Smd Bestückung

mw-headline" id="Geschichte">Geschichte>[Edit | | | Quellcode bearbeiten]>

Platinenbestückung ist ein Teil der Electronic Manufacturing Services und beinhaltet in der Regel das Bestücken und Verlöten einer leeren, unbestückten Platine (Rohplatine)[1] durch spezielle Setz- und Lötprozesse. Grundsätzlich lassen sich zwei unterschiedliche Prozesse unterscheiden: SMT (Surface Mounted Technology) und THT (Through-Hole-Technologie).

Beim THT-Aufbau werden verdrahtete Bauelemente durch die Löcher in der Platine geführt. Das kann sowohl automatisch als auch automatisch geschehen.

Die Komponenten werden dann entweder manuell oder mechanisch montiert und verlötet. Bei älteren Prozessen wurden die Bauelemente ebenfalls mit SMD-Bestückungskleber auf der Platine befestigt und dann in der Schwallötanlage verlötet. Mit SPI ( "Solderpasteninspektion "), AOI ("Automatic Optische Inspektion") oder AXI ("Automtic X-Ray Inspection") können die verschiedenen Verfahrensschritte überprüft werden.

Danach folgt die Depanelisierung mit einem Depanelisator und ggf. einer Schutzschicht. Die unkontinuierliche Weiterentwicklung der Elektrotechnik in Deutschland von den Ursprüngen der "Großen Industrie" bis zur Entstehung des Fordschen Geistes (1880-1975). Ausgabe, Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2005, ISBN 3-540-23246-X, S. 24. Volker Wittke: Die unterbrochene Geschichte der Elektrotechnik in Deutschland von den Anfängen der " Großindustrie " bis zur Entstehung des Ford-Wesens (1880-1975).

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Im Unterschied zur Through Hole Technology (THT), den "verdrahteten Bauelementen", haben SMD-Bauteile keine Drahtverbindungen, sondern werden über lötfähige Verbindungsflächen unmittelbar auf eine Platine (Flachbaugruppe) aufgesetzt. Die Anschlußdrähte herkömmlicher Bauteile werden durch Montagelöcher hindurchgeführt und müssen auf der Leiterplattenrückseite (oder über Innenlagen) angelötet werden, bei SMD-Bauteilen ist dies nicht notwendig.

Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bestückung und vor allem eine doppelseitige Bestückung der Elektronik. Die Platzersparnis der Komponenten wird reduziert. Nach der Produktion werden die SMD-Bauteile in Bändern, Stabmagazinen oder auf Blistertrays befördert und mit automatischen Maschinen auf Platinen ausgerüstet. Bei Entwicklungsmustern ist eine Beschickung von Hand möglich, bei hoher Packungsdichte jedoch nur mit Pipetten statt Pinzetten.

Vor der Bestückung werden die Verbindungsflächen der SMD-Bauteile auf den Leiterplatten mit Lötpaste im Stencil-Druck ( "lasergeschnittene Lötpastenmaske") aufgedruckt. Die SMD-Bauteile werden nach der Montage mit Hitze verlötet. SMD-Bauelemente auf der Leiterplattenunterseite werden in einem Wellen- oder Wellenbad geklebt und verlötet. Das Löten von Kugelgitterarrays kann durch spezielle Optik gesteuert werden.

Der Zusammenbau ist manchmal noch kürzer als bei der manuellen Montage von verdrahteten Bauteilen, da die Vorbereitung der Komponenten (Ablängen, Abkanten, Befestigen ) erspart wird. Parallel dazu wurden die ersten Bestückautomaten für die automatische Bestückung verdrahteter Komponenten aufgesetzt. Zu Beginn der 80er Jahre wurden im Grundig Werk 16, Nürnberg-Langwasser, automatische Bestückautomaten für 500.000 Farbfernseher pro Jahr installiert. Dazu gehörten die Vereinheitlichung der Komponenten, ihre getapte Lieferweise, ihre standardisierten Landungsflächen, ihre Reflow-Lötbarkeit und die Möglichkeit der Wellenlötbarkeit, die Montageautomaten mit hohem Anspruch an Sauberkeit und Klebgenauigkeit, höchste Paßgenauigkeit bei der Montage und exakte Temperaturkontrolle beim Löten.

