Stufenschablone: Wann lokale Foliendicke sich lohnt

Die Zeile „Multilayer / Step" auf einer Schablonenbestellung wird meist in einer von zwei Haltungen angekreuzt: Jemand hat gehört, mischbestückte Baugruppen bräuchten eine Stufe, und kreuzt sie zur Sicherheit an — oder niemand hat daran gedacht, bis der erste Druck zu wenig Lotpaste im Feinraster und Lunker an den Steckerpads zeigt.

Beides ist keine Entscheidung, sondern eine Reaktion. Eine Stufenschablone ist keine Standardausstattung für Mischbestückung und auch kein Notbehelf nach einem schlechten Druck. Sie ist eine Verfahrensauswahl mit klaren Anwendungsbedingungen und ebenso klaren Kosten. Die veröffentlichte SKPCB-Seite SMT-Schablonenfertigung führt sie als eine von vier Bauformen (Laser Cut, Electroformed, Multilayer / Step, Nano-coated) und benennt ihren Zweck ausdrücklich: unterschiedliche Dickenzonen auf einer Schablone lassen große Steckerpads mehr Lotpaste aufnehmen, Feinraster-Bereiche weniger.

Dieser Satz zieht die Grenze bereits. Im Folgenden wird sie zu einer Prüfung ausgebaut, die sich vor der Bestellung selbst durchlaufen lässt — mit den Kosten gleich daneben.

1. Zwei Klassen von Lotpastenproblemen trennen; nur eine gehört zur Stufe

„Die Lotpastenmenge stimmt nicht" sieht in jedem Erstmusterbericht gleich aus, auf der Schablonenseite sind es jedoch zwei unabhängige Probleme.

Klasse eins: systematische Abweichung der ganzen Baugruppe. Überall zu wenig oder überall zu viel. Kennzeichen ist, dass die Abweichung überall in dieselbe Richtung zeigt — bei großen Pads wie im Feinraster. Die Ursache liegt üblicherweise in der gewählten Foliendickenstufe, in der Kompensation der Öffnungen über die gesamte Baugruppe oder in Druckparametern und Auslöseverhalten. Nichts davon ist lokal. Eine Stufe hilft hier nicht, weil sie die *relative* Lotpastenmenge zwischen Zonen verändert, nicht das absolute Niveau der Baugruppe.

Klasse zwei: Konflikt innerhalb einer Baugruppe. Große Pads zu wenig, Feinraster zu viel — oder umgekehrt. Kennzeichen: beide Enden fallen gleichzeitig aus, in entgegengesetzter Richtung. Die Wurzel ist geometrisch: Die Foliendicke ist eine Eigenschaft der ganzen Schablone, der Lotpastenbedarf jedoch bauteilweise. Flächenverhältnis = Öffnungsfläche ÷ Öffnungswandfläche, und in der Wandfläche steckt die Dicke — die Dicke erscheint also ausschließlich im Nenner. Eine Stufe dicker, und jede Öffnung der Baugruppe verliert gleichzeitig Flächenverhältnis, wobei die Feinraster-Gruppe als erste unter den IPC-Erfahrungswert 0,66 rutscht. Eine Stufe dünner, und das Abscheidevolumen an den großen Pads schrumpft mit. Ein globaler Parameter kann zwei entgegengesetzte lokale Anforderungen nicht erfüllen. Es gibt keine Einstellung, die funktioniert.

Nur Klasse zwei ist der Anwendungsfall einer Stufenschablone. Die Prüfung ist direkt: die gemessenen Lotpastenabweichungen nach Bauteilgehäuse gruppieren und prüfen, ob die Richtung einheitlich ist. Gleiche Richtung → lokale Dicke unangetastet lassen und zurück zu Dickenstufe und Öffnungskompensation. Entgegengesetzte Richtungen, beide Enden schon nicht mehr akzeptabel → erst dann weiter mit dem folgenden Ablauf.

Dieser Schritt ist nicht verzichtbar. Wird ein Problem der Klasse eins für Klasse zwei gehalten und eine Stufenschablone bestellt, bleibt die Abweichung genau dort, wo sie war — die Kosten der Stufe kommen obendrauf.

