AOI-optimiertes Design für miniaturisierte Steckverbinder

Die Entwicklung hin zur Integrated Industry vereint immer mehr die Schlagworte Leistungsdichte und Kompaktheit in sich. Kleine Raster von 0.5 mm und 0.8 mm gewinnen in der Leiterplattenfertigung zunehmend an Bedeutung. Durch diesen Trend werden Elektronikbaugruppen im Steuerungs-, Maschinen- und Sondermaschinenbau immer kleiner. Auch die Steckverbinderhersteller reagieren und entwickeln immer kompaktere Produkte. Trotz der angestrebten Miniaturisierung müssen diese weiterhin einfach zu verarbeiten und zu bedienen sein. Bei SMT-Steckverbindern stellt sich außerdem die Herausforderung des akkuraten Lötens und der optimalen Meniskusbildung, um eine qualitativ hochwertige Schaltung zu erzielen.

Der ungeschirmte Zero8: Ein schwarzer Isolierkörper und silberne Kontakte eignen sich sehr gut für eine automatische optische Inspektion. ept

Prozesssichere Kontrolle der Produktqualität

Es kann jedoch immer passieren, dass beim Bestücken durch den Bestückungsautomaten oder beim anschließenden Lötprozess Fehler auftreten. Diese äußern sich beispielsweise als fehlende oder falsch bestückte Bauteile. Weitere Fehler können verdrehte oder versetzte Bauteile, nicht oder unzureichend gelötete Bauteilanschlüsse (Pins) oder Kurzschlüsse und Verunreinigungen zwischen den Pins sein. Hier kommt die automatische optische Inspektion ins Spiel. Sie dient der Kontrolle bei Leerleiterplatten, Keramiksubstraten, Pastendruck, Bestückungsvorgängen und der Überwachung bei Verlötungen. Die AOI-Systeme helfen auch dabei, die technische Sauberkeit zu überprüfen.

Oberstes Ziel ist die Fehlererkennung im Sinne der Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit nach der Norm IPC-A-610 des amerikanischen Fachverbandes IPC. Sie beinhaltet eine Zusammenstellung von Abnahmekriterien für die visuelle Inspektion elektronischer Baugruppen. Die IPC-Organisation veröffentlicht Industriestandards und Kriterien zur Bewertung verschiedener Bauelemente im Bereich der Elektro- und Elektronikindustrie. So definiert sie auch, welche Anforderungen an Leiterplatten, Chipgehäuse und das Löten in der Elektronik gestellt werden.

Höchste Anforderungen an Funktion und Leistung

Die IPC-A-610 hat sich mittlerweile zum Weltstandard entwickelt, weshalb auch Steckverbinderhersteller dazu angehalten sind, ihre Produkte daran im Sinne der Produktqualitätsoptimierung und Produktzuverlässigkeit auszulegen. So ist der neue SMT-Steckverbinder Zero8 von ept unter Berücksichtigung der Toleranzkettenbetrachtung für die höchste Klasse 3 gemäß IPC-A-610 Ausgabe G ausgelegt. Die IPC-Klasse 3 steht für Hochleistungselektronik, bei der Ausfälle ausgeschlossen sein müssen. Produkte, die in diese Klasse eingeordnet werden, müssen kontinuierlich eine hohe Leistungs- und Funktionssicherheit gewährleisten sowie eine ununterbrochene Leistungsbereitstellung ermöglichen.

Wenn die Fußlänge (L) weniger als drei Anschlussbreiten (W) beträgt, ist die minimale Länge der Lötstelle an der Seite (D) 100 Prozent (L). ept

Wenn die Fußlänge (L) weniger als drei Anschlussbreiten (W) beträgt, ist die minimale Länge der Lötstelle an der Seite (D) 100 Prozent (L). ept

Damit bei der neuen Steckverbinderfamilie Zero8 sichergestellt ist, dass im Rahmen der vollautomatisierten Baugruppenfertigung eine optimale Prüfung erfolgt, hat ept bei der Entwicklung dieses neuen Steckverbinders mit dem Inspektionssystem-Hersteller Viscom zusammengearbeitet. Die automatische optische Inspektion wird bei SMT-Lötverfahren mit immer kleineren Strukturen, engeren Pitch-Abständen und nah aneinander liegenden Lötpads eingesetzt, denn mit bloßem Auge lassen sich die Lötstellen nicht mehr kontrollieren. Die Bildverarbeitungsanlagen helfen mit großer Präzision und hoher Geschwindigkeit, die vorgeschriebenen essenziellen Parameter zu überprüfen. Aufwand und Ergebnis sind dabei stark vom Kontaktdesign des jeweiligen SMT-Steckverbinders abhängig. Um eine automatische optische Inspektion zu erleichtern, sollten deswegen definierte Designrichtlinien beachtet werden.