SMD-Schaltungen werden seit Mitte 1980 in vielen Industriebereichen großflächig genutzt, und die Leiterplatte wurde oft als "mixed print" konzipiert, d.h. "die grösseren Bauteile wurden noch verdrahtet". In den folgenden Jahren stiegen die diesbezüglichen Weiterentwicklungen im Feld der einzelnen Halbleiterbauelemente kräftig an, jedoch war es recht leicht, aus dem jeweils verdrahteten Package ein SMD-Paket herzustellen, s. auch Chip-Package und Packages für die SMD. Eine besondere Stellung nahm bei dieser Neuentwicklung die hoch integrierten IC' s, vor allem die Processoren ein.

Bei den verdrahteten IC' s (Pin Grid Array (PGA)) und den SMD-IC s (Land Grid Array (LGA) und BGA) waren die Packages gleich, nur die Kontaktform der Steckverbinder war unterschiedlich. Die elektromechanischen Bauteile wie z.B. Steckverbinder wurden ebenfalls in oberflächenmontierbarer Ausführung konzipiert, so dass nun nahezu alle in der Bauteilliste aufgeführten Bauteile in den entsprechenden SMD-Ausführungen verfügbar sind.

SMD-Bauteile haben in vielen Anwendungen Bauteile mit durchgekontaktierten Verbindungsdrähten ersetzt. Kostenreduktion, kein Bohren in der Platine, die Platine wird günstiger, besonders wenn durch die SMD-Technologie einschichtige Platinen ohne Bohren verwendet werden können. Gewichtsreduktion durch den Verzicht auf Anschlussdrähte und den Einsatz von kleineren Bauteilen. Die Komponenten können auch auf beiden Leiterplattenseiten unmittelbar aufeinander montiert werden (wichtig bei Hochfrequenzmodulen).

Erhöhung der Produktionsqualität durch automatische Montage. Geringe Positionierfehler bei der Montage werden durch die OberflÃ?chenspannung des flÃ?ssigen Lotes beim Löten weitgehend selbsttÃ? Für flüssigkeitshaltige Bauteile (Elektrolyt), wie Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren, Supercaps oder Akkus, müssen Veränderungen der Kenngrößen und Standzeiten für die Elektrolytrückgewinnung berücksichtigt werden. Passivbauelemente wie z. B. Widerstand, Kondensator, Quarzkristall oder induktives Bauelement wie z. B. eine Drossel werden vorwiegend in quaderförmiger Ausführung gefertigt.

Aus dem ( "verdrahteten") Dual-In-Line Package (DIL-Gehäuse), in dem die Lötverbindungen des Bauteils beidseitig geführt werden, entstehen zu Anfang der SMD-Technik sogenannte Transienten und Schaltkreise. Die Lötverbindungen liegen hier als kleine metallische Verbindungsflächen unter dem Schaltungsgehäuse. Mit dem gemeinsamen Kugelgitter-Array (BGA) sind bereits Lötperlen auf den Kontaktoberflächen enthalten, die erst während des Lötvorgangs aufschmelzen.

Bei der LGA (Land Grid Array) muss jedoch auf die zu bestückende Leiterplatte gelötet werden, weshalb LGA-Bauteile nur in Ausnahmefällen zum Löten eingesetzt werden. In der Halbleitertechnologie werden die verschiedenen Designs dagegen unter dem Sammelbegriff Package (Chip-Package) zusammengefaßt. Der Grund für den anderen Namen ist die Aktivzelle, die in einem Kameragehäuse liegt.

Passivbauelemente und eventuell auch Leuchtdioden und Leuchtdioden werden in den nachfolgenden Ausführungen gefertigt, ausgeliefert und verarbeitet: Blockförmige Sonderausführungen für z.B. Quarz oder Oszillator können auch zusätzlich Lötoberflächen am Gerät aufnehmen, entweder zum Schutz vor Verpolung oder zur verbesserten und rüttelsicheren Mechanik. Das Chipdesign von passiven Bauelementen ist wesentlich unterschiedlich groß, was durch einen Kode wie "1206" angezeigt wird.

Die Dokumentation dieses Artikels oder des nachfolgenden Abschnitts ist nicht ausreichend (z.B. Einzelnachweise). Gehäuseabmessungen, Zollcodegrößen, ausführliche Tabelle der lieferbaren Chipgrößen und deren Dimensionen sind auch in den Fachbeiträgen zu Keramik-Kondensatoren, Tantalelektrolytkondensatoren und Widerständen zu lesen. Als MELF ( "Metal-Elektroden-Flächen ") bezeichnet man eine zylinderförmige Ausführung von passiven Bauelementen, die horizontal liegen.

