Leiterplatten für Embedded-Systeme bestücken

Multilayer-Boards mit hoher Bauteiledichte und -varianz verarbeiten

10.02.2010 | Autor / Redakteur: Martin Ortgies* / Claudia Mallok

Embedded-Board: Typisch sind hochlage Multilayer dichtbestückt mit hochpoligen BGAs und SMD-Bauteilen der kleinsten Bauformen
Embedded-Board: Typisch sind hochlage Multilayer dichtbestückt mit hochpoligen BGAs und SMD-Bauteilen der kleinsten Bauformen

Der EMS-Anbieter Ihlemann AG in Braunschweig ist spezialisiert auf die Bestückung von hochlagigen Multilayern mit hoher Bauteiledichte und verdeckten Lötstellen. Die anspruchsvollen Baugruppen zeigen Anforderungen, die in anderen Bereichen noch folgen: Immer kleinere Bauformen und größere Packungsdichten, wachsende Ansprüche an Qualität und Technologie sowie schnelle Lieferfähigkeit bei gleichzeitigem permanenten Druck auf die Fertigungskosten.

Multilayer-Boards in HDI-Technik (HDI: High Density Interconnect) zu bestücken ist eine besondere Herausforderung für Baugruppenproduzenten. Es braucht nicht nur hocheffiziente und präzise Fertigungsanlagen, sondern auch sehr viel Experzise, um die geringen Toleranzen einzuhalten. So verfügt ein BGA über bis zu 1.500 Anschlüsse; ein typisches Mainboard ist mit 1700 SMD-Bauteilen bestückt und kann die Verarbeitung von kleinsten Bauformen wie 0201 erfordern. Die Positioniergenauigkeit erhöht sich auf bis zu 25 µm. Zusätzlich steigt die Vielfalt an Bauteilen pro Baugruppe kontinuierlich an, mit z.B. 300 Rüstplätzen in einer Fertigungslinie.

Andreas Fiedler, Senior Key Account Manager beim EMS-Anbieter Ihlemann AG in Braunschweig, bestätigt die gewachsenen Anforderungen im Embedded-Sektor: „Die Hersteller erwarten für die Fertigung anspruchsvoller Baugruppen wie Multilayer-Boards mit BGA-Bauteilen höchste Qualität zu geringsten Preisen. Um hier bestehen zu können, müssen wir mit den neuesten Fertigungstechnologien wie z.B. speziellen Selektivlötverfahren arbeiten, beste Einkaufspreise realisieren und auch in der Serienfertigung eine fehlerfreie High-End-Bestückung garantieren.“

Produktstart ist erfolgsentscheidend

Zum Bestücken der Multilayer-Leiterplatten mit BGAs mit 1500 Anschlüssen oder kleinsten SMD-Bauformen wie 0201 und 01005 sind hocheffiziente und präzise Fertigungsanlagen und ein großes Know-how des Baugruppenproduzenten notwendig
Zum Bestücken der Multilayer-Leiterplatten mit BGAs mit 1500 Anschlüssen oder kleinsten SMD-Bauformen wie 0201 und 01005 sind hocheffiziente und präzise Fertigungsanlagen und ein großes Know-how des Baugruppenproduzenten notwendig

Boards von Embedded-Systemen unterliegen einer hohen Innovationsrate mit häufigen und kurzfristigen Änderungen. Trotzdem erwarten die Hersteller eine schnellstmögliche Umsetzung und Lieferfähigkeit. Besonders beim Start eines neuen Produkts ist es für die OEMs erfolgsentscheidend, wie schnell das Produkt am Markt ist. Hier müssen die Abläufe stimmen – vom Angebot über die rasche Beschaffung der Bauteile bis zum ersten Prototypen. Auch beim Anlauf des Produkts gibt es noch kurzfristige Änderungen, etwa beim Design oder der Stückliste. Hier muss ein Fertigungspartner auch mit ISO-zertifizierten Abläufen schnell und flexibel reagieren.

Ergänzendes zum Thema
 

Weltweite Materialbeschaffung und Fertigungspartner in China

Verdeckte Lötstellen erfordern neue Prüfprozesse

Die fehlerfreie Fertigung erfordert eine gute Abstimmung zwischen den Entwicklern und den Fertigungsexperten, da Qualitätsmängel bei den beidseitig mit BGA-Bauteilen bestückten Boards zu immens hohen Kosten führt und ein K.o.-Kriterium sind.

