Bei einer Leiterplatte mit gemischten Bestückungstechnologien muss nicht jede Lötstelle mit demselben Verfahren hergestellt werden. Ein plausibler Ablauf besteht darin, die oberflächenmontierten Bauteile per Reflow zu löten und anschließend die Durchsteckbauteile einzusetzen und selektiv oder von Hand zu löten. Wellenlöten ist eine weitere Möglichkeit, wenn das Layout der Unterseite, die Bauteile, Vorrichtungen und die Geometrie dies zulassen.
Die richtige Wahl hängt von der gesamten Leiterplatte ab. Bevor sich ein Bestücker auf einen Ablauf festlegt, muss er wissen, welche thermischen Belastungen die einzelnen Bauteile vertragen, ob die Lötanlagen die Durchstecklötstellen erreichen können und wie die fertigen Lötstellen anhand der vereinbarten Kriterien geprüft werden.
Die wichtigsten Lötverfahren im Vergleich
| Verfahren | Zunächst zu prüfender Einsatz | Was das Verfahren ungeeignet machen kann |
|---|---|---|
| Reflowlöten | Oberflächenmontierte Lötstellen mit aufgetragener Lötpaste; kompatible Durchsteckbauteile kommen gegebenenfalls ebenfalls für Pin-in-Paste infrage. | Ein Bauteil verträgt die geplanten thermischen Belastungen nicht, oder die Lötstelle kann mit dem gewählten Prozess nicht ausreichend mit Lot versorgt werden. |
| Wellenlöten | Eine Gruppe freiliegender Lötstellen, die eine Lötwelle durchlaufen können. | Bauteile auf der Unterseite, ihre Ausrichtung, Maskierungen oder die Vorrichtungsgeometrie verhindern eine verträgliche Beaufschlagung oder den Zugang. |
| Selektivlöten | Lokale Durchstecklötstellen auf einer gemischt bestückten Baugruppe. | Eine Düse oder Vorrichtung kann die Lötstellen nicht erreichen, oder der vorgeschlagene Prozess kann benachbarte Bauteile und den Wärmebedarf der Lötstelle nicht angemessen berücksichtigen. |
| Handlöten | Eine geringe Anzahl von Lötstellen, Prototypen oder Ausnahmen, die einen individuellen Zugang erfordern. | Die Anforderungen an Zugang zur Lötstelle, Wärmekontrolle, Arbeitsprozess oder Prüfung können für den Auftrag nicht durchgängig erfüllt werden. |
| Laserlöten | Eine lokale Lötstelle, für die ein geeigneter Laserprozess verfügbar ist. | Der Strahl oder die Lotzufuhr kann die Lötstelle nicht erreichen, oder Baugruppe und Prozess lassen sich für die ausgewählten Materialien nicht beherrschen und verifizieren. |
Dies sind Fragen für die Vorauswahl, keine automatisch geltenden Prozessregeln. Verfügbarkeit und benötigte Vorrichtungen müssen mit dem Bestücker geklärt werden. Beim Laserlöten wird eine fokussierte Wärmequelle für eine lokale Lötstelle eingesetzt; dennoch müssen Ausrichtung, Lotzufuhr und die von Leiterplatte und Bauteilen erreichten Temperaturen beachtet werden. Ein technisches IPC-Papier, Options for Assembly using High Temperature Interconnection Technologies, beschreibt einen Laserlötversuch; dessen Prozesseinstellungen gelten speziell für diesen Versuch.
Bei den Lötstellengruppen beginnen, nicht bei der Ausrüstung
Reflowlöten ist bei der SMT-Bestückung üblich, aber nicht die einzige Möglichkeit, oberflächenmontierte Bauteile zu löten. Kompatible SMT-Bauteile auf der Unterseite können ebenfalls wellengelötet werden; Wellenlöten ist daher nicht zwangsläufig auf Durchstecklötstellen beschränkt. Umgekehrt schließt eine mit SMT bestückte Unterseite einen Wellenlötprozess nicht automatisch aus; sie macht Verträglichkeit und Zugänglichkeit jedoch zu wichtigen Prüfpunkten.
Bei einer beidseitig mit SMT bestückten Leiterplatte muss der vorgeschlagene Ablauf die Reflowbelastung jeder Seite berücksichtigen. Prüfen Sie die Temperaturgrenzen der Bauteile, ihre Feuchtigkeitsempfindlichkeit, die Anzahl der Reflowdurchläufe und das tatsächliche thermische Profil der Leiterplatte. Auch die Ausrichtung der Bauteile und deren sichere Fixierung während eines etwaigen nachfolgenden Durchlaufs müssen geprüft werden.
Prozessspezifische Hintergrundinformationen finden Sie unter Reflowlöten, Wellenlöten und im Vergleich der Durchstecklötverfahren unter Grundlagen des Durchstecklötens.
Hypothetischer Ablauf für eine gemischt bestückte Leiterplatte
Betrachten wir eine Leiterplatte mit ICs auf der Oberseite, SMT-Bauteilen auf der Unterseite und zwei Durchsteckverbindern. Ein Verbinder liegt nahe an einem dicht bestückten SMT-Bereich. Beim anderen scheint um die Lötstellen herum mehr Platz vorhanden zu sein. Dies ist ein Planungsbeispiel, keine fertiggestellte Baugruppe und kein Prüfergebnis.
