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Softlock-Technik

Reduzierung von Prozesskosten
Softlock-Technik

Durch die Softlock-Technik von Würth Elektronik und dem Backside-Reflow-Verfahren von Endress+Hauser können jetzt bedrahtete Bauteile an der Unterseite einer Leiterplatte hängend im Reflow-Verfahren gelötet werden. Grundlage für die Entwicklung der Softlock-Technologie für Leiterplatten war die von Endress+Hauser entwickelte Backside-Reflow-Fertigungsmethode zum Löten mischbestückter Leiterplatten.

Andreas Bensch, Würth Elektronik, Niedernhall

Die meisten elektronischen Baugruppen werden heutzutage in Mischbestückung produziert, wobei der Anteil an bedrahteten Bauteilen im Durchschnitt lediglich ca. 5% beträgt. Grundsätzlich kann man sagen, dass aus Gründen der Fertigungstechnik und natürlich wegen nötiger Kostenreduzierungen eine möglichst 100%ige SMD-Lösung angestrebt wird.
Da aber nicht alle Bauteile als SMD-Variante verfügbar, oder wegen ungenügender Temperaturbeständigkeit im herkömmlichen Reflow-Prozess nicht verarbeitbar sind, ist für einen Großteil der Baugruppen mit beidseitiger SMD-Bestückung und zusätzlichen THT-Bauteilen ein dritter (eigentlich unerwünschter) Lötprozess leider unumgänglich.
Wellenlöten, Selektivlöten oder Handlöten sind gängige Verfahren für diesen dritten Lötprozess.
Im Hinblick auf mögliche Kostenreduzierungen für den gesamten Fertigungsprozess ist es wichtig, alle Einzelschritte mit den dazugehörigen Nacharbeitskosten, qualitätssichernden Maßnahmen usw., zu betrachten.
Der Gedanke, einen Lötprozess einzusparen und damit eine enorme Kostenreduzierung zu ermöglichen, war auch der Beweggrund für das Elektronik Entwickler-Team der Firma Endress+Hauser (Maulburg), im Mai 2003, mit der Bitte um Unterstützung an Würth Elektronik heran zu treten.
Ziel war es, eine Möglichkeit zu finden, die mechanische Fixierung der THT-Bauteile während des Lötprozesses durch die Leiterplatte selbst (Bild 2) zu realisieren. Damit sollte es ermöglicht werden, Bauteile kopfüber hängend, im Reflow-Verfahren gleichzeitig mit dem zweiten SMD-Lötvorgang zu löten.
Fehlermöglichkeiten wie z.B. Lötpastenverschleppung und der daraus folgenden unbefriedigenden Ausbildung von Lötstellen des bisher bekannten Verfahrens „pin-in-paste“ könnten auf diese Weise verhindert werden.
Für das von Endress+Hauser in Zusammenarbeit mit Rehm Anlagentechnik bereits entwickelte patentierte „Backside-Reflow-Verfahren“ fehlte also nur noch die Lösung zur Fixierung der THT-Bauteile auf, bzw. an der Unterseite der Leiterplatte.
Lösung durch Softlock
Softlock heißt die von Würth Elektronik und Endress+Hauser entwickelte, und zum Patent angemeldete, maßgeschneiderte Lösung für diesen Kundenwunsch. In enger Zusammenarbeit mit den Prozesstechnologen von Endress+Hauser wurde für die in den Baugruppen enthaltenen THT-Bauteile Lösungen durch Würth Elektronik erarbeitet.
Die besondere Herausforderung lag nun darin, eine Möglichkeit zu finden, Bauteile so in der Leiterplatte zu verankern, dass sie – ohne herauszufallen – kopfüber gelötet werden können. Dazu ist es nötig, durch bauteilspezifische Gestaltung der Bohrungsgeometrie (Beispiel siehe Bild 3) zum einen dafür zu sorgen, dass die manuelle oder automatische Bestückung mit dem nötigen geringen Kraftaufwand erfolgt, aber auch die Haltekräfte groß genug sind, um die Bauteilmasse sicher zu halten. Im Gegensatz zur Einpresstechnik sind bei Softlock keine speziellen Bauteile nötig. Ebenso wird die Hülse (in der Leiterplatte), die zum Bauteilanschluss gehört, nicht verformt oder beschädigt.
