Fertigungsgerechter PCB-Entwurf Vorteile digital erstellter Lötstoppmasken mittels Inkjet-Druck

Von Dirk Müller

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Um den Lötstopplack auf die Leiterplatte aufzutragen, ist der Siebdruck das überwiegend genutzte, konventionelle Verfahren. Das additive Aufbringen per digital gesteuerten Inkjet-Drucker eröffnet seit 2017 neue, zusätzliche Möglichkeiten und erlaubt neue Anwendungen für die PCB-Entwicklung. Etwa in OrCAD und Allegro.

Bild 1: Minimale Stegbreiten, Mindestabstände und Offsets lassen sich einfach generieren.
Bild 1: Minimale Stegbreiten, Mindestabstände und Offsets lassen sich einfach generieren.
(Bild: FlowCAD)

Eine neue Generation von Inkjet-Druckern ermöglicht bei der Leiterplattenfertigung das selektive Aufbringen von Lötstopplacken. Dadurch ergeben sich neue Einsatzgebiete und ein geänderter Ablauf im Design Flow. Neben Materialeinsparungen eröffnet dieses Verfahren neue, kreative und technisch optimierte Lösungen. Diese sind insbesondere im Bereich der Hochspannungstechnik und Leistungselektronik interessant, beispielsweise für die E-Mobilität.

Der Lötstopplack (auch Lötstoppmaske, Solder Mask oder Stopplack genannt) wird heute meistens im Gieß-, Sprühverfahren oder vollflächig per Siebdruck aufgetragen. Dazu werden die Außenlagen der Leiterplatte komplett mit fotosensitivem Lack beschichtet und vorgetrocknet. In nachfolgenden Arbeitsschritten wird der Lack belichtet und entwickelt. Um die relevanten Bereiche während des Herstellungsprozesses von Lötstopplack freizuhalten, wird von der EDA-Software eine spezielle Maske ausgegeben. In weiteren Schritten folgt während der Baugruppenproduktion an den freigestellten Flächen der Lötpastenauftrag und die Bauteile-Platzierung. Im nachfolgenden Lötprozess schmilzt das Lot im Reflow-Ofen und verlötet die Bauteile.

Der Lötstopplack verhindert, dass beim Löten das Lot an lackierte Stellen gelangt. Lötstopplack wurde ursprünglich für Wellenlötanlagen entwickelt, um Lötbrücken zu vermeiden und den Lötzinnverbrauch zu senken. Lötstopplack verfügt noch über weitere Funktionen, die bei einer Leiterplatte eine Rolle spielen: Er dient den Leiterbahnen aus Kupfer zum Schutz vor Korrosion sowie zum Schutz vor mechanischer Beschädigung. Des Weiteren verbessert Lötstopplack elektrische Eigenschaften, wie die Durchschlagsfestigkeit und dient als Resist für die Endoberfläche (z.B. ENIG), die am Ende des Prozesses aufgebracht wird. Darüber hinaus beeinflusst er aber auch die Impedanz von Leiterbahnen.

Mit einem Inkjet-Druckkopf kann ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker dieser Lack anstelle von Tinte versprüht und so gezielt auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Etwa seit 2017 wird in diesem Bereich verstärkt geforscht. Mittlerweile haben die Forschungsergebnisse eine Marktreife erzielt und werden in den ersten kommerziellen Projekten eingesetzt.

Ein Vorteil ist die Materialeinsparung

Das Thema Nachhaltigkeit bekommt auch in der Elektronik immer größere Bedeutung. Beim Gieß- und Sprühverfahren wird die komplette Oberfläche der Leiterplatte mit dem farbigen Lack überzogen. Anschließend werden die Lötbereiche wieder von Lötstopplack befreit. Im Siebdruckverfahren gibt es aber auch die Möglichkeit, die Stellen freizulassen, auf denen anschließend Lötpaste aufgetragen wird. Beim diesem nicht vollflächigen Auftrag des Lacks ist die Registrierung, also das passgenaue Übereinanderlegen des Kupfer-Leiterbildes und des Lacks, deutlich schlechter als im fototechnischen Verfahren, sodass Lötbereiche deutlich größer freigespart werden müssen.

Bild 2: Materialeinsparung durch kleine Lötstopplack-Stege statt Flächen.
Bild 2: Materialeinsparung durch kleine Lötstopplack-Stege statt Flächen.
(Bild: FlowCAD)

Da die meisten Lacke grün sind, kennt man im allgemeinen Leiterplatten als grün-farbige Schaltungsträger, obwohl das Basismaterial (FR-4) eigentlich gelblich ist. Durch gezieltes Auftragen von Lötstopplack kann das Aussehen der Stopp-Funktion neu überdacht werden. Um das Verlaufen des Lots zu verhindern reicht ein kleiner Damm als Begrenzung zum Anschluss-PAD aus. Der Rest der Leitung muss bei einem Reflow-Lötverfahren nicht bedeckt sein. Dies ist beispielsweise für Embedding-Technologie (Bauteile innerhalb der Leiterplatte) im Lötverfahren geeignet. Da in weiteren Prozessschritten nach dem Löten der Komponenten die bestückten Innenlagen weiter verpresst werden, benötigt man eine gut haftfähige Oberfläche, die frei von Lötstopplack sein sollte. Wäre die komplette Innenlage mit Lötstopplack beschichtet, könnte es Bereiche geben, in denen die Lagen einer Delamination unterworfen sind.

