Große Schablonenöffnungen: Stege, Gitter und Aufteilung

Welche Pads gelten als „groß" — und warum sie ein anderes Problem sind

„Groß" ist hier keine absolute Abmessung, sondern ein Verhältnis: sobald die Öffnungsweite deutlich größer ist als die Folienstärke, bestimmt die Wand das Verhalten der Paste nicht mehr.

Auf derselben Schablone haben die zwei kleinen Öffnungen eines 0402-Widerstands und die eine große Öffnung eines QFN-Thermal-Pads identische Folienstärke — die Paste darin lebt jedoch in völlig unterschiedlichen Welten. In der kleinen Öffnung wird sie allseitig gehalten. In der großen berührt nur ein schmaler Rand Metall, während der überwiegende Teil des Depots ungestützt bleibt und allein durch die eigene Viskosität seine Form hält.

In der Praxis häufen sich große Öffnungen bei wenigen Padtypen:

• Schirmrahmen — lange oder umlaufende durchgehende Pads mit großem Umfang und hohem Streckungsverhältnis.
• Thermal Pads — die großen Mittelpads unter QFN, DFN, LGA und den meisten Power-Management-ICs.
• Basispads von Leistungsbauteilen — die großen Drain-/Kollektorpads von MOSFETs, IGBTs und Leistungsmodulen.
• Pads für Stromschienen und große Massekupferflächen, typisch für Dickkupfer- und Hochstromdesigns.
• Befestigungspads großer Steckverbinder und mechanische Anlötflächen.

Gemeinsam ist ihnen die große Fläche und meist die Forderung nach gleichmäßiger Lotschichtdicke und kontrolliertem Lunkeranteil — genau die zwei Dinge, die eine einzelne große Öffnung schlecht liefert.

Der Mechanismus kehrt sich um: Ausschaufeln und Absacken beim Abheben

Keines der drei typischen Versagensbilder großer Öffnungen lässt sich mit unzureichendem Auslösen erklären.

Erstens: Ausschaufeln durch den Rakel (Scooping). Der Rakel streicht schräg über die Folie. Über einer kleinen Öffnung verdichtet er die Paste nur und zieht weiter. Über einer großen Öffnung taucht seine Vorderkante in die Öffnung ein und hebt wie ein Löffel eine Mulde aus der Mitte des Depots. Gedruckt wird dann kein flacher Pastenblock, sondern ein Depot, das in der Mitte dünn und an den Enden dick ist. Weiche Gummirakel neigen stärker dazu als Metallrakel, und je länger die Öffnung in Fahrtrichtung ist, desto deutlicher tritt es auf.

Zweitens: Absacken beim Abheben. Im Moment des Trennens verliert ein großer Pastenblock seine Seitenwandstützung, und das Eigengewicht drückt ihn nach außen. Die gedruckte Kontur wird sichtbar größer als die gestaltete Öffnung und frisst den Abstand zu benachbarten Pads auf.

Drittens: eingeschlossene flüchtige Bestandteile. Beim Reflow haben die Flussmittelbestandteile in der Mitte eines großen durchgehenden Pastenblocks den längsten Weg nach außen; Lunker konzentrieren sich daher in der Mitte und nicht am Rand. Die PCBA-Linie von SKPCB nennt als Lunkeranteil unter 10 % bei Stickstoff-Reflow — eine bedingte Prozessfähigkeit, keine unbedingte Zusage für beliebige Padgeometrien. Um diese Größenordnung zu erreichen, muss die Paste auf einem großen Pad in Blöcke mit Entgasungswegen aufgeteilt sein, nicht als eine Platte stehen bleiben.

Nebeneinandergestellt ist die Schlussfolgerung eindeutig: jedes Problem großer Öffnungen entsteht daraus, dass ein Pastenblock zu groß und zu ungeführt ist. Die Lösung besteht darin, ihn zu verkleinern und die Führung zurückzugeben. Genau das tun Stege. Ein Steg ist nicht in erster Linie dazu da, Pastenvolumen zu reduzieren (das tut er nebenbei), sondern dazu, Seitenwände wiederherzustellen und Kanäle für flüchtige Bestandteile zu öffnen.

Entscheidung: wann die Aufteilung zwingend ist und wann nicht

Drei Fragen — keine beginnt mit einer Abmessung.

