Bestückung elektronischer Baugruppen ERNI Systemtechnik Systemlösungen -alles aus einer Hand- www.erni.com Themen-Übersicht ERNI Systemtechnik Löttechniken SMT-Löten - Reflow-Löten oberflächenmontierbarer Bauelemente THR-Löten - Durchsteck-Bauelemente im Reflow-Lötprozess THT-Löten - Durchsteck-Bauelemente im Wellen-Lötprozess - Selektiver THT-Prozess - Maskenlöten - Mini-Welle Lötanlagen Prüfung elektronischer Baugruppen - AOI – Automatische Optische Inspektion - Elektrische Prüfung von Flachbaugruppen Einpresstechnik Einpresszone Leiterplatten für die Einpresstechnik Werkzeuge Prüftechnik ERNI Systemtechnik Kunde ERNI Vertriebsorganisation ERNI Systemtechnik Design + Entwicklung Löten + Integration Einpressen + Integration Kabelkonfektionierung Produkte der ERNI Systemtechnik elektronische Baugruppen Backplanes Subracks Kabelkonfektionierung Löt-Techniken: SMT / THR / THT Begriffsdefinitionen: SMT Surface Mount Technology Montagetechnik für SMDs (Surface Mount Devices = oberflächenmontierbare Bauelemente) Die Montage erfolgt mit dem Reflow-Löt-Prozess (u.a. Konvektion, Dampfphase) THR Through Hole Reflow Montagetechnik für Bauelemente in Durchstecktechnik (mit Drahtanschluss), die thermisch stabil und automatisch bestückbar sind. Die Montage erfolgt mit dem Reflow-Löt-Prozess. Der THR-Prozess ist auch bekannt als: PIP Pin In Paste PIH(I)R Pin In Hole (Intrusive) Reflow Through Hole Technology Montagetechnik für Bauelemente in Durchstecktechnik (mit Drahtanschluss) mit dem Wellen-Löt-Prozess THT SMT-Prozess-Schritte für doppelseitige SMD-Bestückung Siebdruck der Lotpaste SMD-Bestückung der 1.Seite 1. Reflow-Lötung Siebdruck der Lotpaste auf der 2.Seite Hohlkehle (Meniskus) Baugruppe umdrehen SMD-Bestückung auf der 2.Seite 2. Reflow-Lötung Doppel-Reflow-Fähigkeit für Bauelemente auf der Unterseite SMT-Löt-Prozess – was ist zu beachten ? Montage-Know-How ist unbedingt erforderlich Handlöten ist nur in begrenztem Umfang möglich (Problem für Hobbyelektroniker) Investitionen sind notwendig: Pastendrucker, Bestückmaschinen, Reflow-Anlagen, Handling-Systeme, usw... Die erhöhte Wärmebelastung der Bauelemente ist zu beachten Doppel-Reflow-Fähigkeit ist die Voraussetzung für die 2-seitige Montage: Verhältnis Bauelemente-Gewicht zu Lötfläche max. 0,1 g / mm² Temperatur-Stabilität: mind. 2x Reflow-Temperatur-Belastung Koplanarität der SMD-Anschlüsse mehrpoliger Bauelemente Koplanarität max. 100µm Gegenüber der Durchstecktechnik ist bei SMT mit einer geringeren mechanischen Stabilität auf der Leiterplatte (ca. 1N / mm) zu rechnen. Die Prüftechnik für miniaturisierte Bauelemente ist aufwändiger (evtl. Ersatz der Optischen Prüfung durch eine Röntgen-Prüfung z.B. bei BGAs oder SMD-Steckverbindern MicroSpeed, Ermet zeroXT, ...) THR – was ist gemeint ? Bauteilpin Paste Definition nach IPC-A-610: Durchkontaktierung Landefläche (Pad) Leiterplatte mit Lötstopplack THR-Löt-Prozess – was ist zu beachten ? Die Bauelemente sollten automatisch bestückbar sein. Hierzu können z.B. Pick & Place-Pads verwendet werden Die Bauelemente müssen der thermischen Belastung im Reflow-Prozess standhalten. Die Leiterplatten-Dicke sollte 2mm nicht überschreiten. Der Lochdurchmesser muss auf den Pin-Durchmesser abgestimmt sein: typisch: Lochdurchmesser = Pindiagonale + 0,1mm Der Pasten-Füllgrad muss gemäß IPC-Spezifikation mindestens 75% betragen. Somit ist eine ausreichende Menge Lotpastenmenge bereitzustellen. Zur Ergänzung der Lotpastenmenge kann an kritischen Stellen eine zusätzliche Bestückung von Lot-Preforms vorgesehen werden. Hinweis: Bei