Das Know-how besteht hier in der gezielten Ausnutzung der vorhandenen Toleranzen der Bauteilanschlüsse, in Kombination mit einer bauteilspezifischen Bohrungsgeometrie.
Leiterplatten in Softlock-Technologie machen es mit Hilfe solch spezieller Bohrlochgeometrien möglich, dass bedrahtete Bauteile eigenständig von der Leiterplatte nach dem Bestücken festgehalten werden.
Durch das Backside-Reflow-Verfahren kann man, bei beidseitig SMD-bestückten Baugruppen, die zusätzlich bedrahtete Bauteile aufweisen, einen Lötprozess einsparen. Damit geht auch eine Verkürzung der Prozesskette einher, sowie eine Kostenreduktion im Bereich Invest, Fläche, Material, Personal und Durchlaufzeiten. Der geringe Mehraufwand bei der Herstellung dieser Leiterplatten ist, verglichen mit dem Einsparpotenzial im Gesamtprozess, eher unbedeutend, zumal selbst bei vielpoligen Bauteilen nur wenige Anschlussbohrungen in Softlock-Technik ausgeführt werden müssen.
Weitere Einsatzgebiete
Neben dem Einsatz im Backside-Reflow-Prozess entfaltet Softlock seine Vorteile auch bei vielen anderen Verfahren, zum Beispiel beim Wellen-, Selektiv- und Handlöten.
Durch den Wegfall aufwändiger Haltevorrichtungen können beispielsweise beim Wellenlöten, sowohl bei kleineren bis hin zu größeren Serien, die Stückkosten extrem reduziert werden.
Beim Selektivlöten sowie beim Handlöten dienen kostenintensive Hilfsmittel ebenfalls oft „nur“ der Aufgabe, die THT-Bauteile während des Lötprozesses in der korrekten Lage zu halten. Auch hierfür bieten Leiterplatten mit Softlock-Technologie die optimale Lösung.
Ideal ist natürlich, wenn die beschriebenen zusätzlichen Prozesse durch den Einsatz des Backside-Reflow-Verfahrens völlig entfallen können. Da in diesem Fall kein „Wellenlötdesign“ nötig ist, kann schon bei der Layoutgestaltung eine Reduzierung der Leiterplattenfläche von ca. 10 bis 20% erreicht, und somit weiter zur Kostenoptimierung beigetragen werden.
Ein weiterer, hochinteressanter Aspekt für den Einsatz von Softlock-Leiterplatten im Backside-Reflow-Verfahren ist die Tatsache, dass auch Bauteile im Reflow-Verfahren verarbeitet werden können, die zuvor auf Grund ihrer Temperaturempfindlichkeit nicht reflowfähig waren.
Der von rehm Anlagenbau entwickelte Reflow-Ofen verfügt über die Möglichkeit, die Baugruppe beim Löten von der Unterseite aktiv zu kühlen. Dadurch werden die an der Unterseite hängenden Bauteile nur einer Temperatur bis zu 100 K unterhalb der Peak-Temperatur ausgesetzt. Gleichzeitig herrscht aber unmittelbar an der Lötstelle der Leiterplattenunterseite die gewünschte Löttemperatur.
Resümee
Die Vorstellung der Softlock-Technologie war eines der Highlights von Würth Elektronik auf der electronica 2004. Die Resonanz war ausgesprochen gut, da auf der einen Seite die Reduzierung von Prozesskosten, aber auch die Thematik „Reduzierung der Anzahl der Lötprozesse“ – gerade im Hinblick auf „Bleifrei-Prozesse“ – diese Technik interessant machen. In enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden ist das Unternehmen in der Lage, bauteilspezifisch Softlockbohrungen zu entwickeln und darauf aufbauend Standards zu definieren.
Die im Serienanlauf bei der Firma Endress+Hauser gesammelten Erfahrungen und Lösungsansätze fließen bei Würth Elektronik in eine Datenbank ein, die zusätzlich ständig erweitert wird durch die bauteilspezifischen Softlock-Lösungen aus speziellen Kundenprojekten. Betrachten auch Sie den Gesamtprozess der Fertigung Ihrer elektronischen Baugruppe kritisch, um mögliche Kostenoptimierungspotenziale aufzuspüren. Die Anwendung der Softlock-Technologie bietet hervorragende Lösungen, bei deren Umsetzung wir gerne zur Seite stehen.
SMT, Stand 9-233
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