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Applikationsschrift 169

Wie man mit dem Si8000m Field Solver die Dickenänderungen der Lötstoppmaske zwischen differentiellen Leitungen modelliert.

Leiterplatten werden im Prototypenstadium häufig bei spezialisierten Prototypenherstellern gefertigt, bevor diese dann an einen Großserienfertiger übergeben werden. Diese Applikationsschrift beschreibt, wie die Impedanz durch die unterschiedlichen Aufbringungsmethoden des Lötstopplackes der Hersteller beeinflusst wird. Wir erklären, wie der Polar Si8000m Field Solver zur Vorausberechnung der Impedanzänderungen von lackbeschichteten differentiellen Leiterpaaren verwendet wird. Wir untersuchen speziell die Auswirkungen von ungleichmäßigen Lackdicken zwischen differentiellen Leitungspaaren. Wir beschreiben auch kurz die gebräuchlichsten Aufbringungsmethoden der Lötstoppmaske und wie diese zu abweichenden Impedanzwerten vom Design führen können. 
Siebdruckverfahren
Beim Siebdruckverfahren wird der Lack mit einem Rakel durch ein gespanntes Sieb durchgedrückt. Die Lackdicke wird durch die Maschenweite des Siebes, durch die Druckeinstellungen, Geschwindigkeit, Winkel und Druck definiert. Die halbautomatische Auftragung des Lötstopplackes ist derzeit die gebräuchlichste Methode. Durch den "Dammeffekt" kann eine ungleichförmige Lackdicke auf der ansteigenden Flanke der Leiterbahn in Streichrichtung entstehen. Auf dem "Dach" der Leiterbahn wird das Sieb komprimiert, was in diesem Bereich zu sehr dünnen Lackdicken führt. Im Fall von differentiellen Leiterbahnen wird durch den Flutungseffekt der Zwischenraum zwischen den Leiterbahnen stark aufgefüllt. All diese Effekte beeinflussen die Impedanz.  

Vorhangbeschichtung
Beim Vorhangverfahren wird die Leiterplatte durch einen Lackvorhang mit niedriger Viskosität durchgeschoben, wobei der Lack durch eine schmalen Schlitz auf die Leiterplatte fließt. Das Vorhangverfahren ist in der Leiterplattenindustrie weit verbreitet. Beim Vorhangverfahren kommt es zu einem speziellen Phänomen - dem Schatteneffekt. Durch den Schatteneffekt entsteht auf der ansteigenden Flanke von Leiterbahnen parallel zum Vorhang eine größere Lackdicke als auf der abfallenden Flanke.     Die durch den Vorhang geführte Leiterbahn stellt einen "Damm" für den Lack dar, was zu einem größeren Lackdepot auf der steigenden Flanke und einem Lackdefizit auf der abfallenden Flanke führt.   

Elektrostatisches Sprühverfahren
Beim elektrostatischen Sprühverfahren wird der Lack durch eine rotierende Trommel und mittels Pressluft vernebelt. Der Lack wird dabei elektrisch negativ aufgeladen und die Leiterplatte wird geerdet. Dadurch wird der Lack von der Leiterplatte angezogen. Der Lack wird dabei jedoch vorwiegend von den kupferreichen Gebieten angezogen, wodurch ebenfalls eine ungleichmäßige Beschichtung entsteht.  

Luft-Sprühverfahren
Beim Luft-Sprühverfahren wird der Lack mit einer oder mehrerer Düsen aufgesprüht. Der Lack wird dabei mittels Druckluft vernebelt. Das Sprühverfahren erzeugt normalerweise eine einheitliche Lackdicke, obwohl manche Anwender vom einem Streifeneffekt berichten, welcher beim Einsatz von mehreren Düsen durch die Überlappung der Sprühbereiche entsteht. 

Die Probleme werden noch verstärkt, wenn in der Prototypenfertigung und in der Großserienfertigung unterschiedliche Verfahren angewandt werden. Die tatsächliche differentielle Impedanz kann um einige Ohm vom vorgesehenen Wert abweichen, wenn die Lackdicke zwischen den Leiterbahnen stark schwankt. 

Bei Strukturen wie in der Edge Coupled Surface Microstrip sinkt die differentielle Impedanz, wenn die Lackdicke C3 ansteigt.

Die Berücksichtigung der Lackdicke zwischen differentiellen Leiterpaaren.
Der Polar Si8000m Field Solver ermöglicht die Berechnung der Impedanzänderung in Abhängigkeit der Lackdicke C3. In diesem Beispiel setzen wir den Si8000m Quick Solver zur Modellierung der Struktur unter minimaler und maximaler Lackdicke ein.  

Si8000 Modelle von Edge Coupled Surface Microstrips mit verschiedenen Lackdicken zwischen den Leiterbahnen.

Die Lackdicke zwischen den Leiterbahnen wird durch C3 angegeben. Die Bilder unten zeigen eine vergrößerte Darstellung der Zwischenräume mit unterschiedlichen Lackfüllungen.

Minimale Füllung

Maximale Füllung
Die Si8000 Quick Solver Werte und Lösungen für diese Strukturen werden unten gezeigt.  
Die Parameter oben ergeben eine Reduktion der differentiellen Impedanz um ca. 3% zwischen minimaler und maximaler Füllung zwischen den Leiterbahnen. Die Impedanzänderung hängt von der Separation der Leiterbahnen ab.

Mit dem Si8000 Excel Interface können wir die Impedanzänderung bei einer Parameteränderung untersuchen.

Die Grafik zeigt die Änderung der differentiellen Impedanz in Abhängigkeit der Lackdicke zwischen den Leiterbahnen.

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