Optimierung der PCB-Bestückung: Fortschrittliche Bottom-Fill-Technologien

Klassifizierung der Bottom-Fill-Technologien

Bottom Fill (Unterfüllung) lässt sich in flüssigkeitsbasierte (kapillarer Fließmechanismus) und nicht-flüssigkeitsbasierte Verfahren unterteilen. Aktuell für BGA-, CSP-Chips relevante Technologien:

• Kapillare Bottom-Fill-Technologie
• SMT-Heißschmelzkleber-Folien-Technologie
• ACA (anisotrope leitfähige Klebstoffe) & ACF (anisotrope leitfähige Folien)
• ESC (Epoxy Encapsulated Solder Connection)

Bei kapillarem Bottom Fill und SMT-Heißschmelzfolie sind Lotflussmittel und Füllmaterial getrennt; bei ACA/ACF und ESC sind sie kombiniert.

Kapillare Bottom-Fill-Technologie

Prinzip: Flüssiges Epoxidharz wird um BGA/CSP-Chip getropft. Kapillarwirkung saugt Harz in den Spalt zwischen Chip-Unterseite und PCB. Durch Erhitzen oder UV-Härtung verbinden sich Harz, Chip und PCB – schützt Lötstellen, reduziert Spannungsschäden, erhöht Zuverlässigkeit.

Anwendung: PCB-Chip-Bottom-Fill, Flip-Chip-Packaging. Verteilt Spannung auf Lötkugeln, erhöht Gesamtzuverlässigkeit.

Prozess: 1) SMT-Chips (BGA/CSP) mit Lotpaste auf PCB bestücken. 2) Reflow-Löten → Legierungsverbindung. 3) Nach Chip-Lötung: Bottom-Fill-Material an 1-2 Chipkanten dosieren. Material fließt unter Chip, füllt Spalt.

Nachteile: Spezialgeräte, Fabriktplatz, geschultes Personal nötig. Erst nach PCB-Assembly möglich. Schwierige Bedienung, hoher Zeit-/Energieaufwand, schwierige Dosierkontrolle. Daher nur bei kritischen Chips oder extrem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Chip vs. PCB-Substrat eingesetzt – nicht flächendeckend in der PCB-Assembly.

SMT-Heißschmelzkleber-Folien-Technologie

RoHS-/WEEE-konform: ungiftig, halogenfrei, schwermetallfrei, excellente Isolierung, normgerechte Abmessungen, präzise Größe, optisch erfassbar für automatische Bestückung. Folie zwischen PCB und BGA/CSP platzieren, normal mit Blei- oder bleifreiem Lot verarbeiten. Beim Schmelzen nicht vom Lot beeinflusst, kein Lösemittelverdampfen, keine Reinigung nötig → ideales Füllmaterial.

Abbildung 1: Prozessablauf SMT-Heißschmelzfolie

Kernschritt: Heißschmelzfolie vor IC-Chip-Bestückung aufbringen. BGA/CSP-Chips mit Bottom-Fill-Bedarf erhalten Folie vor IC-Platzierung. Schließlich Chip-Lötung und Bottom Fill in einem Reflow-Schritt – Nachfüllschritt entfällt. Ideal für Kleinserien-PCBs.

ACA- und ACF-Technologie

Löten und Bottom Fill in einem Schritt → weniger Prozessschritte, geringere Kosten. ACA/ACF: leitfähige Klebstoffe aus Matrixharz + leitfähigen Füllpartikeln. Unterteilung: ICA (isotrop leitfähig) und ACA (anisotrop leitfähig). ACA = füllender leitfähiger Klebstoff, verbindet elektrisch und füllt gleichzeitig. Formen: gallertartig oder Dünnfilm (ACF = anisotrope leitfähige Folie).

ACA leitet nur in Z-Richtung (senkrecht zur Platine), nicht in X/Y. Isolierschicht über leitfähigen Partikeln verhindert Querleitung. Nur unter Druck (Chip-Bump auf PCB-Pad) bricht Isolierschicht → Leitfähigkeit in Z-Richtung.

ESC-Technologie

Epoxy Encapsulated Solder Connection: Paste aus „Lotpartikel + Harz“ statt ACF. Ablauf: 1) Lotpasten-Harz auf PCB-Pad dosieren. 2) Chip-Bump auf Pad ausrichten & aufsetzen. 3) Löten & Harzaushärtung durch Erhitzen & Pressen.

Nacharbeit (Rework) bei Bottom Fill

Da eingehende Chips nicht zu 100 % fehlerfrei prüfbar sind, werden Defekte oft erst im PCB-Test entdeckt → Nacharbeit/Austausch nötig. Wenn Bottom-Fill-Material hohe Thermostabilität und Unlöslichkeit aufweist, wird Rework extrem schwierig bis unmöglich (ganze Platine Ausschuss). Lösung: Schwache chemische Bindungen in Epoxidharz einbauen → nach Aushärtung durch Erhitzen oder Chemikalien aufspaltbar → Rework erleichtert.

Bottom Fill erhöht Festigkeit von BGA/CSP-Lötstellen, verbessert Schockfestigkeit, Thermocycling-Leistung und PCB-Zuverlässigkeit. Wird künftig breiter in der PCB-Assembly Anwendung finden.

Weiterführende Ressourcen:
• Design for Manufacture & Assembly (DFM/DFA) für PCBs
• PCB-Assembly-Prozess
• PCB-Assembly-Inspektionsmethoden
• Bewertung von SMT-Bestückern
• 6 Wege, PCB-Assembly-Kosten zu senken ohne Qualitätsverlust
• Full-Feature PCB-Fertigung von PCBCart
• Advanced PCB Assembly von PCBCart – ab 1 Stück