Oberflächenmontage-Technologie treibt die Miniaturisierung der Elektronik voran

Da elektronische Geräte immer kleiner werden und gleichzeitig ihre Leistung steigern, stehen die Anordnungen von Komponenten auf Leiterplatten vor beispiellosen Herausforderungen. Haben Sie sich jemals gefragt, wie diese dicht gepackten, mikroskopisch kleinen Komponenten präzise auf Leiterplatten befestigt werden? Die Antwort liegt in einem hochentwickelten Verfahren namens Surface-Mount Technology (SMT). Diese Methode ist nicht nur ein Eckpfeiler der modernen Elektronikfertigung, sondern auch eine treibende Kraft hinter der anhaltenden Miniaturisierung, dem Leichtbau und der verbesserten Leistung elektronischer Produkte.

Surface-Mount Technology (SMT), ursprünglich als Planarmontage bekannt, ist eine Methode zur direkten Befestigung elektronischer Bauteile auf der Oberfläche von Leiterplatten (PCBs). Komponenten, die auf diese Weise installiert werden, werden als Surface-Mount Devices (SMDs) bezeichnet. In der modernen Elektronikfertigung hat SMT die traditionelle Through-Hole-Technologie weitgehend ersetzt, da sie eine hochautomatisierte Produktion ermöglicht, die Kosten senkt und gleichzeitig die Produktqualität verbessert. Darüber hinaus ermöglicht SMT die Montage von mehr Komponenten auf einer bestimmten Substratfläche.

Die Through-Hole-Technologie ist jedoch nicht vollständig verschwunden. Einige für die Oberflächenmontage ungeeignete Komponenten, wie z. B. große Transformatoren und Leistungshalbleiter mit Kühlkörpern, verwenden immer noch die Through-Hole-Montage. Es ist üblich, dass sowohl SMT- als auch Through-Hole-Technologien auf derselben Leiterplatte verwendet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Through-Hole-Komponenten sind SMT-Komponenten typischerweise kleiner und haben entweder reduzierte Anschlüsse oder gar keine Anschlüsse. SMT-Komponenten können verschiedene Arten von kurzen Pins, flachen Kontakten, Ball Grid Arrays (BGAs) oder Anschlüssen auf dem Bauteilkörper aufweisen.

SMT entstand in den 1960er Jahren, erreichte aber erst 1986 einen Marktanteil von 10 %. Von diesem Zeitpunkt an beschleunigte sich die Einführung rasant. In den späten 1990er Jahren verwendeten die überwiegende Mehrheit der High-Tech-Elektronik-PCB-Baugruppen Surface-Mount Devices. IBM spielte eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung dieser Technologie und demonstrierte den Designansatz erstmals 1960 an einem kleinen Computer, um ihn später im Launch Vehicle Digital Computer zu implementieren, der in den Saturn IB- und Saturn V-Raketen zur Steuerung während des gesamten Fluges verwendet wurde.

In der SMT-Fertigung werden verschiedene Begriffe verwendet, um Komponenten, Techniken und Maschinen zu beschreiben:

Leiterplatten verfügen über flache, typischerweise mit Zinn-Blei, Silber oder Gold beschichtete Kupferpads ohne Löcher an den Stellen, an denen die Komponenten platziert werden. Der Prozess beginnt mit dem Auftragen von Lotpaste (einer klebrigen Mischung aus Flussmittel und winzigen Lotpartikeln) auf alle Pads mithilfe einer Schablone aus Stahl oder Nickel durch Siebdruck. Alternativ können Jet-Druckmaschinen, die Tintenstrahldruckern ähneln, Lotpaste auftragen.

Nach dem Auftragen der Paste wird die Platine zu einer Pick-and-Place-Maschine transportiert, wo die Komponenten - in der Regel auf Papier-/Kunststoffbandrollen, Kunststoffröhren oder antistatischen Trays für große ICs geliefert - präzise positioniert werden. Numerisch gesteuerte Maschinen entnehmen Komponenten aus Zuführungen und platzieren sie auf der Leiterplatte.

Die Platine gelangt dann in einen Reflow-Ofen und durchläuft zunächst eine Vorheizzone, um die Temperaturen allmählich und gleichmäßig zu erhöhen und einen Thermoschock zu verhindern. In der anschließenden Zone werden die Temperaturen hoch genug, um die Lotpartikel zu schmelzen und die Bauteilanschlüsse mit den Leiterplattenpads zu verbinden. Die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots hilft, die Komponenten richtig auszurichten, wenn die Pad-Geometrie richtig ausgelegt ist.

