Reflow-Prozess

Reflow-Prozess

Neue Generation hochpräziser THR-Stiftleisten

Stiftleisten für das THR(Through Hole Reflow)-Verfahren – auch Pin in Paste-Verfahren genannt – stehen mit ihrer Stiftpositionstoleranz (Taumelkreis) in der Diskussion. Unter den Baugruppenfertigern wollen einige Technologietreiber die allgemein anwendbaren Toleranzlagen zwischen Stiftleiste und Bohrloch auf SMD-übliche minimale Toleranzen bringen. Herstellerseitig gelingt das nur mit neuen Produktionsverfahren, deren Kosten sich nach Ansicht der Anwender nicht auf die Produkte auswirken sollen. Auch die kürzlich ins Leben gerufene DIN EN 61760-3 legt zunächst nur die bislang möglichen Toleranzbereiche fest.
Das Prozessfenster, in dem das Pin in Paste-Verfahren angewendet werden kann, wird von der Lotpaste sowie der Relation von Bohrlochdurchmesser und Leiterplattenstärke bestimmt. Je kleiner der Durchmesser, desto schwieriger wird es, einen entsprechenden Durchdruck zu erzeugen und damit das Bohrloch vollständig zu füllen. Die untere Durchmessergrenze bei einer 1,5mm dicken Leiterplatte liegt bei etwa 1,0mm. Nach oben hin definiert sich der Grenzdurchmesser bei etwa 2,0mm. Ab da besteht das Risiko eines Pasten-Abwurfs beim Siebdruck, die Paste kann sich nicht im Bohrloch halten. Bei Stiften mit einem Kantenmaß von 0,8mm betragen die Durchmesser der Bohrungen üblicherweise 1,4 oder 1,5mm, bei Stiften mit einem Kantenmaß von 1,0mm betragen sie 1,6 oder 1,7mm. Bei der Bestimmung des Verhältnisses von Bohrloch zu Stiftdurchmesser muss die problemlose Verarbeitung der Stiftleisten oberstes Ziel sein, am Ende müssen die Lötstellen den Anforderungen an die Klasse 3 der IPC A 610 genügen. Der Fokus liegt damit auf der Positionstoleranz – dem möglichen Bewegungsspiel einer Reihe von Stiften in einer Reihe von Bohrlöchern.

Was genau ist Positionstoleranz?

Die Positionstoleranz von Stiften in Durchsteck-Stiftleisten bezeichnet die zulässige Lageabweichung der Stiftspitze von der Null-Lage in X- und Y-Richtung. Anschaulicher ist der Begriff des Taumelkreises, der einen Kreis mit entsprechendem Durchmesser für die Abweichung um die Stiftspitze beschreibt. Eine Positionstoleranz von zum Beispiel +/- 0,2mm beschreibt einen Kreis mit einem Durchmesser von 0,4mm, in dessen Mitte die Stiftspitze ideal in Null-Lage steht. In Bezug auf die Stiftleiste bedeutet dies, dass alle Stifte gemäß Raster ohne Toleranz in Null-Lage stehen (Bild 2). In diesen Angaben sind neben den Toleranzen der Stiftleiste auch die der Fertigungseinrichtung bereits berücksichtigt. Eine alternative Darstellung kann auch die Angabe der Maßabweichungen von einem idealen Raster einer Stiftleiste sein. Hier darf dann die Strecke vom ersten zum Nachbar-Stift sowie die Strecke vom ersten zum letzten Stift einer Stiftleiste den Toleranzbereich von zum Beispiel +/- 0,2mm nicht verlassen.