Je kleiner die Bauteile und kompakter die Boards, um so komplexer werden auch die Herausforderungen für eine fehlerfreie Produktion. Andreas Fiedler verweist hier auf Fertigungs-Erfahrungen bei Boards mit 1.700 Bauteilen, wo beim Erstanlauf bereits ab dem zweiten Board die volle Funktionalität erreicht wurde. Als Voraussetzungen nennt er neben der notwendigen Technologie, vor allem hoch qualifizierte Mitarbeiter und Erfahrungen mit lückenlosen Qualitätsprozessen.

Für Produkte mit höchsten Anforderungen an Verfügbarkeit, Funktionssicherheit und Langlebigkeit entwickelt Ihlemann gemeinsam mit den Auftraggebern eine ‚0-Fehler-Strategie‘
Für Produkte mit höchsten Anforderungen an Verfügbarkeit, Funktionssicherheit und Langlebigkeit entwickelt Ihlemann gemeinsam mit den Auftraggebern eine ‚0-Fehler-Strategie‘

Die Qualitätsprüfungen sind bei der Ihlemann AG Teil einer Null-Fehler-Strategie. Das Ziel ist eine möglichst große Testtiefe für 100 Prozent der Leiterplatten, um fertigungsbedingte Fehler auszuschließen. Dafür wird eine umfangreiche Prüftechnik eingesetzt. Um bereits frühzeitig vor der Bestückung Fehler beim Drucken der Lotpaste zu erkennen, werden diese komplett durch die automatisierte optische Inspektion (AOI) hinter den Siebdruckern überprüft. Dadurch können fehlerhafte Prints sofort entdeckt und teure Reparaturaktionen vermieden werden.

AOI-Prüfung mit 8 bzw. 12 Kameras

Die herkömmliche AOI mit nur einer Kamera ist für komplexe Boards allerdings nicht mehr ausreichend. Es lässt sich nicht mehr fehlerfrei fest stellen, ob die Bauteile richtig positioniert und richtig verlötet sind. Für die Prüfung bestückter Leiterplatten kommt deshalb eine weitergehende AOI-Technik zum Einsatz mit 8 bzw. 12 Kameras.

Diese AOI arbeitet präziser und schneller und ist durch den Einsatz mehrerer Kameras bei kleinen Bauteilen besser in der Lage, die Lötpunkte zu überprüfen und verdeckte Bestückungsfehler zu erkennen. Zusätzliche Kameras betrachten das Bauteil von mehreren Seiten unter einem Winkel von 45°. So können auch Lötstellen oder Verdrahtungen verdeckter Bauteile kontrolliert werden, z.B. unterhalb von Gehäusen. Erkennungsfehler durch spiegelnde Flächen oder durch blankes Lötzinn werden vermieden.

Die Lötstellen der BGAs auf der Bauteilunterseite lassen sich nur noch mittels Röntgentechnik überprüfen. Ein Röntgenbild zeigt die unterschiedliche Absorption der Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Objektbereichen. Daher können im Röntgenbild Merkmale beobachtet werden, die einem Material- oder einem Dickenunterschied entsprechen und mikroskopische Objektdetails mit wenigen Zehntelmillimetern können stark vergrößert abgebildet und aufgenommen werden.

Röntgeninspektion für die Prozesskontrolle

Für die Kontrolle der verdeckten Lötstellen BGAs und zur optimalen Einstellung des jeweiligen Lötprofils nutzt Ihlemann moderne Röntgentechnik
Für die Kontrolle der verdeckten Lötstellen BGAs und zur optimalen Einstellung des jeweiligen Lötprofils nutzt Ihlemann moderne Röntgentechnik

Besonders die verdeckte Grenzfläche zwischen dem Kontakt am BGA und der Leiterplatte lässt sich mit einer Röntgenaufnahme prüfen. Durch die Röntgentechnik werden Defekte nachgewiesen wie Kurzschlüsse durch Ätz- oder Layoutfehler, Leiterbahnunterbrechungen und fehlerhafte Via-Metallisierungen. Erkannt werden auch Bestückungsfehler wie fehlende Lotfüllung, Poren, Blasen, Lotbrücken oder Benetzungsfehler.

Die Röntgenprüfung dient auch dazu, das Lötprofil für hochanspruchsvolle Boards zu optimieren. Insbesondere bei den unterschiedlichsten BGA-Bauformen ist es sehr wichtig, dass die exakten Löttemperaturen erreicht und eingehalten werden. Das Fachwissen der Mitarbeiter von Ihlemann im Einsatz der Röntgenuntersuchungen werde von OEMs auch als zusätzlicher Service genutzt, um gemeinsam mit den Elektronikentwicklern mögliche Fehlerursachen zu finden und zu beseitigen.

*Martin Orgies ist freier Fachjournalist in Königslutter.

 

Copyright © 2019 - Vogel Communications Group