Ein möglicher Ablauf ist:
- Lötpaste auftragen, SMT-Bauteile platzieren und die SMT-Seiten in einer leiterplattenspezifischen Reihenfolge per Reflow löten.
- Die beiden Durchsteckverbinder einsetzen.
- Deren Lötstellen abhängig von der Zugangs- und Wärmeprüfung selektiv oder kontrolliert von Hand löten.
- Die Baugruppe mit den für das Produkt vereinbarten Methoden und Abnahmekriterien prüfen und testen.
Der dicht bestückte Bereich ist der kritische Übergang zwischen den Prozessschritten. Selektivlöten erwärmt einen lokalen Bereich, macht aber die Beurteilung benachbarter Bauteile nicht überflüssig. Handlöten kann eine weitere Möglichkeit bieten, die Lötstellen zu erreichen; es lässt sich kontrolliert ausführen und ist nicht grundsätzlich fehlerhaft. Keines der beiden Verfahren lässt sich allein anhand der Bauteilzahl zuverlässig auswählen.
| Lötstellengruppe | Mögliche Methode | Zugangs- oder Wärmeaspekt | Noch benötigter Nachweis oder noch offene Entscheidung |
|---|---|---|---|
| ICs auf der Oberseite | Lötpaste, Bestückung und Reflowlöten | Temperaturgrenzen der Bauteile und Belastung während der Bestückung der Gegenseite | Bauteildatenblätter, Anforderungen zur Feuchtigkeitsempfindlichkeit, vorgeschlagene Anzahl der Durchläufe und Leiterplattenprofil |
| SMT auf der Unterseite | Lötpaste, Bestückung und Reflowlöten; Wellenlöten kann für kompatible Bauteile ebenfalls geprüft werden | Fixierung während des gewählten Ablaufs; Verträglichkeit mit einer späteren Lötbelastung | Bauteil- und Materialvorgaben, Layout der Unterseite und Prüfung des vorgeschlagenen Prozesses |
| Verbinder abseits des dicht bestückten SMT-Bereichs | Selektiv- oder Handlöten nach dem Einsetzen | Zugang zu den Lötstellen, Wärmegrenzen des Verbinders und Abstützung während des Lötens | Verbinderdaten, Leiterplattengeometrie und Prüfung des vorgeschlagenen Arbeitsschritts durch den Bestücker |
| Verbinder nahe dem dicht bestückten SMT-Bereich | Selektiv- oder Handlöten nach dem Einsetzen | Werkzeugzugang und mögliche Erwärmung benachbarter Bauteile | Lokales Layout und Höhenangaben, Zugangsprüfung, Bauteilgrenzwerte und ein Plan zur Beurteilung der thermischen Belastung |
| Beide Verbinder als alternative Gruppe | Wellenlöten, sofern die Leiterplatte es zulässt | Verträglichkeit der SMT-Bauteile auf der Unterseite, Verbindergeometrie und die Frage, ob Vorrichtungen oder Maskierungen benötigt werden | Prüfung der gesamten Unterseite, Vorrichtungskonzept und Bewertung des vorgeschlagenen Ablaufs durch den Lieferanten |
Diese Matrix benennt offene Fragen, keinen eindeutig besten Ablauf. Auch der Verbinder, der auf einer Zeichnung leichter zugänglich erscheint, muss anhand der tatsächlichen Bauteilabmessungen und der Leiterplattengeometrie geprüft werden.
Stellt der Lieferant beispielsweise fest, dass eine Selektivlötdüse den Verbinder nahe dem dicht bestückten SMT-Bereich nicht erreichen kann, fragen Sie, ob eine Layoutänderung, ein anderes Werkzeug oder ein kontrollierter manueller Arbeitsschritt möglich ist. Würde eine Wellenlötvorrichtung eine Lötstelle abdecken oder ein empfindliches Bauteil ungeschützt der Welle aussetzen, fragen Sie nach einem überarbeiteten Vorrichtungskonzept oder einem anderen Ablauf. Dokumentieren Sie die gewählte Option und die Methode zur Prüfung der Lötstellen, bevor Sie die Montageunterlagen freigeben; gehen Sie nicht davon aus, dass eine Vorrichtung oder ein anderes Verfahren das Problem automatisch löst.
Wo Wellenlöten und Pin-in-Paste infrage kommen
Wellenlöten als bedingte Alternative. Ein Wellenlötprozess kann für die Durchsteckverbinder und alle kompatiblen SMT-Lötstellen auf der Unterseite prüfenswert sein. Die Entscheidung hängt davon ab, was die Unterseite dem Prozess bietet: Bauteilverträglichkeit, Ausrichtung, Abstände, Abschattungen, Verbindergeometrie sowie vorgeschlagene Vorrichtungen oder Maskierungen. Bitten Sie den Bestücker, die gesamte Unterseite zu prüfen, statt davon auszugehen, dass die Welle jede vorgesehene Lötstelle erreichen kann.