Zu den Reflow-Methoden gehören Infrarotlampen (Infrarot-Reflow), Heißgaskonvektion und Dampfphasen-Reflow unter Verwendung spezieller hochsiedender Fluorkohlenstoffflüssigkeiten. Letztere erlangten mit bleifreien Vorschriften, die eine strengere Prozesskontrolle erforderten, wieder an Popularität. Ab 2008 war das Konvektionslöten mit Standardluft oder Stickstoff am weitesten verbreitet.

Bei doppelseitigen Platinen wiederholt sich der Druck-, Platzierungs- und Reflow-Prozess entweder mit Lotpaste oder Klebstoff. Wellenlöten erfordert Klebstoff, um eine Bauteilverschiebung während des Schmelzens der Lotpaste zu verhindern.

Nach dem Löten können die Platinen gereinigt werden, um Flussmittelrückstände und verirrte Lotkugeln zu entfernen, die Kurzschlüsse verursachen könnten. Kolophoniumflussmittel erfordert Fluorkohlenwasserstoff-, hochsiedende Kohlenwasserstoff- oder niedrigsiedende Lösungsmittel (wie z. B. aus Zitrusfrüchten gewonnenes Limonen), während wasserlösliches Flussmittel deionisiertes Wasser und Reinigungsmittel benötigt, gefolgt von raschem Trocknen. Die meisten Baugruppen verwenden jedoch jetzt "No-Clean"-Verfahren, bei denen gutartige Flussmittelrückstände verbleiben, wodurch Kosten gespart und die Produktion beschleunigt wird. Die Reinigung ist weiterhin ratsam für Hochfrequenzanwendungen (über 1 GHz) oder zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung.

Branchentrends empfehlen eine sorgfältige Bewertung von No-Clean-Verfahren, da eingeschlossene Rückstände unter Komponenten oder Abschirmungen den Oberflächenisolationswiderstand (SIR) beeinträchtigen können, insbesondere bei hochdichten Platinen.

Einige Standards (wie IPC) schreiben die Reinigung unabhängig von der Art des Lötflussmittels vor, um die vollständige Sauberkeit der Platine zu gewährleisten. Obwohl akzeptabel, müssen weiße Rückstände als gutartig dokumentiert werden. Nicht alle Hersteller halten sich an die IPC-Standards, insbesondere bei kostenempfindlichen Produkten.

Die abschließende Sichtprüfung prüft auf fehlende/falsch ausgerichtete Komponenten und Lötbrücken, wobei Nacharbeitsstationen Fehler korrigieren. Die Platinen werden dann Tests unterzogen (In-Circuit und/oder Funktionsprüfung), um den ordnungsgemäßen Betrieb zu überprüfen. Automatisierte optische Inspektionssysteme (AOI) haben sich zur Qualitätsverbesserung bewährt.

• Schnellere automatisierte Montage: Einige Bestückungsmaschinen verarbeiten über 136.000 Komponenten pro Stunde
• Höhere Komponentendichte: Mehr Komponenten pro Flächeneinheit mit erhöhter Konnektivität
• Doppelseitige Bestückung: Komponenten können beide Platinenseiten bestücken
• Erhöhte Verbindungsdichte: Das Fehlen von Löchern ermöglicht mehr Routing-Raum auf den inneren/hinteren Ebenen
• Selbstausrichtung: Die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots korrigiert kleinere Platzierungsfehler
• Verbesserte mechanische Leistung: Bessere Stoß-/Vibrationsfestigkeit durch reduziertes Gewicht und Kantiereffekte
• Geringerer Widerstand/Induktivität: Reduzierte unerwünschte HF-Effekte und vorhersehbareres Hochfrequenzverhalten
• Verbesserte EMV-Leistung: Kleinere Strahlungsschleifen und Leitungsinduktivität minimieren Emissionen
• Weniger gebohrte Löcher: Reduziert zeitaufwändige und teure Bohrvorgänge
• Geringere Produktionskosten: Reduzierte anfängliche Einrichtungskosten und Komponentenausgaben für die Großserienfertigung
• Kleinere Komponenten: SMT-Teile sind im Allgemeinen kompakter als Through-Hole-Äquivalente

