SMD/THR Anschlusstechnik auf der Leiterplatte

Fachvortrag
SMD/THR Anschlusstechnik
auf der Leiterplatte
ITC/25.08.2015/UB.
In Kooperation mit …
Ver. F/1.2
Wir bieten ein breites Produkt- und Lösungs-Portfolio
Unsere Divisionen
Elektronik
Applikationsspezifische
Lösungen
Geräteanschlusstechnik
Elektrische
Verbindungstechnik
Elektronische
Interfacetechnik
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Zwei Verfahren für “Surface-Mount Technology“ (SMT)
Surface-Mount Device (SMD)
Through Hole Reflow (THR)
Die 8 Prozessschritte der SMT-Technologie
1.
Leiterplatte mit Bohrung und
SMD-Pad
THR
SMD
2.
Schablone positionieren
3.
Lotpaste auftragen
4.
Lotpaste in LeiterplattenBohrloch und auf Pad
Die 8 Prozessschritte der SMT-Technologie
5.
Bestücken
THR-Bauteilstift und SMD-
6. Gullwing in Lotpaste setzen
7.
Reflow-Löten
8.
Qualitätskontrolle: Fertige
Lötstellen beurteilen
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Produktanforderungen für den Fertigungsprozess
Automatische Bestückung
• Aufnahme am Bestückungskopf
• Glatte Ansaugfläche der Komponente
• Pick and Place-Pads
• Niedriges Bauteilgewicht
Zuführung der Bauteile
• Automatengerechte Verpackung
• Tray / Tape on Reel / Tube
Lötvorgang
• Hochtemperaturfeste Materialien
• Optimierte Wärmezufuhr
• Stand-Offs
• Ausreichend Freiraum im Lötbereich
Abnahmekriterien für Baugruppen nach IPC-A-610 E
• Klasse 1 – Allgemeine Elektronikprodukte
• Keine erhöhten Anforderungen an die Funktion
• Klasse 2 – Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen
• Produkte mit stetiger Funktion
• Unterbrechungsfreier Betrieb nicht kritisch
• Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle
• Klasse 3 – Hochleistungselektronik
• Kontinuierliche hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung
• Funktionsausfall nicht zulässig
• Für raue Einsatzumgebungen
Bewertung der Baugruppe wird durch den Kunden bzw. Anwender festgelegt
Qualitätsanforderungen nach IPC-A-610 (Klasse 3)
• Beurteilungskriterien gemäß Norm:
• Vertikale Lotfüllung (Füllgrad) muss min. 75% betragen
• Umfangsbenetzung von Primärseite Anschluss und Hülse darf 270° nicht unterschreiten
• Umfangsbenetzung der Sekundärseite darf 330° nicht unterschreiten
Vertikale Lotfüllung (Füllgrad):
Umfangsbenetzung und Lotbenetzung:
Primärseite:
Sekundärseite:
330 °
100%
270 °
Stiftlängen von 1,50 mm optimieren Ihren Fertigungsprozess
1,50 mm
• Doppelseitige Bestückung bei Leiterplattenstärke ≥ 1,50 mm
• Kostenreduktion durch Minimierung des Pastenvolumens
• Prozessbeschleunigung durch optimale Temperaturannahme
• Problemloses Ausgasen der Flussmittel im Lötprozess
Hochpräzise Stiftleisten minimieren Bestückungsfehler
• Positionstoleranz der Kontakte gemäß Norm IEC
61760-3
• Die Positionstoleranz der Lötstifte ist kleiner +/0,1mm um die Null-Lage
Hochleistungskunststoff LCP ideal für den SMD/THR-Prozess
• Moisture Sensitivity Level (MSL) 1 – unbegrenzte Lagerung und Verarbeitung ohne Vortrocknung
• Größte Dimensionsstabilität und Rastertreue im Bestückungsprozess
• Hochtemperaturfest – in allen gängigen Lötverfahren
• Ausdehnungsverhalten ähnlich den üblichen Leiterplattenmaterialien (FR4)
• Halogenfrei nach RoHS
