Grundlegendes Design der Lötmaske

Allgemeine doppelseitige Leiterplatten (PCBs) bestehen aus drei Schichten, die von der Substratoberfläche ausgehen: der Kupferschicht, der Lötstiftschicht (Soldermask) und der Siebdruckschicht (Silkscreen). Diese Schichten sind über metallisierte Durchkontaktierungen (Plated Through Holes, PTH) in der Bohrschicht miteinander verbunden, um die elektrische Verbindung zwischen der oberen und unteren Schicht zu gewährleisten.

Zweck der Lötstiftmaske (Solder Mask)

1. Verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit sowie verschiedener Chemikalien und Elektrolyte, die Oxidation und Korrosion der Kupferbahnen verursachen und die elektrische Leistung beeinträchtigen können.
2. Schützt vor mechanischen Kratzern von außen und erhält so die Isolierung zwischen den Kupferbahnen, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
3. Verhindert unbeabsichtigte Lötverbindungen während der Bauteillötung, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden.
4. Reduziert den Verbrauch von Oberflächenbeschichtungen der Pads (z. B. ENIG, HASL) in nicht lötbaren Bereichen.
5. Verbessert die Ästhetik der Platine durch die Möglichkeit, sie in verschiedenen Farben darzustellen.

Design der Lötstiftmaske

Die Lötstiftmaske (Solder Mask) dient nicht dazu, das gesamte Löten zu verhindern. Manche unerfahrenen Ingenieure könnten fälschlicherweise glauben, dass die auf der Lötmaskenschicht gezeichneten Muster die entsprechenden Bereiche unlötbar machen. Das ist falsch.

Die Solder Mask bezieht sich auf die Bereiche auf der Platine, die mit Lötstiftmaske-Tinte beschichtet werden. Da es sich um ein Negativmuster handelt, werden die mit Mustern versehenen Bereiche auf der Lötmaskenschicht nicht mit Tinte beschichtet.

Imagine a pavilion (A) as the solde mask layer. After a heavy snowfall, the ground below the pavilion (B) will not have snow (solder resist ink), while the area not covered by the pavilion (C) will be entirely covered in snow (solder resist ink). Using this analogy, we return to PCB design for solder mask:

Stellen Sie sich ein Pavillon (A) vor, das die Lötstiftmaske darstellt. Nach starkem Schneefall liegt unter dem Pavillon (B) kein Schnee (keine Lötmasken-Tinte), während der Bereich außerhalb des Pavillons (C) vollständig mit Schnee bedeckt ist (mit Lötmasken-Tinte).

Übertragen auf das PCB-Design bedeutet dies:

1. Muster auf der Kupferschicht repräsentieren die Kupferbahnen.
2. Muster auf der Lötmaskenschicht entfernen die Tintenabdeckung.
3. Bereiche, in denen Kupfer- und Lötmaskenschicht auf derselben Seite überlappen, erzeugen freiliegendes Kupfer (lötbeschichtet oder vergoldet).

Herstellung der Lötstiftmaske

Im Produktionsprozess, nach Bohren und Kupferbeschichtung der Platine, werden unerwünschte Kupferflächen entfernt, sodass die benötigten Kupferbahnen übrig bleiben. Danach beginnt der Lötmasken-Prozess:

1. Die geätzten Kupferbahnen werden gereinigt und einer Säurewäsche unterzogen, um Oxide und Verunreinigungen zu entfernen und die Kupferoberfläche für die Haftung der Lötmasken-Tinte aufzurauen.
2. Die gesamte Platine wird mit Lötmasken-Tinte beschichtet, getrocknet und mit einer Lötmaskenfolie abgedeckt. UV-Licht härtet die Tinte dort aus, wo Lötmaskenmuster vorhanden sind, und schützt die vorgesehenen Bereiche.
3. Nach der Entwicklung und Reinigung wird nicht ausgehärtete Tinte entfernt, wodurch die ursprüngliche Kupferoberfläche sichtbar wird. Zinn- oder Goldbeschichtungen können in späteren Schritten aufgebracht werden.