Erstens: braucht dieses Pad eine kontrollierte Lotschichtdicke und Lunkerkontrolle? Thermal Pads und Basispads von Leistungsbauteilen brauchen sie, weil die Lotschicht gleichzeitig Wärmepfad und mechanische Verbindung ist und Lunker den Wärmewiderstand direkt bestimmen. Diese Pads werden praktisch ausnahmslos aufgeteilt. Rein mechanische Befestigungspads und große Kupferflächen ohne elektrische oder thermische Funktion sind gegenüber der Schichtgleichmäßigkeit unempfindlich und können ganz bleiben oder nur eine Konturrücknahme erhalten.

Zweitens: sitzt ein Bauteil darauf, und kann es aufschwimmen oder verrutschen? Bauteile mit freiliegendem Basispad (QFN, Leistungsbauteile) setzen sich beim Reflow auf die schmelzende Paste. Eine ungleichmäßige Pastenverteilung kippt sie und kann benachbarte feine Anschlüsse aufreißen. Die Bestückungsfähigkeit von SKPCB reicht bis 01005, bei BGA bis 0,2 mm Mindestpitch und bei QFN/QFP bis 0,3 mm Mindestpitch — je feiner der Pitch, desto empfindlicher reagiert die Umgebung auf Paste, die von einem großen Nachbarpad wegläuft, und desto stärker spricht alles für die Aufteilung.

Drittens: wie lang ist die Öffnung in Rakelrichtung? Eine Öffnung, die in Fahrtrichtung lang ist — klassisch ein Schirmrahmenschenkel quer zum Rakel — schaufelt deutlich stärker aus als eine quadratische Öffnung gleicher Fläche. Manchmal ist die richtige Aufteilungsrichtung die ganze Lösung.

Ein Kriterium wird oft übersehen: der Abstand zu Nachbarpads. Sitzt ein großes Pad direkt neben feinen Anschlüssen, ist die Folge weglaufender Paste keine etwas dickere Lotstelle, sondern eine Brücke. Dann braucht das Pad Aufteilung und Konturrücknahme, auch wenn es selbst keine Anforderung an die Lotschichtdicke hat.

Variante eins: Stegbalken (Aufteilung in einer Richtung)

Die einfachste Aufteilung: eine große Öffnung entlang einer Achse in mehrere parallele Streifen schneiden und dazwischen Folienstege stehen lassen.

Was sie löst — vor allem das Ausschaufeln. Liegen die Stege quer zum Rakelweg, findet die Klinge nach jedem Streifen wieder Folie und ihre Vorderkante kann nicht dauerhaft eintauchen. Zugleich wird jeder Pastenstreifen schmaler, das Absacken geht zurück.

Wann sinnvoll — langgestreckte Pads (die geraden Schenkel eines Schirmrahmens), schmale Hochstrom-Anschlussflächen und Pads, bei denen das Ausschaufeln das Problem ist und die Entgasung nicht kritisch.

Zu beachten — die Stegrichtung ist gemeinsam mit der Rakelrichtung festzulegen, nicht einfach entlang der langen Padachse zu schneiden. In der Serie kann sich die Rakelrichtung mit der Nutzenanordnung ändern; eine Aufteilung muss deshalb zusammen mit dem Nutzen festgelegt werden, nie nur an der Einzelplatine. Außerdem führen Stegbalken nur eine Achse: in der anderen Richtung bleibt die Paste lang, und der Entgasungsweg ist einseitig.

Variante zwei: Gitterstege (Aufteilung in zwei Richtungen)

Die große Öffnung mit Stegen in beiden Achsen in ein schachbrettartiges Feld kleiner Öffnungen aufteilen.

Was sie löst — dies ist die einzige Variante, die alle drei Versagensbilder adressiert. Jede kleine Öffnung hat auf vier Seiten Metall, die Paste erhält die volle Seitenwandführung zurück; das Absacken bleibt auf eine Zelle begrenzt; und vor allem werden die Stege beim Reflow zu Entgasungskanälen für Flussmittelbestandteile, sodass Gas zwischen den zusammenfließenden Pastenblöcken entweichen kann, statt in der Mitte einer Platte eingeschlossen zu werden.

Wann sinnvoll — Thermal Pads, Basispads von Leistungsbauteilen und jede große Lötfläche mit Lunkeranforderung. Für das Mittelpad eines QFN ist das die Standardlösung.

