Surface-mounted device
Der Begriff oberflächenmontierbares Bauteil (englisch surface-mounted device, abgekürzt SMD) ist ein Fachbegriff aus der Elektronik. Diese Bauelemente (z. B. Widerstände oder Kondensatoren) haben keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte (Flachbaugruppe) gelötet. Die dazu gehörige Technik ist die Oberflächenmontagetechnik (engl. surface-mounting technology SMT).
Während die Anschlussdrähte konventioneller Bauelemente, wie sie bis Ende der 1980er Jahre noch allgemein üblich waren, durch Bestückungslöcher geführt werden und auf der Rückseite der Leiterplatte (oder über Innenlagen) verlötet werden müssen (Durchkontaktierung), entfällt dies bei SMD-Bauelementen. Dadurch werden sehr dichte Bestückungen und vor allem eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte möglich und der Platzbedarf der Bauelemente ist geringer. Dadurch können die Geräte kleiner und zugleich wesentlich preiswerter hergestellt werden.
Für Hobbyelektroniker ergibt sich allerdings ein Nachteil, da SMD-Bauteile sich nur sehr schwer ohne Maschinen verlöten lassen. Daher werden im Hobbybereich SMD-Bauteile so weit wie möglich vermieden.
Leiterplatten mit SMD-Bauteilen werden meist auf Lötpaste bestückt und mit dem Reflow-Verfahren gelötet. SMD-Bauteile auf der Unterseite einer mischbestückten Leiterplatte werden zuerst auf die Unterseite geklebt, und danach zusammen mit den herkömmlich bestückten Bauteilen im Wellen- oder Schwallbad gelötet.
Die wichtigsten Vorteile bei der Verwendung von SMDs
- Kleinere Bauteilabmessungen (ergibt höhere Bauteildichte)
- Es müssen keine Löcher in die Leiterkarte gebohrt werden (Reduzierung der "drill jobs")
- Einfache und sehr schnelle Automatenbestückung (Pick & Place)
- Bei den meisten Bauformen ist die Automatische Optische Inspektion (AOI) aller kritischen, optisch prüfbaren Faktoren möglich
- Kleine Positionsfehler bei der Bauteilbestückung werden beim Löten (nur Reflow-Löten) automatisch korrigiert (die Bauteile werden durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Zinns in die richtige Position gezogen)
- Bauteile können auf beiden Seiten der Leiterkarte auch direkt "untereinander" bestückt werden
- Niedriger Anschlusswiderstand und Impedanz (wichtig bei Hochfrequenzbaugruppen)
- Durch den Wegfall der Anschlussdrähte reduziert sich das Gewicht von Bauelementen und in Folge das der SMD-Baugruppen erheblich
- Verträgt mechanische Vibrationsbelastungen besser.
Nachteile von SMDs
- Spezielle Geräte für die Bestückung der Platine erforderlich
- SMD-Bauteile können durch mechanische Belastung eher abgelöst werden als bedrahtete Bauteile (besonders kritisch bei Steckern, Schaltern etc.)
- Bei Bauteilen mit Anschlüssen an der Bauteilunterseite (wie BGAs) können die Lötstellen nur mit größerem Aufwand optisch geprüft werden
- Spezieller Lötprozess (Reflow-Löten) bei Bestückung auf der Bauteileseite notwendig
- Bei gemischter Bestückung auf der Bauteileseite (bedrahtet und SMD) zwei Lötdurchgänge notwendig
- Durch den Reflow-Lötprozess erhalten die kompletten SMD-Bauteile eine kurze hohe Temperaturbelastung (> 200-250 °C), welche bei bedrahteten Bauelementen, die nur auf der Unterseite der Platine mit einer Lötwelle in Kontakt kommen, viel geringer ist
- Bei ICs mit kleinen Pin-Abständen ist es für den Hobbybastler schwierig, per Hand zu löten
Geschichte
Die Oberflächenmontagetechnik wurde in den 1960er Jahren entwickelt, ab den späten 1980ern wurden SMD in großem Stil verwendet. Einige Unternehmen, die damals in der Elektronikindustrie führend waren, beteiligten sich maßgeblich an der Entwicklung und Verbesserung dieser neuartigen Fertigungstechnologie.
