Ein zuverlässiger SMT-Prozess beginnt bereits bei der Auslegung der Schablone. Entscheidend ist nicht nur, wo Lotpaste aufgetragen wird, sondern auch, ob Größe und Form der Öffnungen zur verwendeten Schablonendicke und zur jeweiligen Pad-Geometrie passen.
Gerade bei Fine-Pitch-Bauteilen, kleinen Apertures oder komplexen Anschlussflächen kann eine ungünstige Kombination dazu führen, dass sich die Lotpaste beim Abheben der Schablone nicht sauber löst. Genau hier setzt die Stencil Analysis in PCB-Investigator an: Sie untersucht ausschließlich die als Solder-Paste-Layer definierten Lagen und hilft dabei, zu kleine oder kritisch dimensionierte Pastenflächen bereits vor Produktionsstart zu identifizieren.
Warum die Schablonendicke so wichtig ist
Die Schablonendicke beeinflusst direkt das Volumen der aufgetragenen Lotpaste und gleichzeitig die Freigabe der Paste aus der Aperture.
Eine dickere Schablone ermöglicht grundsätzlich ein größeres Pastenvolumen, vergrößert aber auch die Wandfläche der Öffnung. Bei sehr kleinen Apertures kann dadurch mehr Paste an den Seitenwänden haften bleiben, anstatt vollständig auf dem Pad zurückzubleiben.
PCB-Investigator berücksichtigt die Schablonendicke deshalb als zentralen Parameter der Analyse. Laut Manual gilt dabei sinngemäß: Die Schablone sollte so dünn wie erforderlich und gleichzeitig so stabil beziehungsweise dick wie möglich gewählt werden.
Aspect Ratio: Breite im Verhältnis zur Schablonendicke
Eine der Prüfungen der Stencil Analysis ist das Aspect Ratio. Es setzt die kleinere Breite einer Pastenöffnung ins Verhältnis zur Schablonendicke:
Aspect Ratio = kleinere Pad-Breite / Schablonendicke
Je kleiner eine Öffnung bei gleichbleibender Schablonendicke wird, desto ungünstiger kann dieses Verhältnis ausfallen.
Die Kennzahl hilft damit insbesondere bei kleinen rechteckigen Pads und Fine-Pitch-Strukturen, bei denen die Aperture-Breite schnell zum limitierenden Faktor für einen stabilen Pastendruck werden kann.
Area Ratio: Öffnungsfläche und Wandfläche vergleichen
Zusätzlich betrachtet PCB-Investigator das Area Ratio:
Area Ratio = Pad Area / Wall Area
Dabei wird die Fläche der Öffnung mit der Wandfläche innerhalb der Schablone ins Verhältnis gesetzt.
Dieser Wert ist besonders interessant, weil die Seitenwände der Aperture beeinflussen, wie gut sich die Paste beim Trennen von Schablone und Leiterplatte freigibt. Eine kleine Öffnung kombiniert mit einer vergleichsweise großen Wandfläche kann daher auf einen kritischen Bereich hinweisen.
PCB-Investigator berechnet diese Verhältnisse automatisch und stellt sie in den Analyseergebnissen für die einzelnen Pastenflächen beziehungsweise Komponenten bereit.
Pin-Abstände und mögliche Brücken berücksichtigen
Nicht nur die einzelne Aperture ist relevant. Auch der Abstand zwischen benachbarten Pins kann Einfluss auf den Fertigungsprozess haben.
Die Pin Gap Rules prüfen, ob zwischen Pins beziehungsweise Pastenbereichen ausreichend Abstand vorhanden ist. Sehr geringe Abstände können das Risiko erhöhen, dass sich Paste zwischen benachbarten Anschlüssen verbindet und dadurch Lötbrücken oder Kurzschlüsse entstehen.
Die Stencil Analysis bewertet diese Abstände komponentenbezogen und macht auffällige Bereiche in den Ergebnissen sichtbar.
Weitere Prüfregeln für komplexere Designs
Die Analyse beschränkt sich nicht auf Area Ratio und Aspect Ratio. PCB-Investigator stellt weitere Regeln zur Verfügung, mit denen sich unterschiedliche Fertigungssituationen berücksichtigen lassen.
