Umfassende Richtlinien für PCB-Lötmasken im Jahr 2024

Im Bereich der Elektronikfertigung ist die Produktion von Leiterplatten (PCBs) mit komplizierten Prozessen und akribischen Kontrollen verbunden. Leiterplatten bestehen aus wesentlichen Komponenten wie Lötmaske, Siebdruckschicht, Verdrahtung und Kern, wobei jeder Herstellungsschritt Präzision und gründliche Prüfung erfordert. Im Zuge des Fortschritts in der Elektronikindustrie steigt die Nachfrage nach Leiterplatten in Bezug auf Zuverlässigkeit und hohe Dichte immer weiter an. Um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden, bemühen sich die Hersteller um die Optimierung der HDI-Technologie (High-Density Interconnection) und der Lötmaskentechnologie. In diesem aufschlussreichen Artikel beleuchtet FS Technology die entscheidende Rolle der PCB-Lötmasken.

Was ist eine Lötmaske?

Die Lötmaskenschicht, auch bekannt als die Fensterebene oder grüne Ölschichtspielt eine zentrale Rolle in der PCB-Herstellungsprozess. Sie dient als Schutzschicht, die bestimmte Bereiche der Leiterplatte abdeckt und so eine präzise Strukturierung während der nachfolgenden Veredelungs- und Lötprozesse ermöglicht. Durch die Verwendung einer Negativfilm-Ausgabetechnik wird die Lötmaske so gestaltet, dass die freiliegende Kupferhaut sichtbar wird, während die gekennzeichneten nicht-grünen Ölbereiche unberührt bleiben.

Die negative Ausgabe der PCB-Lötmaskenschicht bedeutet eine völlige Umkehrung der tatsächlichen Situation. Die Bereiche, die in der Designphase für das Auftragen von grünem Öl markiert wurden, sind in Wirklichkeit nicht-grüne Ölbereiche, die als Fensteröffnungen bekannt sind. Die Lötstoppmaskenschicht hat also die wichtige Aufgabe, Fenster innerhalb der gesamten Grünöl-Oberfläche zu schaffen, die das ordnungsgemäße Löten der Nicht-Grünöl-Komponenten ermöglichen.

 

Da das Leiterplattensubstrat aus Glasfaser und Epoxidharz besteht, fehlt ihm die ausreichende Hitzebeständigkeit, die für Prozesse wie Heißluftlöten Nivellierung (HASL) und Oberflächenmontage-Löten. Ohne eine Lötmaskenschicht kann eine längere Einwirkung von hohen Temperaturen zu einer Verschlechterung der Oberfläche des dielektrischen Materials führen. Daher fungiert die Lötstoppmaskenschicht als Schutzbarriere, die den Schaltkreis vor möglichen Schäden bewahrt, die durch langfristige Einwirkung hoher Temperaturen während dieser Herstellungsprozesse entstehen.

Lötmaskenschicht VS. Lötflussmittel Schicht

Betrachten wir eine zweilagige Leiterplatte als anschauliches Beispiel. Eine grundlegende zweilagige PCB-Konfiguration besteht aus zwei Breadboards (oben und unten), die den Kern bilden, einer Prepreg-Lage in der Mitte und zwei Lötstoppmaskenlagen (oben und unten) sowie zwei Siebdrucklagen (oben und unten). Sehen Sie sich das Diagramm unten an:

Interner Aufbau einer doppellagigen Leiterplatte

Bei der Herstellung von Leiterplatten wird die gesamte Lötmaske aufgrund von Faktoren wie Löten und Wärmeableitung nicht gleichmäßig mit grünem Öl beschichtet. Daher bezeichnen wir diese freiliegenden Bereiche gemeinhin als "Fenster", in denen das Kupfer sichtbar ist.

