So erweitern Sie Ihre Lötmaske und vermeiden Fehlausrichtungen

Die Lötstopp-Maskenschicht deckt die Leiterplatte ab. Sie bildet also einen Schutzfilm über dem Kupfer auf den Oberflächenlagen. Die Lötmaske muss dabei von den Anschlusspads auf der Oberflächenlage etwas zurückgezogen werden, damit Sie überhaupt eine Oberfläche haben, auf der Komponenten montiert und gelötet werden können. Das Entfernen der Lötmaske von einem Pad findet auf der obersten Lage statt und sollte sich bis zum Rand des Pads erstrecken, so dass dann entweder NSMD- oder SMD-Pads für Ihre Komponenten entstehen.

Wie weit sollten Sie die Erweiterung der Lötstopp-Maske zurückziehen, um Bestückungsfehler zu vermeiden und gleichzeitig genügend Platz zum Löten zu haben? Es hat sich gezeigt, dass durch die Lötmasken-Erweiterung kleine Splitter entstehen können – vor allem bei sehr kleinen Komponenten und Layouts mit hoher Dichte (die mittlerweile die Norm sind). Diese Lötmasken-Splitter bleiben dabei auf der Oberflächenlage zurück. Ab einem gewissen Punkt werden der minimal zulässige Lötmasken-Splitter und die erforderliche Erweiterung der Lötmaske zu konkurrierenden PCB-Designregeln. Es kann also leider durchaus vorkommen, dass sich nicht beide Regeln gleichzeitig erfüllen lassen.

In diesem Artikel gehen wir auf die Faktoren ein, die die Erweiterung einer Lötmaske beeinflussen und die Ihnen helfen können, die richtigen Designregeln für Ihr Projekt anzuwenden.

Ausgleichen von Lötmaskenerweiterung und Splittern

Perimeter-Pad-Größe vs. Toleranz der Fehlausrichtung

Dies ist der Hauptgrund für die Anwendung einer positiven Erweiterung der Lötstopp-Maske. Diese positive Erweiterung erzeugt ein Pad ohne Lötmasken-Definition (Non-Solder Mask Defined, NSMD). Die Begründung dafür liegt im Kupferätzverfahren. Das Kupferätzen ist ein nass-chemisches Verfahren und ist daher präziser als das Auftragen einer Lötmaske. Um sicherzustellen, dass immer der gesamte Pad-Bereich freigelegt wird, müssen wir eine ausreichend große Lötmasken-Erweiterung um das Pad herum anbringen.

Denn eine geringere Präzision beim Auftragen des Lötstopp-Lacks kann zu Passungenauigkeiten führen. Dies kann darin enden, dass die Lötstopp-Maske zum Beispiel nicht perfekt mit der Stelle übereinstimmt, für die sie im PCB-Layout vorgesehen war. Ist die Lötmasken-Erweiterung hingegen groß genug, lässt sich diese Ungenauigkeit kompensieren. Das Pad kann in diesem Fall immer noch vollständig durch die Lötmaske hindurch sichtbar sein. Die kleinste (mir bekannte) Empfehlung zur Lötmasken-Erweiterung beträgt 3 mils auf allen Seiten des Pads, was eine Passungenauigkeit von ungefähr 2 mils ausgleicht.

Was aber, wenn Ihre Pads bereits ausreichend groß sind? In diesem Fall wäre es vertretbar, einen kleineren Wert für die Lötmasken-Erweiterung zu verwenden. Denn bei einer kleineren Erweiterung mit größeren Pads bleibt die Gewissheit, dass Sie eine ausreichend große freiliegende Pad-Fläche haben – selbst wenn es zu einer Passungenauigkeit kommen sollte. In jedem Fall müssen Sie jedoch die Notwendigkeit von Lötdämmen zwischen benachbarten Pads/Vias berücksichtigen.