Zu beachten — die Gitteraufteilung verringert das Gesamtdepot, denn die offene Fläche ist die Padfläche minus Stegfläche. Man muss wissen, wie viel Lot dieses Pad tatsächlich braucht, denn eine Überaufteilung lässt die Lotschicht zu dünn werden, was den Wärmewiderstand erhöht oder die Verbindung schwächt. Gitterdichte ist deshalb kein „je dichter, desto besser"-Parameter, sondern ein Gleichgewicht zwischen Führung und Entgasung einerseits und Pastenvolumen andererseits. Wo dieses Gleichgewicht liegt, hängt von Bauteiltyp, Padgröße und Folienstärke ab und ist von Schablonenhersteller und Bestückungsseite für das konkrete Pad gemeinsam festzulegen. Es gibt kein universelles Verhältnis zum Übernehmen.

Auch die Symmetrie des Gitters zählt. Ein unsymmetrisches Gitter verlagert die Paste zu einer Seite und kippt das Bauteil beim Reflow. Die Gittermitte sollte mit der Padmitte zusammenfallen; werden die Restzellen am Rand zu schmal, besser mit den Nachbarzellen zusammenfassen oder den Rand einheitlich zurücknehmen.

Variante drei: Randrücknahme und Konturverkleinerung

Die dritte Vorgehensweise schneidet das Innere gar nicht, sondern zieht die gesamte Öffnungskontur in die Padkontur hinein oder lässt einen ungeöffneten Folienring um das Pad stehen.

Was sie löst — weglaufende Paste und Brückenrisiko. Ist die Öffnung kleiner als das Pad, landet auch absackende Paste noch innerhalb der Padfläche.

Wann sinnvoll — wenn ein großes Pad neben feinem Pitch liegt; wenn das Verhältnis von Lötstoppöffnung zur Kupferkante schwierig ist und Paste auf den Lötstoppdamm klettert; und wenn einfach weniger Paste nötig ist, ohne die Verteilung zu ändern.

Zu beachten — das Maß der Rücknahme ist eine gemeinsame Entscheidung von Schablonenhersteller und Bestückungsprozess und hängt von Pastentyp, Folienstärke, Art der Lötstoppöffnung und Bauteilanforderung ab. Es gibt keinen produktübergreifend übertragbaren Wert. Dieser Beitrag nennt bewusst keine Zahl; jede Behauptung einer einheitlichen Rücknahme sollte hinterfragt werden, weil sie Unterschiede in Pastenrheologie und Öffnungsgestaltung ignoriert.

In der Praxis treten alle drei Varianten auf einer Schablone zusammen auf: ein Schirmrahmen kann an den geraden Schenkeln Stegbalken und an den Ecken eine Konturrücknahme haben; ein großes Thermal Pad kann ein Gitter tragen und insgesamt gegenüber der Padkontur zurückgenommen sein.

Aufteilen vs. dünnere Folie vs. Stufenschablone

Wenn ein großes Pad zu viel Paste trägt, gibt es drei Richtungen — und sie sind nicht austauschbar.

Aufteilen (Stege/Gitter) ändert die flächige Verteilung der Paste: bei gleicher Dicke wird aus einem Block eine Gruppe, mit etwas Volumenreduktion als Nebeneffekt. Es ist die einzige Maßnahme, die Entgasungskanäle schafft, und die einzige, die Ausschaufeln und Absacken gleichzeitig angeht.

Dünnere Gesamtfolie ändert die Pastendicke für alle Pads der Baugruppe. Für das große Pad wirkt das, aber feiner Pitch und kleine Bauteile werden mitverdünnt — und deren Öffnungen liegen möglicherweise schon an der Auslösegrenze. Trägt eine Baugruppe große Pads und feinen Pitch gleichzeitig, ist einheitliches Verdünnen meist nicht die Antwort.

Eine Stufenschablone erzeugt Bereiche unterschiedlicher Dicke auf einer Folie: dünn, wo die großen Pads liegen, dick beim feinen Pitch. Sie löst den Konflikt „eine Schablone, zwei Anforderungen", bringt aber Druckprobleme an der Stufenkante mit: der Rakel verliert beim Überfahren kurz den Kontakt, die Druckqualität der Pads nahe der Stufe ist separat zu bewerten, und die Anordnung der Stufenbereiche wird durch Rakelrichtung und Stufenabstand eingeschränkt. Die Prozessdetails der Stufenschablone sind separat behandelt (siehe Verlinkung); hier geht es nur um die Auswahlgrenze.

