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Package-on-Package – platzsparend gestapelt und präzise positioniert

| Autor/ Redakteur: / Kathrin Schäfer

Der Trend zur Miniaturisierung hat mittlerweile auch in der Elektronikfertigung von Medizintechnikprodukten Einzug gehalten. Immer mehr Funktionen müssen auf immer kleinerem Raum verdichtet werden. Die Package- on-Package-Technologie kann hier die Lösung sein.

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Der Trend zur Medtech-Miniaturisierung erfordert aufgrund von genaueren Platzierungen, kleineren Abständen und verdeckten Lötstellen Anpassungen bei der Elektronikentwicklung und -fertigung.
Der Trend zur Medtech-Miniaturisierung erfordert aufgrund von genaueren Platzierungen, kleineren Abständen und verdeckten Lötstellen Anpassungen bei der Elektronikentwicklung und -fertigung.
(Bild: Ortgies)

Bei der Package-on-Package-Technologie (PoP) werden zwei oder mehr BGA-Chip-Gehäuse (Ball Grid Array) platzsparend übereinander angeordnet. Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung verändert damit nicht nur die Bestückungstechnologie. Alle Fertigungsschritte und Qualitätskontrollen müssen auf die jetzt kleineren Abstände, genaueren Platzierungen und verdeckten Lötstellen ausgerichtet werden.

Der EMS-Dienstleister Ihlemann nennt als Beispiel für den Miniaturisierungstrend eine Baugruppe mit 350 Bauelementen auf einer Leiterkarte von nur 60 x 16 mm Fläche. Um diese Integrationsleistung zu erreichen, kommen beispielsweise Mikro-BGAs mit einem Pitch-Abstand von 0,4 bis 0,6 mm und die PoP-Technologie zum Einsatz. Für die Fertigung solcher Baugruppen reicht ein moderner Bestückungsautomat allein nicht aus, denn auch der Pastendruck, die Bestückungsgenauigkeit, der Lötprozess und die AOI-Kontrolle müssen darauf ausgerichtet sein.

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Bei BGAs befinden sich die Anschlüsse in Form von kleinen Lotperlen (balls) auf der Unterseite der Bauelemente. Je kleiner der BGA ist, umso exakter muss er in der Lotpaste positioniert werden. Das ist für moderne Bestückungsautomaten kein Problem. Sie arbeiten auch bei einer Bestückungsgeschwindigkeit von 26.000 Bauteilen pro Stunde mit einer Genauigkeit von +/-0,025 mm.

Bei der Package-on-Package-Bestückung wird ein zweites Bauteil exakt auf ein erstes Bauteil aufgesetzt. Hier stellen sich zwei Herausforderungen: Auf dem unteren Bauteil ist keine Paste vorhanden, um das zusätzliche Bauteil zu fixieren, und der Bestücker muss die Position des ersten Bauteils zuverlässig überprüfen, um das zweite richtig zu positionieren. Ihlemann verwendet für die PoP-Bestückung eine neue SMD-Linie. Hier werden die BGA-Gehäuse zunächst direkt bestückt. Das zweite BGA wird vor der Bestückung in einen speziellen Feeder mit einem Flussmittelbehälter eingetaucht. Die gelartige Paste aus dem Flussmittelbehälter sorgt nun dafür, dass der BGA auf dem ersten Bauteil zuverlässig haften bleibt.

Damit auch der zweite BGA genau und sicher platziert wird, verfügt die SMD-Linie über ein hochwertiges Kamerasystem und eine messgenaue Sensorik. Diese Sensorik misst beim Platzieren die Aufsetzkraft des zweiten BGAs. Der Sensor sorgt so dafür, dass der Aufsetzdruck auch bei Bauteil- toleranzen nicht zu gering und auch nicht zu groß wird.

Damit auch kleinste Bauteile von 0,15 mm x 0,3 mm (03015) verarbeitet werden können, sind die neuen Maschinen mit anderen Bestückköpfen und kleineren Vakuumpipetten (Nozzle) für die Aufnahme der Bauteile ausgerüstet. Zusätzlich wurde die Bauteilkapazität der SMD-Linie von 160 auf 350 unterschiedliche Bauelemente erhöht, weil durch die Miniaturisierung auch mehr Bauteile auf einer Leiterplatte platziert werden können.

Mit der Röntgenprüfung wird in Stichproben der fehlerfreie Lötprozess und die gleichmäßige Ausführung der Lötstellen bei PoP-Bestückungen sichergestellt. Die Ist-Position und Höhe der verlöteten BGAs werden für die Serienfertigung als Soll-Vorgaben festgelegt und durch eine 3D-AOI automatisiert überprüft.

350 Bauelemente finden auf einer Leiterkarte von 60 x 16 mm Platz

Die 3D-AOI-Prüfung wird bei Ihlemann vor allem bei verdeckten Lötstellen von BGAs, QFNs und Steckern eingesetzt. Mit der hohen Auflösung der zusätzlichen 3D-Vermessung von 8 µm wird überprüft, ob die Bauteile flach auf der Leiterplatte aufliegen und die definierten Soll-Werte eingehalten werden. Fehler wie Höhendifferenzen (Lifted Leads) oder Auflieger im Fine-Pitch-Bereich werden so zuverlässig erkannt. Durch die hohe Auflösung dieser neuen AOI-Technologie ist auch die Kontrolle kleinster Bauteile und geringster Abstände sichergestellt.

Der EMS-Dienstleister ist nach der Medizintechnik-Norm zertifiziert, die eine lückenlose Rückverfolgung und Identifizierung von gefertigten Produkten entlang der gesamten Lieferkette fordert. Für die Traceability wird auf der Leiterkarte üblicherweise ein Label angebracht, das über eine Kennzeichnungsmatrix Informationen wie die Seriennummer der Baugruppe, Kartentyp und Chargen-Nummer enthält. Durch die steigende Funktionsdichte und Miniaturisierung steht allerdings immer weniger Platz für solche Labels zur Verfügung. Deshalb setzt Ihlemann eine neue Kennzeichnungstechnik ein. Der Labelautomat erstellt je nach Baugruppe und verfügbarem Platz kundenspezifische Labels. Durch eine Lasertechnik können auch sehr kleine Kennzeichnungen mit beispielsweise lediglich 6 x 6 mm Größe erstellt werden. ks

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