Die Lötmaskenfenster müssen größer als die zugehörigen Pads sein, um mögliche Ausrichtungsfehler auszugleichen (in der Regel ca. 0,1–0,2 mm größer, entsprechend 0,05–0,1 mm auf jeder Seite). Dies kann die Form einiger Pads leicht verändern:

1. Pads ohne verbundene Leiterbahnen: Keine Formänderung.
2. Pads mit verbundenen Leiterbahnen: Ein kurzes Stück der Leiterbahn wird zusätzlich freigelegt.
3. Pads, die als Öffnung in einer großen Kupferfläche definiert sind: Die Pad-Form wird durch das Lötmaskenfenster bestimmt und ist aufgrund der Lötmaskenausdehnung leicht größer als vorgesehen.

Wichtiger Hinweis: Bei speziellen Anforderungen, die eine exakte Form und Größe der Pads verlangen, sollte die Lötmaskengröße unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit gestaltet werden. Beim Bestellen muss angegeben werden: „Do not modify original solder mask size“. Produktionsdateien sollten sorgfältig überprüft werden. Wir halten IPC-Standards ein, die Pad-Größen auf ±20 % kontrollieren.

Neuigkeiten: Für Mehrlagenschaltungen haben wir fortschrittliche Geräte eingeführt, sodass Lötmaskenfenster nun 1:1 mit den Pads übereinstimmen.

Unterschied zwischen Lötpaste- und Lötmaskenschichten

• Lötpaste-Schicht: Wird für die Herstellung von Schablonen verwendet, um die Lötpaste präzise auf die Bauteilpads für die SMT-Verarbeitung aufzutragen.
• Lötmasken-Schicht: Wird in der PCB-Herstellung verwendet. Bereiche mit Mustern auf der Lötmaskenschicht bleiben unbeschichtet, während Bereiche ohne Muster mit Lötmasken-Tinte bedeckt werden.

Wichtig:

Um bestimmte Leiterbahnen, Kupferflächen oder Pads unbeschichtet zu lassen und für das Löten (oder Vergolden) freizulegen, muss ein Lötmaskenmuster hinzugefügt werden. Nur die Kupferbereiche, die mit diesem Muster überlappen, werden freigelegt und mit der gewählten Oberflächenbeschichtung behandelt. Paste-Layer dienen ausschließlich der Schablonenherstellung und sind für die PCB-Produktion nicht relevant.

Lötmasken-Brücken

Für dicht gepackte IC-Pads können Lötmasken-Brücken entworfen werden, um das Risiko zu verringern, dass Lötpaste auf benachbarte Pins fließt und Kurzschlüsse verursacht. Dabei wird eine Schicht Lötmasken-Tinte zwischen zwei IC-Pads aufgebracht. Laut JLCPCB-Prozess können Lötmasken-Brücken unter bestimmten Bedingungen angewendet werden.

Zusammenfassung

Die Lötmaske wird als Negativmuster aufgetragen: Bereiche mit Mustern werden nicht mit Schutztinte beschichtet. Dadurch bleiben die gewünschten Kupferbahnen und Pads zum Löten freigelegt.

Während der PCB-Herstellung schützt die Lötmaske die Kupferbahnen vor Feuchtigkeit und Chemikalien, verhindert Kurzschlüsse und sorgt für Isolation. Die Lötmaskenfenster sollten leicht größer als die Pads sein, um Ausrichtungsfehler auszugleichen, was die Pad-Form geringfügig ändern kann.

Fazit: Die Lötmaske ist eine Schutzschicht, die verhindert, dass Lötpaste auf unerwünschte Bereiche gelangt, und die Integrität und Zuverlässigkeit der Schaltung durch Schutz der Kupferbahnen gewährleistet.