Die ’neue‘ THR-Norm und ihre Definition der Positionstoleranz

Die Hersteller von THR-Stiftleisten orientierten sich zunächst im normativen Umfeld der THR-Technologie an den gängigen SMD-Normen. Das führte häufig zu Kompromissen. So konnten THR-Bauelemente nur in Anlehnung an diese Normen qualifiziert werden. Die im Dezember 2010 veröffentlichte DIN EN 61760-3 (Oberflächentechnik – Teil 3: Genormtes Verfahren zur Spezifizierung von Durchsteckmontage-Bauelementen für das Aufschmelzlöten (THR)) befasst sich als erste Norm seit Markteinführung von THR-Stiftleisten überhaupt mit der THR-Technologie. Damit fallen auch alle Bauelemente in dieser Bauart – wie etwa THR-Relais – unter die Anforderungen. Bei der Festlegung der Positionstoleranz haben die beteiligten Hersteller und Anwender einen Kompromiss gefunden: der größer gefasste Bereich von +/-0,2mm – damals noch mit Bezug zu herkömmlichen Montageverfahren zugunsten der Komponentenhersteller. Das heute verfügbare Produktprogramm an THR-Stiftleisten ist somit in der Regel normenkonform. Da sich die Technologietreiber unter den Anwendern nicht mit dem Toleranzbereich anfreunden können und ihn auf +/- 0,1mm reduziert sehen möchten, sind einige Hersteller dazu übergegangen, Stiftleisten mit kleinerem Toleranzbereich zu produzieren – wenn auch mit deutlich höherem Aufwand.

Tanz um die Toleranz

Warum gibt es die Diskussion um die Positionstoleranz für THR-Stiftleisten? Seit den ersten Entwicklungen von Leiterplatten-Stiftleisten für den Reflow-Prozess orientieren sich die Designs an denen von schwall-lötbaren Stiftleisten. Dabei sind zahlreiche Anpassungen an den automatischen Verarbeitungsprozess erforderlich, wie etwa besondere Ansaugoberflächen, Offsets für den Lotpastendruck, kürzere Stifte sowie entsprechende Freiräume um die Stifte. Da auch THR-Stiftleisten vorzugsweise in bis dato üblichen Standard-Montageverfahren – dem Einschießen von Stiften in Kunststoffgehäuse – gefertigt werden, orientiert sich auch die Positionstoleranz der Stifte weitgehend an der Positionstoleranz schwall-lötbarer Stiftleisten, die etwa +/- 0,2mm beträgt. Schwall-lötbare Stiftleisten haben bei der weitverbreiteten Handmontage den Vorteil, dass Kollisionen der Stifte mit den Bohrlöchern bei entsprechender Bewegung und Nachdruck per Hand überwunden werden können. Im automatisierten Bestückungsprozess von THR-Stiftleisten müssen bei gleichen Toleranzen die Durchmesser der Bohrlöcher größer sein. Das führt in den Augen einiger Prozesstechniker jedoch zu schlechteren Lötstellen – was nach IPC A 610 Klasse 3 widerlegt werden kann. Trotzdem werden kleinere Bohrlochdurchmesser und Positionstoleranzen gefordert. Mit dem Einsatz neuer Hochtemperatur-Kunststoffe wie LCP (Liquid Crystal Polymer) sowie qualitativ hochwertiger Montagemittel kann man heute kleinere Toleranzen um die +/- 0,15mm erzielen, und damit auch die Bohrlöcher enger fassen. Mit diesem Toleranzbereich lässt sich normenkonform arbeiten, und die Herstellung hält sich von den Kosten her im Rahmen. Trotzdem hält sich – auch im Hinblick auf die immer besser werdende Kamera-Auflösung bei der Bauteilerfassung und auf die Bestückungsgenauigkeiten der Pick und Place-Automaten – hartnäckig die Forderung nach SMD-üblichen Toleranzen von +/- 0,1mm. Diesen Toleranzbereich kann man jedoch nur mit neueren Produktionsverfahren wie dem Umspritzverfahren einhalten. Investitionen und Kosten liegen hier deutlich höher als beim Standard-Montageverfahren.

Bloß Stifte in Kunststoff?