2. Vor einer Änderung der lokalen Dicke diese drei Wege ausschöpfen

Eine Stufe ist ein Weg, einen relativen Konflikt zu lösen, aber nicht der erste. Der Grund steht im nächsten Abschnitt: Sie macht aus einer geometrisch flachen Schablone eine unebene, und die Kosten treffen Rakel und Reinigung — beides bestimmt, wie gleichmäßig jeder weitere Druck ausfällt. Die Reihenfolge lautet daher: zuerst Spielraum suchen, ohne die Geometrie anzutasten.

Weg eins: Öffnungsgröße und -form ändern. Das Feinraster-Problem ist ein zu niedriges Flächenverhältnis, und dessen Zähler ist die Öffnungsfläche, während der Umfang in den Nenner eingeht. Bei gleicher offener Fläche verändert der Übergang vom Quadrat zum abgerundeten Quadrat oder zum Langloch den Umfang und damit das Flächenverhältnis; auch eine maßvolle Vergrößerung der Öffnung innerhalb dessen, was das Pad zulässt, hebt es an. Bei großen Pads ist es umgekehrt — ihnen fehlt selten Flächenverhältnis, ihnen fehlt Volumen, und Volumen lässt sich über die Öffnungsfläche gewinnen statt über die Dicke. Viele Baugruppen, für die eine Stufe als „zwingend" erklärt wird, haben schlicht Bibliotheks-Standardöffnungen übernommen, die nie gruppenweise gegen das Flächenverhältnis geprüft wurden. Die Referenztabelle zur Öffnungsgestaltung auf /de/smt-stencil/ gibt nach Bauteiltyp Ausgangskombinationen vor; die Seite hält zugleich fest, dass die tatsächlichen Öffnungen die nach der technischen Prüfung freigegebenen Schablonendaten sind.

Weg zwei: Auslösebedingungen ändern statt der Dicke. Bei gleicher Öffnung und gleicher Dicke verändern Wandform und Oberflächenzustand das Auslöseverhalten deutlich. Genau darauf zielen die beiden Optionen der Schablonenseite: elektrolytisches Polieren (Option, verbessert das Auslösen der Lotpaste) und Nanobeschichtung (Option, senkt die Wischhäufigkeit und verlängert die Lebensdauer). Auch die Bauform selbst ist eine Variable — Electroformed und Laser Cut ergeben nicht dieselbe Öffnungswand. Wenn das Feinraster-Problem darin besteht, dass Lotpaste in der Öffnung zurückbleibt, sind diese Stellschrauben deutlich günstiger als die Dicke. Wie weit sich eine konkrete Öffnungsgruppe damit verbessern lässt, ist anhand der Eingangsdaten und der Anlagenbedingungen in der technischen Prüfung zu bestätigen.

Weg drei: zurück in das Design. Bei einem Teil der mischbestückten Baugruppen wurzelt der Lotpastenkonflikt in der Paddefinition der Platine selbst. Etwa wenn große Steckerpads und benachbarte Feinraster-Bauteile so dicht liegen, dass sich weder Öffnungen vergrößern noch Dicke erhöhen lässt; oder wenn Gehäuse mit extrem unterschiedlicher Größe auf einer Baugruppe zusammenkommen, obwohl beim Layout noch Spielraum wäre. Dann liegt die einfachste Lösung nicht in der Schablone, sondern in der Platine. Das Kriterium: Sind Öffnungen und Auslösebedingungen ausgeschöpft und liegen beide Enden weiterhin im nicht akzeptablen Bereich, lautet die Frage nicht mehr „wie drucken wir", sondern „muss die Baugruppe so angeordnet sein".

Alle drei Wege begangen und es lässt sich weiterhin nicht ausgleichen — das ist der Platz der Stufe.

