In diesem informativen Artikel befasst sich Schurter mit den Dilemmata zwischen Durchkontaktierung und Oberflächenmontage Technologie und die Geschichte der Lösungen. Elektrische und elektronische Komponenten gibt es in verschiedenen Größen und Montagetechniken. Der Klassiker ist die Through-Hole-Technologie (THT); Ihr modernes Gegenstück ist die Oberflächenmontagetechnik (SMT). Leider erfordern diese beiden Technologien, die in fast jedem elektronischen Gerät kombiniert sind, unterschiedliche Lötmethoden. Ein Dilemma? Ja und nein.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es noch keine Leiterplatten. Alle damals erhältlichen Bauteile wurden frei von Hand verdrahtet. Erst um 1920 entstanden die ersten Prototypen: gestanzte Leiterbahnen auf Hartpapier genietet und mit Blechfedern zusammengehalten. 1943 erhielt der Wiener Ingenieur Paul Eisler ein Patent für eine Leiterplatte, mit lange Zeit mäßigem Erfolg. Die manuelle Verdrahtung blieb für ein gutes Jahrzehnt der Standard.
Through-Hole-Technologie (THT) In den frühen 1950er Jahren setzte sich die Leiterplatte langsam durch. In der Nähe von Düsseldorf wurde in den Ruwel-Werken die Durchgangslochtechnik geboren. Die Anschlussdrähte der Bauteile wurden durch Bohrungen in der Leiterplatte geführt, die auf ihrer Unterseite mit Kupferleiterbahnen versehen waren. Dieser Ansatz vereinfachte die Produktion und reduzierte gleichzeitig die Fehlerquote bei der Verdrahtung. Heute nennt man das THT: Through Hole Technology.
Die Oberflächenmontagetechnik (SMT) ist nicht viel jünger, obwohl sie für fast alle modernen elektronischen Produkte verwendet wird. Seine Anfänge liegen in den 1960er Jahren, entwickelt von IBM für die Computer der Saturn- und Apollo-Missionen. Gründe für diese Entwicklung waren damals die beengten Platzverhältnisse in den Raumschiffen und eine reduzierte Schaltung Impedanz zur Erhöhung der Schaltfrequenzen.
Miniaturisierung SMT und THT haben heute einen festen Platz in der Produktion jedes EMS-Unternehmens. EMS steht für „Electronics Manufacturing Services“, also die Fertigung und Montage kompletter Baugruppen. Die steigende Kundennachfrage nach mobilen elektronischen Geräten verlagert den Fokus immer mehr auf die Surface-Mount-Technologie.
Üblicherweise sind SMT-Bauteile deutlich kleiner und ermöglichen somit kompaktere Endgeräte. Smartphones sind dafür das beste Beispiel. Ohne SMT wären sie in ihrer jetzigen Form undenkbar. Im Gegensatz zur Durchsteckmontage werden SMT-Bauteile direkt auf die kupferkaschierte Oberfläche der Platine „geklebt“ und anschließend in einem Reflow-Ofen gelötet. Eine SMT-Leiterplatte lässt oft eine beidseitige Bestückung zu, was die mögliche, vollautomatisierte Bestückungsdichte verdoppelt.
Hybriden als Folge Allerdings können nur einige Komponenten beliebig verkleinert werden. Stationäre elektronische Geräte haben fast immer ein eingebautes Netzteil. Traditionell besteht diese aus einem Transformator, Kondensatoren, Widerstände und einen Gleichrichter. Aber auch die heute häufig eingesetzten Schaltnetzteile lassen sich je nach benötigter Leistung nicht auf Miniaturmaße „schrumpfen“. Kraft braucht Platz. Wenn beispielsweise auch die Stromversorgung auf der SMT-Platine platziert werden muss, dann wird es für einen Trafo schnell eng. Oder betrachten wir die Frage der Absicherung: Wenn bei einem Überstrom eine Sicherung durchbrennt, wäre es äußerst sinnvoll, wenn diese Sicherung ohne großen Aufwand ausgetauscht werden könnte. Dieser Bedarf führte zu Hybriden: SMT-Leiterplatten, die weitere Bohrungen für THT-Bauteile enthalten.
Die Folgen eines Hybriden Der Einsatz zweier Technologien hat Konsequenzen im Lötprozess. Für den EMS-Anbieter muss jede Platine zwei Lötprozesse durchlaufen. Eines für die oberflächenmontierten Bauteile (Reflow-Verfahren) und ein zweites für die Bauteile in Durchsteckmontage (Wellenlöten). Zwei Lötverfahren sind mit deutlich höheren Kosten und einer längeren Produktionszeit verbunden. Außerdem müssen zwei Lötanlagen vorhanden sein. Aber es gibt auch andere Nachteile.
Problem: Alterung Wenn eine Hybrid-Leiterplatte zwei Lötprozesse durchlaufen muss, werden viele Bauteile zweimal auf Temperaturen weit über 200 °C erhitzt. Dies ist für sie nicht vorteilhaft, und hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer aller elektronischen Komponenten. Problem: Fehlbestückung Der Doppellötprozess birgt ein zusätzliches Risiko aus der praktischen Umsetzung: Üblicherweise werden die THT-Bauelemente nach dem Reflow-Lötprozess für SMT bestückt. Insbesondere das manuelle Bestücken der Bauteile für den zweiten Lötzyklus im Wellenbad birgt ein massiv erhöhtes Risiko einer Fehlbestückung.
Ansatz: keine Hybriden Um diese Probleme zu vermeiden, gibt es mehrere Ansätze. Am einfachsten ist es, zu verhindern, dass sie überhaupt auftreten. Verwenden Sie also nur SMT- oder nur THT-Bauteile. Dann reicht immer ein einziger Lötvorgang. Aufgrund der technischen Eigenschaften, die das zu lötende Endprodukt haben soll, ist dies in der Praxis jedoch oft nicht möglich.
Alternative: THR Die Abkürzung THR steht für „Through Hole Reflow“. THRs sind Bauteile mit Through-Hole-Technologie. Allerdings sind diese THR-Bauteile für die automatisierte Bestückung und hohe thermische Belastung im Reflow-Ofen ausgelegt. Bei der Bestückung wird zunächst eine Paste in die Vias für die THT-Pins gedruckt und anschließend das Bauteil durch die Lotpaste geschoben. Während die Paste im Reflow-Ofen schmilzt, zieht sich das flüssige Lot aufgrund von Benetzungs- und Kapillarkräften in die Durchkontaktierungen zurück und bildet eine saubere Lötverbindung. Zwei Technologien, ein Lötprozess. Hocheffizient!
Zurück zum (Absicherungs-)Schutz Vor diesem Hintergrund sollten wir uns noch einmal mit dem Schaltungsschutz einer vollautomatisch bestückten Leiterplatte befassen. Sehr vorteilhaft wäre es, einen Sicherungshalter auf der SMT-Platine zu installieren, der sofort im Reflow-Prozess gelötet werden kann. Solche Sicherungshalter existieren. Der glühdrahtfeste, offene Sicherungshalter Schurter OGN ist ein Klassiker und ausgelegt für 5×20 Sicherungen unterschiedlicher Nennströme und Auslösecharakteristiken. Auf Wunsch lässt er sich mit einem Deckel auch ganz einfach in einen geschlossenen Sicherungshalter umbauen. Drei Versionen sind jetzt verfügbar: klassisches THT, SMT und THR, das vollständig mit der THT-Version kompatibel ist. Für nahezu jede Anwendung die richtige Lösung. Ein Lötvorgang genügt.
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