Gemischte Bestückungsplanung: Technischer Leitfaden für die Integration von SMT und Durchsteckmontage

Mischbestückungsplanung ist die strategische Koordination von Fertigungsprozessen für Leiterplattenbaugruppen (PCBA), die sowohl oberflächenmontierte Bauteile (SMT) als auch durchkontaktierte Bauteile (THT) enthalten. Im Gegensatz zu Leiterplatten mit einer einzigen Technologie erfordert die Mischtechnologie eine sorgfältige Reihenfolge, um thermische Schäden zu vermeiden, die Zuverlässigkeit der Lötstellen zu gewährleisten und physische Vorrichtungen wie Wellenlötmasken zu berücksichtigen. Ingenieure müssen Sperrzonen, Bauteilausrichtung und thermische Profile frühzeitig in der Entwurfsphase definieren, um kostspielige Nacharbeiten zu vermeiden.

Bei APTPCB (APTPCB Leiterplattenfabrik) stellen wir fest, dass eine erfolgreiche Mischbestückung stark von der Design for Manufacturing (DFM)-Validierung abhängt, bevor die erste Leiterplatte bestückt wird. Dieser Leitfaden enthält die Spezifikationen, Checklisten und Schritte zur Fehlerbehebung, die für die Umsetzung einer robusten Mischbestückungsstrategie erforderlich sind.

Kurzantwort zur Mischbestückungsplanung (30 Sekunden)

Wenn Sie eine Leiterplatte mit sowohl SMT- als auch THT-Bauteilen entwerfen, befolgen Sie diese Kernprinzipien, um die Herstellbarkeit zu gewährleisten:

Prozessreihenfolge: Die Standardhierarchie ist SMT Oberseite (Reflow) → SMT Unterseite (Reflow/Kleben) → THT (Wellenlöten, Selektivlöten oder Handlöten).
Freizonen: Halten Sie einen Mindestabstand von 3 mm bis 5 mm um THT-Pads ein, wenn Sie Wellenlötmasken verwenden, damit die Vorrichtungswände dicht an der Leiterplatte anliegen können.
Bauteilausrichtung: Richten Sie passive SMT-Bauteile senkrecht zur Wellenrichtung aus, um Lötbrücken und Schatteneffekte zu minimieren.
Thermische Hierarchie: Stellen Sie sicher, dass THT-Komponenten die kumulativen Wärmezyklen aushalten können, wenn sie in der Nähe von SMT-Teilen mit hoher Masse platziert werden.
Sekundärseiten-Grenzwerte: Vermeiden Sie es, schwere oder hohe SMT-Komponenten auf der Sekundärseite (Unterseite) zu platzieren, wenn diese Seite über ein Wellenlötbad geführt wird; sie könnten abfallen oder eine komplexe Abschirmung erfordern.
Validierung: Überprüfen Sie immer den "Schatteneffekt", bei dem große THT-Teile die Lötwellen daran hindern könnten, kleinere SMT-Pads dahinter zu erreichen.

Wann die Planung einer gemischten Bestückung zutrifft (und wann nicht)

Zu verstehen, wann ein vollständiger Workflow für die gemischte Bestückung ausgelöst werden sollte, hilft, Kosten und Lieferzeiten zu optimieren.

Wann die Planung einer gemischten Bestückung entscheidend ist:

Hochleistungsanwendungen: Designs, die robuste mechanische Steckverbinder oder große Kondensatoren erfordern, die nur in THT-Gehäusen erhältlich sind.
Legacy-Komponenten: Projekte, die ältere integrierte Schaltkreise oder spezifische Sensoren verwenden, die keine oberflächenmontierbaren Äquivalente haben.
Mechanische Belastungspunkte: E/A-Anschlüsse (USB, Ethernet, Strombuchsen), die die physische Festigkeit einer Durchsteckmontage erfordern.
Doppelseitige Bestückung: Platinen mit aktiven Komponenten auf der Ober- und Unterseite, die selektives Löten oder Wellenlötvorrichtungen erfordern.

