Steckverbinder RoHS konform und Inline tauglich

Redakteur: Kristin Rinortner

Hersteller von Elektronikkomponenten müssen seit dem Inkrafttreten der RoHS-Richtlinie nicht nur bleifrei produzieren, sondern auch permanent auf die Kosten achten. Der Einsatz von

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( Archiv: Vogel Business Media )

Hersteller von Elektronikkomponenten müssen seit dem Inkrafttreten der RoHS-Richtlinie nicht nur bleifrei produzieren, sondern auch permanent auf die Kosten achten. Der Einsatz von nicht für SMT geeigneten Komponenten auf Leiterplatte war bisher oft von aufwändigen zusätzlichen Prozessschritten nach dem Reflowlöten geprägt. Für das Einbinden von Steckverbindern mit Durchsteckkontakten in einen optimierten SMT-Fertigungsprozess stellt die Through-Hole-Reflow-Technik mit reflowfähigen, RoHS-konformen Steckverbindern eine interessante Alternative dar.

Die Motivation für den Einsatz der THR-Technik (Through-Hole-Reflow-Technik) ist die Kostenersparnis. Wenn man bedenkt, dass nicht für SMT ausgelegte Bauteile (d.h. bedrahtete Bauteile) heute meist nur etwa 5 bis10% der Komponenten auf einer Leiterplatte ausmachen, aber deren Verarbeitung bei den Gesamtkosten überproportional (mit bis zu 80%) zu Buche schlägt, ist der Vorteil von THR offensichtlich. Das Ziel ist es daher, SMD- und THR-Bauelemente mit den gleichen Anlagen bzw. Einrichtungen und gleichen Verfahren in einem Prozessschritt zu verarbeiten. Bei der THR-Technik kann so auf das sonst erforderliche Wellen- bzw. Selektivlöten oder Einpressen verzichtet werden. Dies spart Zeit und Fertigungseinrichtungen bzw. -fläche. Zudem ist die Umstellung laufender Leiterplatten ohne Layoutänderung möglich.

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Technik für THR-Steckverbinder

Die grundlegende Technik für den Einsatz von THR-Steckverbindern ist das Pin-in-Paste-Verfahren. Die bedrahteten Stecker werden – automatisch oder per Hand – in durchkontaktierte Bohrungen bestückt. In diese Bohrlöcher wird mittels Pastendruck die zur Lötverbindung notwendige Lotpaste platziert. Danach erfolgt das übliche Löten im Reflow-Ofen. Bevor man mit der Integration der THR-Technologie in den automatisierten SMT-Fertigungsprozess beginnt, müssen verschiedene Aspekte bezüglich der Bauteileauswahl und des Lötprozesses beachtet werden. Das sind u.a. Kompatibilität der Bauteile zu höheren Temperaturprofilen, Eignung der Bauteile für Vision-Systeme, Pin-Raster, Höhe und Gewicht, Platzierungs- bzw. Setzkräfte, Form der Kontakte (rund, eckig), Leiterplatten-Layout und der Lotpastenauftrag (Schablonengeometrie, Rakelparameter). Bedenkt man, dass für Fehler im herkömmlichen SMT-Fertigungsprozess zu mehr als 65% der Lotpastendruck verantwortlich ist, wird klar, wie wichtig die Optimierung dieses Prozessschrittes ist.

THR-Steckverbinder werden heute aus hochtemperaturbeständigen Kunststoffen gefertigt, wie z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (PA46 oder LCP). Damit sind diese auch für das Löten bleifreier Lote mit höheren Temperaturen (Peak max. 260°C) geeignet. Die angebotenen THR-Steckverbinder können in einem breiten Spektrum an Temperaturprofilen eingesetzt werden. Der Lötvorgang muss nicht auf THR-Lötstellen angepasst werden. Die Bauteilgeometrie sollte allerdings für THR optimiert sein. Das Gehäuse darf möglichst nicht mit der Lotpaste in Kontakt kommen, und ein optimaler Wärmestrom zur Lötstelle muss gewährleistet sein.