Die praktische Reihenfolge lautet: zuerst mit Aufteilung Verteilung und Entgasung lösen; lokales Verdünnen erst, wenn die Aufteilung das Gesamtvolumen nicht weit genug senkt; zur Stufenschablone erst greifen, wenn die Baugruppe wirklich zwei weit auseinanderliegende Dickenanforderungen hat, die die Aufteilung nicht überbrücken kann. Umgekehrt — Stufe zuerst, Aufteilung später — entsteht meist eine Schablone, die teuer und schwer zu drucken ist.

Was nach der Umsetzung zu überwachen ist

Die Aufteilung wird auf der Zeichnung festgelegt, ob sie stimmt, zeigt sich an drei Stellen in der Linie.

Pastenform und -volumen nach dem Druck (SPI). Bildet jede kleine Öffnung ein Depot, gibt es Zusammenlaufen oder Aussetzer, liegt das Gesamtvolumen pro Pad im erwarteten Bereich. Der erste Lauf einer neuen Aufteilung ist an SPI-Daten zu prüfen, nicht allein an der Sichtkontrolle.

Lunker nach dem Reflow (Röntgen). Ob das Gitter tatsächlich Entgasungswege geöffnet hat, ist eine Röntgenfrage: Verteilung und Anteil der Lunker unter dem großen Pad. Konzentrieren sich Lunker weiterhin in der Mitte, ist das Gitter zu grob oder ungünstig orientiert. Die PCBA-Linie von SKPCB betreibt SPI, Inline-2D-AOI, 3D-AOI nach dem Reflow, Röntgen, ICT und FCT; die Verifikation einer Aufteilung stützt sich vor allem auf SPI und Röntgen.

Bauteillage und Koplanarität. Kippt oder verschiebt sich das Bauteil nach dem Reflow, brücken oder verarmen benachbarte feine Anschlüsse wegen weggelaufener Paste. Je größer das Bauteil, desto wichtiger — die Bestückungsfähigkeit von SKPCB deckt große BGA/QFP bis 74 mm Diagonale ab, und in dieser Größenordnung vergrößert sich ungleichmäßige Paste unter dem Basispad zu sichtbaren Koplanaritätsproblemen.

Die Abnahme folgt IPC-A-610 Class 3, die unbestückte Platine wird nach IPC-6012 Class II & III abgenommen, und der Ablauf trägt 10+ Qualitätsstationen. Eine Einschränkung ist wichtig: diese Normen definieren die Annehmbarkeit der Lötstelle, nicht die Richtigkeit einer Schablonenaufteilung. Eine Aufteilung kann die Sichtabnahme passieren und dennoch ein Problem bei Wärmewiderstand oder Langzeitzuverlässigkeit hinterlassen. Genau darum brauchen Aufteilungen großer Pads SPI- und Röntgennachweise statt einer einzelnen Sichtfreigabe.

Was zur Bestellung gehört

Erhält der Schablonenhersteller eine Pastenlage, die nur eine Kopie der Padlage ist, bleibt ihm bei großen Öffnungen nur das Raten. Damit das nicht passiert, bei der Bestellung ausdrücklich angeben:

1. Welche Pads funktionale Großpads sind — Thermal Pads, Leistungspads und Schirmrahmen benennen und jeweils die Funktion angeben (Wärme, Strom, Schirmung, Mechanik). Die Funktion entscheidet, ob und wie weit aufgeteilt werden darf.
2. Bauteiltypen und Aufbau des Basispads — freiliegendes Pad oder nicht, Anforderung an die Lotschichtdicke, Lunkeranforderung.
3. Eine vorhandene Aufteilung — Stege und Gitter direkt in die Pastenlage zeichnen, nicht nur im Text beschreiben. Textnotizen gehen in der Zusammenarbeit über mehrere Stellen leicht verloren.
4. Ohne eigene Lösung: den Schablonenhersteller ausdrücklich zu einem Vorschlag beauftragen — und Funktion und Randbedingungen jedes Großpads mitgeben, damit der Vorschlag eine Grundlage hat.
5. Absprache zu Nutzenausrichtung und Rakelrichtung — die Aufteilungsrichtung hängt von der Rakelrichtung ab; ein gedrehter Nutzen kann aus einer richtigen Steglösung die schlechteste machen.
6. Lage benachbarter Feinpitch-Bauteile — welche Großpads neben BGA mit 0,2 mm Pitch oder QFN/QFP mit 0,3 mm Pitch liegen. Dort müssen die Pastengrenzen streng geführt werden.
7. Prüfanforderungen der Bestückungsseite — SPI zu 100 %, Röntgenstichprobe an Großpads, und die Quelle des Lunkerkriteriums (z. B. IPC-A-610 Class 3).

