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Bestehende Dosiermethoden und geeignete Technologien: Ausgabe 11-12/2020, 16.07.2020

Mikro-Dosierung von Lötpaste <100µm?

Lötpasten werden seit Jahrzehnten in vielen Bereichen der Elektronik als leitende Verbindung angewandt. Hierfür gibt es unterschiedliche Auftrags-/Dosiermethoden. Eine davon ist die Mikro-Dosierung. Damit eine Mikro-Dosierung reproduzierbar umgesetzt werden kann, muss die richtige Kombination zwischen Lötpasten und Dosiersystem gegeben sein.

Autor: Christoph Knes

Bilder: Kummer

Die John P. Kummer GmbH zeigt in Kooperation mit der NSW-Automation Sdn Bhd die auf den Dosierprozess Einfluss nehmenden Eigenschaften von Lötpasten auf, stellt bestehende Dosiermethoden vor und präsentiert eine geeignete Technologie, mit welcher es in Zukunft auch möglich sein wird, Lötpasten mit einer Dot Size von 50µmØ zu dosieren.

Alternative Dosiermethoden gesucht
Die Industrie strebt in der Mikroelektronik nicht selten ein inhomogenes Design an unterschiedlichen Komponenten auf einer Baugruppe an. Diese sollen in der Regel so platzsparend und klein wie möglich verbaut werden. Oft bietet dann das Drucken von Lötpasten nicht mehr die geforderten Möglichkeiten, weshalb alternative Dosiermethoden gewählt werden müssen.

Das Fliessverhalten von Lötpasten
Lötpasten bestehen im Groben aus Flussmitteln und Lötpulver. Beides in Kombination erzeugt ein viskoelastisches Verhalten. Dies hat zur Folge, dass bei niedriger Scherung Lötpasten elastisch/stabil bleiben. Bei hoher Scherung wiederum wird das Material niederviskoser und damit fliessfähiger.

Partikelgrösse als hauptsächlicher Problempunkt
Auch Faktoren wie die Dichte, der Füllgrad oder die Legierung sind Einflussfaktoren auf das Fliessverhalten der Lötpasten. Grösster Problemträger ist jedoch die Partikelgrösse der Füllstoffe, da diese nicht selten aus verschiedenen Gründen die Nadel eines Dosiersystems verstopfen können. Als Daumenregel gilt dabei eine Dosiernadel ID:Ø zu wählen, welche 5-7x grösser ist als die gewählte Partikelgrösse.

Stösst an Grenzen
Auch zu beachten ist, dass eine feinere Partikelgrösse eher zum Kaltlöten neigt. Dies ist übrigens auf die höhere Oberfl ächenstruktur und kleinere Masse der Partikel zurückzuführen. Dosiermethoden wie Schnecken- oder Kartuschen-Dispenser, die mit hohen Drucken oder mechanischen Kräften arbeiten, kommen deshalb beim Mikro-Dispensen an ihre Grenzen.

Schnecken- und Kartuschen-Dispenser im Vergleich
Um einen Vergleich zu starten, wurden Punkte mit einem Förderschnecken-Dosierventil und einem pneumatischen Kartuschen-Dispenser auf einen Wafer dosiert und untersucht. Ziel des Vergleich ist es, eine reproduzierbare Dot Size von 100µm über 4000 Punkte zu erreichen. Als letztes wichtiges Bindeglied im Dosierprozess ist für ein einwandfreies Ergebnis ein präzises Führungssystem unerlässlich.
Hierfür wurde die S400H von NSW-Automation mit einer Wiederholgenauigkeit von ±5µm gewählt. Der Dosierabstand zur WaferOberfl äche betrug dabei 30µm – als Faustregel gilt etwa, ein Drittel der gewollten Dot Size als Dosierabstand zu wählen. Verwendet wurden die Lötpaste SAC305 T6SG 78 Prozent und die Dosiernadel aus Keramik mit Ø100µmID.

Kann die NSW-Squeezing Pump mehr?
Unter dem gleichen Setup wurde auch die NSW-Squeezing Pump getestet. Diese arbeitet nach dem Quetschpumpenprinzip, in welchem eine fl exible Quetschkammer das Material aus einer zuvor gelagerten Kartusche erhält und die Lötpaste deformationsfrei und präzise auf die Wafer-Oberfl äche dosiert. NSW hat die Anforderungen in den Versuchen für die Squeezing Pump noch weiter verschärft und eine Dot Size von 80µm als Vorgabe gesetzt. Die anschliessende Vermessung der einzelnen Punkte hat ergeben, dass diese in einem Toleranzbereich von nur ±8µm aufgetragen werden konnten.

Kleinster Dosierpunkt: 72µm
Grösster Dosierpunkt: 84µm

Das Ergebnis der Versuchsreihe zeigt, dass es mit der NSW-Squeezing Pump möglich ist, Lötpasten reproduzierbar mit einer Dot Size von 80µm zu dosieren. Es wurde ausserdem eine weitere Versuchsreihe mit der NSWSqueezing Pump und Lötpaste durchgeführt. In dieser wurden 400 Linien mit jeweils 80µm Bahnbreite dosiert. Das Resultat zeigt dieselbe Reproduzierbarkeit wie bei der Dosierung von Punkten. «

Trotz Optimierung der Dosierparameter an den Dispensern haben beide versagt und konnten kein gleichbleibendes Dosierergebnis über 4000 Dosierungen darstellen. Dot Size Ø in mm Verteilung über 4000 Dosierpunkte. Dosierpunktmessung Ø80µm. Ausschnitt von 4000 Dosierpunkten. Erstellt mit NSWSqueezing Pump.

Infoservice
John P. Kummer AG
Riedstrasse 1, 6330 Cham
Tel. 041 748 10 80, Fax 041 748 10 89
info@jpkummer.ch, www.jpkummer.ch



Funktionsprinzip der NSW-Squeezing Pump



Trotz Optimierung der Dosierparameter an den Dispensern haben beide versagt und konnten kein gleichbleibendes Dosierergebnis über 4000 Dosierungen darstellen.


Ausschnitt von 4000 Dosierpunkten. Erstellt mit NSWSqueezing Pump.


Dot Size Ø in mm Verteilung über 4000 Dosierpunkte.


Dosierpunktmessung Ø80µm.