Mehr Platz
beim Leiteranschluss
Federkraft-Printklemmen für SMT-Anwendungen
Das Angebot an Federkraft-Printklemmen, die für den Einsatz in der Oberflächen-Löttechnik der so genannten Surface Mount Technology (SMT) – geeignet sind, ist klein. In der Praxis fällt die Wahl daher auf die herkömmlichen bedrahteten Printklemmen, die dann durch zusätzliche Arbeitsgänge aufgelötet werden. Kostengünstiger ist es, die Printklemmen in den SMT-Prozess zu integrieren.
Vorteile der Oberflächen-Montage
Unter SMT versteht man das Aufbringen von Bauelementen, die nicht mit Lötstiften ausgestattet sind, sondern direkt über die Lötpads auf der Leiterplatten-Oberfläche automatisch im Reflow-Ofen verlötet werden. Seit vielen Jahren wächst die Bedeutung der Surface Mount Technologie (SMT) in der Elektronikfertigung. SMT bietet im Vergleich zu den bedrahteten Bauelementen folgende Vorteile:
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Optimierung der Kosten durch vollautomatisierte Fertigung
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höhere Packungsdichten durch beidseitige Bestückbarkeit der Leiterplatte
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hohe Qualität der gefertigten Leiterkarten durch präzise Automatenbestückung auch kleinster
Bauteile
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mehr Freiraum in der Leiterplatten-Gestaltung durch den Wegfall der Bohrungen für bedrahtete
Bauelemente
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größere Auswahl beim Platinen-Grundmaterial – so werden etwa in der Leuchtenindustrie häufig
LEDs auf Metallkernplatinen aufgebracht, in diesen Applikationen sind bedrahtete Bauelemente
nur umständlich und kostenintensiv zu integrieren
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Wegfall des Wellenlöt-Schrittes
Auswahl und Bauform der SMT-Bauelemente
Charakteristisch für SMT-Bauteile ist die kleine und kompakte Bauform, die platzsparend und leicht zu verarbeiten ist. Im Laufe der Jahre entwickelten die Bauelement-Hersteller immer weitere Bauformen, die für SMT-Prozesse geeignet sind. Mittlerweile existiert eine große Auswahl an Oberflächen-montierbaren Bauelementen wie Halbleiter, CPUs, ICs, Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren, die alle automatisiert auf die Leiterplatte aufgelötet werden. Nicht so groß ist zur Zeit die Auswahl an Federkraft-Printklemmen, die sich für eine Oberflächen-Montage eignen. Das liegt vermutlich daran, dass die verfügbaren Printklemmen aufgrund der Baugröße nur schwer in SMT-Prozesse integrierbar sind. Die Anforderungen an SMT-fähige Federkraft-Printklemmen werden im folgenden detailliert beschrieben. Damit auch Federkraft-Printklemmen in SMT-Prozessen erfolgreich eingesetzt werden können, müssen die Bauelemente zum einen gut in den SMT-Prozessen verarbeitet werden können. Zum anderen muss eine anschließende komfortable Verdrahtung der Baugruppen möglich sein. In den heutigen SMT-Prozessen werden die Bauelemente automatisch der Bestückeinheit zugeführt. Nach der Bestückung wird die Platinen-Baugruppe automatisch im sogenannten Reflow-Ofen verlötet und anschließend inspiziert. Von diesen Prozessen leiten sich bestimmte Anforderungen an ein Bauelement ab.
Anforderungen an Baulänge und Bauhöhe
Für die automatische Zuführung von Bauelementen hat sich als gängige Lieferform die Gurtverpackung (Tape on Reel Verpackung) etabliert. Diese Gurte werden auf Rollen gewickelt angeliefert. Übliche Standardbreiten der Gurte liegen bei 24, 32, 44, 56 und 72mm. Die so verpackten Artikel werden dann in den Feeder des Automaten eingesetzt. Der zur Verfügung stehende Platz die Rollenbreite – des Feeder-Tisches ist immer knapp bemessen. Standardbaubreiten zwischen 24 mm und 56 mm werden daher bevorzugt. Demzufolge handelt es sich bei der Gurtbreite um eine bestimmende Größe für die Baulänge der Printklemmen. Die Bauelemente sollten also in einer möglichst kleinen Standard-Gurtbreite verpackt werden. Die Printklemmen werden dann mit den übrigen Bauelementen in einen Standard-Feeder eingesetzt. Gängige Bestückungsroutinen wie „chaotisches Bestücken“ können ohne Einschränkungen weiter benutzt werden. Je nach Bestückungsautomat stehen für die sogenannten „Pick-and-Place“-Anwendungen eine freie Bestückungshöhe von circa 25mm zur Verfügung. Bei Bestückautomaten mit Revolverköpfen ist die freie Bestückhöhe meist geringer. Die Bauhöhe der Printklemme sollte dann so gering wie möglich sein, damit sie auf möglichst vielen Bestückmaschinen einsetzbar ist. Aufwändige zusätzliche Programmierungen, die bestimmte Reihsequenzen festlegen, entfallen somit. Damit die Printklemme vom Bestückungskopf des Automaten aus dem Gurt entnommen werden kann, muss die Printklemme eine glatte und ausreichend große Ansaugfläche haben. So kann das Bauelement mit Hilfe einer Standard-Vakuum-Pipette aus dem Gurt abgeholt werden. Spezielle und kostenintensive Greifer oder Spezialpipetten sind dann nicht erforderlich.
