Ein Leitfaden für Anfänger zu Step-Up- und Step-Down-Schablonen

Wie allgemein bekannt ist, bewegen sich Unternehmen inzwischen in Richtung 2-nm-Technologie, und die Elektronik befindet sich derzeit auf ihrem Höhepunkt. Auch die Bauteilgrößen auf Leiterplatten (PCBs) sind innerhalb eines Zeitraums von zehn Jahren drastisch geschrumpft. Von 1206-Bauteilen haben sich BGAs zu 0402, 0201 und noch kleineren Bauformen entwickelt. Aufgrund der geringen Bauteilgrößen und der Anforderungen an einen hohen Durchsatz können während des Lötprozesses Defekte wie Tombstoning, Brückenbildung oder schlechte elektrische Verbindungen auftreten. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden spezielle Schablonentechnologien wie Step-up- und Step-down-Schablonen широко eingesetzt, und JLCPCB bietet Step-Stencil-Services an, um eine zuverlässige Lotpastenapplikation für Leiterplatten mit gemischter Bestückungsdichte zu unterstützen.

Fine-Pitch-Bauteile mit einem Pitch von 0,4 mm befinden sich häufig in unmittelbarer Nähe zu Bauteilen, die deutlich höhere Pastenhöhen benötigen. Dies macht einen erheblichen Teil der gesamten SMT-Produktion aus. Die Fähigkeit, Bauteile mit einem Pitch von 0,5 mm zu drucken und gleichzeitig kleinere Bauteile wie 01005 oder CSP mit einem Pitch von 0,3 mm und deutlich geringeren Pastenhöhen zu bedrucken, ist ein zunehmend wichtiger Faktor in der Elektronikfertigung. Das Drucken mehrerer Pastenhöhen innerhalb einer einzigen Schablone in einem einzigen Druckvorgang ist mit einer Step-Schablone möglich. Sehen wir uns das genauer an – in diesem Tutorial beschreibe ich, was Step-Schablonen sind, wann man sie einsetzt und wie sie die Qualität Ihrer Baugruppe beeinflussen.

Was ist eine PCB-Schablone?

Eine PCB-Schablone ist ein dünnes Stahlblech, das mit exakt passenden Öffnungen ausgeschnitten ist, die den Pads auf der Leiterplatte entsprechen. Um SMT-Bauteile auf einer Leiterplatte zu montieren, muss Lotpaste auf die Pads der Platine aufgetragen werden. Die effektivste und genaueste Methode hierfür ist die Verwendung einer Schablone. Sehen Sie sich auch diesen Artikel über Schablonen und Nanobeschichtungen an, den wir kürzlich behandelt haben.

In Hochproduktionslinien platziert ein Bediener die Schablone auf der Leiterplatte, drückt Lotpaste durch die Öffnungen der Schablone und trägt sie auf die Pads der Platine auf. Wenn der Bediener die Schablone von der Platine entfernt, verbleibt ein Teil der Lotpaste auf den Pads. Die mit Lotpaste bedeckte Platine wird anschließend einer Bestückungsmaschine zugeführt, die die entsprechenden SMT-Bauteile auf der Paste positioniert. Die bestückten Leiterplatten werden danach in Reflow-Öfen verlötet.

Probleme mit herkömmlichen Schablonen:

Die Dicke der Schablone sowie die Größe der Pad-Apertur oder Öffnung bestimmen, wie viel Lotpaste die Schablone auf das Pad aufträgt. Die Menge der Lotpaste auf einem Pad ist entscheidend für das korrekte Verlöten eines Bauteils. Ist das Volumen zu gering, wird das Bauteil möglicherweise nicht richtig verlötet. Ist das Volumen zu groß, kann überschüssiges Lot Brücken zu benachbarten Pads verursachen. Dies tritt insbesondere bei einer Kombination aus Fine-Pitch-Bauteilen und großen Steckverbindern oder Wärmeableitpads auf derselben Leiterplatte auf. Dadurch entstehen widersprüchliche Anforderungen an das Lotpastenvolumen, die mit Standardschablonen nicht erfüllt werden können.

