BGA-Bestückung

BGA-Bestückung und Fertigung moderner Boards

Elektronische Baugruppen werden immer komplexer und benötigen trotzdem immer weniger Platz. Aktuelle Multilayer-Platinen-Boards mit BGA (Ball Grid Array-Bauteilen) oder QFN (Quad Flat No Leads Package) mit verdeckten Anschlüssen an der Bauteilunterseite stellen die Elektronik-Fertigung und Prüfung allerdings vor besondere Herausforderungen. Die Fertigung (oft als BGA-Bestückung bezeichnet) erfordert eine sehr hohe Qualität, präzise Fertigungsanlagen, sehr viel Erfahrung und Know-how.

Die Miniaturisierung elektronischer Baugruppen schreitet voran und die Verbindungs- und Packungsdichte nimmt kontinuierlich zu. Beim EMS-Dienstleister Ihlemann GmbH gehört die Fertigung moderner Boards in HDI-Technologie (HDI-PCB, High Density Interconnect) seit Jahren zum Alltag.

Baugruppenfertigung mit Package-on-Package-Technologie (PoP)

Bei der Package-on-Package-Technologie werden zwei oder mehr BGA-Chip-Gehäuse platzsparend übereinander angeordnet.

Wenn Entwickler die Integrationsdichte erhöhen und wertvollen Platz sparen wollen, kommen kleinere Bauelemente, engere Abstände und auch die Package-on-Package-Technologie zum Einsatz. Bei der PoP-Technologie werden zwei oder mehr BGA-Chip-Gehäuse (Ball Grid Array) platzsparend übereinander angeordnet. Als EMS-Dienstleister fertigt Ihlemann beispielsweise Industriebaugruppen mit 350 Bauelementen auf einer Leiterkarte von nur 60 x 16 mm Fläche. Um diese Integrationsleistung zu erreichen, kommen Mikro-BGAs mit einem Pitch-Abstand von 0,4 bis 0,6 mm und die PoP-Technologie zum Einsatz.

Solche Miniaturisierungsschritte verändern allerdings nicht nur die Bestückungstechnologie. Alle Fertigungsschritte sind jetzt auf die kleineren Abstände, genaueren Platzierungen und verdeckten Lötstellen ausgerichtet. Neben einem modernen Bestückungsautomaten sind auch der Pastendruck und der Lötprozess sowie die Qualitätsprüfungen mit u. a. 3D-Pasten-, 3D-AOI-Kontrollen und Röntgenprüfungen darauf ausgerichtet.

Pin-in-Paste-Verfahren für THT-Bauteile

Durch die gemeinsame Verarbeitung von SMD- und THR-Bauteilen wird ein kompletter, stark manuell bestimmter Arbeitsgang (THT) eingespart.

Ihlemann hat bei der Bestückung von THT-Bauteilen das Löten mit Lötrobotern, das Selektivlöten oder die AOI-Kontrolle bereits automatisiert. Bei der Baugruppenfertigung mit wenigen THT-Bauteilen kann das Pin-in-Paste-Verfahren für die SMD-Bestückung genutzt werden.

Bei „Pin in Paste“ bzw. der Through-hole-reflow-Technologie (THR) werden bedrahtete Bauelemente wie SMD-Bauteile behandelt und ebenfalls automatisiert bestückt. Dafür werden Bohrungen auf der Leiterkarte mit Lotpaste gefüllt, die Pins der THT-Bauteile durch den Bestückautomaten in die mit Paste gefüllten Bohrungen eingesetzt und dann im Reflowofen gelötet. Inzwischen haben die Bauteilhersteller immer mehr spezielle temperaturstabile THR-Produktvarianten entwickelt, die wie SMD-Bauelemente für die automatisierte Bestückung auf Gurten geliefert werden.

Atypische Bauteile maschinell bestücken

Für einen Stecker mit 60 Pins fehlte die maschinengerechte Verpackung. Mit einem 3D-Drucker wurde deshalb ein eigener Bauteilträger (Tray) mit 90 Fächern als Zuführung für die SMD-Bestückungslinie hergestellt.

Je spezieller ein Bauteil und je geringer die Stückzahl, umso häufiger fehlt es an einer maschinengerechten Standardverpackung für die SMD-Bestückung. Bauteile wie Stecker, Übertrager, Relais, Spulen oder Abschirmbleche müssen dann per Hand bestückt werden, was deutlich länger dauert und zu Qualitätsproblemen und Nacharbeiten führen kann.

Bei Ihlemann wird ein tagtäglicher Verbesserungszyklus gelebt, mit dem Veränderungen systematisch und mit festen organisatorischen Routinen umgesetzt werden (Verbesserungs-Kata). Diese Fähigkeit, tagtäglich kleine Verbesserungsschritte zu erreichen und die Fertigung schneller und effizienter zu machen, wendet der Dienstleister auch bei der Verarbeitung „schwieriger“ Bauteile und der Entwicklung geeigneter Hilfsmittel an.

Für die technische Umsetzung solcher Hilfsmittel verfügt der EMS-Dienstleister über einen eigenen modernen Vorrichtungsbau bis hin zu 3D-Drucktechniklösungen. Die Vorgaben zur Umsetzung stammen von den Mitarbeitern, die den Verbesserungsprozess vorantreiben. Beim Bau solcher Zuführungen und anderer Hilfsmittel in der Fertigung verfügt der EMS-Dienstleister inzwischen über mehrjährige Erfahrungen.

Moderne Fertigung mit geringen Stillstandszeiten

Dank einer höheren Rüstkapazität werden in einer Fertigungslinie jetzt gleichzeitig bis zu sechs unterschiedliche Aufträge vorbereitet und abgearbeitet.

Mussten in der Vergangenheit 100 bis 120 verschiedene Bauteile für ein neues Produkt bereitgestellt werden, sind jetzt 300 und mehr an der Tagesordnung. Dabei sind die modernen Bestückungsmaschinen heute in der Lage, sowohl mit sehr kleinen Bauteilen wie 01005 als auch mit sehr großen Elementen wie Stecker oder Trafos für die Leistungselektronik umzugehen. Durch verbesserte Prozesse sind auch kleine Lose und variable Ausliefermengen wirtschaftlich darstellbar. Wurde die SMD-Linie früher oft bis zu zwei Stunden angehalten, bis alle Bauteile fertig eingerüstet waren, erfolgt die Umrüstung für das nächste Fertigungslos jetzt bereits parallel zur laufenden Fertigung. Die Stillstandszeiten betragen heute nur noch wenige Minuten.

Ihlemann hat außerdem die früher übliche wöchentliche Fertigungskontingente durch tägliche Fertigungsplanungen ersetzt. Diese Tageskontingente durchlaufen alle Bearbeitungsschritte ohne Unterbrechungen in einem möglichst reibungslosen Produktionsfluss. Die Baugruppen werden mit einer sehr kurzen Durchlaufzeit direkt nacheinander bestückt, getestet und anschließend zur Auslieferung bereitgestellt, häufig noch am selben Tag.

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