Isolationsauftrag für Hochspannungsanwendungen

Der Lötstopplack aus Epoxidharz hat auch isolierende Eigenschaften. Da er beim Siebdruckverfahren nur eine geringe Dicke aufweist, nützt er zwar etwas der Durchschlagsfestigkeit, gilt aber bisher nicht als Isolator. Bringt man jedoch mit einem Inkjet-Drucker mehrere Lagen Lack auf, wird die Dicke so groß, dass die isolierende Wirkung deutlich erhöht wird. Die Überdeckung der Leiterbahnkanten, welche prozesstechnisch bedingt immer sehr gering ausfällt, kann hier gezielt und partiell überdruckt und somit verstärkt werden. Hierdurch ergeben sich im Bereich der Hochspannung und Leistungselektronik neue Möglichkeiten zur Isolation. Dies wird gerade im Bereich der E-Mobilität interessant, da hier häufig hohe Spannungen auf Leiterplatten verlegt werden.

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Bild 3: Schutz vor Hochspannung entsteht durch das Aufbringen mehrerer Lagen des Lacks, sodass eine isolierende Wirkung entsteht.
Bild 3: Schutz vor Hochspannung entsteht durch das Aufbringen mehrerer Lagen des Lacks, sodass eine isolierende Wirkung entsteht.
(Bild: FlowCAD)

Vorteilhaft für Kavitäten und Starr-Flex-Bestückung

Wenn auf der Leiterplatte die Bauteile platziert werden sollen, dann gibt es oft nicht nur die Top-Lage, sondern auch Leiterplattenbereiche mit unterschiedlichen Bestückungsebenen, etwa Kavitäten. In einem solchen Fall ist das Aufbringen von Lötstopplack im Siebdruckverfahren meist unmöglich. Mit einem Inkjet-Drucker aber, der in die Tiefe drucken kann, lassen sich Bereiche in Kavitäten (Vertiefungen im FR-4 Material) problemlos mit Lack versehen. Das gleiche gilt auch für flexible PCB-Bereiche, die als Innenlagen aus der Leiterplatte herausgeführt und mit Bauteilen bestückt werden sollen.

Bild 4: Lötstoppmaske auf einer Innenlage (Kavität) ist mit Siebdruck kaum realisierbar, mit additiv aufgebrachten Lack per Inkjet aber sehr wohl.
Bild 4: Lötstoppmaske auf einer Innenlage (Kavität) ist mit Siebdruck kaum realisierbar, mit additiv aufgebrachten Lack per Inkjet aber sehr wohl.
(Bild: FlowCAD)

Seriennummer oder Barcode sogar für jede einzelne Platine

Wie bei der Digitalisierung im Druckbereich auf Papier sind sogar für jeden Nutzen oder gar jede einzelne Leiterplatte individuelle Daten mit Lötstopplack aufdruckbar. Diese Daten stammen aber nicht mehr aus der Leiterplatten-Design-Software wie OrCAD und Allegro, sondern sie werden in der CAM beim Leiterplattenhersteller an den definierten Stellen ergänzt.

Bild 5: Ein variabler QR-Code, ein Strichcode oder eine Seriennummer ist sogar auf jeder Einzel-PCB möglich.
Bild 5: Ein variabler QR-Code, ein Strichcode oder eine Seriennummer ist sogar auf jeder Einzel-PCB möglich.
(Bild: FlowCAD)

Die EDA-Integration der nötigen Masken-Information

Eine Integration der Lötstoppmasken-Information im EDA-Tool ist sehr wichtig, denn nur der PCB-Entwickler weiß, welche Gebiete der Leiterplatte freigestellt werden können und wo der Lack erforderlich ist, um das Lot zu stoppen oder die Leiterplatte vor Umwelteinflüssen bzw. hohen Spannungen zu schützen. Weiterhin wird der manuelle Aufwand bzw. die zusätzliche Dokumentation (um der CAM beim Leiterplattenhersteller die benötigten Informationen fehlerfrei zu übermitteln) bei diesem Entwickler auf nahezu null reduziert, was Kosten und Kommunikation spart.

Auch die nachträglich umständliche und fehlerbehaftete Nacharbeit der Datensätze in der CAM entfällt dadurch. Mit einer ganzen Reihe an neuen Funktionen für das Erstellen von digitalen Masken lassen sich in den OrCAD- und Allegro-PCB-Tools Vorgaben für den digitalen Druck ausarbeiten. Die erforderlichen Funktionen in der Software wurden von FlowCAD zusammen mit Würth Elektronik definiert.

Bild 6: Ein Technologie-Demonstrator von Würth 
Elektronik zeigt die vielen Möglichkeiten des digital per Inkjet aufgebrachten Lötstopplacks.
Bild 6: Ein Technologie-Demonstrator von Würth 
Elektronik zeigt die vielen Möglichkeiten des digital per Inkjet aufgebrachten Lötstopplacks.
(Bild: FlowCAD)

Es ist möglich, alle zurzeit bekannten Anwendungen im EDA-Tool vorzugeben und entsprechende Fertigungsunterlagen auszugeben. Dabei lassen sich die Masken für den digitalen Lötstopplack mit entsprechenden Regeln des Leiterplattenherstellers für minimale Stegbreiten, Mindestabstände und Offsets automatisch generieren. Ist das Generieren nicht möglich, erhält der PCB-Designer entsprechende Fehlermeldungen. Digitale Lötstoppmasken per Inkjet-Druck ermöglichen also neue technische Lösungen und sind preislich attraktiv.  (ku)

* Dirk Müller ... ist Geschäftsführer bei FlowCAD, Feldkirchen.

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