Anforderungen durch den Lötprozess
Im Anforderungsprofil an den Kunststoff für SMT-Fertigungs-Prozesse steht die kurzzeitige Hochtemperatur-Beständigkeit an erster Stelle. Heute kommen je nach Anforderung Polyamide (PA 4.6), flüssigkristallines Polymer (Liquid Crystal Polymer, LCP) oder PCT zum Einsatz. Die Anforderung an die Hochtemperatur-Beständigkeit wurde im Zuge der Umstellung auf bleifreie Prozesse deutlich erhöht. Für zahlreiche Bauteile liegt die obere Grenztemperatur zwischen 255 bis 260 Grad Celsius. Die Prozessfähigkeit einer Komponente aus einem bestimmten Hochtemperatur-Werkstoff muss nach der Norm IPC/JEDEC J-STD-020D qualifiziert werden. Im Fokus dieser Norm steht die grundsätzliche Feuchtigkeitsaufnahme in Kunststoffen. Sie kann unter der Temperaturbelastung des Lötverfahrens zur Zerstörung in Form von Blasenbildung, zur Delamination oder zur Deformation des Bauteils führen. Innerhalb dieser Norm werden Schwellwerte für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit (Moisture Sensitive Level, MSL) festgelegt, die die Art der Verpackung sowie die Verarbeitung in einer Atmosphäre festlegen, die für SMT-Prozesse üblich ist. Ein Bauelement, dessen Kunststoff stark Feuchtigkeit aufnimmt (MSL 6), muss daher getrocknet und luftdicht verpackt werden. Nach Anbruch der Verpackung in der SMT-Fertigung werden dann die betreffenden Bauelemente in einem bestimmten Zeitraum verarbeitet. Die Einhaltung der sogenannten „Offenzeit“, die Kapazitäten bindet, wird in der SMT-Fertigung aufwändig kontrolliert. Einfacher ist es, Bauelemente mit einer unbegrenzten „Offenzeit“ (MSL 1) zu verarbeiten, der Verpackungsanbruch muss dann nicht beachtet werden. Wie für alle SMD-Bauelemente bestehen auch Anforderungen an die Lotkontakt-Flächen. Hier steht gute Lötbarkeit auf der Platinen-Oberfläche im Vordergrund. Die meisten Spezifikationen fordern eine Koplanarität der Lötflächen zwischen 100 und 200µm. Dies gilt für die Lötflächen von eventuellen Ankermetallen ebenso wie für die Kontaktlötbeine, da das Bauelement über diese Flächen mit der Platine verbunden wird.
Anforderungen aus der Funktion der Printklemme
Printklemmen übertragen elektrische Leistung oder Signale und unterliegen beim Anschließen der Leiter mechanischen Belastungen. Schon bei der Konstruktion der Printklemme ist dabei zu beachten, dass alle mechanischen Kräfte nur über die Lötkontaktflächen der Metalle aufgenommen werden können. Weitere Anforderungen leiten sich aus der Bedienung der Klemme ab. Für die Realisierung einer Federkraft-Anschlusstechnik stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Als zeitgemäße Technik ist hier beispielsweise die Push-In-Schenkelfedertechnik zu nennen. Diese Kontaktart baut sehr klein und erlaubt einen schnellen Leiteranschluss durch ein direktes Stecken der Leiter. Lediglich beim Anschluss von feindrähtigen Leitern ohne Aderendhülse sowie zum Lösen der Leiter wird die Klemmstelle mit einem Schraubendreher betätigt.
Fazit
Unter Berücksichtigung sämtlicher Anforderungen hat Phoenix Contact eine Printklemme entwickelt, welche sich verarbeitungstechnisch nicht von den etablierten SMT-Komponenten unterscheidet. Hardware-Entwickler haben jetzt die Möglichkeit, Anschlusstechnik und Baugruppe in nur einem SMT-Prozess kostengünstig fertigen zu lassen. Auch beim späteren Anschließen der Leiter wird der Anwender keine Unterschiede zu einer bedrahteten Printklemme feststellen. Mit der Federkraft-Printklemme PTSM spart der Anwender viel Platz beim Leiteranschluss, damit ist das Modul auch optimal für Geräte der LED-Beleuchtungstechnik geeignet. Trotz der extrem geringen Bauhöhe von nur 5mm erlaubt der robuste Federkraftanschluss das bequeme Be- und Entschalten von Leitern bis 0,75mm².
Autor: Dipl.-Ing. Lukas Muth, Produktmarketing Combicon, Phoenix Contact GmbH & Co. KG