Das folgende Diagramm bietet eine visuelle Darstellung:

Details der PCB-Lötschicht

Die Lötschicht, auch bekannt als Pastenmaske, bezieht sich auf die spezielle Schicht auf der Leiterplatte, die nicht mit grünem Öl beschichtet ist. Im Wesentlichen bezieht sie sich auf die PCB-Schablone die im Herstellungsprozess verwendet wird. Viele Ingenieure betrachten sie als Synonym für die oberste Schicht, die mit den Daten auf der obersten Schicht übereinstimmt. Wenn Sie sich das obige Strukturdiagramm der doppellagigen Leiterplatte genau ansehen, werden Sie feststellen, dass es innerhalb der Schaltungsstruktur keine spezielle Lötschicht gibt. Der Zweck der Lötschicht unterscheidet sich von dem der Lötmaskenschicht. Sie dient nicht in erster Linie dem Löten, sondern vielmehr der Erleichterung SMT-Bestückung. Während der SMT-ProzessablaufDas präzise Auftragen der Lotpaste auf die Pads wird durch die genaue Dosierung der Paste durch die Schablonenöffnungen erreicht, daher auch der Begriff "obere Zinnschicht" für die Lötschicht.

Das folgende Bild zeigt die Lötschicht (Pastenmaske):

PCB-Flussmittelschicht

Obwohl sowohl die Pastenmaske als auch die Lötmaske am Verzinnungsprozess beteiligt sind, gibt es grundlegende Unterschiede zwischen ihnen. Im Hinblick auf die Funktionalität der internen Leiterplatten dient die Lötstoppmaske dem doppelten Zweck, Salzsprühnebel und Feuchtigkeit zu verhindern und das Löten zu ermöglichen. Die Pastenmaske hingegen dient in erster Linie der Herstellung von SMT-Schablonen, insbesondere für die Oberflächenmontage von Gehäusen. Normalerweise wird die Lötstoppmaskenschicht gleichmäßig mit grünem Öl aufgetragen, so dass Bereiche ohne Lötstoppmaskenschicht frei liegen. Andererseits wird die Pastenmaske für das Schablonendesign verwendet, mit dem spezifischen Ziel, die Platzierung von Komponenten zu erleichtern, insbesondere in PCB-Bestückung für hohe Stückzahlen Szenarien.

Einfluss der Lötstoppmaske auf PCBA

SMT-Löten Schwierigkeit

Das SMT-Löten birgt verschiedene Schwierigkeiten, insbesondere beim Umgang mit SMD-Komponenten mit kleinen Pin-Abständen. Ein unzureichender Mindestabstand zwischen den Lötstoppmasken kann den Bestückungsprozess erheblich beeinträchtigen, was zu einer höheren Schadensquote in der Fabrik und zu höheren Bestückungskosten für den Kunden führt.

Lösung: Um diese Herausforderungen zu entschärfen, ist es entscheidend, den Prozess der Komponentenverpackung auf der Grundlage der tatsächlichen Fähigkeiten und PCBA-Prozesse der Fertigungseinrichtung zu optimieren. Dazu gehört eine gründliche Überprüfung der Designdokumente des Kunden und die Stärkung der internen Designabteilung des Unternehmens.

Kontrolle der Dicke der Lötmaske

Die genaue Kontrolle über die Dicke der Lötmaske ist ein entscheidender Aspekt der PCB-Herstellung. Eine unzureichende Dicke der Lötmaske kann zu Kupferlecks in den Leiterbahnen und zu Problemen beim Löten von ICs führen. Umgekehrt kann eine zu dicke Lötmaskenschicht zu Hängebrücken und offenen Schaltkreisen während des Reflow-Löten.

Lösung: Deshalb ist es wichtig, die Dicke der Lötmaske sorgfältig zu verwalten. Sie sollte dünner sein als die Dicke des Kupferfolien-Pads, mit einer Lötstoppmaskenstärke von mindestens 10 µm an scharfen Eckpositionen auf der Leiterplatte. Außerdem sollte die Dicke der Lötmaske auf Leiterbahnen und Kupferfolie unter 35 µm gehalten werden.

Lötmaskenverarbeitung und Pad-Ausrichtung

Beim Drucken von Lotpaste in nicht standardisierten SMT-Bestückungsanlagen kann es zu Verunreinigungen auf der Pad-Oberfläche kommen, die zu schlechten Lötstellen oder Lotkugeln führen. Diese Probleme sind auf eine falsche Ausrichtung der Lötmaske und des Pads zurückzuführen.

Lösung: Halten Sie sich bei der Gestaltung der Lötmaske streng an die PCB-Design-Richtlinien ist entscheidend. Die Designer sollten darauf achten, dass die Abstände oder Luftspalte um die Pads herum möglichst gering sind, um einen optimalen Lotpastendruck zu gewährleisten und Verunreinigungen zu vermeiden.

