommen, im zweiten Fall ist es vorteilhaft, wenn ein nachgeordneter Rakel als Ab­ streifrakel die Oberfläche der Schablone 3 abstreift und das überschüssige Material mitnimmt.

Der Rakel 6 ist mit Aktuatoren 7 verbunden, die Schwingungen erzeugen, wobei die Aktuatoren 7 vor­ zugsweisen piezokeramische Aktuatoren sind. Die pie­ zokeramischen Aktuatoren sind mit einer Spannungs­ quelle 8 verbunden, die eine Hochfrequenzspannung liefert, wobei Frequenz und Amplitude der Spannung entsprechend der von den Aktuatoren 7 zu erzeugenden Schwingungsfrequenz und -amplitude gewählt wird. Die­ se Schwingungsfrequenz und Amplitude können entspre­ chend den Materialeigenschaften der Lotpaste bzw. des pastösen Mediums variieren und sie werden so gewählt, daß das Einlaufverhalten der Paste in die Schablone optimal ist. Beispielsweise sind Schwingungsfrequen­ zen von größer als 100 Hz und kleiner als 3 KHz an­ wendbar, wobei die Schwingungsamplitude im µm-Bereich liegt.

Die Art der Befestigung der Aktuatoren 7 hängt von der gewünschten Schwingungsverteilung ab. Beispiels­ weise können sie an einer oder beiden schmalen Sei­ tenflächen des Rakels 6 angebracht sein, wobei auch jeweils mehrere Aktuatoren verwendet werden können, sie können auch an der oberen schmalen Stirnfläche, wie in der Figur dargestellt, befestigt sein. Es ist auch denkbar, daß sie an der der Paste 4 abgewandten großen Oberfläche des Rakels 6 befestigt sind. Die Schwingungen bestehen somit aus einer Überlagerung von Schwingungen aus mehreren Schwingungsrichtungen, allerdings können auch Schwingungen mit nur einer Schwingungsrichtung, z. B. horizontal oder vertikal erzeugt werden.

In dem Fall, in dem der Rakel 6 mit der Schablone 3 in Kontakt ist, werden die Schwingungen direkt vom Rakel 6 direkt auf die Schablone 3 übertragen, der diese wiederum in die Lotpaste 4 einleitet, um somit die Fließeigenschaften des Materials zu erhöhen. Eine derart mit Schwingungen angeregte Schablone 3 sorgt für einen guten Materialeinlauf in die Durchbrüche 5 der Schablone 3.

In dem zweiten Fall wird der mit Schwingungen ange­ regte Rakel 6 "schwebend" über die Schablone 3 gefah­ ren und erregt das am Rakel 6 anliegende Material mit Schwingungen. Auch in diesem Fall wird das Medium besser in die Durchbrüche der Schablone 3 befördert, wobei ein nachlaufender und schwingungsmäßig entkop­ pelter Rakel auf der Schablone 3 aufliegt und für die Aufnahme der verbliebenen Restmenge auf der Schablone 3 sorgt.

Durch die Schwingungserregung des Rakels wird ein Hochlaufen der Lotpaste 4 an dem Rakel 6 verhindert.

Nach dem Rakeln der Lotpaste 4 in die Durchbrüche 5 der Schablone 3 wird die Schablone 3 entfernt und die Leiterplatte den weiteren Verfahrensschritten unter­ zogen. Aufgrund der dichten Kugelpackung verbleibt die Lotpaste in ihrer vorgegebenen Form und löst sich sauber von der Schablone. Es könnte jedoch beim Abhe­ ben der Schablone 3 durch Adhäsion der Paste, aber insbesondere von anderen pastösen Medien an der Scha­ blone 3 Teile des fertig eingebrachten Mediums her­ ausgebrochen werden, so daß wiederum Fehlerstellen auftreten. Dies wird dadurch verhindert, daß die Schablone 3 ebenfalls durch mit ihr verbundene Aktua­ toren in Schwingungen versetzt werden. Dies führt zu einer Verbesserung des Abhebens.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel würde ein klingenartiger Rakel verwendet, selbstverständlich können andere in der Rakeltechnik verwendete Rakel, z. B. Hohlrakel usw. verwendet werden.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß andere Sub­ strate und andere Medien als die im Ausführungsbei­ spiel beschriebene Leiterplatte und Lotpaste verwen­ det werden kann.

Claims (16)

1. Verfahren zum Aufbringen von pastösen Medien auf einen Träger, bei dem ein Aufbringungsmuster durch eine auf dem Träger angeordnete Maske vor­ gegeben wird und das pastöse Medium mittels ei­ nes Rakels aufgebracht wird, wobei das pastöse Medium in von der Maske freigelassene Ausnehmun­ gen gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rakel in Schwingungen versetzt wird, die bei Vorschub des Rakels auf das pastöse Medium übertragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Schwingungen seitlich und/oder vertikal in den Rakel eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwingungen als Überlage­ rung von Schwingungen unterschiedlicher Schwin­ gungsrichtungen auf das pastöse Medium übertra­ gen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Schwingungsfrequenz und/oder Schwingungsamplitude der auf den Rakel aufgebrachten Schwingungen auf das Einlaufver­ halten und/oder die Viskosität des pastösen Me­ diums angepaßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß dem in Schwingungen versetzten Rakel ein weiterer nachlaufender Ra­ kel nachgeordnet wird, der auf der Maske auf­ liegt und durch den die auf der Maske verbliebe­ ne Restmenge des pastösen Mediums aufgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen und zur Verbesserung des Abhebens der Maske die­ se in Schwingungen versetzt wird und anschlie­ ßend von dem Träger abgehoben wird.

7. Vorrichtung zum Aufbringen von pastösen Medien auf einen auf einer Auflage angeordneten Träger, der mit einer Maske entsprechend dem Aufbrin­ gungsmuster versehen ist und mit einem von einer Vorschubeinrichtung bewegten Rakel, der das auf den Träger aufgebrachte pastöse Medium in die von der Maske freigelassenen Ausnehmungen drückt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rakel (6) mit mindestens einem Aktuator (7) zur Erzeu­ gung von Schwingungen verbunden ist, der den Ra­ kel (6) in Schwingungen versetzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer oder mehrere Aktuatoren (7) an einer oder beiden schmalen Seitenflächen des Rakels (6) befestigt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Aktuator (7) an der dem Träger abgewandten obe­ ren Stirnfläche des Rakels (6) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (7) als piezokeramische Aktuatoren ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfre­ quenz des mindesten einen Aktuators und/oder die Amplitude der vom Aktuator erzeugten Schwingun­ gen einstellbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske als Sieb oder Schablone (3) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Rakel (6) nachlaufender schwingungsmäßig entkoppelter Auf­ nahmerakel zur Aufnahme der auf dem Träger (1) verbliebenen Restmenge des pastösen Mediums vor­ gesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rakel (6) mit der Maske in Kontakt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sieb oder die Schablone (3) mit mindestens einem Aktuator verbunden ist, der Schwingungen in das Sieb oder die Schablone ein­ leitet.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Aktuator (7) mit einer eine Hochfrequenzspannung liefernden Steuereinheit verbunden ist.