Mindestgröße des Lötdamms

Die Mindestgröße des Lötstopplack-Splitters begrenzt die Erweiterungsöffnung der Lötstoppmaske, welche Sie bei einem bestimmten Anschlussabstand verwenden können. Wenn der Abstand groß genug ist, können Sie ohne Probleme eine große Lötmaskenerweiterung verwenden, ohne sich dabei Sorgen machen zu müssen, dass Sie auf eine Lötdammgrenze stoßen. Wenn der Anschlussabstand jedoch zu klein wird oder wenn aber Komponenten sehr dicht beieinander liegen, überschreiten Sie möglicherweise die Mindestgröße der Lötmaskensplitter. In diesem Fall müssen Sie entscheiden, ob Sie eine Passungenauigkeit kompensieren wollen oder lieber sicherstellen möchten, dass stets ein Lötdamm vorhanden ist. Bei Komponenten ohne Anschlussraster bevorzuge ich letzteres.

Ein Lötstoppmaskensteg benötigt mindestens um die 3 mil, damit er an der Oberfläche eines PCB-Substrats haften kann. Also können Sie im Allgemeinen dann eine minimale Lötmasken-Erweiterung um ein Pad herum anbringen, wenn der Padabstand mindestens 20 mil oder mehr beträgt. Wenn Sie interne Anschlüsse betrachten (wie zum Beispiel innere Kugeln auf einem BGA-Footprint), ist es angemessen, SMD-Pads zu verwenden und kleine Dämme zwischen Pads und Vias zu platzieren.

Sollten Sie Ihren Hersteller entscheiden lassen?

Wenn Sie nur eine pauschale Designregel festlegen und eine Ausdehnung von 0 mil oder 1 mil anwenden (damit Sie bspw. Ihre Dichteanforderungen erfüllen), kann folgendes passieren: Ihr Hersteller definiert dann möglicherweise selber einen zusätzlichen Erweiterungswert. Es kann sein, dass Sie darüber nicht einmal in Kenntnis gesetzt werden. Sie sollten also immer davon ausgehen, dass ein Fertigungsunternehmen dieses Vorgehen anwendet, um Abweichungen zwischen der Lötstoppmasken-Schablone und den Pads auf der Oberflächenlage auszugleichen.

Bisher habe ich die Lötmaske bei den meisten Projekten auf 0 mil gesetzt, und zwar aus zwei Gründen:

1. Sofern es sich nicht um ein sehr dichtes Layout handelt, haben die Footprints (die wir für die meisten Bauteile verwenden) ausreichend große Pads. Die typische Anzahl an Fehlausrichtungen wird also die Lötfläche auf dem Pad nicht wesentlich verringern.
2. Mir ist durchaus bewusst, dass der Hersteller die Lötmasken-Erweiterung erhöhen wird. Ich arbeite selbst mit einigen ausgewählten Fertigungsunternehmen zusammen und kenne deren Verfahren. Da mir diese auch ihren DFM-Bericht zusenden, habe ich oft die Möglichkeit, genau zu prüfen, was sie ändern wollen.

Punkt #2 soll veranschaulichen, warum es empfehlenswert ist, bevorzugt mit einer bestimmten Gruppe an Fertigungs- bzw. Montageunternehmen zusammenzuarbeiten und warum Sie deren Verfahren genau kennen sollten. Mein Unternehmen hat mehrere Produktionspartner, die wir ausschließlich für Kundenprojekte mit geringem bis mittlerem Volumen einsetzen. Wir kennen dabei genau deren Ansprüche und das Feedback, welches wir nach einer ersten DFM/DFA-Prüfung erwarten können.

Wenn Sie dem Hersteller wirklich Ihre Absichten mitteilen möchten, verdeutlichen Sie Ihre Pläne am besten in der Fertigungszeichnung. Fügen Sie Ihrer Fertigungszeichnung eine Notiz hinzu, die besagt, dass der Hersteller die Erlaubnis hat, die Lötstopplacköffnungen innerhalb eines bestimmten Bereichs (vielleicht +/- 3 mils) zu verändern. Die andere Möglichkeit besteht darin, eine bestimmte Toleranz für die Erweiterung der Lötmaske festzulegen und dann eine Mindestsplitterbreite anzugeben. Beachten Sie jedoch, dass man Ihnen die PCB zurückschicken könnte, wenn Ihre Toleranz zu eng gewählt ist. In diesem Fall müssen Sie Ihre Toleranzanforderungen gegebenenfalls etwas lockern.

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