Vorraussetzungen für den Einsatz

Das Bauteil sollte eine minimale Wärmekapazität aufweisen und den Lötpins nicht die Wärme entziehen oder diese abdecken. Auch gilt es, die Bauteile so zu gestalten, dass sie in prozessübliche Verpackungen, wie z.B. Tape-on-Reel oder Trays passen. Die Pinlänge sollte auf die jeweilige Leiterplattenstärke und den Einsatz abgestimmt sein. Wichtig ist, dass der Stift auf der Leiterplattenunterseite nicht mehr als 1,0 bis 1,5mm herausragt. Bei kürzerem Überstand ist eine abschließende Beurteilung der Lötstellen nach der Norm IPC-A-610C nicht mehr möglich, da eine Ausbildung des Meniskus dann nicht mehr stattfindet. Dies ist jedoch kein Indiz für eine Lötstelle mit geringerer Qualität, weil der Lötstift trotzdem mit der Leiterplattenhülse vollständig verbunden ist. Vielmehr wird heute aufgrund eines vorhandenen Meniskus automatisch auf eine gute und vollständige Lötstelle geschlossen, was aber nicht bewiesen ist.

Die Platzierung einer ausreichenden, reproduzierbaren Lotmenge (Lotvolumen) hat sich als ein Hauptkriterium für die Qualität der Lötstelle herausgestellt. Das für THR-Lötstellen erforderliche Lotpastenvolumen wird in der Hauptsache durch das Volumen im Bohrloch bestimmt und durch einen definierten Pastendurchdruck erzeugt. Das im Bereich der Schablone anfallende Lotpastenvolumen trägt nur einen kleinen Anteil bei, denn die Schablonendicke wird durch das Raster der verwendeten SMT-Bauteile bestimmt. Heute wird eine übliche Schablonendicke von max. 150µm eingesetzt. Dies erfordert, kombiniert mit der THR-Technik, keine neuen Verfahrensweisen. Die früher gültige Regel, den Schablonenausschnitt 10% kleiner als das Lötpad zu gestalten, gilt so nicht mehr unbedingt. Durch die verminderte Benetzungsfähigkeit der bleifreien Lote sollte man heute das Pad zu 100% bedrucken, da nicht benetzte Stellen später korrodieren können.

Siebdruck

Unter Berücksichtigung der Designregeln für THR-Bohrungen liegt für den Siebdruck eine Schablone vor, mit der sowohl SMD-Fine-Pitch- als auch THR-Strukturen mit ihrem jeweiligen Bedarf an Lotpaste realisiert werden. Beim Siebdruck (offenes System) sollten die Parameter so eingestellt werden, dass die Lotpasten bei einer 1,6mm dicken Leiterplatte in die THR-Bohrungen ca. 1 bis 1,5mm tief hineingedrückt werden. Möglichkeiten das Lotpastenvolumen (z.B. 100% Füllgrad) zu erhöhen, bestehen im Doppeldruck, bei Verwenden eines geschlossenen Drucksystems oder dem Einsatz von Lotformteilen bei dem ein 100%-iger Füllgrad erreicht wird. Eine vorausgehende Lotpastenkalkulation unter Berücksichtigung der Bohrlochtoleranzen ist bei THR unumgänglich. Vermieden werden sollten große Unterschiede der Bohrungsdurchmesser auf einem Board mit der Folge von unterschiedlichen Füllgraden, denn sehr kleine Bohrungen werden nicht gefüllt oder bei großen Bohrungen ist zuviel Paste vorhanden, was zum eventuellen Abtropfen führen kann,

Qualitätskriterien

Das Standardwerk für das Beurteilen von Lötstellen ist die IPC-A-610C Norm. Zwei wesentliche Punkte sind bei der Inspektion zu beachten, der Füllgrad der Bohrung und die Umfangsbenetzung im Lötkegelbereich. Optimale THR-Lötstellen liegen mit dem Füllgrad in einem Bereich von fast 100%, wobei 75 % als Minimum gefordert werden (IPC-A-610 Rev C). Auftretende prozessbedingte Gaseinschlüsse, durch die fehlende Kinematik einer Lötwelle begünstigt, besitzen keinen negativen Einfluss. Die übliche Beurteilung der Lötstellen erfolgt visuell unter entsprechenden Mikroskopen (Schliffbilder). Die IPC-A-610 Rev. C definiert auch die Minimalbedingungen für die Lot-Umfangsbenetzung zwischen Pin und Hülse auf beiden Seiten und den Prozentanteil des Lötauges auf der Primär- und Sekundärseite.

