Tipps zum SMT-Schablonendesign zur Verbesserung der Lötpastenablage

Die Lotpastenapplikation durch eine Schablone ist eine Methode zur Massenproduktion von Baugruppen. Selbst mit fortschrittlichen Bestückungsautomaten und Reflow-Profilen lassen sich Defekte wie Brückenbildung, Tombstoning und unzureichende Lötstellen häufig auf ein schlechtes Schablonendesign zurückführen. Ein korrektes Schablonendesign hilft dabei, gleichmäßige und qualitativ hochwertige Lötstellen zu erzielen. Da die Bauteilgrößen immer kleiner werden und die Schaltungsdichten zunehmen, bietet JLCPCB hochpräzise Schablonen mit Optionen wie Stufendesigns, Elektropolieren und Nano-Beschichtungen an, um eine zuverlässige Lotpastenapplikation sicherzustellen und Montagefehler zu reduzieren.

Eine effektive SMT-Schablone gewährleistet eine konsistente, wiederholbare und präzise Lotpastenbedruckung. In diesem Artikel werden wir praktische und bewährte Tipps für das SMT-Schablonendesign untersuchen. Diese helfen Ihnen, die Lotpastenapplikation zu optimieren und Defekte in der Leiterplattenbestückung zu reduzieren. Dieser Artikel besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: einem Teil mit Designrichtlinien und einem weiteren aus der Perspektive der Fertigung.

5 Wichtige Designrichtlinien für Standard-SMT-Schablonen:

1. Richtlinien für das Aperturdesign

Um Lötfehler wie Brückenbildung und Lotkügelchen zu vermeiden, ist dies von entscheidender Bedeutung. Für eine präzise Applikation werden die Aperturen etwas kleiner als die Pads ausgeführt. Für bestimmte Bauteile ist jedoch eine Apertur mit speziellem Design erforderlich, um weniger Paste an der inneren Kante des Bauteils aufzutragen, was die Bildung von sogenannten „Mid-Chip“-Lotkugeln verhindert. Hier sind einige Beispiele:

2. Aperturverkleinerung (Pad-zu-Apertur-Verhältnis)

Aperturen werden häufig etwas kleiner als die tatsächlichen Padabmessungen ausgeführt, um Brückenbildung und überschüssiges Lot zu vermeiden. Nachfolgend eine Auswahlübersicht:

Empfohlene Dickenregeln:

• Für die meisten Bauteile liegt die typische Reduzierung zwischen 5 und 7 %.

• Für eine zuverlässige Druckfähigkeit empfiehlt IPC-7525 ein Verhältnis der Schablonenfläche zur Padfläche von > 0,66.

Formel:

Flächenverhältnis = (Aperturfläche) / (Aperturwandhöhe × Aperturumfang)

Halten Sie dieses Verhältnis über 0,66, um eine saubere Pastenfreigabe sicherzustellen.

3. Fiducial-Marken

Beim Aufbringen der Lotpaste auf die Pads ist es sehr wichtig, dass das Muster korrekt zur Leiterplatte ausgerichtet ist. Dies wird durch das Anbringen von Fiducial-Marken, also Registrierungsmarken, auf der Leiterplatte und der Schablone erreicht. Wie Sie in unserem neuesten umfassenden Beitrag zu Fiducial-Marken sehen können, gewährleistet deren Hinzufügung zur Schablone eine korrekte Ausrichtung. JLCPCB liefert Schablonen mit integrierten Fiducial-Marken, die eine präzise Ausrichtung und eine zuverlässige Lotpastenbedruckung unterstützen.

4. Schablonenrahmen und Rand

Schablonen können rahmenlos (für Rapid Prototyping oder manuelles Drucken) oder gerahmt (in Aluminiumrahmen geklebt) sein.

• Typische Rahmengrößen sind 23 × 23 Zoll.

• Halten Sie den Abstand zwischen dem Aperturbereich und dem Rahmenrand mindestens 10 mm.

• Kennzeichnen Sie die Schablone deutlich mit Position, Dicke und Teilenummer.

5. Window Effect design:

Es gibt Fälle, in denen das Leiterplattendesign große Kupferpads unter dem Bauteil aufweist. Dies tritt typischerweise bei Leistungselektronik auf. In diesem Fall wird ein Window-Effect verwendet, um eine gute elektrische Verbindung sicherzustellen und die Wärmeabfuhr des Bauteils zu ermöglichen. Wird Lotpaste über das gesamte Pad aufgebracht, kann sich das Bauteil anheben und die äußeren Anschlüsse werden möglicherweise nicht verlötet. Ein „Window-Effect“ im Design kann verwendet werden, um das Lotvolumen zu reduzieren, wie im obigen Bild dargestellt.