Zwei Lötpads pro Pol erhöhen die mechanische Stabilität
• LSF-SMD Leiterplattenklemmen erfüllen höchste Ansprüche an die mechanische Fixierung ohne
zusätzliche Befestigungsflansche
LSF-SMD-Leiterplattenklemmen erfüllen höchste Ansprüche
• Koplanarität:
• Gibt die Höhendifferenz zwischen den Pins an
• Die LSF-SMD Leiterplattenklemme weist eine Koplanarität von
maximal 100 μm auf
• Mechanische Stabilität:
• Die axialen Auszugkräfte liegen pro Klemmstelle deutlich über den normativ
zulässigen Werten nach IEC 60947-7-4. Haltekräfte pro Pol von über 150 N
• Vibrations- und Schockfestigkeit:
• Schock nach IEC 61373/10.2011 mit einem Schärfegrad der Kategorie 1B
Die Verwendung von Lötflanschstiften erhöht die Ausreißkräfte
Lötflanschstift zur Fixierung
• Vorteile:
• Fixierungsschraube entfällt
• Schützt die Lötstellen vor mechanischem Dauerstress
• Zusätzliche Ausreißkraft von ca. 150 N pro
Lötflanschstift
Flexible Fertigung durch modulare Stiftleiste (System SL-SMarT)
• Anforderung:
• Höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten mit Pick & Place Automaten
• Reduzierte Anzahl Artikelnummern
• Verarbeitung von hochpoligen Stiftleisten mit Pick & Place
• Umsetzung:
• Modulares System
• 2- und 3-polige Stiftleistenmodule
• Nur 2 Gurtfördersysteme erforderlich
• Vorteil:
• Optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit
• Geringere Kosten
modular
aufgebaute
Stiftleiste
Empfohlenes Reflow Lötprofil für Weidmüller Komponenten
Vorheizphase
Aktivierung
Lotpaste
Schmelztemp.
217°C - 221°C
Max. Temperatur
245°C - 254°C
10 - 40 sec.
Langsames
Abkühlen
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (THR)
Bestückungslochdurchmesser
d
• Für THR-Lötstellen ist gegenüber dem Wellenlöten
ein etwas größerer Bestückungslochdurchmesser
empfehlenswert, da der Aufschmelzvorgang der Paste
in der Bohrung ausreichend Raum benötigt
dA
• Faustformel für Bestückungslochdurchmesser (dI):
• Für runde oder oktogonale Lötstifte: dI = d + min 0,3 mm
• Für rechteckige Lötstifte: dI = d + min 0,25 mm
R
dI
dI = Innendurchmesser Bestückungsloch
dA = Aussendurchmesser Bestückungsloch
d = Lötstiftdurchmesser
R = Restringbreite
Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (THR)
Lötaugendurchmesser
• Empfohlener Lötaugendurchmesser für Durchsteck-Lötstellen:
• dA = dI + 2*R
• Üblicherweise beträgt die Restringbreite R = 0,3 mm
• Erhöhung der Restringbreite auf ca. 0,4 mm bei THR-Komponenten(Lötstellen-Stabilität)
d
dI = Innendurchmesser Bestückungsloch
dA = Aussendurchmesser Bestückungsloch
d = Lötstiftdurchmesser
R = Restringbreite
dA
R
dI
Empfehlungen für das Schablonen-Design (THR)
• Schablonenstärke (typ.) von 120 µm bis 180 µm
• Schablonenlochdurchmesser ca. 10% kleiner als der Lötaugendurchmesser
• Faustformel für Durchmesser Schablonenausschnitt:
• dS = dA - 0,1 mm
dS
dS= Schablonenloch Durchmesser
dA = Aussendurchmesser Bestückungsloch
dA
Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (SMD)
• Optimales Lötergebnis ist von Toleranzen und Prozessabläufen abhängig.
• Für Komponenten wie Anschlusselemente oder Steckverbinder, ist aufgrund höherer LötstellenStabilität eine geringfügige Erhöhung der Pad-Fläche empfehlenswert.