Weg zwei: Auslösebedingungen ändern statt der Dicke. Bei gleicher Öffnung und gleicher Dicke verändern Wandform und Oberflächenzustand das Auslöseverhalten deutlich. Genau dafür führt die Schablonenseite zwei Optionen: elektrolytisches Polieren (Option, verbessert das Auslösen der Lotpaste) und Nanobeschichtung (Option, senkt die Wischhäufigkeit und verlängert die Nutzungsdauer). Zusätzlich ist die Bauform selbst eine Variable — die Öffnungswände von Electroformed und Laser Cut sind nicht dasselbe. Wenn das Feinraster-Problem darin besteht, dass Lotpaste in der Öffnung bleibt, sind diese Eingriffe deutlich günstiger als eine Dickenänderung. Wie weit sich eine konkrete Öffnungsgruppe damit verbessern lässt, ist anhand der Eingangsdaten und Anlagenbedingungen im Engineering-Review zu bestätigen.

Weg drei: zurück zum Layout. Bei einer Sorte mischbestückter Baugruppen liegt die Wurzel des Lotpastenkonflikts in der Paddefinition der Baugruppe selbst. Etwa wenn große Steckerpads so nah an benachbarten Feinraster-Bauteilen liegen, dass sich Öffnungen weder vergrößern noch verdicken lassen; oder wenn Bauteile mit extrem unterschiedlichen Gehäusen auf einer Baugruppe zusammenkommen, obwohl bei der Platzierung noch Spielraum besteht. In diesen Fällen liegt die einfachste Lösung nicht in der Schablone, sondern im Layout. Das Kriterium: Sind Öffnungen und Auslösebedingungen ausgeschöpft und liegen beide Enden weiter im nicht akzeptablen Bereich, ist die Frage nicht mehr „wie drucken", sondern „muss die Baugruppe so angeordnet sein".

Alle drei Wege versucht und es lässt sich weiterhin nicht ausgleichen — erst hier steht die Stufe.

3. Was die Stufe verändert und wo ihre Kosten liegen

Das Prinzip ist einfach: Auf einer Folie werden Zonen unterschiedlicher Dicke ausgeführt, damit jede Zone ihre eigene Öffnungsgruppe bedient. Die Schablonenseite formuliert es als „Different thickness zones on one stencil let large connector pads take more paste while fine-pitch areas take less" — unterschiedliche Dickenzonen lassen große Pads mehr, Feinraster-Bereiche weniger Lotpaste aufnehmen. Der Knoten „ein globaler Parameter gegen zwei entgegengesetzte Anforderungen" wird damit zu „zwei lokale Parameter, jeder für seine Gruppe".

Die Kosten entstehen aus derselben Sache: Die Schablonenoberfläche ist nicht mehr eben.

Kosten eins: Rakelabdichtung. Kontaktdruck lebt vom Anliegen zwischen Rakel und Schablonenoberfläche — das Rakel muss die Oberfläche durchgehend niederhalten und die Lotpaste darüber schieben, und dafür braucht es einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Kontakt. An der Zonengrenze hat die Oberfläche einen Höhenversatz, und beim Überfahren wird dieser Kontakt unterbrochen. Die Folge ist, dass sich die Lotpaste in Grenznähe anders verhält als in der Zonenmitte: Sie kann unterlaufen, sie kann nicht vollständig abgezogen werden, oder sie bleibt auf der windabgewandten Seite des Versatzes liegen. Daraus folgt eine wichtige Randbedingung: Die Zonengrenze darf nicht beliebig gelegt werden. Sie sollte in den Freiflächen zwischen Bauteilen verlaufen, keine Öffnungsgruppe durchschneiden und Gesamtlänge sowie Richtungswechsel möglichst klein halten. Je kleinteiliger die Zonen, desto mehr Versätze muss das Rakel überfahren und desto schwerer ist Gleichmäßigkeit zu halten.

Kosten zwei: Reinigung und Instandhaltung. Versätze und Stufenfüße sind Stellen, an denen sich Lotpaste gern ansammelt, besonders auf der Unterseite (der Seite zur Baugruppe). Das beeinflusst die Wirksamkeit des Wischens und erhöht die Anforderungen an den Reinigungsablauf. Die Schablonenseite beschreibt die Nanobeschichtung als Mittel, die Wischhäufigkeit zu senken und die Nutzungsdauer zu verlängern — die Wischhäufigkeit ist also ohnehin eine zu steuernde Größe, und die Stufe wirkt dabei auf der belastenden Seite. Welche Wischstrategie eine konkrete Stufenschablone braucht, ist nach tatsächlicher Zonenform und Anlage im Engineering-Review festzulegen.

