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28. April 2024

Siebdruck auf einer Leiterplatte: Was ist das?

Einführung

In der Elektronik sind Leiterplatten (PCBs) das Rückgrat der meisten Geräte und bieten mechanischen Halt und elektrische Verbindungen für verschiedene Komponenten. Ein wesentlicher Bestandteil der Funktionalität und des Montageprozesses der Leiterplatte ist die Siebdruckschicht, ein Merkmal, das trotz seiner traditionellen Bezeichnung in der modernen Elektronikfertigung eine entscheidende Rolle spielt.

Was ist ein Siebdruck auf einer Leiterplatte?

Siebdruck auf einer Leiterplatte bezeichnet die Schicht aus Tintentext, Symbolen oder Grafiken, die auf eine oder beide Seiten einer gedruckten Leiterplatte aufgebracht wird. Er dient mehreren Zwecken, beispielsweise der Identifizierung von Bauteilpositionen, der Bereitstellung von Montageanleitungen oder der Markenbildung. Diese Informationen erleichtern die genaue und effiziente Montage, Prüfung und Reparatur elektronischer Geräte.

Die Siebdruckmarkierung besteht aus:

  • Komponentenkennungen: Beschriftungen wie „R1“ für Widerstände oder „C1“ für Kondensatoren weisen auf Bauteilarten und -reihenfolgen hin.
  • Komponentenübersicht: Einfache Umrisse oder Symbole, die die physische Form und Ausrichtung von Komponenten darstellen.
  • Pin 1 oder Polaritätsmarkierungen: Diese dienen als Indikatoren für die Ausrichtung polarisierter Komponenten, wie Dioden und Kondensatoren, um eine falsche Platzierung zu verhindern.
  • Testpunkte: Bezeichnungen für Punkte auf der Platine, die beim Testen zum Messen von Spannungspegeln, Signalen oder Durchgang verwendet werden.
  • Logos und Branding: Firmenlogos oder Markennamen zu Identifikations- und Marketingzwecken.
  • Warnsymbole und Hinweise: Symbole oder Texte, die auf Spannungspegel oder notwendige Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit bestimmten Komponenten hinweisen.

Arten von PCB-Siebdruck

Das Aufbringen des Siebdruckverfahrens auf Leiterplatten erfordert verschiedene Techniken, jede mit ihren eigenen Vorteilen, Einschränkungen und Anwendungsmöglichkeiten. 

1. Flüssigfoto-Bildgebung (LPI)

Beim LPI-Verfahren wird eine flüssige fotografische Tinte auf die Leiterplatte aufgetragen. Die Tinte wird dann durch eine Fotomaske belichtet und entwickelt, um präzise Markierungen mit hoher Auflösung zu erzeugen.

Vorteile:

  • Hohe Auflösung: LPI kann feine Details und kleinen Text erzeugen und ist daher für Leiterplatten mit dichtem Layout geeignet.
  • Haltbarkeit: Die in LPI verwendete Tinte haftet stark auf der PCB-Oberfläche und ist beständig gegen Verblassen, Verschmieren oder Abblättern, wodurch die Langlebigkeit der Markierungen gewährleistet wird.
  • Vielseitigkeit: LPI-Tinten sind in verschiedenen Farben erhältlich und bieten Optionen für verschiedene Designanforderungen.

Einschränkungen:

  • Kosten: LPI ist im Allgemeinen teurer als der herkömmliche Siebdruck und daher bei großen Produktionsläufen weniger kosteneffizient.
  • Prozesskomplexität: Der LPI-Prozess umfasst mehrere Schritte, darunter Aushärten und Entwickeln, was die Produktionszeiten verlängern kann.

2. Direkter Legendendruck (DLP)

Beim Direct Legend Printing wird die Tinte mithilfe digitaler Tintenstrahltechnologie direkt auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen, wobei die CAD-Daten der Leiterplatte verwendet werden. Bei dieser Methode werden physische Masken oder Bildschirme überflüssig, sodass schnelle und flexible Designänderungen möglich sind.

