Das Angebot an Federkraft-Printklemmen, die für den Einsatz in der Oberflächen-Löttechnik – der so genannten Surface Mount Technology (SMT) – geeignet sind, ist klein. In der Praxis fällt die Wahl daher in der Regel auf die herkömmlichen bedrahteten Printklemmen, die dann durch zusätzliche Arbeitsgänge aufgelötet werden. Kostengünstiger ist es allerdings oftmals, die Printklemmen direkt in den SMT-Prozess zu integrieren.
Vorteile der Oberflächen-Montage betrachten
Unter SMT versteht man das Aufbringen von Bauelementen, die nicht mit Lötstiften ausgestattet sind, sondern direkt über die Lötpads auf der Leiterplatten-Oberfläche automatisch im Reflow-Ofen verlötet werden. Warum Surface-Mount-Technology? „Seit vielen Jahren wächst die Bedeutung der Technologie in der Elektronikfertigung“, betont Lukas Muth aus dem Bereich Produktmarketing Combicon bei Phoenix Contact in Blomberg und ist überzeugt: „SMT bietet im Vergleich zu bedrahteten Bauelementen viele Vorteile.“ Das sind beispielsweise:
- Optimierung der Kosten durch vollautomatisierte Fertigung.
- Hohe Packungsdichten durch beidseitige Bestückbarkeit der Leiterplatte.
- Hohe Qualität der gefertigten Leiterkarten durch präzise Automatenbestückung auch sehr kleiner Bauteile.
- Mehr Freiraum in der Leiterplattengestaltung durch den Wegfall der Bohrungen für bedrahtete Bauelemente.
- Große Auswahl beim Platinen-Grundmaterial. So werden etwa in der Leuchtenindustrie häufig LED auf Metallkernplatinen aufgebracht. In diesen Applikationen sind bedrahtete Bauelemente umständlich und kostenintensiv zu integrieren.
- Wegfall des Wellenlötschrittes.
Passgenaue SMT-Bauelemente auswählen
Charakteristisch für SMT-Bauteile ist eine kleine und kompakte Bauform, die platzsparend und leicht zu verarbeiten ist. Im Laufe der Jahre entwickelten die Bauelemente-Hersteller immer weitere Bauformen, die für SMT-Prozesse geeignet sind. Mittlerweile existiert eine große Auswahl an Oberflächen-montierbaren Komponenten, beispielsweise Halbleiter, CPUs, ICs, Widerstände, Induktivitäten oder Kondensatoren, die alle automatisiert auf die Leiterplatte aufgelötet werden. Allerdings ist zurzeit die Auswahl an Federkraft-Printklemmen, die sich für eine Oberflächen-Montage eignen, nicht ganz so groß. „Das liegt vermutlich daran, dass die verfügbaren Printklemmen aufgrund der Baugröße nur schwer in SMT-Prozesse integrierbar sind“, begründet Lukas Muth die gegenwärtige Situation. Denn SMT-fähige Federkraft-Printklemmen müssen hohen Anforderungen gerecht werden. So müssen sich die Komponenten zum einen gut in den SMT-Prozessen verarbeiten lassen. Zum anderen muss eine anschließende komfortable Verdrahtung der Baugruppen möglich sein. In den heutigen SMT-Prozessen werden die Bauelemente automatisch der Bestückeinheit zugeführt. Nach der Bestückung wird die Platinen-Baugruppe ebenfalls automatisch im so genannten Reflow-Ofen verlötet und anschließend inspiziert. Von diesen Prozessen leiten sich bestimmte Anforderungen an ein Bauelement ab.
Baulänge und -höhe anpassen
Für die automatische Zuführung von Bauelementen hat sich als gängige Lieferform die Gurtverpackung – Tape-on-Reel – etabliert. Diese Gurte werden auf Rollen gewickelt angeliefert. Die üblichen Standardbreiten der Gurte liegen bei 24, 32, 44, 56 und 72 Millimeter. Die so verpackten Artikel lassen sich dann in den Feeder des Automaten einsetzen. Der zur Verfügung stehende Platz – die Rollenbreite – des Feeder-Tisches ist immer knapp bemessen. Standardbaubreiten zwischen 24 und 56 Millimeter kommen daher bevorzugt zum Einsatz.
Demzufolge handelt es sich bei der Gurtbreite um eine bestimmende Größe für die Baulänge der Printklemmen. Die Bauelemente sollten also in einer möglichst kleinen Standard-Gurtbreite verpackt werden. Die Printklemmen lassen sich dann mit den übrigen Bauelementen in einen Standard-Feeder einsetzen. Gängige Bestückungsroutinen, wie chaotisches Bestücken, können ohne Einschränkungen weiter zum Einsatz kommen.