Die SOD ( "Small Outline Diode"), das Zylindergehäuse für das Halbleiter-Bauelement SOD, das wie das MELF-Design auch horizontal eingebaut ist. Zusätzlich verfügen eine Vielzahl passiver Bauteile wie z. B. Potis, Abgleicher, Transformatoren, Trafos, Quarzkristalle, Oszillatoren über besondere SMD-Designs, die sich aus der Bauteilgeometrie und den Verbindungen ableiten. Die SMD-Transistorgehäuse mit Lötanschlüssen auf beiden Gehäuseseiten sind mit den nachfolgenden Gehäusebezeichnungen gekennzeichnet:

Die IC-Gehäuse mit Lötanschlüssen auf zwei Gehäuseseiten sind durch die nachfolgenden Gehäuse-Namen gekennzeichnet: SOP: Die kleine Variante des SOIC-Pakets ist die Basis für eine ganze Serie von Modifikationen, von denen einige z.B. herstellerabhängig sind: Das TSOP (Thin Small Contour Package): Klemmen auf der schmalen Seite des Packages, IC-Gehäuse mit Lötanschlüssen auf den vier Gehäuseseiten sind durch die nachfolgenden Gehäuse-Namen gekennzeichnet:

IC-SMD Gehäuse mit 20 bis 84 "J-Lead" Steckern, typischerweise 1,27 Millimeter Abstand. IC-SMD-Pakete mit 32 bis 200 Ports bilden die Basis für eine ganze Serie von Varianten, die zum Beispiel herstellerabhängig sind: IC-SMD Gehäuse in der Regel durch das flachere TQFP Gehäuse abgelöst.

Das CQFP (Ceramic Four Flachgehäuse ): IC-SMD Paket ist mit dem PQFP Paket zu vergleichen, jedoch mit Keramikbeschichtung. Das MQFP ( "Metric Four Flachgehäuse "): IC-SMD-Gehäuse ist mit dem von QFP vergleichbaren Gehäusen mit einem metrischen Anschlussabstand ausgestattet. PQFP (Thin Vierfach-Flachgehäuse ): Eine schlankere IC-SMD-Gehäuseversion des Pakets mit einer Gesamthöhe von entweder 1,0 oder 1,4 Millimetern Vierfach-Flach-No-Leadframe-Gehäuse (QFN), Mikro-Leadframe-Gehäuse (MLP), auch Mikro-Leadframe-Gehäuse, MLF: Die Bezeichnung umfasst eine ganze IC-Gehäusefamilie, deren elektrischer Anschluss wie Rahmen um die Gehäusewandungen herum und unter dem Gehäusedeckel als metallbeschichtete Aufstandsfläche liegt.

Unterhalb des Gehäuses befindet sich teilweise eine weitere metallische Auflagefläche, die zur besseren Wärmeabfuhr mit dem Werkzeug gekoppelt ist. Bei dem Paket QFN-IC-SMD handelt es sich um ein besonderes MLPQ-Paket, dessen Pinbelegung und Abstand dem verdrahteten QFP-Paket entspricht, dessen metallbeschichtete Anschlußflächen jedoch als Auflageflächen unter dem Gehäuseinneren montiert sind. Aus diesem Grund werden diese Verbindungen als metallbeschichtete Verbindungsflächen in Gestalt einer Schachbrett- oder Rasteranordnung unter dem Gerät montiert.

Die Halbleiterpakete mit Lötpads unterhalb des Pakets sind mit den nachfolgenden Paketnamen gekennzeichnet: Landnetzarray (LGA): Ein Landnetzarray ist eine Schachbrett- oder rasterartige Anordung elektrischer Verbindungsflächen (Land) auf der Rückseite eines Bauteils für IC' s mit einer großen Anzahl von Verbindungen, wie z.B. der Mikroprozessors.

Anschließend wird der Rechner mit einer Klemme mit seinen Anschlußflächen für den Elektroanschluß auf die oberen Buchsenkontakte aufgedrückt. BGA: Ein BGA ist wie das LGA-Gehäuse eine Bauform von Schaltkreisen, bei der die elektrische Verbindung in einer Schachbrett- oder Gitteranordnung auf der Rückseite montiert ist.

Beim Reflow-Löten werden diese Kügelchen in einem Schmelzofen geschmolzen und mit dem Leiterplattenkupfer verbunden. Die Bestückung der SMD-Bauelemente auf einer Platine wird als Bestückung bezeichnet, wobei die Bestückung aber auch andere Schritte beinhaltet, als nur die Bestückung der Platine. Zur Erzielung der erforderlichen Druckgenauigkeit werden Printer verwendet, die es erlauben, die Druckschablone exakt auf die Platine auszurichten.