Vorteile:

  • Flexibilität: Mit DLP sind Designänderungen problemlos möglich, ohne dass neue physische Masken erforderlich sind. Daher eignet sich das Verfahren ideal für Prototypen oder kleine Produktionsläufe.
  • Geschwindigkeit: Die digitale Natur von DLP ermöglicht schnellere Produktionszeiten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die eine Maskenvorbereitung erfordern.
  • Umwelterwägungen: DLP ist eine umweltfreundlichere Option. Es reduziert den Abfall, da keine Masken und Bildschirme mehr erforderlich sind.

Einschränkungen:

  • Tintenhaftung: Je nach PCB-Material und verwendeter Tinte kann es bei DLP zu Problemen mit der Tintenhaftung kommen, sodass eine Oberflächenvorbereitung oder spezielle Tintenformulierungen erforderlich sind.
  • Ausrüstungskosten: Die Anfangsinvestition in digitale Tintenstrahldruckgeräte kann höher sein als bei herkömmlichen Siebdruckanlagen.

3. Manueller Siebdruck

Manueller Siebdruck ist die traditionelle Methode zum Aufbringen von Siebdruck auf Leiterplatten. Dabei wird eine Schablone oder ein Sieb mit dem gewünschten Design erstellt und dann mit einem Rakel Tinte durch das Siebgewebe auf die Leiterplattenoberfläche gedrückt. Das Sieb hat tintenundurchlässige Bereiche, die das Siebdruckdesign definieren.

Vorteile:

  • Kosteneffektivität: Bei großen Produktionsmengen kann der manuelle Siebdruck wirtschaftlicher sein, da die Siebe wiederverwendbar sind.
  • Materialverträglichkeit: Beim manuellen Siebdruck sind verschiedene Tintenarten möglich, sodass er für unterschiedliche PCB-Materialien und Anwendungen geeignet ist.

Einschränkungen:

  • Auflösung: Mit dieser Methode wird möglicherweise nicht die Detailgenauigkeit erreicht, die mit LPI oder DLP möglich ist. Daher ist sie für Leiterplatten mit sehr kleinen Komponenten oder dicht gepackten Layouts weniger geeignet.
  • Konsistenz: Aspekte des manuellen Siebdruckprozesses können zu Abweichungen in der Tintendicke und Designklarheit über mehrere Leiterplatten hinweg führen.

Verschiedene Methoden zum Erstellen von PCB-Siebdrucken

  • Siebdruck: Bei der herkömmlichen Methode wird eine Schablone mit den gewünschten Markierungen erstellt und die Tinte mit einem Rakel durch die Schablone auf die Leiterplatte gedrückt. Diese Methode eignet sich am besten für die Produktion großer Stückzahlen.
  • Mit Tintenstrahl drucken: Ein modernerer Ansatz, bei dem Tinte digital auf die Leiterplatte gesprüht wird, was hohe Präzision und Flexibilität bei Designänderungen ermöglicht. Ideal für Prototypen und kleine Chargen.
  • Laserdruck: Beim Laserdruck wird das Siebdruckdesign mit einem Laser direkt auf die Leiterplattenoberfläche geätzt, obwohl dies weniger üblich ist. Diese Methode bietet eine hohe Auflösung, kann aber teurer sein.

Vorteile der Verwendung von Siebdruck auf einer Leiterplatte

Die Integration des Siebdrucks auf Leiterplatten (PCBs) bringt zahlreiche Vorteile mit sich und verbessert sowohl den Herstellungsprozess als auch die Funktionalität des endgültigen elektronischen Geräts. 