Als weiteres Kriterium wird die Ausbildung der Lötkegel und deren Umfangsbenetzung überprüft. Im Allgemeinen erzeugen durchsteckende Stifte selbst bei minimal ausgeführten Rest-Ringen der Norm entsprechende Lötkegel (Lötmenisken). Mit der Ausbildung der Menisken auf beiden Seiten der Leiterplatte und gleichzeitiger Umfangsbenetzung beider Kegel von nahezu 360° (Minimum nach Norm sind 270°) erfüllen THR-Lötstellen unter optimalen Bedingungen die Normanforderungen.

Füllgrad

Den größten Einfluss auf den Füllgrad innerhalb der Durchkontaktierung haben beim Verwenden von offenen Rakelsystemen Schablonengeometrie und Rakelparameter sowie die Lotpasteneigenschaften. Die von Erni beim ZVE beauftragten Untersuchungen ergaben, dass mit optimierten Schablonenparametern und dem damit erzielten Lotpastenvolumen die Mindestanforderungen der IPC-A-610-C erfüllt werden können.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch Produktoptimierungen, dem Beachten von einigen Regeln für das Layout und die Schablonendesigns sowie das Anpassen der bestehenden Fertigungsschritte THR-Steckverbinder in SMT-Prozesse integriert werden können. Beide Anschlusstechnologien können prinzipiell mit gleichen Verfahren und mit gleichen Einrichtungen gleichzeitig verarbeitet werden. Kostenintensive zusätzliche Prozessschritte wie Hand- oder Selektivlöten bzw. Einpressen entfallen. Entscheidend für den Erfolg ist auch, dass ein immer größeres Portfolio an THR-Komponenten zur Verfügung steht.

D-Sub in THR-Ausführung

Neben SMT- und Einpress-Versionen sind von Erni auch abgewinkelte und gerade D-Sub-Messer- und -Federleisten mit THR-Anschlüssen verfügbar. So können auch diese häufig eingesetzten I/O-Steckverbinder nach DIN 41652 und CECC 75301-802 als THR-Komponenten innerhalb der SMT-Fertigungslinie verarbeitet werden. Je nach Bestückungsart – automatisch oder per Hand – gibt es Versionen mit und ohne Montagekraft. Die abgewinkelten Steckverbinder sind in Standard- (7,3mm) und Eurostyle-Bauform (3,6mm) oder als gerade Ausführung in Bauhöhe 6,3mm oder 9mm erhältlich. Die verfügbaren Polzahlen sind 9, 15, 25 und 37.

Für die vollautomatische Bestückung werden die D-Sub-THR-Steckverbinder in SMT-gerechter Tray- oder Gurtverpackung geliefert. Eine große integrierte Pick-and-Place-Fläche ermöglicht ein einfaches und sicheres Aufnehmen mit der Vakuumpipette. Der Isolierkörper ist aus hochtemperaturfestenThermoplast und für das Löten mit allen gängigen, auch bleifreien SMT-Lötverfahren ausgelegt. Ein Metall-Befestigungswinkel nimmt die Steck-, Zieh- und Kabelhandling-Kräfte sicher auf. Die D-Subs sind auch mit Verriegelungszubehör erhältlich. Es gibt sie ohne Gewinde, mit Mutter (M3 oder 4#40 UNC) oder Verriegelungsbolzen(M3 oder 4#40 UNC). Das Verriegelungszubehör ist integriert, verdrehgesichert und ESD-fest vormontiert. Die THR-D-Subs sind Layout kompatibel zu den Einpress- und den herkömmlichen Tauchlöt-Versionen.

Das Angebot an Steckverbindern für die THR-Technik wird ständig erweitert. So stehen neben den D-Sub-Steckverbindern z.B. auch klassische DIN-Komponenten gemäß IEC 60603-2, Hartmetrik-Steckverbinder (ERmet) oder die Mezzanine-Steckverbinder der MicroSpeed-Familie in THR-Technik zur Verfügung.

ERNI, Tel. +49(0)7166 500

*Magnus Henzler ist Produktmarketing Manager bei ERNI in Adelberg

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