der THR-Technik muss eine ausreichende Menge an Lotpaste zur Verfügung stehen, damit während der Reflow-Lötung eine Füllung des Raumes zwischen Bauteile-Pin und Durchkontaktierungshülse möglich ist. Daher muss eine angemessene Fläche mit Paste bedruckt werden, teilweise auch der Lötstopplack neben den Kupferflächen. Kombination der Löt-Techniken: SMT / THR / THT Siebdruck Lotpaste SMD-Bestückung THR-Bestückung Reflow-Lötung Kleber-Auftrag zur Befestigung der SMD-Bauelemente für die anschließende Wellenlötung: durch Siebdruck (nur für SMT) oder durch Dispensen (falls die Anschlüsse von THRBauelementen in die Druckebene hineinragen) SMD Bestückung für die anschließende Wellenlötung) Kleber aushärten (im Reflow-Ofen) THT Bestückung Wellenlötung THR Baugruppe umdrehen THR THR Baugruppe umdrehen THR THT Hinweis: Bei der Kombination von SMT- und THR-Prozess ohne anschließende Wellenlötung ist zu beachten, dass die THR-Bauelemente auf der 2.Lötseite montiert werden. Dadurch können auch schwere THR-Bauelemente der Reflow-Lötung zugeführt werden. Selektiver THT-Prozess Das Selektive Wellenlöten findet Anwendung, wenn auf einer Leiterplatte bereits viele SMDs in einem Reflow-Prozess gelötet wurden und nur wenige THT-Bauelemente montiert werden müssen. Im Gegensatz zum Standard-Wellenlöten, wird beim selektiven Verfahren nur ein Teil der Leiterplattenfläche mit Lot umspült. Maskenlöten Eine Variante dieses selektiven Wellenlötprozesses stellt das Maskenlöten dar. Hierbei werden nicht zu lötende Bereiche oder bereits im Reflow-Prozess gelötete SMDs mit Hilfe einer Maske aus thermisch stabilem Kunststoff abgedeckt. Bauelemente Maske Lötzinn Beispiel einer Lötmaske für einen 2-fach-Nutzen. In den schwarzen Bereichen ist die Leiterplatte vor der Welle geschützt. Mini-Welle Die Lötstellen werden punktuell mit einer Lötdüse, der sogenannten „Nozzle“, hergestellt, indem entweder die Leiterplatte oder die Lötdüse in X- und Y-Richtung entsprechend positioniert werden. Mit einem Durchmesser von 6, 8 oder 10 mm kann die Lötdüse auch an schwer zugängliche Stellen manövriert werden. Die Lötdüse selbst ist von heißem Stickstoff (Schutzgas) umströmt, damit eine qualitativ hochwertige Lötstelle entsteht. Bild von einer Miniwelle mit Prinzip-Darstellung Y X Eine Vorheizung der Leiterplatte sorgt für ein angepasstes Temperaturniveau (besonders wichtig beim bleifreien Löten). Hinweis: Falls nach dem Wellenlötprozess die Montage von Bauelementen in Einpresstechnik vorgesehen ist, so sind während des Lötens die Einpresslöcher abzudecken. Dies kann durch sog. Blaulack, Klebeband oder durch Maskierung im Selektivlötprozess erfolgen. Lötanlagen SMD-Linien für bleifreie und bleihaltige Reflow-Lötung Siebdruck mit Rakel Schablonen-Dicke: 120 – 200µm versch. Lotpasten bleihaltig: SnPb bleifrei: SAC305 oder Kleber Einfach/Doppeldruck Reflow-Lötanlage Stickstoff-Unterstützung (Schutzgas) integriertes Kühlsystem SMD-Bestückung Standard- / SonderBauelemente Laser- / KameraZentrierung 4-fach Ansaugeinrichtung Temperatur-Profile für bleifreie Lötung bleihaltige Lötung Kleberaushärtung (für Wellenlötung) THT-Linien für bleifreie und bleihaltige Wellen-Lötung Handbestückung von Bauelementen in Durchstecktechnik (THT) Doppel-Wellen-Lötanlage Stickstoff-Unterstützung (Schutzgas) 7 Heizzonen automatische Zinnzufuhr automatische Winkeleinstellung: turbulente Welle (Wörthmann) laminare Welle integriertes Kühlsystem bleifreies Lot: Balver Sn100Ce Prüftechnik elektronischer Baugruppen AOI - Automatische Optische Inspektion Digitales Scan-System zur Erkennung