Einfluss des Siebdruck-Nagelbett-Designs auf die Gleichmäßigkeit der Lötstopplack-Dicke

Theoretische Analyse

Beim doppelseitigen Siebdruck von Lötstopplack wird flüssiger Lötstopplack zunächst auf eine PCB-Seite gedruckt, bevor die andere Seite mithilfe eines Siebdruck-Nagelbetts bedruckt wird. Dadurch lässt sich der beidseitige Druck in einem kontinuierlichen Prozess realisieren, was Verweil- und Erhitzungszeiten verkürzt und die Fertigungseffizienz steigert.

Zur Herstellung des Siebdruck-Nagelbetts werden Stütz-Nägel an Positionen platziert, an denen die Grundplatte des Nagelbetts mit der PCB-Kante oder Via-Positionen kompatibel ist. Die Komplexität des Fertigungsprozesses stellt hohe Anforderungen an die Techniker – auch erfahrene Arbeiter können bei komplexen oder neuen Leiterplatten-Modellen Fehler wie fehlende Nagelschweißungen, zu geringe Nageldichte oder Positionsabweichungen machen.

Daher ist es notwendig, den Einfluss unterschiedlicher Nagelverteilungsdichten auf den Lötstopplack-Druck zu analysieren, um vernünftige Designregeln für die Nagelverteilung zu erhalten. Dies erhöht sowohl die Fertigungseffizienz des Nagelbetts als auch die Druckqualität des doppelseitigen Siebdrucks.

Versuchsdesign

Versuchsfaktoren und Horizontaldesign

Für drei Nagelverteilungsdichten (Abstand 5,0 cm, 8,0 cm, 10,0 cm) und drei PCB-Dicken (0,8 mm, 1,5 mm, 2,0 mm) wird ein Kreuztest gemäß Tabelle 1 durchgeführt.

Versuch Nr.	Platine Nr.	Platinendicke	Nagelschweißdichte
1	1#, 2#	0,8 mm	5,0 cm
2	3#, 4#		8,0 cm
3	5#, 6#		10,0 cm
4	7#, 8#	1,5 mm	5,0 cm
5	9#, 10#		8,0 cm
6	11#, 12#		10,0 cm
7	13#, 14#	2,0 mm	5,0 cm
8	15#, 16#		8,0 cm
9	17#, 18#		10,0 cm

Nagelbett-Herstellung

Als Grundplatte dient ein blankes Kupferboard (457 mm × 610 mm), auf dem Kupfernägel in einem gleichmäßigen Array mit grünem Transparentband fixiert werden. Die Nagelabstände betragen 5,0 cm, 8,0 cm und 10,0 cm. Der Abstand der äußeren Nägel zum Plattenrand muss vertikal und horizontal symmetrisch sein, um Dickenunterschiede durch falsche Nagelpositionen zu vermeiden.

Beispiel 5 cm Abstand: Die kürzere Seite (45,7 cm) erhält 9 Nägel pro Reihe bei 2,8 cm horizontalem Randabstand; die längere Seite 11 Nägel pro Reihe. Insgesamt werden 99 Nägel benötigt. Tabelle 2 vergleicht die Nagelanzahl bei den drei Dichten.

Plattengröße	Array-Größe	Abstand	Nägel an kurzer Seite	Nägel an langer Seite	Gesamtanzahl Kupfernägel
457×610 mm	40×50 cm	5,0 cm	9	11	99
	40×48 cm	8,0 cm	6	7	42
	40×50 cm	10,0 cm	5	6	30

Testplatten-Herstellung

Blankes Kupferboard (17″×23″) in den Dicken 0,8 mm, 1,5 mm und 2,0 mm (je 6 Stück, 1 oz Kupfer mit Rand). Als Beispiel dient grüne Flüssiglötstopptinte (780H). Die Siebdruckparameter sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Gewebetyp	43T
Tintentyp	780H
Tinten-Viskosität	140 dPa·s
Siebabstand	5 mm
Druckdruck	0,49 MPa
Druckgeschwindigkeit	6 Hz
Anzahl Rakel	2

Datenerfassungsmethode

Die Nassfilmdicke wird mit einem Nassfilm-Dickenmessgerät entlang der Diagonalen der Kupfernägel gemessen. Durch den unterschiedlichen Nagelabstand ergeben sich unterschiedliche Messarrays und -punkte. Bei 5 cm Abstand können maximal 8×8 Nägel erfasst werden, was 29 Messpunkte pro Platte ergibt (4×(8−1)+1). Tabelle 4 zeigt die Berechnung.

Kurze Seite	(17×25,4−15)/50=8,36	max. 8 Kupfernägel	8×8 Nagel-Array
Lange Seite	(23×25,4−55)/50=10,54	max. 10 Kupfernägel
Anzahl Messpunkte	4×(8−1)+1=29	29 Punkte pro Platte

Tabelle 5 fasst die maximal messbaren Arrays, Nagelanzahlen auf der Diagonalen und Messpunktzahlen für alle drei Abstände zusammen.