Kosten drei: Daten und Freigabe wiegen mehr. Die Lotpastenlagendaten einer Stufenschablone umfassen nicht nur Öffnungen, sondern auch den Umfang jeder Dickenzone. Diese Information muss in den Eingangsdaten ausgedrückt oder im Review ausdrücklich vereinbart sein. Die Schablonenseite nennt als Eingangsdateien Gerber RS-274X (Lotpastenlage + Lötstopplage + Konturlage), ODB++ und DXF; Bestellmenge und Preis werden nach Prüfung von Gerber-Daten, Menge und Verfahrensanforderungen bestätigt. Das Review einer Stufenschablone hat eine Runde mehr als das einer flachen: Es prüft nicht nur Öffnungen, sondern auch, ob die Zonengrenze mit der Bauteilplatzierung vereinbar ist.

Allen Kosten ist gemeinsam, dass sie auf die Wiederholbarkeit wirken, nicht darauf, ob das Erstmuster druckbar ist. Das Erstmuster einer Stufenschablone sieht häufig gut aus — die Frage ist, ob der 50. und der 200. Druck noch dem ersten entsprechen. Genau deshalb sollte eine Stufe nicht die Voreinstellung für Mischbestückung sein.

4. Die Bedingungen zusammengefasst

Die drei vorstehenden Abschnitte zu einer Prüfung verdichtet, die sich vor der Bestellung durchlaufen lässt. Eine Stufe lohnt sich, wenn alle vier Punkte gleichzeitig zutreffen:

1. Entgegengesetzte Abweichungsrichtung. Die Lotpastenabweichung großer Pads und des Feinrasters liegt nicht auf derselben Seite, eine systematische Abweichung der ganzen Baugruppe ist damit ausgeschlossen.
2. Öffnungen und Auslösebedingungen sind ausgeschöpft. Jede Gruppe ist gegen das Flächenverhältnis geprüft (die Feinraster-Gruppe möglichst über den IPC-Erfahrungswert 0,66 gehoben), die Formen sind optimiert, Optionen wie elektrolytisches Polieren und Nanobeschichtung sind bewertet.
3. Die Zonengrenze ist zeichenbar. Die beiden konfliktären Bauteilgruppen sind auf der Baugruppe räumlich klar getrennt, die Grenze kann in Freiflächen verlaufen, durchschneidet keine Öffnung und ist nicht kleinteilig. Dieser Punkt ist häufig das Ausschlusskriterium — liegen große Pads und Feinraster-Bauteile verschränkt, gibt es physisch keinen Ansatz für eine Stufe.
4. Die Produktionsform trägt den Instandhaltungsaufwand. Druckanzahl, Umrüsthäufigkeit und Reinigungstakt dieser Schablone sind im Review als vereinbar mit den Wischanforderungen der Stufe bestätigt.

Trifft Punkt 3 nicht zu, lautet die Antwort meist Weg drei aus Abschnitt 2: Layout ändern statt Schablone. Trifft Punkt 4 nicht zu, lässt sich diskutieren, die beiden konfliktären Seiten auf zwei Schablonen zu verteilen (die Schablonenseite unterstützt Top / Bottom / Top+Bottom; die konkrete Aufteilungsstrategie ist nach Baugruppe und Verfahren im Review zu bestätigen), statt eine Stufe zu erzwingen.

5. Was vor der Bestellung anzugeben ist

Unabhängig davon, ob am Ende eine Stufe entsteht, ist auf der Bestellseite das Problem anzugeben, nicht das Ergebnis. „Welche Bauteilgruppen der Baugruppe konkurrieren im Lotpastenbedarf, welches Gehäuse und welche Lage hat jede Gruppe, in welche Richtung weicht das Erstmuster je Gruppe ab" in die Eingangsbeschreibung zu schreiben, nützt mehr als ein angekreuztes „Multilayer / Step" — denn ob und wo eine Zonengrenze gelegt werden kann, entscheidet sich erst im Review, und die dafür nötigen Informationen liegen auf der Designseite.