Wann die Planung einer gemischten Bestückung unnötig ist (oder vermieden werden sollte):

Reine SMT-Designs: Wenn alle Komponenten SMT-Alternativen haben, bleiben Sie bei einem einzigen Reflow-Prozess, um Kosten und Fehlerraten zu reduzieren.
Prototypen mit geringem Volumen: Bei <10 Platinen ist das manuelle Löten von THT-Bauteilen oft kostengünstiger als das Entwerfen komplexer Wellenlötmasken.
Wärmeempfindliche Bauteile: Wenn eine Platine Bauteile enthält, die Wellenlöttemperaturen nicht überstehen, kann ein Mischprozess zu riskant sein; manuelles oder selektives Löten wird bevorzugt.
Ultrahohe Dichte: Wenn die Platine den für Wellenlötmasken erforderlichen Abstand von 3-5 mm nicht aufweist, erzwingt das Design eine Umstellung auf selektives Löten oder manuelle Arbeit, was den Planungsbereich ändert.

Planungsregeln und Spezifikationen für die Mischbestückung (Schlüsselparameter und Grenzwerte)

Die folgende Tabelle beschreibt die kritischen Designregeln für Platinen mit gemischter Technologie. Die Einhaltung dieser Werte verhindert häufige Fertigungsfehler.

Regel	Empfohlener Wert/Bereich	Warum es wichtig ist	Wie zu überprüfen	Bei Missachtung
Abstand zur Wellenlötmaske	> 3,0 mm (5,0 mm bevorzugt)	Ermöglicht es den Vorrichtungswänden, die Unterseite der Leiterplatte abzudichten, ohne SMT-Bauteile zu berühren.	CAD-Abstandsprüfung	SMT-Bauteile in der Nähe von THT-Pads werden zerdrückt oder mit Lot überflutet.
Ausrichtung der SMT-Bauteile	Senkrecht zur Welle	Reduziert die „Abschattung“, bei der der Bauteilkörper den Lotfluss blockiert.	Sichtprüfung / DFM	Offene Lötstellen oder unzureichendes Lot an nachlaufenden Pads.
Lotfangpads	1,5x bis 2x Padgröße	Zieht überschüssiges Lot von den letzten Pins eines Steckverbinders weg, um Brücken zu verhindern.	Gerber-Überprüfung	Lotbrücken an der letzten Pinreihe beim Wellenlöten.
THT-Anschlusslänge	1,5 mm - 2,0 mm (nach dem Schneiden)	Verhindert, dass Anschlüsse die Wellenlöt-Düse berühren oder Kurzschlüsse verursachen.	Physische Messung	Kurzschlüsse oder Düsenschäden während des Wellenlötens.
Lötstopplacksteg	> 0,1 mm (4 mil)	Verhindert Lötbrücken zwischen eng beieinander liegenden SMT- und THT-Pads.	CAM-Engineering	Hohe Brückenbildungsrate, die manuelle Nacharbeit erfordert.
Via-Verschluss (Tented)	100% unter BGA/SMT	Verhindert Lötzinnentzug oder Vakuumlecks während der Bestückung.	Fertigungszeichnung	Lötfehlstellen oder schwache Lötstellen an SMT-Bauteilen.
Bauteilhöhe (Unterseite)	< 5,0 mm (für Welle)	Hohe Bauteile auf der Unterseite stören die Höhe der Lötwellen.	3D-Modellprüfung	Bauteile schleifen im Lötbad; Bauteile fallen ab.
Thermisches Relief	4-Speichen-Verbindung	Stellt sicher, dass die Wärme während des Lötens an der Lötstelle bleibt, ohne in die Ebenen abgeleitet zu werden.	Layout-Einstellungen	Kalte Lötstellen; Unfähigkeit, die Durchkontaktierung vollständig zu erwärmen.
Referenzmarken	3 pro Seite (Global)	Unerlässlich für die Maschinenausrichtung sowohl für die SMT-Bestückung als auch für die automatisierte THT-Insertion.	Optische Inspektion	Fehl ausgerichtete Bauteile; Platzierungsverschiebungen.
Nutzenrandstreifen	> 5,0 mm Breite	Bietet Halt für Förderbänder und Wellenlötfinger.	Nutzenzeichnung	Platine fällt in die Maschine oder verzieht sich erheblich.

