Durchgängiger SMT-Fertigungsprozess

Michael Sturm, Weidmüller, Rödermark

Der Trend Baugruppen in Oberflächenmontage herzustellen setzt sich kontinuierlich durch. Letztlich sind nur noch einige Sonderbauelemente – hauptsächlich elektromechanische Komponenten wie Steckverbinder, Relais, etc. – noch nicht in SMT-Bauformen erhältlich. Die Kostenreduzierung durch SMT im Fertigungsprozess beruht darauf, dass sich die Prozessschritte und die damit verbundenen Investitionen reduzieren lassen. Sobald eine Baugruppe nur noch einen Bestückungsautomaten und nur ein Lötverfahren benötigt, entfallen kostenintensive manuelle Tätigkeiten, Prozesslogistik und zusätzliche Produktionsflächen. Daraus ergibt sich ein Einsparungspotential von bis zu 30 % gegenüber herkömmlichen Fertigungsprozessen.

Through-Hole-Reflow (THR) oder auch Pin-in-Paste (PIP) ist ein Verfahren, das ergänzend zur konventionellen SMT-Bestückung die bisherigen Schritte Hand-/Wellenlöten für Durchsteck-Bauteile (THT) eliminiert. Der Vorteil liegt dann darin, SMT-Bauteile zusammen mit bedrahteten Anschlusskomponenten auf die SMT-Leiterplatte zu setzen und im Reflow-Prozess zu verlöten. Damit man THT-Bauteile im Through-Hole-Reflow-Verfahren verarbeiten kann, müssen diese an den SMT-Prozess konstruktiv angepasst werden.

Der erste Schritt im SMT-Fertigungsprozess ist der Lotpasten-Aufdruck. Hier haben die kurzen 1,5-mm-Stifte (Leiterplatte 1,6 mm) der Weidmüller Stiftleiste SL-SMT den Vorteil, dass sie nur wenig Lotpaste benötigen. Der Fertigungsschritt kann daher mit normalen Einschichtschablonen für Fine-Pitch-Technik ausgeführt werden. Entscheidend für erfolgreiches Reflow-Löten mit THR-Stiftleisten ist ein entsprechendes Layout im Bereich des Bohrloches und der Schablone für den Pastendruck. Für eine automatische Bestückung empfiehlt sich ein großes Bohrloch von 1,4 mm (+0,1 mm) Durchmesser. Auf der anderen Seite müssen für eine optimale Füllung der Bohrung die Lötaugen möglichst klein sein. In der Praxis hat sich ein Lötauge von 2,3 mm bewährt. Der Durchmesser des Schablonenlochs wird von folgende Daten beeinflusst: Dicke der Schablone, Durchmesser des Bohrlochs, Dicke der Leiterplatte und den Schrumpfungsgrad der Lotpaste. Ausgehend von 0,15 mm Schablonendicke, 1,6 mm Leiterplattendicke, 2,3 mm Lötaugen-Durchmesser und einem ca. 50-%igen Volumenverlust bei der Lötpaste empfiehlt Weidmüller ein Loch mit 2,8 mm Durchmesser.

Die nächste Station ist das automatische Bestücken: Die SL-SMT kann mit Standard Pick&Place-Systemen bestückt werden. Sie ist in Tray- (Tablett) oder Tape-on-Reel-Verpackungen (Gurt) für den Einsatz in Feedern verfügbar. Der Gurt hat eine Breite von 56 mm oder optional 32 mm und besteht aus antistatischen Polystyrol (PS). Die Rolle in der Größe von 330 mm – optional 380 mm oder 560 mm (nur Pappe) – ist für Standard-Feeder konzipiert und besteht ebenfalls aus antistatischen Polystyrol. Optional ist sie in volumenleitfähigem PS bzw. Pappe lieferbar. Aufgrund der normgerechten Verpackungen (IEC/EN 60286) hat der Anwender die freie Wahl des Rüstkonzeptes. Die Verpackungen sind antistatisch und somit ESD-fähig. Für eine eventuelle Handmontage ist die SL-SMT auch als Schüttgut lieferbar.

In der Pick&Place-Station wird die Stiftleiste mittels Vakuumpipette aus dem Feeder oder Tray entnommen. Der Vorgang wird bei der vertikalen Ausführung (180°) durch ein Pick&Place-Pad unterstützt, das zum Lieferumfang gehört. Das Pad befindet sich, um einen optimalen Ansatzpunkt für die Pipette zu bieten, in der Mitte der Stiftleiste. Für die rechtwinkelige, horizontale Version (90°) ist das Pad nicht erforderlich. Aufgrund der niedrigen Bauhöhe lässt sich die Stiftleiste auf den gängigsten Bestückungsautomaten verarbeiten.

Die Stiftleiste wird aus hochtemperaturfestem halogenfreiem LCP (Liquid Cristal Polymer) gefertigt. Der Schmelzpunkt von LCP beträgt 335 °C, so dass die Leisten auch bei 260 °C noch formstabil sind. Das gilt selbst dann, wenn die Baugruppe mit dieser hohe Temperatur mehrere Minuten lang beaufschlagt wird. Der Kunststoff hat im Lötprozess ein ähnliches Temperaturverhaften wie die Leiterplatte, so dass beim Löten keine Spannungen entstehen. Daher eignen sich die Stiftleisten für alle gängigen Reflow-Lötprozesse wie: Infrarot, Konvektion und Dampfphase. Der Kunststoff ist frei von Halogenen, Phosphor und Asbest. Er enthält keine Farbpigmente, die auf Cadmiumbasis aufgebaut sind. Aufgrund seiner chemischen Struktur hat er auch ohne den Einsatz von Flammschutzmitteln eine sehr gute Brandresistenz. Die SLSMT entspricht der Brennbarkeitsklasse V0 nach UL 94. Ingenieure sprechen vom sogenannten inhärentem Flammschutz. Sie sind zudem voll recycling-fähig.

Die Länge der Lötstifte von 1,5 mm gestattet ein beidseitiges Bestücken von Leiterplatten mit 1,6 mm Stärke und somit eine freie Wahl der Bestückseite. Die Lotpaste kann dabei mit den üblichen Schablonen auf beiden Seiten aufgetragen werden.

Durch das Design der Stiftleiste kann die Qualität der Lötstelle durch eine optische Inspektion des Lotmeniskus unter dem Bauteil überprüft werden. Ein Schliffbild zeigt auch die optimale Füllung des Loches der Durchkontaktierung gemäß den Anforderungen der amerikanischen IPC – ein in der Elektronikfertigung weltweit bekannter Qualitätsstandard. Außerdem garantieren die Stifte der SL-SMT eine bis zu zehnmal höhere mechanische Festigkeit gegenüber Gull-Wing-SMT-Oberflächenkontakten.

Die SL-SMT ist sowohl im 3,5- als auch im 5,08-mm-Raster designkompatibel zu den Standard-Stiftleisten. Sie ist in den üblichen Abgangsrichtungen zur Leiterplatte lieferbar und mit offenen oder geschlossenen Enden, oder mit Flansch für eine sichere Befestigung der Buchsenleiste an der Stiftleiste erhältlich. Zur Auswahl stehen Schraub-, Zugfeder- oder Schneidklemm-Anschluss.

EPP 170