Dazu gehören beispielsweise:
- Solder Paste Type Rules zur Bewertung bestimmter Pastengeometrien,
- Metal in Paste Volume Rules zur Betrachtung des Metallanteils im Pastenvolumen,
- Squeegee Direction Rules, mit denen horizontale und vertikale Rakelrichtungen berücksichtigt werden können,
- Drill in Paste Checks, um problematische Bohrungen innerhalb von Pastenbereichen zu erkennen,
- MPN Pin Checks, bei denen reale Pin-Abmessungen aus einer angebundenen Bibliothek berücksichtigt werden können,
- Stencil Distance Checks für Abstände zwischen Öffnungen innerhalb desselben Netzes,
- sowie Pin in Paste Rules für Through-Hole- beziehungsweise Pin-in-Paste-Anwendungen.
Damit lässt sich die Analyse deutlich stärker auf den tatsächlichen Fertigungsprozess abstimmen als mit einer rein visuellen Kontrolle der Paste-Layer.
Pin in Paste: Reicht das Pastenvolumen für die Bohrung?
Besonders interessant ist die Analyse bei Pin-in-Paste-Anwendungen.
PCB-Investigator kann berechnen, wie viel Lotpaste benötigt wird, um den verbleibenden Raum einer Bohrung um einen eingesetzten Pin herum zu füllen. Dafür werden unter anderem Bohrungsfläche, Pinfläche und Leiterplattendicke berücksichtigt.
Das erforderliche Volumen wird nach folgender Beziehung bestimmt:
Paste Volume in Drill = (Drill Area – Pin Base Area) × PCB Thickness
Dem wird das verfügbare Pastenvolumen gegenübergestellt:
Available Paste = Intersecting Paste Area × Stencil Thickness
Bei Step-Stencils kann außerdem eine individuelle Schablonendicke berücksichtigt werden. Dadurch lässt sich auch bei unterschiedlichen lokalen Stencil-Höhen realistischer bewerten, ob genügend Paste zur Verfügung steht.
Rakelrichtung ebenfalls berücksichtigen
Auch die Richtung des Rakels kann Einfluss auf die Übertragung der Lotpaste haben.
Mit den Squeegee Direction Rules kann PCB-Investigator unterschiedliche Regeln für horizontale und vertikale Druckrichtungen berücksichtigen. Dadurch lassen sich Komponenten beziehungsweise Apertures abhängig von ihrer Orientierung zur Rakelbewegung prüfen.
Gerade bei empfindlichen Strukturen kann dies zusätzliche Hinweise liefern, ob eine bestimmte Ausrichtung im Druckprozess ungünstig ist.
Ergebnisse filtern und dokumentieren
Die Ergebnisse der Stencil Analysis können anhand verschiedener Attribute gefiltert werden. Dadurch lassen sich beispielsweise gezielt Komponenten mit auffälligem Area Ratio oder anderen Regelverletzungen untersuchen.
Für die weitere Dokumentation können die Analyseergebnisse als CSV-Datei exportiert werden. Darüber hinaus lassen sie sich in den Extended Design Report integrieren. Dort können zu den einzelnen Ergebnissen unter anderem Bilder der Stencil Pads, die zugehörige Komponente und Informationen zu den geprüften Regeln hinterlegt werden.
Fazit
Eine zuverlässige Lotpastenübertragung hängt von mehreren Faktoren gleichzeitig ab. Die Aperture-Größe allein reicht für eine fundierte Bewertung nicht aus.
Schablonendicke, Aspect Ratio, Area Ratio, Pin-Abstände, Pastenvolumen, Rakelrichtung und spezielle Fälle wie Drill-in-Paste oder Pin-in-Paste können gemeinsam darüber entscheiden, ob ein Layout im späteren SMT-Prozess robust gefertigt werden kann.
Die Stencil Analysis in PCB-Investigator bringt diese Parameter in einer strukturierten Prüfung zusammen. Dadurch können kritische Pastenflächen bereits im Design Review erkannt und gezielt bewertet werden – bevor Probleme erst beim Druck, in der Bestückung oder nach dem Reflow sichtbar werden.
