Fachvortrag. SMD/THR Anschlusstechnik auf der Leiterplatte. In Kooperation mit

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1 Fachvortrag SMD/THR Anschlusstechnik auf der Leiterplatte ITC/ /UB. In Kooperation mit Ver. F/1.2

2 Wir bieten ein breites Produkt- und Lösungs-Portfolio Unsere Divisionen Elektronik Applikationsspezifische Lösungen Geräteanschlusstechnik Elektrische Verbindungstechnik Elektronische Interfacetechnik

3 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

4 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

5 Zwei Verfahren für Surface-Mount Technology (SMT) Surface-Mount Device (SMD) Through Hole Reflow (THR)

6 Die 8 Prozessschritte der SMT-Technologie Leiterplatte mit Bohrung und 1. Schablone positionieren Lotpaste auftragen SMD-Pad Lotpaste in Leiterplatten- Bohrloch und auf Pad THR SMD

7 Die 8 Prozessschritte der SMT-Technologie THR-Bauteilstift und SMD- Qualitätskontrolle: Fertige 5. Bestücken 6. Reflow-Löten Gullwing in Lotpaste setzen Lötstellen beurteilen

8 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

9 Produktanforderungen für den Fertigungsprozess Automatische Bestückung Aufnahme am Bestückungskopf Glatte Ansaugfläche der Komponente Pick and Place-Pads Niedriges Bauteilgewicht Zuführung der Bauteile Automatengerechte Verpackung Tray / Tape on Reel / Tube Lötvorgang Hochtemperaturfeste Materialien Optimierte Wärmezufuhr Stand-Offs Ausreichend Freiraum im Lötbereich

10 Abnahmekriterien für Baugruppen nach IPC-A-610 E Klasse 1 Allgemeine Elektronikprodukte Keine erhöhten Anforderungen an die Funktion Klasse 2 Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen Produkte mit stetiger Funktion Unterbrechungsfreier Betrieb nicht kritisch Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle Klasse 3 Hochleistungselektronik Kontinuierliche hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung Funktionsausfall nicht zulässig Für raue Einsatzumgebungen Bewertung der Baugruppe wird durch den Kunden bzw. Anwender festgelegt

11 Qualitätsanforderungen nach IPC-A-610 (Klasse 3) Beurteilungskriterien gemäß Norm: Vertikale Lotfüllung (Füllgrad) muss min. 75% betragen Umfangsbenetzung von Primärseite Anschluss und Hülse darf 270 nicht unterschreiten Umfangsbenetzung der Sekundärseite darf 330 nicht unterschreiten Vertikale Lotfüllung (Füllgrad): Umfangsbenetzung und Lotbenetzung: Primärseite: Sekundärseite: % 270

12 Stiftlängen von 1,50 mm optimieren Ihren Fertigungsprozess 1,50 mm Doppelseitige Bestückung bei Leiterplattenstärke 1,50 mm Kostenreduktion durch Minimierung des Pastenvolumens Prozessbeschleunigung durch optimale Temperaturannahme Problemloses Ausgasen der Flussmittel im Lötprozess

13 Hochpräzise Stiftleisten minimieren Bestückungsfehler Positionstoleranz der Kontakte gemäß Norm IEC Die Positionstoleranz der Lötstifte ist kleiner +/- 0,1mm um die Null-Lage

14 Hochleistungskunststoff LCP ideal für den SMD/THR-Prozess Moisture Sensitivity Level (MSL) 1 unbegrenzte Lagerung und Verarbeitung ohne Vortrocknung Größte Dimensionsstabilität und Rastertreue im Bestückungsprozess Hochtemperaturfest in allen gängigen Lötverfahren Ausdehnungsverhalten ähnlich den üblichen Leiterplattenmaterialien (FR4) Halogenfrei nach RoHS

15 Zwei Lötpads pro Pol erhöhen die mechanische Stabilität LSF-SMD Leiterplattenklemmen erfüllen höchste Ansprüche an die mechanische Fixierung ohne zusätzliche Befestigungsflansche

16 LSF-SMD-Leiterplattenklemmen erfüllen höchste Ansprüche Koplanarität: Gibt die Höhendifferenz zwischen den Pins an Die LSF-SMD Leiterplattenklemme weist eine Koplanarität von maximal 100 μm auf Mechanische Stabilität: Die axialen Auszugkräfte liegen pro Klemmstelle deutlich über den normativ zulässigen Werten nach IEC Haltekräfte pro Pol von über 150 N Vibrations- und Schockfestigkeit: Schock nach IEC 61373/ mit einem Schärfegrad der Kategorie 1B

17 Die Verwendung von Lötflanschstiften erhöht die Ausreißkräfte Lötflanschstift zur Fixierung Vorteile: Fixierungsschraube entfällt Schützt die Lötstellen vor mechanischem Dauerstress Zusätzliche Ausreißkraft von ca. 150 N pro Lötflanschstift