Für SMT-Bauteile wie 0402-Chipbauteile und QFPs mit einem Pitch von 0,5 mm oder kleiner sind extrem kleine Schablonenaperturen erforderlich. Die Verwendung solch kleiner Öffnungen in einer 0,2-mm-dicken Schablone stellt eine Herausforderung für die Pastenfreigabe dar. Beim Abheben der Schablone funktionieren diese Aperturen am besten mit Schablonen, die 0,127 mm dick sind.

Was sind Step-Schablonen?

Eine Step-Schablone steuert im Wesentlichen, wie viel Lotpaste sowohl auf große als auch auf kleine SMT-Bauteile auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Für große SMT-Bauteile werden eine dickere Schablone und mehr Lotpaste benötigt, um eine optimale Lötverbindung zu erzielen. Kleine SMT-Bauteile hingegen benötigen weniger Lot, sodass eine dünnere Schablone die bessere Wahl ist. Für eine Leiterplatte, die sowohl sehr kleine als auch große SMT-Bauteile enthält, ist daher eine Step-Schablone mit dicken Bereichen für große Bauteile und dünnen Bereichen für kleine Bauteile erforderlich.

（Diese Schablone wird von JLCPCB hergestellt）

Da elektronische Geräte in der Regel kleinere und dünnere Bauformen aufweisen, müssen Ingenieure mikroskopisch kleine Surface-Mount-Technology-(SMT-)Bauteile auf Leiterplatten (PCBs) einsetzen. SMT-Bauteile mit grobem, mittlerem und feinem Pitch werden häufig kombiniert, um eine Leiterplatte zu realisieren. Dennoch kann die PCB-Oberfläche dank der variierenden Dicke einer Step-Schablone mit einem individuell angepassten Lotpastenvolumen beschichtet werden.

Arten von Step-Schablonen:

Diese Modifikationen werden während des Schablonenherstellungsprozesses häufig durch chemisches Ätzen, Laserschweißen oder Elektropolieren vorgenommen. Es gibt zwei Arten von Step-Schablonen: Step-up und Step-down.

Step-up-Schablone

Leiterplatten mit vielen kleinen Bauteilen und einigen großen SMT-Bauteilen benötigen Step-up-Schablonen. Sie sind in bestimmten Bereichen dicker, um eine größere Lotpastenmenge aufzutragen. Die Basisschablone besteht aus einem 0,1-mm-dicken Stahlblech; für die größeren SMT-Bauteile wird die Dicke auf 0,15 mm erhöht.

Step-down-Schablone

Leiterplatten mit mehreren großen Bauteilen und kleinen SMT-Bauteilen benötigen Step-down-Schablonen. Sie sind in bestimmten Bereichen dünner, sodass weniger Lotpaste aufgetragen wird. Die Basisschablone besteht aus einem 0,15-mm-dicken Stahlblech; für die kleinen SMT-Bauteile wird die Dicke auf 0,1 mm reduziert.

Step-Schablonen können mit oder ohne Rahmen verwendet werden. Rahmenlose Step-Schablonen sind praktischer für die Prototypenmontage, während gerahmte Step-Schablonen von Bestückern für Serienproduktionen eingesetzt werden. Die Kosten für rahmenlose Step-Schablonen sind geringer als für gerahmte Schablonen.

Herstellungsprozess von Step-Schablonen:

Step-Schablonen sind seit mehr als einem Jahrzehnt auf dem Markt und werden mit verschiedenen Fertigungstechniken hergestellt. Die erste Technik zur Herstellung von Step-Schablonen war das nasschemische Ätzen, gefolgt von Laserschneiden/-schweißen, Fräsen und Elektroformen.

Obwohl das chemische Ätzen aufgrund seiner begrenzten Miniaturisierungsfähigkeit zunehmend an Bedeutung verliert, sind Laserschneiden und Elektroformen derzeit die am weitesten verbreiteten Methoden. Die beiden Technologien unterscheiden sich erheblich hinsichtlich Material, Produktionsmethode und Nachbearbeitung. Beim Laserschneiden wird überwiegend Edelstahl verwendet, während beim Elektroformen Nickel das Hauptmaterial ist. Die Herstellung von Step-up- oder Step-down-Bereichen erfordert fortschrittliche Techniken:

• Lasergeschweißte Folien: Zusätzliche Folienabschnitte werden auf die Basisschablone aufgeschweißt.

