Leiterplattenfläche durch SMD-Steckverbinder optimal nutzen

| Autor / Redakteur: Stefan Suchan * / Kristin Rinortner

SMD-Steckverbinder: SMT bietet viele Vorteile hinsichtlich Automatisierungsgrad und Packungsdichte.
SMD-Steckverbinder: SMT bietet viele Vorteile hinsichtlich Automatisierungsgrad und Packungsdichte. (Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KG)

Unter dem Druck zur Miniaturisierung erfahren SMD-Komponenten eine Renaissance. Denn oberflächenmontierte Bauelemente erhöhen die Packungsdichte und den Automatisierungsgrad.

Leiterplatten werden mit immer kleiner werdenden elektronischen Komponenten und mit einer steigenden Anzahl von Bauelementen bestückt. Dabei reicht die Miniaturisierung der Bauteile in vielen Fällen alleine nicht mehr aus. Das Stichwort, welches dann häufig fällt ist SMD (Surface Mounted Device).

Mit SMD-Bauteilen kann sowohl die obere als auch die untere Seite der Leiterkarte bestückt werden. Dadurch ergeben sich Platzgewinne auf der Platine von bis zu 50% im Vergleich zum herkömmlichen Wellenlöten (THT-Löten).

Wenn zusätzlich zur beidseitigen Bestückung auch noch kleinere Rastermaße verwendet werden, beispielsweise das Raster 1,27 mm anstatt 2,54 mm, ergeben sich daraus sogar Platzgewinne von bis zu 75% im Vergleich zum THT-Löten. Gerade bei Leiterkartensteckverbindern werden durch SMD-Steckverbinder sowohl Platz- als auch Kostenersparnisse erzielt.

Welche Chancen bieten SMD-Steckverbinder?

Durch die beidseitige Bestückfähigkeit der SMD-Steckverbinder können Leiterplatten ohne Verkleinerung der Rastermaße mit mehr Steckverbindern und anderen elektronischen Bauteilen versehen werden: Die Packungsdichte wird durch SMD-Steckverbinder erhöht.

Da die Hersteller von aktiven Bauteilen immer kleiner werdende elektronische Komponenten entwickeln, müssen auch die elektromechanischen Bauteile, in diesem Fall die Steckverbinder, sich mit verkleinern. Bei Steckverbindern sind jedoch durch die Spannungsfestigkeit und den Isolationswiderstand Grenzen gesetzt.

Neben den kleineren Rastermaßen sollte auch auf die SMD-Bestückung gesetzt werden, um eine höhere Packungsdichte zu erreichen. Darüber hinaus lassen sich viele SMD-Steckverbinder automatisiert bestücken mithilfe von Stangenmagazinen und „Tape & Reel“.

Die automatisierte Bestückung spart sowohl Zeit als auch Kosten für den Bestücker ein. Dies ist jedoch nur ratsam, wenn es sich bei den zu bestückenden Platinen um eine Serienfertigung mit hoher Stückzahl handelt. In der Prototypen-Phase sind SMD-Steckverbinder nicht so vorteilhaft, da die Bestückungskosten sehr hoch sind und ein Handlöten von filigranen SMD-Steckverbindern nur sehr schwer zu realisieren ist.

Das SMD-Lötverfahren wird gerne in der hochautomatisierten Bestückung verwendet, um die Bauteile auf die Leiterkarte zu löten. Dabei werden Löt-Pads vor dem Reflow-Prozess auf die Leiterkarte aufgebracht. Dies erfolgt in den meisten Fällen über ein Sieb- oder Schablonendruckverfahren.

Nachdem die Löt-Pads für die SMD-Bauteile auf der Platine gedruckt sind, werden die Steckverbinder in den meisten Fällen mit einem Roboterarm einzeln auf der Platine platziert. Zusätzlich werden filigrane Bauteile mit einem Epoxidharz auf der Leiterkarte befestigt, damit diese sich während des Reflow-Lötens nicht verschieben.

Wenn alle SMD-Bauteile an den entsprechenden Stellen platziert wurden, fährt die bestückte Leiterkarte durch mehrere Reflow-Öfen. In diesen wird das Lot nach und nach aufgeschmolzen und die Bauteile somit mit der Leiterkarte verbunden. Weitere Lötverfahren sind das zuvor genannte THT-Löten (Through-Hole-Technology), welches auch unter dem Namen Wellenlöten bekannt ist und das THR-Löten (Through-Hole-Reflow).