18 Flexible Fertigung durch modulare Stiftleiste (System SL-SMarT) Anforderung: Höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten mit Pick & Place Automaten Reduzierte Anzahl Artikelnummern Verarbeitung von hochpoligen Stiftleisten mit Pick & Place Umsetzung: Modulares System 2- und 3-polige Stiftleistenmodule Nur 2 Gurtfördersysteme erforderlich modular aufgebaute Stiftleiste Vorteil: Optimale Verarbeitungsgeschwindigkeit Geringere Kosten

19 Empfohlenes Reflow Lötprofil für Weidmüller Komponenten Vorheizphase Aktivierung Lotpaste Schmelztemp. 217 C C Max. Temperatur 245 C C sec. Langsames Abkühlen

20 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

21 Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (THR) Bestückungslochdurchmesser d Für THR-Lötstellen ist gegenüber dem Wellenlöten ein etwas größerer Bestückungslochdurchmesser empfehlenswert, da der Aufschmelzvorgang der Paste in der Bohrung ausreichend Raum benötigt d A Faustformel für Bestückungslochdurchmesser (d I ): Für runde oder oktogonale Lötstifte: d I = d + min 0,3 mm Für rechteckige Lötstifte: d I = d + min 0,25 mm R d I d I = Innendurchmesser Bestückungsloch d A = Aussendurchmesser Bestückungsloch d = Lötstiftdurchmesser R = Restringbreite

22 Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (THR) Lötaugendurchmesser Empfohlener Lötaugendurchmesser für Durchsteck-Lötstellen: d A = d I + 2*R Üblicherweise beträgt die Restringbreite R = 0,3 mm Erhöhung der Restringbreite auf ca. 0,4 mm bei THR-Komponenten(Lötstellen-Stabilität) d d I = Innendurchmesser Bestückungsloch d A = Aussendurchmesser Bestückungsloch d = Lötstiftdurchmesser R = Restringbreite d A R d I

23 Empfehlungen für das Schablonen-Design (THR) Schablonenstärke (typ.) von 120 µm bis 180 µm Schablonenlochdurchmesser ca. 10% kleiner als der Lötaugendurchmesser Faustformel für Durchmesser Schablonenausschnitt: d S = d A - 0,1 mm d S = Schablonenloch Durchmesser d A = Aussendurchmesser Bestückungsloch d S d A

24 Empfehlungen für das Leiterplatten-Design (SMD) Optimales Lötergebnis ist von Toleranzen und Prozessabläufen abhängig. Für Komponenten wie Anschlusselemente oder Steckverbinder, ist aufgrund höherer Lötstellen- Stabilität eine geringfügige Erhöhung der Pad-Fläche empfehlenswert. Faustformel für größere Anschlusselemente oder Steckverbinder: x 2 = x 1 + (0,2mm bis 0,4mm) oder x 2 = x 1 + 2* z y 2 = y 1 + (0,2mm bis 0,4mm) oder y 2 = y 1 + 2* z x 1 x 2 y 1 z y 2

25 Empfehlungen für das Schablonen-Design (SMD) Einsatz von Schablonen mit einer Stärke von 120µm bis 180µm Schablonenlochausschnitt min. 0,1mm bzw. ca. 10 % kleiner als die Lötpad Abmessungen

26 Qualitätsanforderungen für SMD-Komponenten gemäß IPC-A-610 Der maximale Überhang (A) ist nicht größer als 25% der Anschlussbreite (W) A W Minimale Breite am Ende der Lötstelle (C) beträgt 50% der Anschlussbreite (W) C W Wenn die Fußlänge (L) größer als 3 Anschlussbreiten (W) ist, ist die minimale Länge der Lötstelle an der Seite (D) gleich oder größer als 3 Anschlussbreiten (W) L D L D

27 Qualitätsanforderungen für SMD-Komponenten gemäß IPC-A-610 Maximale Höhe der Lötstelle an der Ferse (E): Das Lot berührt den Körper eines Kunststoffbauteils (ausgenommen SOICs und SOTs) E Die minimale Höhe der Lötstelle an der Ferse (F) ist gleich der Lotspaltdicke (G) plus der Anschlussdicke (T) im Lötstellenbereich F T G

28 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

29 Montagekosten auf Basis eines typischen SPS Leiterplatte Reine Pure SMD/THR Montage 180 SMD Komponenten (Möglichkeit der freien Positionierung) 60 verschiedene Komponenten SMD Montage inkl. Reflowlöten Montagepreis je PCB: 3,09 Einmalige Produktionskosten 243,00 Euro Gemische Montage 174 SMD Komponenten (Möglichkeit der freien Positionierung) 6 THT Komponenten 60 verschiedene Komponenten SMD Montage inkl. Reflowlöten Vorbereitung für Schwalllötung Ersatz PCB mit flexmask Handmontage Schwalllötung Montagepreis je PCB : 4,17 Einmalige Produktionskosten ca. 262,00

30 Montagekosten je PCB (in Euro) Montagekosten mit Berücksichtigung der Produktionskosten 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 pure Reine SMD SMD assembly Bestückung mixed Gemischte assembly Bestückung 2,00 1,00 0, Anzahl der Leiterplatten