von: Schrift Polarität Lötfehler Lotfüllgrad BE-Fehler Ausrichtungsfehler Grabsteineffekt Verunreinigungen Speziallinse zur Bild-Entzerrung Optimiertes Beleuchtungssystem (LEDs) automatische Helligkeits-Kalibrierung hohe Bildauflösung 18 µm hohe Abtastgeschwindigkeit 460 x 500mm in 19s Leiterplattendicke 0,5 – 5,0mm Elektrische Prüfung elektrische Prüfung elektronischer Baugruppen Funktionsprüfung (automatisiert und manuell) In-Cicuit-Tester (teilweise mit integriertem Funktionstest) Reparatur nach der Funktionsprüfung (falls erforderlich) Testeinrichtungen Genrad Digital- und Analog-Tester Eigenbau-Testgeräte Kundengeräte Entwicklung von Test-Software Generierung von Testprogrammen Anpassung von CAD-Daten Prüfadapter Nadelbett-Adapter kundenspezifische Adaptierungen eigene Entwicklung und Herstellung Einpresstechnik Als Technologieführer der Einpresstechnik bietet ERNI Werkzeuge, Bauteile und Know-how in Fertigungs- und Prüftechnik für Busplatinen und Komplettsysteme. Als Pionier der Einpresstechnik hat ERNI diese Fertigungstechnologie maßgeblich vorangetrieben. Für zahlreiche Applikationen ist sie die wirtschaftlichste Lösung, und bei komplexen Bauarten, wenn Löten nicht mehr möglich ist, sogar die einzige. Die von ERNI entwickelten Automaten vereinen das Bestücken und Einpressen zu einem Arbeitsgang und steigern die Produktivität. Begriffsdefinition: Die Einpresstechnik bezeichnet eine lötfreie elektrische Verbindungstechnik im Bereich der Leiterplatten. Hierzu muss ein Einpressstift in das metallisierte Loch (Durchkontaktierung) einer Leiterplatte gepresst werden. Das wesentliche Merkmal ist dabei, dass die Diagonale des Stiftquerschnitts größer ist als der Durchmesser der Kupferhülse in der Leiterplatte. Die beim Einpressen entstehende Überpressung kann entweder durch die Verformung der Durchkontaktierung oder durch die Verformung des Stiftes aufgenommen werden. Es gibt zwei verschiedene Arten der Einpresstechnik: Stifte in massiver Ausführung Stifte mit elastischer Einpresszone Durch das Einpressen und dem damit verbundenen Druck des Stiftes auf die Kupferhülse entsteht eine gasdichte, korrosions-sichere elektrische Verbindung, die sich durch eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnet. Die Einpresstechnik ist standardisiert und in der Europa-Norm (DIN) EN 60352-5 beschrieben Leiterplatte Durchkontaktierung (Kupferhülse) Einpress-Stift Schnitt A-A Einpresszone Zur Herstellung einer Einpressverbindung können verschiedenste Formen von Einpresszonen verwendet werden. Im Bereich der elastischen Einpresszonen stellt das sogenannte „Nadelöhr“ die am häufigsten verwendete Form dar. Das „Nadelöhr“ besitzt mehrere Eigenschaften, welche die Herstellung einer zuverlässigen Verbindung begünstigen: relative geringe Einpresskraft schont die Lochwand und ist „reparaturfreundlich“ hohe Elastizität, erhöht die Dauerhaftigkeit (Zuverlässigkeit) geringe Streuung der Einpresskräfte annähernd gleiche Ein- und Auspress-Kraft ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Kontaktmaterialien Querschliff durch eine EinpressVerbindung NadelöhrEinpresszone Längsschliff durch eine Einpressverbindung Begriffsdefinition: Die flexible oder elastische Einpress-Zone verformt sich beim Einpressvorgang elastisch. Dadurch erreicht man eine relativ geringe Einpresskraft. Durch die Elastizität wird im eingepressten Zustand ein permanenter Druck auf die Durchkontaktierung ausgeübt, und so auch unter Umwelt-Einflüssen eine zuverlässige Verbindungsstelle sicherstellt. Leiterplatten für Einpresstechnik Das Leiterplattenloch