• Faustformel für größere Anschlusselemente oder Steckverbinder:
• x2 = x1 + (0,2mm bis 0,4mm) oder x2 = x1 + 2* z
• y2 = y1 + (0,2mm bis 0,4mm) oder y2 = y1 + 2* z
x1
x2
y1
y2
z
Empfehlungen für das Schablonen-Design (SMD)
• Einsatz von Schablonen mit einer Stärke von 120µm bis 180µm
• Schablonenlochausschnitt min. 0,1mm bzw. ca. 10 % kleiner als die Lötpad Abmessungen
Qualitätsanforderungen für SMD-Komponenten gemäß IPC-A-610
Der maximale Überhang (A) ist nicht größer als 25% der Anschlussbreite (W)
A
W
Minimale Breite am Ende der Lötstelle (C) beträgt 50% der Anschlussbreite (W)
C
W
Wenn die Fußlänge (L) größer als 3 Anschlussbreiten (W) ist, ist die minimale
Länge der Lötstelle an der Seite (D) gleich oder größer als 3 Anschlussbreiten (W)
L
D
L
D
Qualitätsanforderungen für SMD-Komponenten gemäß IPC-A-610
Maximale Höhe der Lötstelle an der Ferse (E): Das Lot berührt den Körper
eines Kunststoffbauteils (ausgenommen SOICs und SOTs)
Die minimale Höhe der Lötstelle an der Ferse (F) ist gleich der Lotspaltdicke
(G) plus der Anschlussdicke (T) im Lötstellenbereich
E
T
F
G
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Montagekosten auf Basis eines typischen SPS Leiterplatte
Reine Pure SMD/THR Montage
Gemische Montage
180 SMD Komponenten (Möglichkeit der
freien Positionierung)
60 verschiedene Komponenten
174 SMD Komponenten (Möglichkeit der freien
Positionierung)
6 THT Komponenten
60 verschiedene Komponenten
SMD Montage inkl. Reflowlöten
Montagepreis je PCB: 3,09 €
Einmalige Produktionskosten 243,00 Euro
SMD Montage inkl. Reflowlöten
Vorbereitung für Schwalllötung
Ersatz PCB mit flexmask
Handmontage
Schwalllötung
Montagepreis je PCB : 4,17 €
Einmalige Produktionskosten ca. 262,00 €
Montagekosten mit Berücksichtigung der Produktionskosten
8,00
Montagekosten je PCB (in Euro)
7,00
6,00
5,00
4,00
pure
SMD
assembly
Reine
SMD
Bestückung
Gemischte
Bestückung
mixed
assembly
3,00
2,00
1,00
0,00
100
200
500
1000
2000
Anzahl der Leiterplatten
5000
10000
Montagekosten – Differenz in %
30,00%
Einsparung in %
25,00%
20,00%
15,00%
10,00%
5,00%
0,00%
100
200
500
1000
2000
5000
Anzahl der PCBs
Ab 1000 Baugruppen ist die Ersparnis mehr als 25 % je Board durch
das Auslassen des Wellenlötprozesses
10000
TCO
Design
Gewinn
Bis zu 100% nutzbaren
Raum auf dem PCB
Produktion
Einsparung
Bis zu 50 % kleineres
PCB
Installation
Gewinn
Auslassen des
Wellenlötprozesses
Instandhaltung
Einsparung
> 25 %
Es erfolgen Kosteneinsparungen im Montageprozess von mehr als 25 % je
Baugruppe, sowie Raumeinsparungen durch das Design
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
LSF-SMD-Leiterplattenklemme reduziert Geräte-Abmessungen
• Verwendung einer Push In SMD-Leiterplattenklemme in SMT-Oberflächenmontage
• Reduzierung der Leiterplatte auf 50% der ursprünglichen Größe
LSF-SMD Leiterplattenklemme
Neue Höhe
Ursprüngliche
Höhe
Beispiel der Firma Festo: Höhenersparnis durch Rationalisierung einer
Leiterplattenebene
LED - Straßenlaternen
LED street lamp
FARA
Wärmemanagement beginnt bei der Leiterplattenentwicklung
Möglichkeiten des Wärmeabtransports über die Leiterplatte
• Über den SMD-Layer