Implementierungsschritte für die Planung der Mischbestückung (Prozesskontrollpunkte)

Die Implementierung einer gemischten Bestückungslinie erfordert eine strikte Reihenfolge, um in früheren Phasen verarbeitete Komponenten zu schützen.

BOM-Segmentierung und -Analyse
- Aktion: Stückliste (BOM) in SMT-Oberseite, SMT-Unterseite und THT-Gruppen unterteilen.
- Schlüsselparameter: Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD) und wärmeempfindliche THT-Teile identifizieren.
- Prüfung: Bestätigen, dass kein THT-Teil für einen Reflow-Zyklus spezifiziert ist, es sei denn, es ist "Pin-in-Paste"-kompatibel.
Footprint- und Layout-Verifizierung
- Aktion: Überprüfen, ob THT-Footprints ausreichende Ringflächen und Lochgrößen für das Wellenlöten aufweisen.
- Schlüsselparameter: Lochgröße = Anschlussdurchmesser + 0,25 mm (+/- 0,05 mm).
- Prüfung: Eine DFM-Prüfung für Wellenlötrahmen-Freiräume um THT-Zonen durchführen.
Vorrichtungs- und Palettendesign
- Aktion: Das Dokument oder die CAD-Datei für die Wellenlötvorrichtung entwerfen. Diese Vorrichtung schützt SMT-Bauteile auf der Unterseite, während sie die THT-Anschlüsse der Welle aussetzt.
- Schlüsselparameter: Wandstärke mindestens 1,5 mm; Material üblicherweise Durostone oder Kunststein.
- Prüfung: Die Palettenpassung simulieren, um sicherzustellen, dass keine SMT-Bauteile stören.
SMT-Bestückung (Primär- und Sekundärseite)
- Aktion: SMT-Bauteile bestücken und reflow-löten. Bei doppelseitiger Bestückung werden die schwereren Bauteile normalerweise im ersten Durchgang (Oberseite) platziert.
- Schlüsselparameter: Spitzentemperatur des Reflow-Profils (typischerweise 245°C - 260°C).

Prüfung: Führen Sie eine automatische optische Inspektion (AOI) durch, um die SMT-Platzierung vor Beginn der THT zu überprüfen.

Bestückung von Durchsteckkomponenten (THT)
- Aktion: THT-Komponenten manuell oder über automatisierte Bestückungsmaschinen einsetzen.
- Schlüsselparameter: Länge des Drahtüberstands und Polaritätsausrichtung.
- Prüfung: Sichtprüfung, um sicherzustellen, dass die Komponenten bündig mit der Leiterplatte sitzen.
Wellen- oder Selektivlöten
- Aktion: Die Leiterplatte (in ihrem Träger) durch die Wellenlötmaschine führen oder einen Selektivlötroboter verwenden.
- Schlüsselparameter: Löttemperatur (255°C - 265°C) und Verweilzeit (2-4 Sekunden).
- Prüfung: Überprüfen Sie, ob die Lochfüllung (vertikale Füllung) den IPC-Klasse 2- oder 3-Standards entspricht (normalerweise 75% oder 100%).
Reinigung und Endkontrolle
- Aktion: Flussmittelrückstände entfernen, falls wasserlösliches Flussmittel verwendet wurde; auf Lötperlen prüfen.
- Schlüsselparameter: Ionische Kontaminationswerte.
- Prüfung: Röntgeninspektion, wenn THT-Teile SMT-Pads verdecken oder wenn Pin-in-Paste verwendet wurde.

Fehlerbehebung bei der Planung von Mischbestückungen (Fehlermodi und Korrekturen)

Gemischte Technologielinien führen zu einzigartigen Defekten, bei denen die beiden Prozesse interagieren.