Farblicher Kontrast und andere relevante Eigenschaften

Die Kontaktdesign-Entwicklung bedeutet anfangs einen einmaligen Mehraufwand. Dieser zahlt sich jedoch später aus, da Programmierzeiten reduziert, Pseudofehler minimiert und die Fehlerdetektionen verbessert werden. Unter der Überschrift „Simultaneous Engineering“ definierten Viscom und ept eine Reihe von Testobjekten. In Zusammenarbeit legten die Produkt- und Vorentwicklung von ept sowie die Entwicklungsingenieure von Viscom fest, wie die Isolierkörperkontur sowie die Farbe der Kontakte und des Isolierkörpers auszusehen haben, um optimal für die AOI-Überprüfung angepasst zu sein.

Der farbliche Kontrast zwischen Isolierkörper und Kontakten sollte besonders groß sein, um den Kameras eine deutliche Unterscheidung zwischen beiden Bauteilen zu ermöglichen. Genauso wurden unter diesem Aspekt die Bauteilhöhe, der Abstand zwischen Lötpad und Kontakt sowie die Kontaktlänge entwickelt. Es folgte eine erste Fertigung von Testplatinen, die daraufhin ausgiebig in den Viscom-Systemen getestet und bewertet wurden. Im nächsten Schritt wurden die Einflussparameter der AOI-Anlagen definiert: Der Winkelverlauf vom Lötmeniskus wurde in einem Farbverlauf für die Bewertung der Lötstelle reflektiert.

Anhand der Reflektion unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln lassen sich die Meniskusbildung sowie die Kurzschluss- und die Verunreinigungsprüfung automatisiert beurteilen. Diese Erkenntnis ist in den finalen Entwicklungsstand des Zero8 eingeflossen und wurde auf orthogonale und geneigte optische Inspektionen ausgelegt. „Die Anforderungsdefinition für die AOI-Fähigkeit für Steckverbinder ist nur mit einem Hersteller der AOI-Systeme möglich. Eine klassische Anforderungsanalyse beim Endkunden ist nicht ausreichend, um alle Parameter festlegen zu können“, erklärt Martin Adamczyk, Produktmanager von ept. Im Weiteren durchleuchtete Viscom zur Prozessabsicherung die Stecker in der Entwicklungsphase noch zusätzlich mit einem AXI-System. Hier lag der Fokus in der Absicherung, sodass die optisch sichtbaren Lötmenisken mit den röntgentechnisch erkannten Menisken äquivalent sind.

Die Steckverbinderfamilie Zero8 mit ScaleX. Scale steht für eine variabel skalierbare Steckverbinderfamilie, die sich anwendungsspezifisch adaptieren lässt.
ept

Ergebnisse der gemeinsamen Arbeit

Um eine möglichst hohe AOI- und Prozesssicherheit sicherzustellen, musste die Baugröße des Steckers auf ein definiertes Maß festgelegt werden. Die Vorentwicklung bei ept und die Produktentwicklung von Viscom achteten darauf, dass bei diesem Verhältnis ein guter Kompromiss zwischen Miniaturisierung und Prozesssicherheit entsteht: Der Zero8 wurde deswegen auf ein Rastermaß von 0,8 mm definiert. Mit dieser Rastermaßgröße ist eine einwandfreie automatisierte optische Inspektion der Lötstellen möglich. Außerdem ergab die Testreihe, dass sich Isolierkörper in Schwarz, bestückt mit silbernen Kontakten, am besten für die automatisierte optische Inspektion eignen. Die AOI-Validierung wurde mit dem Viscom-System S3088 ultra und dessen leistungsstarker XM-Sensorik durchgeführt.

Neben Isolierkörperkontur sowie Farbe der Kontakte und des Isolierkörpers wurde in Zusammenarbeit auch das Kontaktdesign des Zero8 hinsichtlich seiner Funktionalität optimiert. Herausgekommen ist eine neuartige Verbindungstechnologie namens ScaleX, die durch eine doppelseitige Kontaktierung eine robuste, dauerhafte High-Speed-Datenübertragung von bis zu 16 Gbit/s ermöglicht, auch unter schwierigen Bedingungen wie Schock und Vibration. Um High-Speed-Signale im industriellen Umfeld störungsfrei übertragen zu können, wurde außerdem ein beidseitiges Schirmkonzept für den Zero8 angelegt. Der Name ScaleX verrät überdies ein weiteres Merkmal: Scale steht in diesem Sinne für eine variabel skalierbare Steckverbinderfamilie, die sich Kunden in der Art der Leiterplattenverbindung (parallel, rechtwinklig oder horizontal), Pinanzahl (12 bis 80 Pins) und Bauhöhe (6 mm bis 20 mm Leiterplattenabstand) selbst zusammenstellen können.