Lötschrumpfung

In Situationen, in denen eine übermäßige Anzahl von SMDs auf der Leiterplatte vorhanden ist, kann es vorkommen, dass sich benachbarte SMDs einen gemeinsamen Draht teilen. Dies kann beim Schrumpfen des Lötzinns aufgrund von Hitze Spannungen verursachen, die zu einer Verschiebung oder zum Bruch der Komponenten führen.

Lösung: Effektive Kommunikation mit dem PCB Montage Service Anbieter ist es wichtig, sich mit dem Design von Komponenten und Platinen zu befassen. Durch Zusammenarbeit können Probleme gelöst werden, indem vernünftige Praktiken für die Installation von Komponenten eingeführt und entsprechende Designüberlegungen berücksichtigt werden.

4 Arten von PCB-Lötstoppmasken

Obere und untere Seitenmasken

Lötmasken auf der Oberseite und der Unterseite werden von Elektronikingenieuren häufig verwendet, um Probleme in der grünen Lötmaskenschicht zu erkennen. Diese PCB-Schichten werden mit Film- oder Epoxidmethoden aufgebracht. Die Bauteilstifte werden dann durch die von den Masken registrierten Öffnungen auf die Platine gelötet.

Die Oberseitenmaske entspricht dem Leiterbahnmuster auf der Oberseite der Platine, während die Unterseitenmaske für die gegenüberliegende Seite der Platine verwendet wird.

Epoxidflüssige Lötmasken

Epoxid-Flüssiglötmasken bieten eine kostengünstige Option für PCB-Projekte. Bei dieser Technik, die auch als Siebdruck bezeichnet wird, wird ein gewebtes Netz verwendet, um das Design mit Tinte zu unterlegen. Das Gewebe ermöglicht die Identifizierung von Bereichen, auf die Tinte übertragen werden kann.

Flüssige photoabbildbare Lötmasken (LPI/LPISM)

Liquid Photoimaging Soldermask (LPI oder LPISM) ist ein flüssiges Lötstoppmaskenmaterial, das auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgetragen wird und einen Aushärtungsprozess durchläuft. Dieses fortschrittliche Lötstoppmaskenmaterial ermöglicht ein präzises Auftragen von Lötzinn und gewährleistet genaue elektrische Verbindungen, indem es selektiv nur an den Stellen Öffnungen hinterlässt, an denen gelötet werden muss.

Trockenfilm-Lötmaske-DFSM

Die Vakuumlaminierung wird bei der Aufbringung von Trockenfilm-Lötmasken auf Leiterplatten eingesetzt. Nach dem Laminierungsprozess wird der Trockenfilm belichtet und anschließend verarbeitet. Die Öffnungen werden strategisch platziert, um ein Muster zu erzeugen, sobald der Film verarbeitet ist. Anschließend werden die Komponenten auf die Kupferpads gelötet. Die Kupferschichten werden mit Hilfe elektrochemischer Verfahren auf die Platine aufgebracht.

Kupfer wird sowohl auf die Leiterbahnen als auch in die Löcher geschichtet und bildet so die gewünschten Schaltkreise. Zum Schutz der Kupferschaltungen wird eine Zinnschicht aufgetragen. In der letzten Phase wird die Schicht entfernt, so dass die geätzten Markierungen sichtbar werden. Die thermische Aushärtung wird ebenfalls eingesetzt, um eine gute Haftung und Stabilität zu gewährleisten.

Trockenfilm-Lötmasken werden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften häufig bei Leiterplatten mit hoher Dichte eingesetzt. Sie verhindern, dass die Lötmaske in die Durchgangslöcher eindringt, und sorgen so für eine präzise Schaltung.

Richtlinien für den Lötmaskenprozess

Design-Richtlinien

In der Praxis ist die Verwendung von Lötmasken in Designs eine Ermessensentscheidung. Designer können eine Lötmaske ganz einfach durch die Angabe einiger Parameter einbinden, und bestimmte Software-Tools bieten sogar automatische Funktionen zur Erzeugung von Lötmasken.

Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass Sie sich mit dem gewählten Leiterplattenhersteller eingehend unterhalten, bevor Sie mit dem Designprozess beginnen. Dies gewährleistet ein umfassendes Verständnis ihrer spezifischen Fähigkeiten in Bezug auf die Dicke der Lötstoppmaske und den Mindestabstand der Kupferpads, da diese Überlegungen nicht universell für alle Leiterplatten gelten.