Abstand	Testarray-Größe	Kupfernägel auf Diagonale	Messpunkte pro Diagonale	Messpunkte gesamt	Summe Punkte	Gesamt Punkte
5,0 cm	35×35 cm	8	29	58	174	354
8,0 cm	32×32 cm	5	17	34	102
10,0 cm	30×30 cm	4	13	26	78

Für die Trockenfilmdicke werden ein 5,0-cm-Nagelbett und je eine Platte pro Dicke vorbereitet. Die Messung erfolgt per Mikroskop. Tabelle 6 zeigt die Datenerfassungsmethode.

Datentyp	Erfassungsmethode	Datenmenge	Hinweis
Nassfilmdicke	Nassfilm-Dickenmessgerät	354 Punkte	Messung innerhalb 30 Min. nach Siebdruck
Trockenfilmdicke	Mikroskop	5×3×3=45	5 Punkte pro Nagelabstand & Plattendicke

Versuchsergebnis-Analyse

Tintengleichmäßigkeit bei unterschiedlichen Nagelabständen

Die Gleichmäßigkeit der Lötstopplack-Dicke wird nach folgender Formel berechnet: . Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle und Abbildung dargestellt.

Nagelverteilungsabstand	Nassfilmdicke (µm)	Platinendicke
		0,8 mm	1,5 mm	2,0 mm
5,0 cm	Max	29	29	31
	Min	36	38	39
	Schlecht	7	9	8
	Mittelwert	32,7	34,3	36,1
	Gleichmäßigkeit	11 %	13 %	11 %
8,0 cm	Max	30	32	32
	Min	42	39	39
	Schlecht	12	7	7
	Mittelwert	34,7	35,5	36,2
	Gleichmäßigkeit	17 %	10 %	10 %
10,0 cm	Max	34	30	28
	Min	48	36	36
	Schlecht	14	6	8
	Mittelwert	36,9	33,7	34,4
	Gleichmäßigkeit	19 %	9 %	12 %

Fazit:

• Bei 0,8 mm dicken Platinen erreicht der 5,0-cm-Nagelabstand eine Gleichmäßigkeit von 11 % – besser als 8,0 cm und 10,0 cm.
• Bei 1,5 mm und 2,0 mm Dicke ist die Gleichmäßigkeit bei allen drei Abständen nahezu identisch.
• Eine Verringerung des Nagelabstands verbessert die Dickengleichmäßigkeit bei dünnen Platinen deutlich.

Nassfilmdicken-Verlauf aller Messpunkte

Die Analyse der Dickenveränderung an den Messpunkten zeigt:

• Die Nassfilmdicke schwankt mit der Messposition. An Nagelstützpositionen (z. B. Punkte 1, 5, 9, 13, 21, 25, 29) ist die Dicke minimal; weit entfernt von Nägeln (Punkte 3, 7, 11/12, 15, 19/20) maximal.
• An Nagelstützstellen ist der Film dünner, die Plattenoberfläche zeigt keine sichtbare Vertiefung; fern von Stützstellen ist der Film dicker.
• Dünne Platten verformen sich beim Siebdruck stärker als dicke. 1,5-mm- und 2,0-mm-Platten bleiben relativ eben.

Zusammenhang zwischen Nassfilmdicke, Messposition und Stützpunkt

• Bei allen Nagelabständen nimmt die Tintenstärke mit zunehmendem Abstand der Messpunkte zu den Kupfernägeln zu.
• Je dicker die Platte, desto geringer die Dickenänderung mit dem Abstand zu den Nägeln. Dickere Platten haben höhere Steifigkeit und erlauben größere Nagelabstände.

Trockenfilmdicken-Veränderung auf der Plattenoberfläche

Der Trend der Trockenfilmdicke entspricht im Wesentlichen dem der Nassfilmdicke. Daher kann die Nassfilmdicke unter gleichen Bedingungen die Trockenfilmdicke ersetzen. Da die Nassfilmmessung jedoch stark von der Tinten-Viskosität abhängt, sollte sie innerhalb von 15 Minuten nach dem Siebdruck erfolgen.

Fazit

Anhand blanker Kupferplatten (0,8 / 1,5 / 2,0 mm) und Nagelbetten (5,0 / 8,0 / 10,0 cm) wurden Nass- und Trockenfilmdicken im Kreuztest gemessen:

• Bei dünnen Platinen (≤ 0,8 mm) verbessert eine Verringerung des Nagelabstands die Dickengleichmäßigkeit signifikant.
• Nass- und Trockenfilmdicke bleiben stabil, was die Inline-Messung mit Nassfilm-Dickenmessgeräten und die Überwachung der Tintenfilmdicke validiert.

Weiterführende Ressourcen

• Design Requirements für SMT-PCBs Teil 2: Pad-Trace-Verbindungen, Durchkontaktierungen, Testpunkte, Lötstopplack und Siebdruck
• Effektive Maßnahmen zur Verbesserung der Lötstopplack-gefüllten Via-Fertigungstechnologie
• Full Feature PCB Manufacturing Service von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – Ab 1 Stück