zur Aufnahme des Einpresspins besteht aus der Kupferhülse und der darauf aufgebrachten Oberflächenveredelung. Grundvoraussetzung für die Herstellung einer für Einpresstechnik geeigneten Durchkontaktierung ist die Wahl des Bohrers. Hierzu gilt der folgende Zusammenhang für die Festlegung der Durchmesser: Durchmesser des Bohrers – 0,1mm = Endloch-Durchmesser Die Toleranz des Endlochdurchmessers wird mit typisch +/-0,05mm angegeben. Das folgende Beispiel zeigt den Lochaufbau für das Endloch mit Durchmesser 0,6 + 0,05 / -0,05 mm -0,03 mm 0,7 Bohrloch 25 – 35µm Cu 0,6 Loch mit Cu - Hülse Weitere Bohr- bzw. Lochdurchmesser sind in der DIN EN 60352-5 spezifiziert. Zum Schutz der Kupferoberflächen stehen verschiedene (bleifreie) Veredelungsverfahren zur Verfügung: chemisch Zinn, mit einer Schichtdicke von ca. 1µm, ist die am häufigsten verwendete Oberfläche für Einpresstechnik chemisch NiAu, mit einer Schichtdicke von ca. 5µm, mit Nickel-Sperrschicht und Flash-Vergoldung weitere organisch, chemisch oder galvanisch aufgebrachte Substanzen verfügbar Einpressvorgang Zum Einpressen benötigt man die Leiterplatte, die Steckverbinder mit Einpresspins, geeignete Werkzeuge und eine Presse, welche die erforderliche Gesamtkraft aufbringen kann. Damit beim Einpressvorgang keine Beschädigungen auftreten, ist ein geeignetes Unterwerkzeug zur Abstützung der Leiterplatte zu verwenden. Einpress-Werkzeuge Beispiele von Einpress-Werkzeugen für die Steckverbinderleisten nach DIN 41612 / IEC 60603-2 für Messerleisten Werkzeug-Oberteil zur Aufnahme der Messerkontakte Einpresskraft wirkt auf die einzelnen Messerkontakte Unterwerkzeug zur Abstützung der Leiterplatte für Federleisten Werkzeug-Oberteil: Flachstempel mit Führung Einpresskraft wirkt auf den Isolierkörper Unterwerkzeug zur Abstützung der Leiterplatte Hinweis: Um Beschädigungen zu vermeiden, ist beim Einpressen darauf zu achten, dass der Kunststoffkörper des Steckverbinders nicht zu stark auf die Leiterplatten-Oberfläche gepresst wird. In der Praxis kann sich dadurch ggf. ein Spalt von 0,05 - 0,1mm zwischen Bauteil und Leiterplatte ergeben. Es ist generell zu empfehlen, geeignete Pressen mit Grenzwert-Überwachung zu verwenden Vorteile der Einpresstechnik Sehr guter elektrischer Kontakt mit hoher Zuverlässigkeit (geringere Ausfallrate als Löttechnik) Beidseitige Bestückung möglich Mischbestückung (zusammen mit Löttechnik) In Multilayer-Leiterplatten beliebiger Dicke verarbeitbar Kein thermischer Stress Keine erhöhten Anforderungen durch bleifreie Prozesse Steckerverbinder sind austauschbar (Reparatur-Fähigkeit) I/O (Übergabetechnik) und Wire wrap Einpress-Werkzeuge und Prüftechnik Werkzeuge aller Bauformen von Steckverbindern verfügbar Prozesssteuerung und -überwachung Bauteilbibliotheken vorhanden Protokollierung der Einpresskräfte Vollautomatische Backplane-Test-Einrichtungen Automatische Optische Inspektion (AOI) Verbindungstest (Cross-Connect) - „keine Unterbrechungen” Isolationstest (bis 1500V) - „keine Kurzschlüsse” Impedanzprüfung - „keine Unstetigkeiten“ Elektrischer Funktionstest Test-Lösung für hohe Kontaktdichte (> 100.000 Testpunkte, Leiterplatten bis 1400 x 600 mm) Elektrische Prüfung passiver Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, …) ERNI Electronics GmbH Systemtechnik Seestrasse 9 73099 Adelberg / Deutschland Tel +49 7166 50-0 Fax +49 7166 50-282 [email protected] ERNI ES GmbH Electronic Solutions Zillenhardtstrasse 35 Gewerbepark Voralb 73037 Göppingen-Eschenbach / Deutschland Tel +49 7161 38997-0 Fax +49 7166 50557-10 [email protected] www.erni.com