31 Einsparung in % Montagekosten Differenz in % 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% Anzahl der PCBs Ab 1000 Baugruppen ist die Ersparnis mehr als 25 % je Board durch das Auslassen des Wellenlötprozesses

32 TCO Design Produktion Installation Instandhaltung Gewinn Einsparung Gewinn Einsparung Bis zu 100% nutzbaren Raum auf dem PCB Bis zu 50 % kleineres PCB Auslassen des Wellenlötprozesses > 25 % Es erfolgen Kosteneinsparungen im Montageprozess von mehr als 25 % je Baugruppe, sowie Raumeinsparungen durch das Design

33 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

34 LSF-SMD-Leiterplattenklemme reduziert Geräte-Abmessungen Verwendung einer Push In SMD-Leiterplattenklemme in SMT-Oberflächenmontage Reduzierung der Leiterplatte auf 50% der ursprünglichen Größe LSF-SMD Leiterplattenklemme Neue Höhe Ursprüngliche Höhe Beispiel der Firma Festo: Höhenersparnis durch Rationalisierung einer Leiterplattenebene

35 LED - Straßenlaternen LED street lamp FARA

36 Wärmemanagement beginnt bei der Leiterplattenentwicklung Möglichkeiten des Wärmeabtransports über die Leiterplatte Über den SMD-Layer Über die Rückseite einer doppelseitigen Leiterplatte Wärmeverteilung über die Innenlagen eines Multilayers Mit Wärmeleitkleber aufgeklebte Bauteilgehäuse Metallkernleiterplatte (IMS-Technologie) Abtransport der Wärme von der Baugruppe Thermische Vias Thermal Vias Bauteilkühlung durch thermische Vias Abtransport der Wärme von der Baugruppe THT-Bestückung oder Kontaktierung von unten Alu/Kupfer-Blech oder Gehäuse als unterklebte Wärmesenke TIM: thermisches Interface-Material Wärmespreizung über die Innenlage eines Multilayers

37 Ein Teil der Wärme wird über die Leiterplatte abgeführt z. B. Straßenlaterne LEDs auf der Leiterplatte Leiterplatte

38 BL-I/O Steckverbinder reduziert SPS-Abmaße auf ein Minimum Verwendung eines speziellen Steckverbinders in Verbindung mit SMT-Stiftleiste Reduzierung der SPS-Baubreite bei max. Anzahl von I/O-Punkten Integration von Signalen, Spannungsversorgung und LED-Indikation in einem Steckverbinder BL-I/O Steckverbinder

39 SMT-Stiftleisten für Elektronikgehäuse reduzieren Produktionszeiten SMT-Stiftleisten aus LCP Material für alle Gehäuse-Baubreiten in Tape on Reel - Verpackung Reduzierung der Fertigungsdurchlaufzeiten bei Verwendung nur eines Lötverfahrens THR-Leiterplattenklemme für 6mm - Gehäuse

40 Geräteanschlusstechnik für Antriebsmodule Network Connection Positioning Feedback Safety Circuit External I/O s Power Supply Motor Output Intermediate Circuits (DC)

41 Inhalte 1 Prozessschritte für SMT-Technologie 2 Anforderungen und Lösungen für SMT- Anschlusskomponenten 3 Design- und Verarbeitungsempfehlungen 4 TCO-Berechnung 5 Applikationen 6 Services und Support

42 Bauteil-Bibliotheken für CAD-Programme umfangreiche Bauteil-Bibliotheken für Leiterplatten Design-Software Bauteil Bibliotheken für die folgende EDA-Systeme erhältlich: 1. Mentor Graphics Expedition (ab Version >7.9.5) 2. Mentor Graphics Pads (ab Version >9.x) 3. Altium Designer (ab Version >10.0).

43 Sie suchen Ihr persönliches Design-In Muster 72-h-Sample-Service - ein weltweites Versprechen Ihr Design-In Muster in 5 Schritten 1. Treffen Sie ihre Auswahl im Katalog 2. Wählen Sie direkt Ihr Muster aus 3. Prüfen Sie die Anfrageliste 4. Nennen Sie uns Ihre Kontaktdaten 5. Bestellen Sie Ihr persönliches Muster

44 Whitepaper - Surface Mount Technology Integration von Geräteanschlusstechnik in den SMT-Prozess

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

46 Treten Sie mit uns in Kontakt: Weidmüller Gruppe Ohmstraße 9, Detmold, Deutschland Phone Fax Web

47 Copyright Weidmüller Interface GmbH & Co.KG Alle Rechte vorbehalten Unerlaubte Vervielfältigung unzulässig Abbildungen, Schaltungen oder dergleichen und andere Angaben, dienen nur der Erläuterung und Kommentierung des Textes. Sie können nicht Grundlage für Konstruktion, Einbau und Lieferumfang etc. verwendet werden. Ferner übernimmt Weidmüller keine Haftung für eventuelle Fehler sowie für die Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweilig geltenden gesetzlichen Vorschriften.

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