Je nach Bestückungsautomat steht für Pick-and-Place-Anwendungen eine freie Bestückungshöhe von etwa 25 Millimeter zur Verfügung. Bei Bestückautomaten mit Revolverköpfen fällt die freie Bestückhöhe meist niedriger aus. Die Bauhöhe der Printklemme sollte dann so gering wie möglich sein, damit sie auf möglichst vielen Bestückmaschinen einsetzbar ist. Aufwändige zusätzliche Programmierungen, die bestimmte Reihsequenzen festlegen, entfallen somit. Damit die Printklemme vom Bestückungskopf des Automaten aus dem Gurt entnommen werden kann, muss die Printklemme eine glatte und ausreichend große Ansaugfläche haben. So lässt sich das Bauelement mit Hilfe einer Standard-Vakuum-Pipette aus dem Gurt abholen. Spezielle und somit kostenintensive Greifer oder Spezialpipetten sind dann nicht erforderlich.
Fit für den Lötprozess
Im Anforderungsprofil an den Kunststoff für SMT-Fertigungs-Prozesse steht die kurzzeitige Hochtemperatur-Beständigkeit an erster Stelle. Heute kommen je nach Anforderung Polyamide (PA 4.6) oder flüssigkristalline polymere Polyamide, flüssigkristallines Polymer (Liquid Crystal Polymer, LCP) oder PCT zum Einsatz. Die Anforderung an die Hochtemperatur-Beständigkeit wurde im Zuge der Umstellung auf bleifreie Prozesse deutlich erhöht. Für die meisten Bauteile liegt die obere Grenztemperatur in der Regel zwischen 255 bis 260 Grad Celsius.
Normen beachten
Die Prozessfähigkeit einer Komponente aus einem Hochtemperatur-Werkstoff muss nach der Norm IPC/JEDECJ-STD-020D qualifiziert werden. Im Fokus dieser Norm steht die grundsätzliche Feuchtigkeitsaufnahme in Kunststoffen. Sie kann unter der Temperaturbelastung des Lötverfahrens zur Zerstörung in Form von Blasenbildung, zur Delamination oder zur Deformation des Bauteils führen. Innerhalb dieser Norm werden Schwellwerte für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit (Moisture Sensitive Level, MSL) festgelegt, die die Art der Verpackung sowie die Verarbeitung in einer Atmosphäre festlegen, die für SMT-Prozesse üblich ist. Ein Bauelement, dessen Kunststoff stark Feuchtigkeit aufnimmt (MSL 6), muss daher getrocknet und luftdicht verpackt werden.
Nach Anbruch der Verpackung in der SMT-Fertigung lassen sich dann die betreffenden Bauelemente in einem bestimmten Zeitraum verarbeiten. Die Einhaltung der so genannten Offenzeit, die Kapazitäten bindet, unterliegt in der SMT-Fertigung aufwändiger Kontrollen. Einfacher ist es, Bauelemente mit einer unbegrenzten Offenzeit (MSL 1) zu verarbeiten. Vorteil: Der Anwender muss den Verpackungsanbruch dann nicht beachten.
Optimale Lötbarkeit realisieren
Wie bei allen SMD-Bauelementen müssen die Lotkontaktflächen bestimmte Anforderungen erfüllen. Hier steht gute Lötbarkeit auf der Platinen-Oberfläche im Vordergrund. Viele Spezifikationen fordern eine Koplanarität der Lötflächen zwischen 100 und 200 Mikrometer. Das gilt für die Lötflächen von eventuellen Ankermetallen ebenso wie für die Kontaktlötbeine, da das Bauelement über diese Flächen mit der Platine verbunden wird.
Printklemmen übertragen elektrische Leistung oder Signale und unterliegen beim Anschließen der Leiter hohen mechanischen Belastungen. Schon bei der Konstruktion der Printklemme ist dabei zu beachten, dass alle mechanischen Kräfte nur über die Lötkontaktflächen der Metalle aufgenommen werden können. Weitere Anforderungen leiten sich aus der Bedienung der Klemme ab. Um einen Federkraft-Anschluss zu realisieren, gibt es mehrere Varianten, beispielsweise die Push-In-Schenkelfedertechnik als moderne Technik. „Diese Kontaktart baut sehr klein und erlaubt einen schnellen Leiteranschluss durch ein direktes Stecken der Leiter“, erklärt Lukas Muth den Vorteil. Lediglich beim Anschluss von feindrähtigen Leitern ohne Aderendhülse sowie zum Lösen der Leiter wird die Klemmstelle mit einem Schraubendreher betätigt.
Fazit
Unter Berücksichtigung sämtlicher Anforderungen haben die Blomberger eine Printklemme entwickelt, die sich verarbeitungstechnisch nicht von den etablierten SMT-Komponenten unterscheidet. Damit bietet sich Hardware-Entwicklern jetzt die Möglichkeit, Anschlusstechnik und Baugruppe in nur einem SMT-Prozess kostengünstig fertigen zu lassen. Auch beim späteren Anschließen der Leiter wird der Anwender keine Unterschiede zu einer bedrahteten Printklemme feststellen. „Mit der Federkraft-Printklemme PTSM spart der Anwender viel Platz beim Leiteranschluss“, betont Lukas Muth und ergänzt: „Damit ist das Modul auch optimal für Geräte der LED-Beleuchtungstechnik geeignet. Trotz der niedrigen Bauhöhe von nur fünf Millimeter erlaubt der robuste Federkraftanschluss das bequeme Be- und Entschalten von Leitern bis 0,75 Quadratmillimeter.“
(Stefanie Eckardt)