  • Verbesserte Montagegenauigkeit: Siebdruckmarkierungen ermöglichen die genaue Platzierung und Ausrichtung der Komponenten und verringern so Montagefehler.
  • Erleichtertes Testen und Fehlerbehebung: Die Leiterplatte wurde mit Testpunkten und kritischen Bereichen markiert, um die Identifizierung während des Tests und der Fehlerbehebung zu vereinfachen.
  • Verbesserte Wartung und Servicefreundlichkeit: Eine eindeutige Kennzeichnung der Komponenten und Anschlüsse erleichtert Wartungsaufgaben und Reparaturen.
  • Erhöhte Sicherheit: Warnsymbole und Hinweise weisen den Benutzer auf mögliche Gefahren hin und erhöhen so die Sicherheit.
  • Markensichtbarkeit und Rückverfolgbarkeit: Logos und Teilenummern auf dem Siebdruck verbessern die Markenerkennung und erleichtern die Rückverfolgbarkeit der Leiterplatte.
  • Kosteneffizienz: Silkscreen trägt durch die Rationalisierung der Montage- und Testprozesse zur Kosteneinsparung bei.
  • Ästhetischer Anreiz: Durch Siebdruck kann das optische Erscheinungsbild der Leiterplatte verbessert werden, was bei verbraucherorientierten Anwendungen wünschenswert sein kann.

Prozess des PCB-Siebdrucks

Das Aufbringen eines Siebdrucks auf eine Leiterplatte (PCB) ist ein entscheidender Schritt im Herstellungsprozess. Dabei werden der Oberfläche der Leiterplatte wertvolle Informationen und Markierungen hinzugefügt. Dieser Prozess hilft bei der Montage und Prüfung der Leiterplatte sowie bei ihrer Identifizierung und ästhetischen Veredelung. 

1. Entwurfsvorbereitung

Der Siebdruck-Designprozess ist ein wesentlicher Bestandteil des PCB-Layouts und wird normalerweise mithilfe spezieller PCB-Designsoftware durchgeführt. Designer müssen Text und Symbole sorgfältig platzieren, um die Positionen, Namen und Ausrichtungen der Komponenten anzugeben, ohne die Platine zu überladen oder Pads und Leiterbahnen zu verdecken. Zu berücksichtigen sind:

  • Schriftartauswahl: Wählen Sie eine Schriftgröße, die lesbar und dennoch kompakt genug ist, um in den verfügbaren Platz zu passen. Die branchenübliche Mindesttextgröße beträgt normalerweise etwa 1 mm Höhe, kann jedoch je nach Herstellerkapazitäten und Platinenkomplexität variieren.
  • Symbolstandardisierung: Verwenden Sie allgemein anerkannte Symbole für Polarität, Erdung und andere elektrische Eigenschaften, um Klarheit zu gewährleisten und Verwirrung zu vermeiden.

2. Auswahl der Siebdruckmethode

Die Wahl zwischen Siebdruck, Tintenstrahldruck oder Lasergravur hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Volumen und Effizienz: Der Siebdruck ist bei großen Auflagen kostengünstig, während der Tintenstrahldruck Flexibilität und Effizienz für Prototypen und kleine Chargen bietet.
  • Anforderungen an die Auflösung: Bei Platinen mit hohen Detailanforderungen, etwa bei kleinen Bauteilen oder dichtem Layout, bietet das Tintenstrahl- oder Laserätzen eine bessere Auflösung.
  • Wesentliche Überlegungen: Die Wahl des Trägermaterials und die erforderliche Haltbarkeit des Siebdrucks können die beste Aufbringungsmethode bestimmen.

3. Vorbereitung der Leiterplattenoberfläche

Eine entsprechende Oberflächenvorbereitung gewährleistet eine optimale Tintenhaftung und Langlebigkeit der Siebdruckmarkierungen:

  • Oberflächenreinigung: Chemische Lösungsmittel oder mechanische Bürsten entfernen Rückstände, die die Tintenhaftung beeinträchtigen könnten.
  • Haftförderung: In einigen Fällen kann das Auftragen einer Grundierung oder eines Haftvermittlers die Bindung zwischen der Tinte und dem PCB-Material verbessern, insbesondere bei Oberflächen, die sich nur schwer direkt bedrucken lassen.

