SMD-Schablonen zum Lotpastendruck für die Bestückung von Leiterplatten

SMD Schablonen

Unter Siebdruck wird unter anderem ein Verfahren verstanden, das zum Bedrucken von Leiterplatten mit Lotpaste dient. Zum Drucken von Lotpaste wird heute überwiegend der SMD-Schablonendruck verwendet. Um bei der Oberflächenmontage eine ordnungsgemäße Verbindung der Komponenten nach dem Lötprozess zu erreichen, d.h. eine Verbindung, die nicht zu Kurzschlüssen führt, ist es notwendig, ein ausreichendes Volumen an Lotpaste auf der Oberfläche des Lötfeldes und die richtige Form der Paste sicherzustellen.

Aus den beschriebenen Gründen haben die Dicke der SMD-Schablone und die Größe ihrer Fenster einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Lötstelle. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Pastenabgabekapazität der Schablonenfenster die Verteilung der Paste während des Lötvorgangs sowie die Festigkeit und das Aussehen der Lötstellen erheblich beeinflusst.

Die Lotpaste wird mit einem Rakel durch die SMD-Schablone auf die Oberfläche der Leiterplatte gedrückt. Nachdem Sie die Schablone von der Leiterplatte abgehoben haben, bleibt die Paste auf den Lötfeldern der Leiterplatte zurück. Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass 100% der Lotpaste, die die Löcher (Öffnungen) in der Schablone füllt, auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Trotz seiner scheinbaren Einfachheit wirft dieses Verfahren eine Reihe technologischer Probleme auf, die in erster Linie mit der Erhöhung der Packungsdichte der Komponenten auf der Leiterplatte und der Einführung der bleifreien Technologie zusammenhängen.

Der Prozess der Freisetzung der Paste aus den Schablonenlöchern erscheint daher kritisch, insbesondere bei Schaltungen mit einer hohen Dichte an ‘Fine Pitch’-Bauteilen. Das Problem ist recht komplex und hängt sowohl mit dem Design der SMD-Schablone selbst als auch mit ihrer Herstellungstechnologie zusammen.

Technologie: Wie funktioniert die Übertragung der Lotpaste auf die Lötfelder der Leiterplatte?

Die Designregeln für SMD-Schablonen sind in IPC 7525A definiert. Das grundlegende Element, das die zulässige Lochgröße bei der gewünschten Schablonendicke charakterisiert, ist das Druckflächenverhältnis PAR=Vorderseitenfläche/Seitenwandfläche des Lochs.

Nach den anerkannten Designregeln ist eine korrekte Pastenübertragung durch PAR≤0,66 gewährleistet. Es sind drei Schablonenherstellungstechnologien für die SMD-Technologie bekannt, die diesen Verhältniswert erreichen:

  • chemische Ätzung auf beiden Seiten
  • Laserschneiden
  • elektrolytische Nickelabscheidung (Galvanoforming)

Die Größe und das Layout der SMD-Schablonen ist sehr individuell. Inzwischen gibt es einen Schablonen Konfigurator im Internet, mit dem die passende SMD-Schablone ganz einfach online bestellt werden kann. Die Wahl der Schablonendicke unterliegt in der Regel einem Kompromiss hinsichtlich der Menge der Paste auf den Leiterplattenpads. Auf der einen Seite sorgt eine dünne Schablone (100μm) für eine geringe Anzahl von Kurzschlüssen in “Fine Pitch”-Schaltungen, bietet aber nicht genügend Paste für das Löten massiverer Komponenten. Andererseits bietet eine dicke Schablone (150-200μm) ausreichend Paste, führt aber zu einer höheren Anzahl von Kurzschlüssen und folglich zu mehr Nacharbeit.

Zwar lässt sich dieser Effekt durch eine Verringerung der Breite der Pads im Verhältnis zur Nennbreite des Lötfelds reduzieren, aber das führt nicht immer zu den gewünschten Ergebnissen. Aus diesem Grund werden in kritischen Situationen abgestufte Schablonen, d.h. mit lokal unterschiedlichen Dicken im Verhältnis zur gesamten Schablone, verwendet. Diese Schablonen werden durch Laserschneiden unter Verwendung von Stahlblechen mit lokal verdickten Fragmenten hergestellt oder, im Falle von Schablonen mit lokal verdickten Fragmenten (z.B. Schablone 120μm, lokal 200μm), wird die Methode der selektiven Nickelabscheidung (Galvanoformung) verwendet.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Übertragung der Paste auf die Lötfelder der Leiterplatte ist die Form und Wandglätte der Schablonenlöcher. Löcher in Schablonen, die durch beidseitiges chemisches Ätzen hergestellt wurden, haben die charakteristische Form eines doppelt umgekehrten Kegels. Die daraus resultierende Verengung in der Mitte des Lochs verhindert effektiv die Freisetzung der Paste.

SMD-Schablonen herstellen: Was ist zu beachten?

Durch das Laserätzen entsteht ein leicht trapezförmiger Querschnitt des Lochs, der das Ablösen der Paste erleichtert. Das Gleiche gilt für die Glätte der Oberfläche im Inneren des Lochs, die durch die erosive Wirkung des Laserstrahls beeinträchtigt wird. Um die erosiv entstandene Oberfläche zu glätten, wird manchmal ein Elektropolierverfahren eingesetzt. Gegenwärtig werden sogar galvanisch geformte Nickelschablonen als Modelle betrachtet.

Die Glätte der Innenwände, die Wiedergabetreue der Löcher und die geringeren Adhäsionskräfte der Paste auf dem Nickel machen den PAR-Faktor für diese Schablonen kleiner als 0,5. Wenn wir dazu noch die sehr hohe Härte des Nickels von 680HV im Vergleich zu 380HV für gehärteten Edelstahl hinzufügen, macht dies diese Schablonen zu einer idealen Lösung insbesondere für die Großserienproduktion komplexer elektronischer Platinen.

Elektrogeformte Schablonen haben jedoch grundlegende Nachteile:

  • kosten 3-4x mehr als lasergeschnittene Schablonen,
  • längere Lieferzeiten aufgrund des technologischen Prozesses selbst,
  • eine sehr begrenzte Anzahl von Lieferanten.

Eine Kompromisslösung, die häufig verwendet wird, ist das Laserschneiden von Schablonen aus Nickelfolie, die durch Galvanoforming hergestellt wurde. Diese Schablonen eignen sich hervorragend für die hochvolumige Waferproduktion mit bleifreier Technologie. Die Korrektheit des Lotpastendrucks durch eine Schablone kann mit einem in den Siebdrucker integrierten 2,5D-Pasteninspektionssystem überprüft werden. Die Korrektheit des Pastendrucks kann auch mit einem eigenständigen “Lotpasteninspektionsgerät” überprüft werden.

Zusätzlich zur Verwendung von Nickel oder hochnickelhaltigen Legierungen wie Invar werden spezielle Nanobeschichtungen auf die Schablonenoberfläche auf der Leiterplattenseite und auf die Innenfläche der Schablonenlöcher aufgetragen, um die Pastenabgabe zu verbessern. Die Nanobeschichtungen verringern die Haftung der Paste an der Schablone, indem sie PAR auf 0,45 reduzieren. Zusätzlich zu den beschriebenen technologischen und gestalterischen Überlegungen für die Schablonenherstellung bringt die Notwendigkeit, Paste auf sehr kleine Lötfelder zu drucken, auch erhebliche Veränderungen im Design von Laserschneidanlagen sowie in der Blechtechnologie mit sich.

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