Weitere Einflussgrößen im späteren Fertigungsprozess

Bei diesem neuen Produkt ist damit auf der gefertigten Baugruppe eine sehr hohe Fehlererkennbarkeit gewährleistet. „Wir haben uns sehr darüber gefreut, ept beratend zu unterstützen. Diese Kooperation ist ein gutes Beispiel dafür, wie sinnvoll es ist, AOI-relevante Kriterien schon während der Entwicklungsphase zu erarbeiten und später in die Serienfertigung zu überführen“, betont Detlef Beer, Leiter des Geschäftsbereichs Serienprodukte von Viscom. Abweichungen bei der Bestückung zum Beispiel können allerdings von der Stecker-Entwicklung nur bedingt kompensiert werden, etwa durch eingeplante Toleranzen oder den Einsatz von Winkel-, Mitten- oder Querversatz.

Die Entwickler müssen mit Ungenauigkeiten der Bestückungsmaschinen rechnen und fehlerhafte Benetzungen durch zu große Lotpastendicke mit einplanen. Auch wenn Padgröße und Position nicht korrekt sind oder der Lötprozess nicht optimal verläuft (beispielsweise zu hohe Temperatur oder zu geringe Geschwindigkeit), kann es zu Problemen bei der Lötstelle kommen. Die Erkennung solcher Fehler übernehmen an verschiedenen Prüftoren in der Fertigungslinie modernste Inspektionssysteme von Viscom.

Bild a+b+c: Aus orthogonaler und geneigter Perspektive ermöglichen Reflektionen die sichere automatisierte Beurteilung der Meniskusbildung. Viscom

Bild b Viscom

Bild c Viscom

Festlegung einer idealen Lötgeometrie

Gemäß der Norm IPC-A-610 Ausgabe G und auf Basis der AOI-Ergebnisse von Viscom wurde für den SMT-Steckverbinder Zero8 nicht zuletzt auch eine optimale Lötgeometrie entwickelt. Die dabei zu beantwortenden Kernfragen waren: Wie muss bei diesem Produkt eine gute Lötverbindung aussehen und wie ein idealer Lötmeniskus beschaffen sein? Daraus resultieren viele Aspekte, die es zu beachten gilt. In Verbindung mit einer optimalen Benetzung soll nur so viel Lot an der Lötstelle verwendet werden, dass die Kontur der Bauteilanschlüsse weiterhin sichtbar bleibt.

Der Winkel zwischen einem Tropfen des flüssigen Lots und dem Grundwerkstoff wird Benetzungswinkel genannt, dieser darf die 90 Grad nicht überschreiten. Die Lötstellenoberfläche muss konkav geformt sein und am zu verlötenden Anschluss eine flach auslaufende Kante aufweisen. Der maximale Spitzenüberhang und Seitenüberhang ist so zu wählen, dass der minimale elektrische Isolationsabstand nicht verletzt wird. Beim Seitenüberhang ist zudem darauf zu achten, dass der Überhang nicht größer als 25 Prozent der Anschlussbreite ist. Die Länge des geformten Fußes, Anschlussdicke und Anschlussbreite sind abhängig von der Bauteilkonstruktion. Das Lot an der Ferse sollte über die Dicke des Anschlusses reichen, minimal bis zur Mitte der äußeren Biegung und maximal bis zur oberen Anschlussbiegung. Die Anschlussbiegung sollte nicht gefüllt sein und das Lot nicht den Bauteilkörper berühren. Die minimale Breite am Ende der Lötstelle muss 75 Prozent der Anschlussbreite betragen. Die minimale Länge der Lötstelle an der Seite sollte der Fußlänge entsprechen (wenn Fußlänge < 3 x Anschlussbreite), beziehungsweise gleich oder größer drei Anschlussbreiten sein (wenn Fußlänge > 3 x Anschlussbreite).

Volumen, Oberflächenspannung des Lotes und Größe der benetzbaren Fläche sind ausschlaggebend für die Form des Meniskus. Außerdem sollten die Flächen in einer tangentialen Kurve miteinander verbunden sein. Es ist diese konkave Ausbildung, die als Meniskus bezeichnet wird. Hinsichtlich der Sauberkeit der Lötstelle dürfen sich zudem keine Lotreste außerhalb der Lötstelle befinden und die Lötstelle selber muss sauber und gleichmäßig sein.

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(mrc)