Symptom: Lötfehlstellen (Abschattung)

Ursache: Großer THT-Komponentenkörper oder dicke Palettenwand blockiert die Lötwellen daran, ein Pad zu treffen.
Prüfung: Überprüfen Sie die Komponentenausrichtung relativ zur Wellenrichtung.
Lösung: Das Bauteil um 90 Grad drehen oder den Abstand zwischen Hindernis und Pad vergrößern.
Prävention: Grundlagen des Durchstecklötens nutzen, um "Thieving Pads" zu entwerfen oder die Wellenturbulenz anzupassen.

Symptom: SMT-Bauteile auf der Sekundärseite fallen ab

Ursache: Aufgeschmolzenes Lot an unterseitigen SMT-Bauteilen schmilzt während des Wellenlötprozesses erneut.
Überprüfung: Prüfen, ob der Wellenlötträger diese SMT-Bauteile vollständig abdeckt.
Lösung: Vor dem Wellenlöten Klebstoff (roter Kleber) auf unterseitige SMT-Bauteile auftragen oder die Palettenabschirmung verbessern.
Prävention: Unterseitige SMT-Bauteile mindestens 5 mm von THT-Löchern entfernt halten.

Symptom: Kalte Lötstellen an THT

Ursache: Schwere Masseflächen leiten Wärme schneller ab, als die Welle sie zuführen kann.
Überprüfung: Thermische Entlastungsverbindungen im Leiterplattenlayout überprüfen.
Lösung: Verweilzeit oder Vorheiztemperatur erhöhen (vorsichtig, um Schäden an SMT-Bauteilen zu vermeiden).
Prävention: In der Entwurfsphase thermische Speichen an allen Massepins verwenden.

Symptom: Leiterplattenverzug

Ursache: Thermische Fehlanpassung zwischen mehreren Reflow-Zyklen und dem Wellenlöten.
Überprüfung: Verzug und Verdrehung gemäß IPC-610-Standards (<0,75 %) messen.
Lösung: Ein steiferes Palettenmaterial verwenden oder während des Wellenprozesses Leiterplattenversteifungen hinzufügen.
Prävention: Kupferverteilung auf den Leiterplattenschichten ausgleichen.

Symptom: Lötbrücken an Fine-Pitch-Steckverbindern

Ursache: Wellenabzug hinterlässt überschüssiges Lot an den letzten Pins.
Überprüfen: Suchen Sie nach "Lötbrücken" am hinteren Rand des Steckverbinders.
Beheben: Lötbrücken manuell mit einem Lötkolben und Entlötlitze nacharbeiten.
Vorbeugung: Fügen Sie Lötpads zum Ableiten von überschüssigem Lot (solder thieves) zum Footprint hinzu; richten Sie den Steckverbinder parallel zur Welle aus.

So wählen Sie die Planung für gemischte Bestückung (Designentscheidungen und Kompromisse)

Die Entscheidung für die spezifische Strategie der gemischten Bestückung erfordert ein Abwägen von Volumen, Kosten und Komplexität.

Option A: Wellenlöten mit Paletten

Am besten geeignet für: Mittel- bis Hochvolumenproduktion, bei der THT-Komponenten gruppiert sind.
Nachteil: Erfordert teure kundenspezifische Paletten (Vorrichtungen) und strenge Abstandsregeln (3-5 mm) um THT-Teile.
Entscheidungskriterium: Wenn Sie >500 Platinen haben und THT-Teile geclustert sind, wählen Sie diese Option.

Option B: Selektives Löten

Am besten geeignet für: Hochdichte Platinen, bei denen SMT-Teile zu nah an THT-Pins für eine Palette sind.
Nachteil: Längere Zykluszeit pro Platine im Vergleich zum Wellenlöten; höhere Maschinenprogrammierzeit.
Entscheidungskriterium: Wenn der Abstand <3 mm beträgt oder Komponenten auf beiden Seiten hoch sind, wählen Sie selektives Löten.

Option C: Manuelles (Hand-)Löten

Am besten geeignet für: Prototypen, sehr geringe Stückzahlen oder wärmeempfindliche Teile, die einen Maschinenprozess nicht überstehen.
Nachteil: Inkonsistente Qualität (bedienerabhängig) und hohe Arbeitskosten.
Entscheidungsauslöser: Wenn Sie <50 Platinen oder nur 1-2 THT-Steckverbinder haben, ist die manuelle Bestückung oft günstiger als die Werkzeugbestückung.