Pin-in-Paste als mögliche Verkürzung des Ablaufs. Ein Durchsteckverbinder kann für Pin-in-Paste in Betracht gezogen werden, wenn seine Reflowgrenzen, das verfügbare Pastenvolumen und der vorgeschlagene Prozess dies zulassen. Diese Prüfung muss erfolgen, bevor der Ablauf festgelegt wird: Ein Verbinder, der sich für das Löten nach dem Einsetzen eignet, ist nicht automatisch für Reflow geeignet, und die für eine Durchstecklötstelle aufgetragene Paste muss als Teil des Prozesses bewertet werden.
Dabei sind herstellerspezifische Bauteil- und Materialvorgaben wichtig. Bauteildatenblätter und Reflowvorgaben von Texas Instruments liefern beispielsweise Informationen zu den Grenzwerten der betreffenden Bauteile; Produktdatenblätter für Lötpasten der Indium Corporation informieren über den Einsatz des jeweiligen Materials. Keines davon stellt ein universelles Profil für jede Leiterplatte dar.
Was vor der Festlegung des Bestückers zu übergeben ist
Stellen Sie die Informationen bereit, die zur Beurteilung der gesamten Baugruppe benötigt werden:
- Leiterplatten- und Montagedaten: Fertigungsdateien, Bestückungszeichnungen und Bauteilpositionen für beide Seiten. Kennzeichnen Sie Durchstecklötstellen und nahe gelegene dicht bestückte SMT-Bereiche, die den Zugang einschränken können.
- Bauteilinformationen: Herstellerteilenummern und Datenblätter, einschließlich der Wärmegrenzen von Verbindern, der Feuchtigkeitsempfindlichkeit von SMT-Bauteilen und der zulässigen Reflowbelastung.
- Vorgeschlagener Ablauf: welche SMT-Seite wann bestückt wird, wie viele Reflowdurchläufe vorgeschlagen sind und welche Durchstecklötstellen für Selektiv-, Hand-, Wellen- oder Pin-in-Paste-Löten infrage kommen.
- Zugangsinformationen: Bauteilhöhen, Verbindergeometrie und Bereiche, in denen ein Werkzeug, eine Düse, die Welle oder eine Vorrichtung behindert werden kann. Eine Designprüfung für das Selektivlöten kann helfen, diese Fragen zu strukturieren.
- Abnahme- und Verifizierungsanforderungen: die anzuwendende Dokumentrevision oder vertraglich festgelegte Kriterien, Prüfpunkte und gegebenenfalls erforderliche elektrische Prüfungen oder Funktionstests.
Eine verwendbare Stückliste hilft dem Bestücker, jede Bestückungsposition und Lötstelle den richtigen Bauteildaten zuzuordnen. Siehe bewährte Verfahren für die Bestückungsstückliste.
Abnahme und Prüfung vereinbaren
IPC unterscheidet zwischen den Lötanforderungen nach J-STD-001 und der Beurteilung der Akzeptabilität nach der Montage gemäß IPC-A-610. Vereinbaren Sie für einen konkreten Auftrag die anzuwendenden Dokumente, Revisionen, die Klasse und etwaige zusätzliche Abnahmekriterien; ziehen Sie für die jeweiligen Anforderungen die lizenzierten Normen heran. NASA-STD-8739.3, Soldered Electrical Connections, ist ein weiteres Dokument zu Ausführungsanforderungen; verwenden Sie es, wenn es für die Arbeit anwendbar ist, statt es als Standardvorgabe für jede kommerzielle Leiterplatte zu betrachten.
Wählen Sie die Prüfung entsprechend der tatsächlichen Geometrie und den vereinbarten Kriterien. Sichtprüfung oder automatisierte optische Inspektion können helfen, zugängliche Merkmale zu beurteilen; keine der beiden Methoden erfasst jedoch jeden Zustand einer verdeckten Lötstelle. Wenn wichtige Lötstellen visuell nicht ausreichend beurteilt werden können, besprechen Sie vor der Produktion, welche zusätzliche Inspektion oder Prüfung geeignet ist.
Eine Lötpasteninspektion kann den SMT-Prozess unterstützen. Elektrische Prüfungen und Funktionstests beantworten andere Fragen als die Prüfung der handwerklichen Ausführung und sollten daher bei Bedarf gesondert geplant werden: Planung von PCBA-Funktionstests.
Für eine Prüfung des Ablaufs fügen Sie einer Angebotsanfrage die Leiterplattendateien, die Stückliste, die Datenblätter der Verbinder und die vorgeschlagenen Abnahmeanforderungen bei. Wenn der Prozessablauf oder die verfügbaren Nachweise noch definiert werden, kontaktieren Sie APTPCB, um zu besprechen, was vor einer Festlegung geprüft werden muss.
Quellen
- IPC, Revisionen von J-STD-001 und IPC-A-610.
- Technisches IPC-Papier, Options for Assembly using High Temperature Interconnection Technologies.
- NASA, NASA-STD-8739.3: Soldered Electrical Connections.