Die Vernachlässigung oder falsche Handhabung einfacher Lötmaskenprobleme, wie z.B. unzureichende oder zu große Öffnungen oder ein Ungleichgewicht zwischen der Anzahl der Öffnungen und der Anzahl der Kupferpads in der Leiterplatte, kann zum Ausfall einer Leiterplatte führen.

Die Feststellung, ob solche Probleme auf Nachlässigkeit oder versehentliche Änderungen in den Konstruktionsunterlagen zurückzuführen sind, kann Zeit und sorgfältige Untersuchungen erfordern. Wenn Sie diese Probleme nicht sorgfältig angehen, kann dies katastrophale Folgen haben. Daher ist eine sorgfältige Prüfung Ihrer Konstruktionsunterlagen von größter Bedeutung.

Über Cap Oil

Via-Cap-Öl, auch bekannt als Via-Cover-Öl, ist eine Technik, die bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet wird, bei der die PCB-Durchkontaktierungen sind mit einer Lötmaske bedeckt, um zu verhindern, dass sie freigelegt werden. Im Gegensatz zum Füllen von Durchkontaktierungen bedeckt das Via Cap Öl nur den Ringumfang der Durchkontaktierungen. Wenn das gesamte Via bedeckt ist, spricht man von Filling oder Plugging.

Hersteller verwenden üblicherweise Via-Cap-Öl als Lötmaskenverfahren zum Schutz von Leiterplatten. Diese Methode wird oft in Verbindung mit Epoxidharzfüllung oder Maskenverstopfung verwendet, unter Berücksichtigung der PCB Herstellungskosten. Unter den verschiedenen Via-Bumping-Techniken gilt das LPISM-Bumping als die kostengünstigste Methode.

Mit Lötstoppmaske erzeugte Durchkontaktierungen mit Zelt
Mit Lötstoppmaske erzeugte Durchkontaktierungen mit Zelt

Lötmaske Damm

Lötstoppmaske Dam, auch bekannt als Lötstoppmaskenabstand, ist eine entscheidende Komponente beim PCB-Design. Sein Hauptzweck ist es, einen angemessenen Abstand zwischen den Lötflächen sicherzustellen, um das Auftreten von Lötbrücken zu verhindern. Im Allgemeinen wird der Lötstoppabstand auf die Hälfte der Breite des Leiterabstandes festgelegt. In Fällen, in denen feine Leitermuster unter 100µm verwendet werden, kann diese Regel jedoch gelockert werden, um den spezifischen Anforderungen des Designs gerecht zu werden.

Lötmaske Damm
Lötstoppmaske DAM

Lötmaske öffnen

Das Öffnen der Lötstoppmaske ist eine wichtige Funktion beim Leiterplattendesign, die es ermöglicht, die Schaltkreise für das Auftragen von Lötpaste während des Lötvorgangs freizulegen. Sie wird in der Regel durch das Entfernen der Lötstoppmaskenschicht auf der Außenfläche der Leiterplatte in bestimmten Bereichen realisiert. Die Genauigkeit dieser Öffnungen ist von äußerster Wichtigkeit, da jede Ungenauigkeit dazu führen kann, dass unbeabsichtigt Kupfer freigelegt wird, das nicht mit Lötpaste bedruckt werden sollte. Dies kann zu Problemen führen wie Kurzschluss auf der Leiterplatte, Korrosion oder Beschädigung der Leiterbahnen.

Öffnung der Lötmaske
Öffnung der Lötmaske

Abdeckung oder Erweiterung der Lötmaske

Diese Spezifikation, auch bekannt als Lötstoppmaskenschwellung, kann positive, null oder negative Werte haben.