Option D: Pin-in-Paste (Intrusives Reflow)

Am besten für: Die vollständige Eliminierung des Wellenlötprozesses. THT-Teile werden mit SMT bestückt und reflowgelötet.
Kompromiss: Erfordert hochtemperaturbeständige THT-Teile und ein präzises Schablonendesign, um ausreichend Lötvolumen zu erhalten.
Entscheidungsauslöser: Wenn THT-Teile kompatibel sind und Sie Prozessschritte reduzieren möchten, untersuchen Sie diese SMT- und THT-Integration.

FAQ zur Planung gemischter Bestückung (Mischbestückung stark von der Design for Manufacturing (DFM)-Dateien)

Wie wirkt sich die gemischte Bestückung auf die gesamten Projektkosten aus? Die gemischte Bestückung ist aufgrund der zusätzlichen Prozessschritte (Wellen-/Selektivlöten), des manuellen Bestückungsaufwands und der Kosten für Bestückungswerkzeuge im Allgemeinen 15-30 % teurer als reine SMT.

Welche Auswirkungen hat dies auf die Lieferzeit? Dies verlängert den Produktionsplan in der Regel um 2-3 Tage. Zeit wird für die Herstellung von Vorrichtungen (Paletten), die manuelle Bestückung und den sekundären Lötprozess benötigt.

Kann ich die gemischte Bestückung für doppelseitige Platinen verwenden? Ja, aber es erfordert eine sorgfältige Planung. Normalerweise wird SMT auf beiden Seiten platziert (Reflow), und dann wird THT gelötet. Wenn THT auf beiden Seiten ist, erfordert dies oft Handlöten für die zweite Seite oder komplexes Selektivlöten.

Welche Daten muss ich für die DFM-Überprüfung bereitstellen? Sie müssen Gerber-Dateien, eine Stückliste (BOM), die angibt, welche Teile THT und welche SMT sind, sowie Bestückungszeichnungen mit der Bauteilpolarität bereitstellen. Heben Sie insbesondere alle "Do Not Populate" (DNP)-Teile hervor.

Was sind die Abnahmekriterien für THT-Lötstellen? Gemäß IPC-A-610 erfordert eine THT-Lötstelle der Klasse 2 eine vertikale Füllung des Durchkontaktierungslochs von mindestens 75 % und eine Benetzung von 180 Grad auf der Zielseite. Klasse 3 erfordert eine Benetzung von 270 Grad.

Warum wird "Selektivlöten" oft dem Wellenlöten vorgezogen? Das Selektivlöten verwendet eine Miniwellendüse, die sich zu bestimmten Punkten bewegt. Es eliminiert die Notwendigkeit teurer Paletten und reduziert den Thermoschock für den Rest der Platine, wodurch es sicherer für dichte Mixed-Technology-Leiterplatten ist.

Wie verhindere ich "Lötperlen" bei der Mischbestückung? Lötperlen treten beim Wellenlöten häufig auf, wenn die Vorheizung unzureichend oder das Flussmittel übermäßig ist. Ein korrektes Leiterplattenschablone-Design für den SMT-Prozess und die richtigen Wellenparameter helfen, dies zu minimieren.

Ist Pin-in-Paste eine praktikable Alternative? Ja, aber nur wenn der THT-Bauteilkörper 260°C Reflow-Temperaturen standhält. Es vereinfacht den Prozess, indem THT-Teile wie SMT-Teile behandelt werden.

Was ist der Mindestabstand für eine Wellenlötpalette? Sie benötigen im Allgemeinen 3 mm bis 5 mm Freiraum um die THT-Pads auf der Lötseite. Dieser Raum nimmt die Palettenwand auf, die benachbarte SMT-Teile abschirmt.

Übernimmt APTPCB das Vorrichtungsdesign? Ja, die Ingenieure von APTPCB entwerfen und fertigen die notwendigen Wellenlötmasken oder Selektivlötprogramme basierend auf Ihren Gerber-Dateien.

