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02.02.2021

Steckverbinder kurz erklärt: Die drei Verfahren zur Leiterplatten-Bestückung

THT, SMT und THR sind die drei Verfahren zur Leiterplattenbestückung. Was verbirgt sich hinter diesen Bezeichnungen und wie unterscheiden sich die Techniken?

Zur Leiterplatten-Bestückung hat sich seit den 1950-er Jahren die Through Hole Technology (THT) etabliert. THT ist im Deutschen als Durchsteckmontage oder Einsteckmontage bekannt und wird im englischen Sprachraum auch als Pin-in-Hole Technology (PIH) bezeichnet.

Bei diesem Verfahren werden die gebogenen Anschlussdrähte der Bauelemente von oben in Bohrungen einer Leiterplatte gesteckt und auf der Unterseite der Platine durch Löten (Handlöten, Wellenlöten oder Selektivlöten) mit der Kupfer-Leiterbahn verbunden. Die Durchsteckmontage war zur damaligen Zeit die Methode der Wahl. Anfangs erfolgten das Durchstecken und Löten noch per Hand, heute passiert dies in der Regel automatisiert und im Wellenlöt-Prozess (Schwallbad).

Das genormte Raster erleichterte die Automatisierbarkeit

Die Abstände der Bohrlochmitten wurden zur besseren Automatisierbarkeit mit dem sogannten Rastermaß genormt. Die Basis für das Rastermaß bildete die Einheit Zoll (2,54 mm) oder ein Vielfaches davon. So konnte eine automatische Bestückung sichergestellt werden.

In den 1960-er Jahren begannen die ersten Versuche mit oberflächenmontierbaren Bauelementen (engl. Surface-mounted Device – SMD). Die dazugehörige Montage ist die Oberflächenmontage (engl. Surface-mounting technology – SMT). SMD-Bausteine haben – anders als die bedrahteten Versionen – keine Anschlussdrähte, sondern werden über eine Anschlussfläche direkt auf die Leiterplatte gelötet. Der Vorteil besteht in einer höheren Packungsdichte und in der bessere Automatisierbarkeit der Fertigung sowie in der besseren Handhabung der Bauelemente.

Ihre Leistungsfähigkeit stellte diese Bestückungstechnik erst in den späten 1980-er Jahren mit dem Aufkommen der Digitaltechnik unter Beweis. Seitdem wächst nahezu proportional zum Funktionsumfang die Anzahl der Bauelemente auf der Leiterplatte. Einen zusätzlichen Impuls gaben die steigenden Frequenzen der Baugruppen. Bei SMD-Bausteinen sind die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten wesentlich geringer, da keine „Leitungen“ (Drähte) vorhanden sind.

Das Beste aus beiden Welten: THT + SMT = THR

Aus den beiden etablierten, aber im Wettbewerb zueinander stehenden Techniken Durchsteck- und Oberflächenmontage entstand im nächsten Entwicklungsschritt eine weitere Variante, die die beiden bewährten Verfahren in einem einzigen Verarbeitungsprozess kombiniert: Through Hole Reflow (THR). Gängige Begriffe sind ebenfalls Pin-in-Paste (PIP) und Pin in Hole Intrusive Reflow (PIHIR). Hierzu werden die THT-Bauelemente sowohl für automatische Bestückung als auch die thermische Belastung beim Reflow-Löten konzipiert.

Durch das zeitgleiche Verlöten von THT- und SMT-Bauteilen beim Reflow-Löten fallen zusätzliche Lötschritte weg. Die THR-Technik spart sogar in zweifacher Hinsicht Herstellungskosten ein: zum einen aufgrund des Wegfalls von Lötschritten, zum anderen durch die maschinengerechte Prozessfähigkeit beider Anschlussarten.

Ein Grund für die Entwicklung des THR-Verfahrens war, dass Steckverbinder, die ja nicht für SMT geeignet sind, im automatisierten Reflow-Lötverfahren verarbeitet werden sollten.

Automatisierbare Einlöt-Steckverbinder

Voraussetzungen für die Verarbeitung von Steckverbindern im THR-Prozess sind automatisierbare Einlöt-Steckverbinder. Das umfasst thermisch belastbare Isolierkörper inklusive Abstandshalter an der Gehäuseunterseite. So steht der Lotpaste genügend Platz zur Verfügung, ebenso sorgt ein Luftstrom für den optimalen Wärmeabtransport.

Gemäß den Maßgaben der Verarbeitungsmaschinen werden THR-Bauelemente automatengerecht gegurtet (Tape & Reel), in Stangen oder Trays verpackt und, sofern erforderlich, ergänzend mit Ansaug-Pads ausgestattet.

Lötseitig ist ein verringertes Maß (C-Maß bei W+P) sinnvoll. Denn ein zu langer Stift drückt möglicherweise die aufgebrachte Lotpaste zu weit durch die Bohrung in der Platine. Damit verbliebe nicht genügend Lot in der Bohrung, um den Stift sicher zu umschließen und würde somit die Bildung des typischen Lötauges verhindern.

Im Idealfall sieht das vereinfacht so aus: SMT/THT-Steckverbinder werden im Bestückungsautomaten auf eine lotpasten- und flussmittelbenetzte (meistens bereits vermischt) Leiterplatte positioniert. Der Lötprozess beginnt entsprechend des Lötprofils, dazu gehört unter anderem die Verflüssigung des Lotes.

Während SMT-Bauteile durch die Oberflächenspannung des Lotes auf der Leiterkarte gehalten werden, fließt die Lotpaste der THT-Komponenten aufgrund der Kapillarwirkung in die Bohrlöcher und bildet so eine sicher beurteilbare Lötstelle aus. Die genau benötigte Lotpastenmenge kann oftmals nur in einem Test ermittelt werden, da die Kontrolle durch eine Standard-AOI (AOI – Automatische Optische Inspektion) zwar das Lötauge bewertet, nicht aber die erforderliche Material-Deckung von 75% im Bohrloch.

Fazit: Unter Berücksichtigung aller notwendigen Konstruktions- und Materialanforderungen im THR-Fertigungsprozess überwiegen heute klar die Vorteile gegenüber den anderen Verfahren THT und SMT.

Beitrag aus der ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 1/2 / 2021