Bauformen
SMD-Bauteile gibt es in verschiedenen Bauformen. Diese Formen unterscheiden sich u. a. in den Abmessungen und in der Art, wie die Anschlüsse am Bauteil angebracht sind.
- Ball Grid Array (BGA)
Für Widerstände und Kondensatoren (mit geringer Kapazität) sind rechteckige Bauformen gebräuchlich. Maßgeblich unterscheiden sich diese in der Größe, die z. B. mit 1206 angegeben wird. Dabei steht 12 für die Länge und 06 für die Breite. Vielfach ist die Grundeinheit der Maße noch Zoll. Mittlerweile setzt sich jedoch immer mehr eine metrische Bemaßung der Bauteile durch. Zudem können sich die Namen der Bauformen auch von Hersteller zu Hersteller unterscheiden, da es keinen allgemeingültigen Standard für die Bauteilbenennung gibt.
Typische Bauformen von Widerständen und Kondensatoren
| Zoll | metrisch | ||
|---|---|---|---|
| Bauform | mil (milli inch) | Bauform | mm |
| 1206 | 126 × 63 | 3216 | 3,2 × 1,6 |
| 0805 | 79 × 50 | 2012 | 2,0 × 1,25 |
| 0603 | 63 × 31 | 1608 | 1,6 × 0,8 |
| 0402 | 40 × 20 | 1005 | 1,0 × 0,5 |
| 0201 | 24 × 12 | 0603 (?) | 0,6 × 0,3 |
| 01005 | 16 × 8 | 0402 (?) | 0,4 × 0,2 |
- Tantalkondensatoren Tantal-Elektrolytkondensator
- Bauform A (EIA 3216-18): 3,2 mm × 1,6 mm × 1,6 mm
- Bauform B (EIA 3528-21): 3,5 mm × 2,8 mm × 1,9 mm
- Bauform C (EIA 6032-28): 6,0 mm × 3,2 mm × 2,2 mm
- Bauform D (EIA 7343-31): 7,3 mm × 4,3 mm × 2,4 mm
- Bauform E (EIA 7343-43): 7,3 mm × 4,3 mm × 4,1 mm
Bei diesen Bauformen sind (wie in den meisten Fällen) die Anschlüsse auf der Schmalseite des Bauteils. Die Bauform ähnelt der für Dioden üblichen SOD-Bauform, jedoch sind die Anschlüsse bei den Tantalkondensatoren direkt am Bauteilkörper (bei SOD treten sie üblicherweise 0,4 mm aus dem Körper hervor). Die Bauteile sind entweder gelb mit oranger Polaritätsmarkierung oder schwarz mit weißer Markierung.
- Melf: Metal Electrode Faces (Dioden und Widerstände)
- SO-Bauform für IC
- SOT small-outline-transistor mit 3, 5 oder 6 Anschlüssen. Beherbergt meist einen Transistor (oder ein Transtorarry), kann aber auch ein IC eine LED oder ein Diodenarry sein.
- SOT23 3 mm × 1,40 mm × 1,1 mm Bauteilkörper mit drei Anschlüssen laut STShome
- SOT25 3 mm × 1,75 mm × 1,3 mm Bauteilkörper mit fünf Anschlüssen
- SOT26 3 mm × 1,75 mm × 1,3 mm Bauteilkörper mit sechs Anschlüssen
- QFJ (Quad-Flat-J-Leg Chipcarrier, auch PLCC genannt)
- TQFP (Thin Quad Flat Pack)
Weitere Bauformen für ICs, Transistoren, Dioden und Kondensatoren wären u. a.: QFP, SOD.
Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile wird es inzwischen immer mühsamer, Leiterplatten mit SMD Bauteilen mit dem bloßen Auge bzw. mit Hilfe eines Mikroskops zu kontrollieren, hierzu wurden inzwischen AOI-Systeme entwickelt.
Verarbeitung (SMT)
Da die SMD-Bauteile auf die Leiterkarte bestückt werden nennt man diese Verarbeitung Bestückung, obwohl die Bestückung auch andere Arbeitschritte umfasst als nur das Platzieren der Bauteile auf der Leiterkarte. Diese Schritte sind:
- Aufbringen von Lötpaste (eine Mischung von Zinnkügelchen und Flussmittel) oder Kleber auf die Leiterkarte
- Bestücken der Bauteile
- Löten der Leiterkarte oder Aushärten des Klebers
Nach jedem Schritt wird die Qualität des Produktes optisch geprüft, bevor es zum nächsten Schritt weitergereicht wird. Die Fertigungsschritte werden in der Regel maschinell ausgeführt, bei Einzelstücken oder im Prototypenbau wird jedoch gelegentlich auf Maschinen verzichtet oder einzelne Schritte manuell ausgeführt. Die für die Verarbeitung benötigten Maschinen und Verfahren werden als surface-mounting technology (SMT) bezeichnet. Der Bereich eines Elektronikwerkes der sich mit der Verarbeitung von SMDs befasst wird daher als SMT-Bereich oder SMT-Abteilung bezeichnet.
Fertigungslinien für SMD-Bestückung (Prinzip)
SMT Line mit manueller optischer Inspektion:
1: Magazinstation mit unbestückten Leiterkarten 2: Stauband 3: Inspektions und Korrekturplatz 4: SMD-Bestückungsautomat 5: SMD-Ofen 6: Magazinstation zum Abstapeln des Endprodukts 9: Pastendrucker
SMT Line mit Automatischer optischer Inspektion:
1: Magazinstation mit unbestückten Leiterkarten 2: Stauband 4: SMD-Bestückungsautomat 5: SMD-Ofen 6: Magazinstation zum Abstapeln des Endprodukts 7: Automatische optische Inspektion 8: Automatische optische Inspektion mit Reparaturplatz 9: Pastendrucker
Die hier gezeigten Varianten können auch miteinander gemischt werden, sodass bestimmte Prozesse manuell kontrolliert werden, andere mit automatischer optischer Inspektion. In manchen Fällen wird auch ein Prüfschritt komplett weggelassen; so kann etwa eine abschließende optische Kontrolle entfallen wenn das Produkt sehr einfach ist, da es sowieso einem Funktionstest unterzogen wird. Oftmals sind einzelne Prüfungen bereits in den Produktionschrit integriert, so verfügen moderne Pastendrucker über eine Optik zur Kontrolle des Druckes sowie der Sauberkeit der Schablone.
Aufbringen der Lotpaste bzw. des Klebers
Lotpaste oder Kleber können auf zwei Arten aufgebracht werden: Entweder es wird mittels Siebdruckverfahren aufgebracht oder in kleinen Portionen aufdosiert. Letzteres wird hauptsächlich manuell im Prototypen- und Kleinserienbau praktiziert. Für den Kleberauftrag werden jedoch auch Maschinen verwendet, die den Kleber dosieren. Dabei wird der Kleber durch ein dünnes Röhrchen auf die gewünschte Stelle aufgebracht.
Beim Aufbringen der Lotpaste hat sich das Siebdruckverfahren durchgesetzt. Dort, wo später Bauteilanschlüsse auf der Leiterkarte zu liegen kommen, hat diese Kupferflächen - so genannte Pads - die entweder vergoldet oder verzinnt sind. Das Drucksieb wird über der Leiterkarte positioniert, sodass die Löcher, welche in der Größe und Position mit den Pads übereinstimmen (meist sind sie einige hundertstel mm kleiner, um zu verhindern dass Zinn neben das Pad gedruckt wird), über diesen zu liegen kommen.