Lieferformat der Pastenlage, Nullpunktdefinition und die Vollständigkeitsliste der Schablonendaten sind ein eigenes Thema (siehe Verlinkung). Hier zählt nur ein Punkt: die Aufteilungsabsicht muss mit den Daten beim Schablonenhersteller ankommen und nicht im Kopf des Entwicklers bleiben.

Weiterführende Beiträge

• SMT-Schablonenservice
• Stufenschablone: mehrstufige Öffnungsgestaltung
• SMD-Schablone: Dickenwahl und Fertigungsgrenzen
• Öffnungsposition und Passermarken der Schablone
• PCBA und Bestückungsfähigkeit
• Qualitätssystem und Prüffähigkeit

Bild-alt: Eine Edelstahl-SMT-Schablonenfolie liegt flach auf einem Bearbeitungstisch, darüber ein Bearbeitungs-/Prüfkopf mit runder Linse; in der Folie sind Padfelder und Bauteilkonturen geschnitten, zwischen mehreren großen quadratischen Öffnungen stehen massive Metallstege.

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FAQ

Muss jedes große Pad aufgeteilt werden?

Nein. Das Kriterium ist die Funktion, nicht die Größe. Pads, die Wärme oder Strom führen, ein Bauteil tragen oder neben feinem Pitch liegen, brauchen eine Aufteilung. Rein mechanische Befestigungspads und nicht gelötete Kupferflächen in der Regel nicht, oder nur eine Konturrücknahme.

Ist ein dichteres Gitter immer besser?

Nein. Je dichter das Gitter, desto mehr Fläche belegen die Stege und desto weniger Paste wird abgesetzt. Eine Überaufteilung lässt die Lotschicht zu dünn werden und schwächt Wärmeleitung und Festigkeit. Die Dichte ist ein Gleichgewicht zwischen Führung/Entgasung und Gesamtvolumen und wird von Schablonenhersteller und Bestückung für das konkrete Pad festgelegt.

Stegbalken oder Gitter?

Stegbalken, wenn das Ausschaufeln das Problem ist, das Pad langgestreckt und die Entgasung unkritisch ist. Gitter, wenn Lunker kontrolliert werden müssen, das Pad annähernd quadratisch ist und ein Bauteil darauf sitzt. Thermal Pads und Basispads von Leistungsbauteilen erhalten normalerweise ein Gitter.

Schwächt die Aufteilung die Lötstelle?

Die Aufteilung reduziert das Pastenvolumen, nicht die Lötfläche. Die Depots fließen beim Reflow zusammen, an den Stegstellen bleibt keine Lücke. Das Festigkeitsrisiko kommt aus einer Überaufteilung mit zu dünner Lotschicht, nicht aus der Aufteilung selbst — daher zuerst klären, wie viel Lot das Pad braucht.

Die Schablone ist fertig und die großen Öffnungen sind nicht aufgeteilt. Lässt sich das retten?

Schablonenfertigung ist abtragend: Folie lässt sich entfernen, nicht ergänzen. Stege können daher nachträglich nicht hinzugefügt werden. Kurzfristig kann der Druckprozess mildern (Rakeltyp und Parameter, Nutzenausrichtung), das bleibt aber ein Notbehelf. Die Aufteilung ist ein strukturelles Schablonenthema und erfordert letztlich eine neue Schablone. Deshalb muss sie vor der Bestellung geklärt sein.

Lässt sich eine Aufteilung projektübergreifend wiederverwenden?

Bei gleichem Bauteil, gleicher Folienstärke und gleichem Pastensystem als Ausgangspunkt ja, aber sie ist weiterhin gegen Nutzenausrichtung und Nachbarbauteile dieser Baugruppe zu prüfen. Gitterparameter eines Projekts sind keine allgemeine Regel.