4. Auftragen der Tinte

Die Einzelheiten des Tintenauftrags variieren erheblich zwischen den Methoden:

Für den Siebdruck:

  • Bildschirmvorbereitung: Erstellen Sie einen Maschenschirm, bei dem Teile des Maschennetzes blockiert sind, um das Design zu bilden. Der Schirm muss genau über der Leiterplatte ausgerichtet sein.
  • Tintenkonsistenz: Die Viskosität der Tinte muss der Siebmaschengröße und Designkomplexität angemessen sein.

Für Tintenstrahldruck:

  • Digitales Setup: Übersetzen des Siebdruckdesigns in ein mit dem Tintenstrahldrucker kompatibles Format, um sicherzustellen, dass alle Details genau reproduziert werden.
  • Tintenstrahlkalibrierung: Passen Sie die Druckereinstellungen für Tintenfluss und Tröpfchengröße an die Leiterplattenoberfläche und den Tintentyp an.

Für Laserdruck:

  • Schichtauftrag: Aufbringen einer laserempfindlichen Schicht auf die Leiterplatte, die der Laser selektiv entfernt, um das Design zu erstellen.
  • Laserparameter: Passen Sie Laserleistung, -geschwindigkeit und -fokus an, um saubere Linien zu erzielen und Schäden an der Leiterplatte zu vermeiden.

5. Aushärtung der Tinte

Verschiedene Tinten und Auftragsverfahren erfordern spezifische Aushärtungsprozesse, um die Haltbarkeit zu gewährleisten:

  • Wärmehärtung: Verwendung von Öfen oder Infrarotlampen zum Aushärten oder Härten der Tinte. Parameter wie Temperatur und Zeit müssen präzise kontrolliert werden.
  • UV-Härtung: Bei UV-härtenden Tinten wird die Tinte UV-Licht bestimmter Wellenlängen ausgesetzt, um eine fotochemische Reaktion auszulösen, die sie aushärtet.

6. Inspektion

Fortschrittliche Prüftechniken gewährleisten die höchste Qualität der Siebdruckschicht:

  • Automatisierte optische Inspektion (AOI): Mit hochauflösenden Kameras und Bildverarbeitungssoftware ausgestattete Maschinen zur Erkennung von Defekten oder Abweichungen vom Design.
  • Manuelle Inspektion: In einigen Fällen, insbesondere bei Platinen mit kleinen Stückzahlen oder Prototypen, kann eine detaillierte manuelle Inspektion durch erfahrenes Personal die AOI ergänzen oder ersetzen.

Designüberlegungen für PCB-Siebdruck:

  • Lesbarkeit: Schriftgröße und -stil müssen so gewählt werden, dass alle Markierungen gut lesbar sind.
  • Kontrast: Die Tintenfarbe sollte einen Kontrast zum PCB-Hintergrund bilden, um die Sichtbarkeit zu verbessern.
  • Platzierung: Es muss darauf geachtet werden, dass keine Siebdruckmarkierungen über Durchkontaktierungen, Pads oder Bereichen angebracht werden, die die Platzierung der Komponenten oder das Löten beeinträchtigen.
  • Haltbarkeit: Die Tinte und der Aushärtungsprozess sollten auf der Grundlage der Umgebung ausgewählt werden, in der die Leiterplatte eingesetzt wird, um sicherzustellen, dass der Siebdruck während der gesamten Lebensdauer des Produkts intakt bleibt.

Abschluss

Obwohl sie bei Diskussionen zum PCB-Design und zur PCB-Herstellung oft übersehen wird, spielt die Siebdruckschicht eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Funktionalität, Montagegenauigkeit und Langlebigkeit elektronischer Geräte. 

Mit den Fortschritten in der Drucktechnologie ist die Erstellung effektiver und informativer Siebdrucke einfacher geworden. Dies ermöglicht effizientere Herstellungsprozesse und qualitativ hochwertigere elektronische Produkte.

Artikel geschrieben von Alice Lee

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