• Ungeeignet für Hochbelastungsverbindungen: Komponenten, die häufig mechanischer Belastung ausgesetzt sind (z. B. häufig angeschlossene Steckverbinder), erfordern möglicherweise zusätzliche Montagemethoden
• Risiken durch Vergussmasse: Thermische Zyklen von Einkapselungen können SMD-Lötstellen beschädigen
• Schwierigkeiten bei der manuellen Handhabung: Prototyping und Reparatur erfordern qualifizierte Bediener und Spezialwerkzeuge aufgrund winziger Komponenten und feiner Raster
• Sockel-Inkompatibilität: Viele SMD-Gehäuse können keine Sockel für einen einfachen Austausch/Modifikation verwenden
• Breadboard-Einschränkungen: SMDs funktionieren nicht direkt mit Plug-in-Breadboards und erfordern kundenspezifische Leiterplatten oder Adapterträger
• Zuverlässigkeitsprobleme: Ultrafeine Rasterentwicklungen erzeugen kleinere Lötstellen mit potenziellen Hohlraumproblemen
• Identifikationsherausforderungen: Kleinere Markierungsbereiche erschweren das Lesen von Komponentenwerten/Codes ohne Vergrößerung

Defekte Surface-Mount-Komponenten können mit Lötkolben (für einige Verbindungen) oder berührungslosen Nacharbeitssystemen repariert werden. Letztere werden im Allgemeinen bevorzugt, da SMD-Arbeiten mit Lötkolben erhebliche Fähigkeiten erfordern.

Die Nacharbeit umfasst typischerweise:

1. Schmelzen des Lots und Entfernen der Komponente
2. Entfernen von Restlot (für einige Komponenten)
3. Auftragen von frischer Lotpaste (durch Dosieren oder Eintauchen)
4. Platzieren einer neuen Komponente und Reflow

Die Massennacharbeit identischer Komponenten erfordert Spezialausrüstung, insbesondere wenn sie spät im Produktlebenszyklus entdeckt wird. Es gibt zwei primäre berührungslose Methoden:

Verwendet lang-, mittel- oder kurzwellige Infrarotstrahlung zum Heizen.

Vorteile: Einfache Einrichtung; keine Druckluft erforderlich; gleichmäßige Erwärmung; präzise Temperaturregelung; Prozessdokumentation

Nachteile: Erfordert Abschirmung in der Nähe befindlicher Komponenten; Oberflächentemperatur variiert je nach Reflexionsvermögen; Konvektionsverluste

Überträgt Wärme über erhitzte Luft oder Inertgas (Stickstoff).

Vorteile: Gasumschaltfähigkeit; hohe Zuverlässigkeit mit geeigneten Düsen; schnelle Abkühlung

Nachteile: Langsame thermische Reaktion; teure kundenspezifische Düsen; potenzielle Bauteilschäden durch Turbulenzen; schwierige Temperaturmessung

Kombinieren mittelwellige IR mit Heißluft.

Vorteile: Kombiniert die Vorteile beider Methoden; handhabt große/ungewöhnlich geformte Komponenten; hervorragende Temperaturkontrolle

Nachteile: Erfordert immer noch eine Bauteilabschirmung

Surface-Mount-Komponenten sind typischerweise kleiner als bedrahtete Teile und für die Maschinenhandhabung ausgelegt. Die Industrie hat Gehäuseformen und -größen standardisiert (hauptsächlich durch JEDEC). Ab 2024 umfassen die kleinsten verfügbaren Größen nach 0201 01005, 008005, 008004, 008003 und 006003.

Widerstände: 5 % Toleranz SMD-Widerstände verwenden dreistellige Codes (zwei signifikante Stellen, ein Multiplikator). 1 % Toleranzteile verwenden einen alphanumerischen E96-Seriencode.

Kondensatoren: Nicht-Elektrolytkondensatoren weisen oft keine Markierungen auf und erfordern eine Messung nach dem Entfernen. Elektrolytkondensatoren (typischerweise Tantal) verwenden einen widerstandsähnlichen Code.

Induktivitäten: Kleinere Einheiten erscheinen als Ferritperlen, während größere drahtgewickelte Typen Werte anzeigen können (z. B. "330" für 33 µH).

Halbleiter: Dioden und Transistoren verwenden Zwei-/Drei-Symbol-Codes, die je nach Hersteller und Gehäuse variieren.

ICs: Größere Gehäuse zeigen in der Regel vollständige Teilenummern einschließlich Herstellerpräfixe oder -logos an.