4. Wichtige Designrichtlinien für Standard-SMT-Schablonen:

1. Auswahl der Schablonendicke

Die Dicke des Designs bestimmt, wie viel Lotpaste aufgetragen wird. Konzentrieren Sie sich dabei in erster Linie auf das Bauteil mit dem kleinsten Pitch auf der Leiterplatte. In einer dicken Schablone kann die Lotpaste aufgrund eines Phänomens namens Oberflächenspannung an den inneren Aperturwänden haften bleiben. Eine grundlegende Regel besagt, dass sich idealerweise mindestens fünf Lotpartikel in der kleinsten Apertur befinden sollten.

2. Schablonenmaterial

Die Art des Materials, aus dem die Schablone gefertigt wird, bestimmt, wie gut sich die Lotpaste aus den Aperturen löst. Obwohl üblicherweise Edelstahl verwendet wird, können Leiterplattendesigns mit Fine-Pitch-Bauteilen Nickel einsetzen, das etwa 50 % teurer ist als Edelstahl.

Die erste Generation von Schablonen wurde durch chemisches Ätzen hergestellt, was für größere Aperturen effektiv war, aber mit abnehmenden Bauteilgrößen zunehmend Schwierigkeiten bei der Lotfreigabe verursachte. Dies führte zur Entwicklung lasergeschnittener Schablonen, die durch feinere, trapezförmige Aperturen eine bessere Pastenfreigabe ermöglichten. Mit weiter schrumpfenden Bauteilgrößen wurden Verfahren wie das Elektropolieren der Aperturwände und später die elektroformende Herstellung der Schablone entwickelt.

3. Nano-Beschichtung zur Verbesserung der Pastenfreigabe anwenden

Hydrophobe Beschichtungen werden bei modernen nano-beschichteten Schablonen eingesetzt, um die Haftung der Lotpaste an den Aperturwänden zu reduzieren. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ein einfaches Verfahren, bei dem eine Schicht aus Nanomaterial auf eine Standard-Schablone aufgebracht wird. Welche Wirkung hat diese Schicht? Sie verbessert die Pastenfreigabe, verlängert die Lebensdauer der Schablone und reduziert die Reinigungsfrequenz.

4. Stufenschablonen für gemischte Bestückungen berücksichtigen

Dies wird weiter in zwei Teile unterteilt:

Step-up-Schablonen: Dickere Bereiche für größere Bauteile.

Step-down-Schablonen: Dünnere Bereiche für Fine-Pitch-Bauteile.

Sie werden bei Leiterplatten mit 0201-Passivbauteilen und großen Steckverbindern eingesetzt. Wir haben einen ausführlichen Artikel zu diesem Thema veröffentlicht, siehe hier.

Fazit

Das Design von SMT-Schablonen besteht nicht nur darin, Formen in Metall zu schneiden. Es ist ein strategischer Prozess, der den Ertrag, die Defektrate und die Montagequalität direkt beeinflusst. Durch die Befolgung dieser Tipps zum Schablonendesign – von der Optimierung der Dicke und Aperturgröße bis hin zum Einsatz fortschrittlicher Beschichtungen – können Sie die Lotpastenapplikation erheblich verbessern. Die grundlegenden Prinzipien des Aspektverhältnisses und des Flächenverhältnisses bilden die Basis für die Aperturauslegung. Bauteilspezifische Strategien stellen eine optimale Leistung für unterschiedliche Bestückungsanforderungen sicher. Fortschrittliche Technologien wie Stufenschablonen und Mehrfachdrucksysteme adressieren komplexe Anwendungen. Gleichzeitig sichern eine geeignete Prozessoptimierung und Wartung eine langfristige Leistungsfähigkeit.

Da sich SMT weiterhin in Richtung Miniaturisierung entwickelt, müssen wir IPC-Richtlinien befolgen und moderne Technologien nutzen. Nano-Beschichtungen und Stufenschablonen sind heutzutage unerlässlich, um Produktionsqualität und Kosteneffizienz aufrechtzuerhalten. JLCPCB bietet ein vollständiges Sortiment an anpassbaren Schablonen, einschließlich nano-beschichteter und Stufenschablonen, um Ingenieuren eine zuverlässige und kosteneffiziente SMT-Bestückung zu ermöglichen.