• Chemisches Ätzen: Selektives Material wird entfernt, um entweder Erhöhungen (Step-up) oder Vertiefungen (Step-down) zu erzeugen.

• Nano-Beschichtungs-Kompatibilität: Viele Hersteller bieten nano-beschichtete Versionen an, um die Pastenfreigabe weiter zu verbessern und den Reinigungsaufwand zu reduzieren.

Eine hervorragende CAD-Konstruktion und eine enge Zusammenarbeit mit Ihrem Schablonenlieferanten sind bei diesem Prozess entscheidend.

Schablonenfertigungstechniken:

Hersteller verwenden eine von drei Technologien zur Fertigung von Step-Schablonen:

• Photo-chemische Ätztechnologie

• Mikro-Bearbeitungstechnologie

• Schweißtechnologie mit Lasergeräten

1. Photo-chemische Ätztechnologie:

Die photo-chemische Ätztechnologie ist die primäre Methode zur Herstellung von Step-Schablonen. Der Hersteller erzeugt mithilfe eines fotografischen Verfahrens eine Resist-Schicht auf den Bereichen der Schablone, die nicht geätzt werden sollen. Anschließend wird ein Ätzmittel auf die Schablonenoberfläche aufgebracht, um Material zu entfernen, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

2. Mikro-Bearbeitungstechnologie:

Der Hersteller befestigt eine gekühlte Vakuumplatte auf einem einfachen Schablonenblech in einer Fräsmaschine. Mit einer CNC-gesteuerten Fräsmaschine werden winzige Materialmengen schrittweise entfernt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Nach dem Einsetzen der gestuften Folie in einen Rahmen werden die Perforationen mit einem Laserstrahl geschnitten.

3. Schweißtechnologie mit Lasergeräten:

Der Hersteller verwendet zwei Bleche: ein dünnes Basisblech und ein dickeres Blech zum Laserschweißen. Mithilfe von CNC-Maschinen wird der Stufenbereich aus dem dickeren Blech herausgeschnitten. Nach dem Einsetzen des dickeren Folienschnitts in den ausgeschnittenen Bereich des dünnen Blechs wird die Verbindung lasergeschweißt. Anschließend schneiden die Hersteller die Perforationen mit Laserstrahlen.

Vorteile der Verwendung von Step-Schablonen:

Fazit:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Step-up- und Step-down-Schablonen in der Leiterplattenbestückung immer wichtiger werden, auch wenn sie auf den ersten Blick wie anspruchsvolle Fertigungswerkzeuge erscheinen. Einfach ausgedrückt: Wenn Bauteilgrößen schrumpfen und die Komplexität der Leiterplatten zunimmt, wird eine kontrollierte Lotpastenapplikation unverzichtbar. Komplexe Leiterplatten erfordern unterschiedliche Lotpastenmengen für verschiedene SMT-Bauteile. Durch die Verwendung unterschiedlicher Foliendicken in derselben Schablone wird es einfacher, in Bereichen mit grobem Pitch ausreichend Lot aufzubringen und gleichzeitig die Lotpastenmenge in Fine-Pitch-Bereichen präzise zu kontrollieren.

Wenn man versteht, wann und wie diese speziellen Schablonen eingesetzt werden, können selbst Einsteiger die Zuverlässigkeit und Qualität ihrer Baugruppen erheblich steigern. Bevor Sie Ihre nächste Schablone bestellen, sollten Sie prüfen, ob eine Step-Schablone gängige Probleme auf Ihrer Leiterplatte lösen kann. JLCPCB bietet Step-Stencil-Services an, die präzise Anpassungen der Schablonendicke für Leiterplatten mit gemischten Bauteiltypen ermöglichen und so eine optimale Lotpastenapplikation unterstützen. Konsultieren Sie stets Ihren Hersteller und prüfen Sie Ihre Schablonenoptionen sorgfältig. Für Leiterplatten mit gemischter Bestückung ist das Erhöhen oder Verringern der Dicke häufig notwendig – denn ohne eine Step-Schablone ist es extrem schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, ein ideales Druckergebnis zu erzielen.