Ressourcen für die Planung von Mischbestückungen (verwandte Seiten und Tools)

DFM-Richtlinien: Detaillierte Designregeln für Abstände und Layout.
SMT- & THT-Bestückung: Überblick über unsere Fähigkeiten in der Mischtechnologie.
Selektivlöten: Ein tiefer Einblick in die Alternative zum Wellenlöten.
Turnkey-Bestückung: Wie wir die gesamte Lieferkette für Mischplatinen verwalten.

Glossar zur Planung von Mischbestückungen (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
Wellenlötmaske	Eine kundenspezifische Vorrichtung aus hitzebeständigem Material (wie Durostone), die die Leiterplatte hält und SMT-Bauteile während des Wellenlötens schützt.
Selektivlöten	Ein Prozess, bei dem ein kleiner, programmierbarer Lötbrunnen verwendet wird, um spezifische THT-Lötstellen zu löten, ohne benachbarte SMT-Bauteile zu beeinflussen.
Reflow-Löten	Der Prozess des Schmelzens von Lötpaste zur Befestigung von SMT-Bauteilen; normalerweise der erste Schritt bei der Mischbestückung.
Abschattung	Ein Defekt, bei dem ein Bauteilkörper den Fluss der Lötwellen blockiert, was zu Fehlstellen oder offenen Lötstellen auf den dahinter liegenden Pads führt.
Lötpastenfänger	Ein zusätzliches Dummy-Pad, das am Ende eines Stecker-Footprints hinzugefügt wird, um überschüssiges Lot "abzufangen" und Lötbrücken zu verhindern.
Pin-in-Paste (PiP)	Eine Technik, bei der THT-Komponenten durch das Drucken von Paste in die Löcher mit SMT-Reflow-Öfen gelötet werden.
Ringwulst	Der Kupferring um ein durchkontaktiertes Loch; entscheidend für die Festigkeit der THT-Verbindung.
Thermische Entlastung	Ein Speichenmuster, das eine Lötstelle mit einer Kupferfläche verbindet, um eine zu schnelle Wärmeableitung während des Lötens zu verhindern.
Flussmittel	Ein chemisches Reinigungsmittel, das vor und während des Lötens verwendet wird, um Oxidation zu entfernen und die Benetzung zu verbessern.
Durostone	Ein hochbelastbarer glasfaserverstärkter Kunststoff, der aufgrund seiner thermischen Stabilität zur Herstellung von Wellenlötpaletten verwendet wird.

Angebot für die Planung der Mischbestückung anfordern (Mischbestückung stark von der Design for Manufacturing (DFM)-Überprüfung + Preisgestaltung)

Ein genaues Angebot für die Mischbestückung erfordert ein klares Verständnis Ihrer Prozessanforderungen. Bei APTPCB führen wir eine kostenlose DFM-Überprüfung durch, um potenzielle Wellenlötprobleme oder Freigabekonflikte vor der Preisgestaltung zu identifizieren.

Um ein schnelles und genaues Angebot zu erhalten, bereiten Sie bitte vor:

Gerber-Dateien: Einschließlich aller Kupferschichten, Bohrerdateien und Pastenschichten.
Stückliste (BOM): Deutliche Kennzeichnung von SMT- vs. THT-Teilen.
Bestückungszeichnungen: Hervorhebung spezieller Montage- oder Maskierungsanforderungen.
Volumen & Lieferzeit: Geschätzter Jahresverbrauch und gewünschtes Lieferdatum.

Fazit: Nächste Schritte bei der Planung der Mischbestückung

Effektive Planung der Mischbestückung überbrückt die Lücke zwischen kompakten SMD-Designs und robusten Durchsteckanforderungen. Durch Einhaltung strenger Abstandsregeln, Optimierung der Prozessabläufe und den Einsatz der richtigen Vorrichtungen können Sie eine hochzuverlässige Produktion ohne übermäßige Nacharbeit erreichen. Ob Ihr Projekt Wellenlötpaletten oder präzises Selektivlöten erfordert, frühzeitige Planung stellt sicher, dass Ihr Design für die Fertigung bereit ist.