  • Positive Solder Mask Extension: Wenn zwischen der Kante der Lötstoppmaske und dem freiliegenden äußeren Rand des Pads ein Abstand besteht, spricht man von einer positiven Ausdehnung der Lötstoppmaske oder von einer Schwellung. Dadurch wird sichergestellt, dass das Pad ausreichend von der Lötstoppmaske bedeckt ist, was Schutz bietet und unbeabsichtigte Lötbrücken verhindert.
  • Zero Solder Mask Extension: Wenn es keine Lücke oder keinen Abstand zwischen der Lötmaske und dem Pad gibt, spricht man von einer Null-Lötmaskenerweiterung. Das bedeutet, dass die Lötstoppmaske genau auf die Pad-Grenzen ausgerichtet ist.
  • Negative Solder Mask Extension: In einigen Fällen kann sich die Lötmaske über die Grenzen des Pads hinaus erstrecken und einen Teil des Pads überlappen. Dies wird als negative Lötmaskenerweiterung bezeichnet. Sie wird in der Regel verwendet, um in Bereichen, in denen ein erhöhter Schutz erforderlich ist, wie z.B. in Schaltkreisen mit hoher Dichte oder in Bereichen, die anfällig für Lötbrücken sind, eine zusätzliche Abdeckung durch die Lötmaske zu erreichen.
Abdeckung der Lötmaske

Anwendungshinweise

Wenn Sie eine Lötmaske auf eine Leiterplatte aufbringen, müssen Sie unbedingt für eine ordnungsgemäße Isolierung zwischen Gruppen von Kontaktpads, z. B. unter Mikroschaltkreisen, und anderen leitenden Elementen wie Durchkontaktierungen, Kontaktpads und Leitern sorgen.

Diese Isolierung dient dazu, den Zeit- und Arbeitsaufwand während des Lötvorgangs zu minimieren. Ohne eine ordnungsgemäße Isolierung können sich winzige Lötbrücken zwischen benachbarten Kontaktflächen bilden, was zu Komplikationen und zusätzlichem Zeitaufwand für die Erkennung und Beseitigung führt. Wenn solche Lötbrücken nicht erkannt werden, kann es zu Kurzschlüssen kommen, die zu Betriebsstörungen oder sogar zum Ausfall der Komponenten führen.

Die Lötmaske erleichtert nicht nur das ordnungsgemäße Löten, sondern dient auch als Schutzschicht für die Oberfläche der Leiterplatte. Sie schützt die Leiterplatte vor den potenziell korrosiven Auswirkungen aggressiver chemischer Beschichtungen, die während des Lötprozesses aufgetragen werden, einschließlich chemischer und chemisch-technologischer Methoden.

Es ist wichtig zu wissen, dass die Lötstoppmaske zwar einen gewissen Schutz bietet, die Leiterplatte aber aufgrund ihrer hygroskopischen Beschaffenheit nicht vor Feuchtigkeit unter rauen Betriebsbedingungen schützt. Zum Schutz vor Feuchtigkeit werden in solchen Fällen spezielle organische Beschichtungen verwendet, die oft als Konforme Beschichtungen in der Fachliteratur, verwendet werden.

Trocken oder flüssig

Die Wahl zwischen trockener und flüssiger Lötstoppmaske hängt in erster Linie von den Anforderungen an die Lochabdeckung ab, d.h. von der Überlappung oder Abdeckung der Löcher auf einer Leiterplatte.

Die Ziele des Loch-Zeltens sind wie folgt:

  • Isolierung während der Montage, um den Kontakt zwischen dem leitenden Muster und Komponenten mit leitenden (metallischen) Oberflächen zu verhindern.
  • Schutz der Kupfersäule von beschichteten Durchkontaktierungen vor aggressiven Umwelteinflüssen wie Beizlösungen, Waschflüssigkeiten, Flussmitteln usw., insbesondere wenn die Durchkontaktierungen nicht durch Endbeschichtungen geschützt sind.
 

Liquid Solder Mask Vorteile:

  • Kosteneffizienz des Herstellungsprozesses aufgrund des geringen spezifischen Materialverbrauchs, der die Bildung dünner Schutzschichten von ca. 30 µm ermöglicht (selbst auf relativ hohen Reliefflächen bis zu 70 µm).
  • Vergleichsweise höhere Haftung im Vergleich zu trockenen Lötmasken, da das flüssige Material in einem flüssigen Zustand aufgetragen wird.
  • Möglichkeit der Erstellung schmaler Jumper mit einer Breite von bis zu 0,15 mm oder sogar weniger.
  • Beständigkeit gegen heiße und konzentrierte alkalische Lösungen nach der Endpolymerisation, vor allem gegen Lösungen, die in allen Phasen des Tauchvergoldungsprozesses verwendet werden.

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