Dies kann manuell oder automatisiert durch ein Kamera-System geschehen, das Beschriftungen auf der Vorlage und der Platine erkennt und beide vor dem Drucken ausrichten kann. An mindestens einer Bandseite sind Transportlöcher im Bereich von 4 Millimetern vorhanden, über die das Band von der Bestückungsmaschine verfahren wird.

Die Zuführung dieser Walzen zur Bestückungsmaschine erfolgt mit Vorschubmodulen, so genannten Anlegern. Aufgrund der Vibrationen der Stickereizuführungen greifen die Komponenten nach der Entfernung weiter nach vorn, so dass der Bestückkopf die nächsten Komponenten entfernen kann. Mit Vakuum-Pipetten (englische Düse) oder Greifer werden die Komponenten entfernt und dann auf die Zielposition (X-,Y-Koordinaten) der Platine gesetzt.

Beim Bestücken der Leiterplattenoberseite ist es in der Regel nicht notwendig, die Bauelemente zu verkleben, da die Klebewirkung der Lötpaste die erforderliche Adhäsion des Bauelements beim Weitertransport der Leiterplatte zur nächstgelegenen Haltestelle gewährleistet. Nach der Bestückung wird die Leiterplatte zur nächstgelegenen Bearbeitungsstelle gebracht und eine neue Leiterplatte kann zur Bestückung mitgenommen werden.

In der Lötpaste verschmelzen die Lotkugeln und stellen sowohl eine mechanisch e- als auch eine elektrisch leitende Bindung zwischen dem Bauteil und der Platine her. Manche der nachfolgenden Störungen entstehen nur beim Reflow-Löten, andere nur beim Wellenlöten. Die zu lange Lagerhaltung von Bauelementen ist neben den ungünstigsten Lotparametern eine der Ursachen, wenn die Verbindungsflächen (unterschiedlich) oxydiert werden.

Die Popcornwirkung kann auftreten, wenn feuchteempfindliche Elektronikbauteile zu lange außerhalb der feuchtigkeitsschützenden Verpackungen aufbewahrt werden; sie absorbieren allmählich Luftfeuchtigkeit. Diese feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten werden in IPC/JEDEC MSL-Klassen ( "English Moisture Sensitive Level") zwischengelagert. Beim Hygroskopieren der Kunststoff-Gehäuse der Bauteile sammelt sich hauptsächlich auf der Gehäusemasse und den zu sichernden Bauteilen (Leiterbahnen, Trägermaterial etc.) bis zu 0,5 Gew.-% an.

Die Folge sind u. a. Rissbildung im Gehäuseinneren und Delamination des Untergrundes. Bauteile, die zu lange gelagert oder nass geworden sind, können innerhalb von 24 Std. durch so genanntes "Backen" bei ca. 110 C wieder getrocknet werden, so dass sie für die Montage oder das zerstörungsfreie Entlöten gut sind. Beim Wellenlöten von Bauteilen mit gebondeten SMD-Bauteilen droht die Gefahr, dass das Flüssiglot der Schwallötanlage die Klebeverbindung zwischen Platine und Bauteil löst, so dass das Bauteil von der Platine weggewaschen wird und im Löttopf der Schwallötanlage aufliegt.

Bei der Wellenlötung von Bauteilen mit gebondeten SMD-Bauteilen entsteht die zusätzliche Gefahr, dass Einzelpins oder Einzelkomponenten nicht durch das Flüssiglot der Schwallötanlage verlötet werden. Ein möglicher Grund hierfür kann die Verschattung durch grössere angrenzende Bauteile sein. Die angrenzenden Bauteile können den Lötstrom beim Schwallöten so verschieben, dass die einzelnen Lötverbindungen nicht durch das Lötzinn nass werden.

Die betreffenden Bauteile haben nach dem Lötprozess freie Lötverbindungen. Die Problematik wird dadurch umgangen, dass die Bauteile bereits bei der Leiterplattenentwicklung entsprechend platziert werden. ? Elektrotechnik 13/2002, Sonderausgabe 50 Jahre Elektrotechnik, Elektronikgeschichte, Seite 84-88. A. Fraioli, "Recent Advances in the Solid-State Electrolytic Capacitor", IRE Tran.