• Über die Rückseite einer doppelseitigen Leiterplatte
• Wärmeverteilung über die Innenlagen eines Multilayers
• Mit Wärmeleitkleber aufgeklebte Bauteilgehäuse
• Metallkernleiterplatte (IMS-Technologie)
• Abtransport der Wärme von der Baugruppe
• Thermische Vias
Bauteilkühlung durch
thermische Vias
Thermal Vias
THT-Bestückung oder
Kontaktierung von unten
TIM: thermisches
Interface-Material
Alu/Kupfer-Blech oder
Gehäuse als unterklebte
Wärmesenke
Abtransport der Wärme
von der Baugruppe
Wärmespreizung über
die Innenlage eines
Multilayers
Ein Teil der Wärme wird über die Leiterplatte abgeführt
z. B. Straßenlaterne
LEDs auf der Leiterplatte
Leiterplatte
BL-I/O Steckverbinder reduziert SPS-Abmaße auf ein Minimum
• Verwendung eines speziellen Steckverbinders in Verbindung mit SMT-Stiftleiste
• Reduzierung der SPS-Baubreite bei max. Anzahl von I/O-Punkten
• Integration von Signalen, Spannungsversorgung und LED-Indikation in einem Steckverbinder
BL-I/O Steckverbinder
SMT-Stiftleisten für Elektronikgehäuse reduzieren Produktionszeiten
• SMT-Stiftleisten aus LCP Material für alle Gehäuse-Baubreiten in Tape on Reel - Verpackung
• Reduzierung der Fertigungsdurchlaufzeiten bei Verwendung nur eines Lötverfahrens
THR-Leiterplattenklemme für 6mm - Gehäuse
Geräteanschlusstechnik für Antriebsmodule
Network
Connection
Positioning
Feedback
Safety Circuit
External I/O‘s
Power Supply
Intermediate
Circuits (DC)
Motor Output
Inhalte
1
Prozessschritte für SMT-Technologie
2
Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten
3
Design- und Verarbeitungsempfehlungen
4
TCO-Berechnung
5
Applikationen
6
Services und Support
Bauteil-Bibliotheken für CAD-Programme
www.weidmueller.de/EDA

umfangreiche Bauteil-Bibliotheken für
Leiterplatten Design-Software

Bauteil Bibliotheken für die folgende
EDA-Systeme erhältlich:
1. Mentor Graphics Expedition (ab
Version >7.9.5)
2. Mentor Graphics Pads (ab
Version >9.x)
3. Altium Designer (ab Version
>10.0).
Sie suchen Ihr persönliches Design-In Muster
72-h-Sample-Service - ein weltweites Versprechen
Ihr Design-In Muster in 5 Schritten
1. Treffen Sie ihre Auswahl im Katalog
http://catalog.weidmueller.com/
2. Wählen Sie direkt Ihr Muster aus
3. Prüfen Sie die Anfrageliste
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5. Bestellen Sie Ihr persönliches
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Whitepaper - Surface Mount Technology
Integration von Geräteanschlusstechnik in den SMT-Prozess
www.weidmueller.de/SMT-Prozess
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Weidmüller Gruppe
Ohmstraße 9, 32758 Detmold, Deutschland
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Web
+49 5231 1428-0
+49 5231 1428-116
[email protected]
www.weidmueller.de
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© Weidmüller Interface GmbH & Co.KG
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Erläuterung und Kommentierung des Textes. Sie können nicht Grundlage für
Konstruktion, Einbau und Lieferumfang etc. verwendet werden. Ferner übernimmt
Weidmüller keine Haftung für eventuelle Fehler sowie für die Übereinstimmung des
Inhalts mit den jeweilig geltenden gesetzlichen Vorschriften.