Hier geht es nicht um Fine Pitch-Stiftleisten, sondern um Stiftleisten, die vorrangig im Gerätebau der MSR-Technik eingesetzt werden. Die Stärken liegen in der Abdeckung einer großen Bandbreite individueller Kombinationsmöglichkeiten ein- und doppelreihiger Anordnungen mit entsprechenden Steckern im Rasterbereich von 2,5 bis 5,08mm bei Strömen von 4 – 12A und Spannungen von 80 – 250V. Hier findet man häufig robuste kastenförmige Gehäuse mit geraden oder gewinkelten Stiften (Bild 3). Die Fertigung dieser Stiftleisten unterliegt Toleranzen, die sich – je nach Verfahren – hauptsächlich aus den Toleranzen der einzelnen Komponenten aus Kunststoff und Metall sowie denen des Montageverfahrens ableiten: – Das Kunststoffgehäuse trägt dabei Toleranzen hinsichtlich der Längenausdehnung (Rastertreue), dem Grad der Durchbiegung in allen drei Achsen sowie gegebenenfalls auch der Torsion des Kunststoffkörpers mit sich. Je mehr Pole eine solche Stiftleiste hat, desto deutlicher treten diese in den Vordergrund. – Die Metallteile – vorrangig Stifte – bringen aus ihrem Biegeprozess eine Winkelabweichung und/oder eine Torsion zwischen den Schenkeln mit sich. – Der Montageprozess beeinflusst die Stiftposition, durch Kalibrieren kann positiv gegengesteuert werden. Für Stiftleisten gibt es unterschiedliche Fertigungsverfahren, die sich im direkten Vergleich hinsichtlich ihrer erreichbaren Toleranzen unterscheiden.

Stiftleisten im Standard-Herstellungsverfahren

Das Standard-Herstellungsverfahren kennt zwei Schritte: Zunächst werden Kunststoffgehäuse und Stifte separat produziert. Anschließend werden die Stifte in das Gehäuse montiert – man spricht auch vom Einschießen der Stifte. Dies erfolgt von Hand, halb- oder vollautomatisch – je nach Produktionsvolumen und Automatisierungsgrad (Bild 4). Ein solches Verfahren erreicht eine Positionstoleranz von +/- 0,2mm, bei qualitativ hochwertigen Vollautomaten auch +/-0,15mm. Die Konzentration auf Hochtemperatur-Kunststoffe wie LCP und PPA (Polyphthalamide) für THR-Stiftleisten in den letzten Jahren hat den positiven Effekt, dass die oben genannten Toleranzgrenzen unterschritten werden. Muss jedoch die strengere Forderung nach einer Toleranz von +/-0,1mm erfüllt werden, bleibt für den Hersteller nur eine aufwendige Prüfung – was die Fertigungskosten deutlich erhöht.

Stiftleisten im Umspritz-Verfahren

Das Umspritzen von Metallteilen mit Kunststoff ist nicht neu, das Verfahren ermöglicht im Ergebnis eine Positionstoleranz von unter +/- 0,1mm. Die Metallteile werden direkt in der Werkzeugkavität positioniert und anschließend mit Kunststoff umspritzt. Die Stifte werden genauer im Kunststoffgehäuse positioniert, damit wird der Toleranzbereich kleiner (Bild 5). Die Investitionen in den Werkzeug- und Anlagenpark liegen aber um ein Vielfaches höher als im Standard-Herstellungsprozess.

Neue Generation im Produktprogramm

Alle THR-Stiftleisten für den Reflow-Prozess aus dem Produkt-Programm von Phoenix Contact sind normenkonform und erfüllen die Anforderungen an den Taumelkreis. Für Anwender mit erhöhten Anforderungen an die Stiftposition steht eine neue Generation hochpräziser THR-Stiftleisten zur Verfügung: ein- und doppelreihige Bauformen in den Rastern 3,5 und 3,81mm – ‚Tape on Reel‘-verpackt zur automatischen Bestückung. Bei der Entwicklung dieser Stiftleisten wurden aktuelle Trends sowie Anforderungen an moderne Leiterplatten-Steckverbindungen berücksichtigt: kompakte Bauformen bei hoher Kontaktdichte – bis zu 40 Anschlusspunkte sind bei doppelstöckiger Anordnung möglich. Die Kombination mit Steckern in Federkraftanschlusstechnik ermöglicht den schnellen Plug & Play-Anschluss von starren oder flexiblen Leitern mit Aderendhülse bei großem Leiterquerschnitt. Außerdem sind die Steckverbinder mit dem komfortablen Lock & Release-System ausgestattet, das – gerade bei hohen Polzahlen – eine sichere Verriegelung und ein komfortables Lösen der Verbindung ermöglicht (Bild 6).

Phoenix Contact Deutschland GmbH
www.phoenixcontact.com

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