Das THT-Löten wird automatisiert mithilfe einer Lötwelle vollzogen. Dabei werden die Steckverbinder oder andere elektromechanische Bauteile durch die vorgefertigten Löcher der Leiterkarte gesteckt und anschließend mittels eines Förderbandes über eine Lötwelle gefahren, sodass die Bauteile auf der Unterseite der Leiterkarte mit Lot kontaktiert werden.

Damit die THT-Steckverbinder in ihrer Position bleiben werden auch diese mit einem Epoxidharz mit der Leiterkarte verbunden. Bei einer geringen Anzahl an THT-Steckverbindern oder in der Prototypenphase wird häufig das Handlöten mit einem Lötkolben eingesetzt. Zusätzlich zu den beiden meistgenutzten Lötverfahren hat sich in der Vergangenheit eine Kombination aus beiden Lötverfahren bewährt.

Das THR-Löten hat sich durch das stetige Wachstum von SMD-Steckverbindern ergeben. Beim THR-Löten werden die Löcher der Leiterkarte mit Lötpaste gefüllt und die Steckverbinder anschließend eingeschoben, wie beim THT-Löten.

Um die Lotpaste mit den THR-Steckverbindern zu verbinden, wird, wie beim SMD-Löten, der Reflowprozess verwendet. Die Lötpaste wird aufgeschmolzen und verbindet somit die Leiterkarte und den kurzen Kontakt des THR-Steckverbinders. Ein großer Vorteil von den THR-Steckverbindern liegt darin, dass der Reflowprozess der SMD-Steckverbinder mitgenutzt werden kann und somit nur ein Lötprozess nötig ist, obwohl es sich um THT-Steckverbinder handelt.

„Tape & Reel“-Verpackung für SMD-Steckverbinder

SMD-Steckverbinder werden in den meisten Fällen über das „Pick and Place“-Verfahren auf der Leiterkarte platziert. Um das präzise Entnehmen und Platzieren der Steckverbinder zu gewährleisten, werden bei SMD-Steckverbindern häufig Blistergurte (Tape&Reel) verwendet. In diesen Blistergurten werden die Steckverbinder, mit oder ohne Bestückungshilfe, einzeln in vorgefertigte Kavitäten eingelegt.

Die Hohlräume des Gurtes sind an die Geometrien des Steckverbinders angepasst, sodass ein Verrutschen während des Transports verhindert wird. Nur wenn alle Steckverbinder im Gurt an der gleichen Stelle positioniert wurden, kann der Bestückungsautomat die Teile ordnungsgemäß auf der Leiterkarte für den Reflow-Prozess platzieren. Hierbei ist der Aufwand bei stehenden SMD-Steckverbindern meist höher als bei liegenden Steckverbindern. Die die liegenden Steckverbinder kommen meist ohne Bestückungshilfe als Transportmittel vom Blistergurt zur Leiterkarte aus.

Je nach Größe und Höhe des SMD-Steckverbinders können auf einer genormten 13-Zoll-Spule 150 bis 2400 Steckverbinder verpackt werden. Bei höheren Stückzahlen ergeben sich für den Leiterkartenbestücker höhere Automatisierungsgrade, da der Blistergurt seltener gewechselt werden muss und es somit zu weniger Standzeiten des Systems kommt.

Fazit: Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sowohl den SMD-Steckverbindern als auch allen anderen SMD-Bauteilen eine blühende Zukunft bevorsteht. Dies liegt einerseits an der Tatsache, dass Leiterplatten mit SMD-Bauteilen gleichzeitig auf beiden Seiten bestückt werden können. Andererseits werden SMD-Bauteile häufig im Blistergurt geliefert, was einen hohen Automatisierungsgrad ermöglicht.

Gerade mit der zunehmenden Digitalisierung im Zeitalter von Industrie 4.0, in dem die Prozesse immer stärker miteinander vernetzt und die Automatisierungsgrade in den Fabriken gesteigert werden, sind SMD-Steckverbinder in Kombination mit einem Blistergurt eine sehr gute Lösung.

* Stefan Suchan ist als Konstruktions- und Entwicklungsingenieur von Steckverbindern bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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