Leiterkarte und Sieb werden gegeneinander gepresst und ein Rakel schmiert die Lotpaste über das Sieb, sodass diese durch die Löcher auf die Pads gelangt. Die Dicke des Siebes bestimmt hierbei die Zinnmenge (Lotpastenmenge). Daher ergibt sich auch, dass alle Pads die selbe Menge Zinn pro mm² abbekommen. In einigen Fällen ist es jedoch erforderlich, dass bestimmte Anschlüsse mehr Zinn abbekommen, auf deren Pads muss dann zusätzliche Lotpaste aufdosiert werden.
Bestücken der Bauteile
Die kleineren Bauteile sind in Gurten aus Karton oder Kunststoff verpackt. In den Gurten befinden sich Taschen, in welchen die Bauteile liegen. Die Oberseite der Tasche ist durch eine Folie verschlossen, welche abgezogen werden kann, um das Bauteil zu entnehmen. Die Gurte selbst werden auf einer Rolle aufgewickelt. Auf zumindest einer Seite hat die Rolle in regelmäßigen Abständen Löcher, über die der Gurt vom Bestückungsautomaten bewegt werden kann. Diese Rollen werden mit Hilfe von Zuführmodulen, sogenannten Feedern, dem Bestückungsautomaten zugeführt.
IC und andere große Bauteile werden oft auch in Kunststoffstangen oder in kleinen Paletten, so genannten Trays, verpackt. Während die Trays direkt in die Maschine eingelegt werden können, sind für die Stangen ebenfalls Feeder erforderlich.
Die Bauteile werden mit Vakuumpinzetten oder Greifern entnommen und dann auf der Sollposition der Leiterkarte aufgesetzt. Dieser Vorgang wird für alle Bauteile wiederholt. Nachdem die Leiterkarte vollständig bestückt wurde, wird sie durch die nächste ausgewechselt.
Härten des Klebers und Löten
Bei aufgeklebten Bauteilen wird der Kleber durch Hitze ausgehärtet. Dies erfolgt in einem Ofen, der auch für das Reflowlöten geeignet ist. Nach dem Aushärten müssen die Baugruppen noch Schwallgelötet werden. Dies geschiet jedoch nach der THT-Bestückung.
Ist die Baugruppe zum Reflowlöten vorgesehen, wird sie in einem entsprechenden Ofen auf die erforderliche Prozesstemperatur gebracht. Die Lötzinnkügelchen in der Lötpaste schmelzen dabei auf und sorgen sowohl für eine mechanische als auch elektrische Verbindung.
Typische Fehler
- Grabsteineffekt (engl. tombstoning) bei Bauteilen mit zwei Anschlüssen, was bedeutet, dass sich das Bauteil auf der einen Seite von der Platine weghebt, wodurch es wie ein kleiner Grabstein aussieht
- Popcorn-Effekt (engl. popcorning), er kann bei falscher Bauelementlagerung entstehen, z. B. wenn feuchtigkeitssensitive elektronische Bauelemente zu lange außerhalb der vor Feuchte schützenden Verpackung gelagert werden. Die Lagerung solcher feuchtesensitiver Bauelemente ist in IPC/JEDEC J-STD-020C geregelt. Durch die Hygroskopie der Kunststoffgehäuse der Bauelemente reichert sich Wasser vorwiegend an der Gehäusevergussmasse und den zu schützenden Strukturen (Leitbahnen, Substrat usw.) an (bis zu 0,5 Gew.-%). Im Reflowofen verdampft die Feuchtigkeit aufgrund des raschen Temperaturanstiegs, dies führt zu einer Volumenausdehnung. Folgen sind u. a. Risse im Gehäuse und die Delaminierung des Substrates. Das gefährliche am Popcorn-Effekt ist, dass er erst nach der Fertigung diagnostiziert werden kann.