Mit vorzubereiten sind außerdem: vollständige Lotpastenlagendaten (samt Lötstopp- und Konturlage), Kontur und Referenzpunkte der Baugruppe sowie das erwartete Einsatzszenario dieser Schablone (Prototyp oder Serie, Druckhäufigkeit, Bedarf an langen Intervallen mit wenig Wischen). Rahmenmaße und Material nach den auf /de/smt-stencil/ veröffentlichten Angaben wählen; wie die Foliendickenstufe zu wählen ist, ist eine andere Frage und auf dieser Site separat behandelt. Alle bedingungsabhängigen Werte gelten erst nach Bestätigung im Engineering-Review.

Die weiteren Fertigungsgrenzen — minimale Leiterbreite und -abstand, Bohrungsdurchmesser, Konturtoleranzen — stehen unter Fertigungskapazitäten und Toleranznormen; wird die Schablone gemeinsam mit der Bestückung beauftragt, führt der Weg über den Service PCB-Bestückung.

FAQ

F1: Brauchen mischbestückte Baugruppen immer eine Stufenschablone?

Nein. Eine Stufe löst nur die Problemklasse „entgegengesetzte Lotpastenanforderungen innerhalb einer Baugruppe" und sollte erst nach Ausschöpfen von Öffnungen und Auslösebedingungen erwogen werden. Viele mischbestückte Baugruppen lassen sich durch gruppenweise Prüfung des Flächenverhältnisses und optimierte Öffnungsformen ausgleichen.

F2: Wie unterscheidet man, ob die Dicke oder die Öffnung zu ändern ist?

An der Abweichungsrichtung. Weicht die ganze Baugruppe zur selben Seite ab → globales Problem der Dickenstufe oder Öffnungskompensation, ohne Bezug zur lokalen Dicke. Weichen große Pads und Feinraster entgegengesetzt ab → relativer Konflikt. Innerhalb des Konflikts zuerst Öffnungen und Auslösebedingungen, zuletzt die lokale Dicke.

F3: Welche Einschränkungen gelten für die Zonengrenze?

Die Grenze sollte keine Öffnungsgruppe durchschneiden, in den Freiflächen zwischen Bauteilen verlaufen und Gesamtlänge wie Richtungswechsel minimieren. An der Grenze hat die Oberfläche einen Versatz, das Anliegen des Rakels wird dort unterbrochen — je kleinteiliger, desto schwerer die Gleichmäßigkeit. Ob und wo sie gelegt werden kann, ist nach tatsächlichem Layout im Engineering-Review zu bestätigen.

F4: Bleibt an einer Stufenschablone mehr Lotpaste zurück?

Versätze und Stufenfüße sind Stellen, an denen sich Lotpaste ansammelt, was höhere Anforderungen an die Wirksamkeit des Wischens stellt. /de/smt-stencil/ beschreibt die Nanobeschichtung als Mittel zur Senkung der Wischhäufigkeit und Verlängerung der Nutzungsdauer und kann als Option mitbewertet werden; die konkrete Wischstrategie ist nach Zonenform und Anlage festzulegen.

F5: Was, wenn sich keine Zonengrenze zeichnen lässt?

Dann liegen die konkurrierenden Bauteile auf der Baugruppe verschränkt und es gibt physisch keinen Ansatz für eine Stufe. Diskutabel sind dann eine Layoutänderung oder die Verteilung der beiden Seiten auf unterschiedliche Schablonen; erzwungene kleinteilige Zonen führen meist nicht zu stabiler Druckgleichmäßigkeit.

F6: Welche Daten sind für eine Stufenschablone erforderlich?

Nach den Angaben auf /de/smt-stencil/ sind die Eingangsdateien Gerber RS-274X (Lotpastenlage + Lötstopplage + Konturlage), ODB++ oder DXF. Für eine Stufenschablone kommen die Gruppierung, Gehäuse und Lage der konkurrierenden Bauteile hinzu, damit die Zonengrenze im Review festgelegt werden kann. Bestellmenge und Preis werden nach Prüfung von Daten, Menge und Verfahrensanforderungen bestätigt.