Surface-mounted device

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Der englischsprachige Begriff surface-mount device (SMD, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) ist ein Fachbegriff aus der Elektronik. SMD-Bauelemente haben im Gegensatz zu Bauelementen der Durchsteckmontage (englisch Through Hole Technology, THT), den „bedrahteten Bauelementen“, keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte gelötet (Flachbaugruppe). Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontage (englisch: surface-mounting technology, SMT).

Blick auf die Oberseite einer Platine mit reiner SMD-Bestückung

Übersicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Handlötung an einer Leiterplatte mit SMD-Bauelementen

Während die Anschlussdrähte konventioneller Bauelemente 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. Die elektrischen Eigenschaften der Schaltungen werden speziell bei höheren Frequenzen positiv beeinflusst. Der Platzbedarf der Bauelemente verringert sich. Dadurch können die Geräte kleiner und zugleich wesentlich kostengünstiger hergestellt werden.

SMD-Bauteile werden nach der Herstellung in Gurten, Stangenmagazinen oder auf Blister-Trays transportiert und mit Automaten auf Leiterplatten bestückt. Eine manuelle Bestückung ist für Entwicklungsmuster möglich, jedoch bei hohen Packungsdichten nur mit Pipette statt Pinzette. Die Anschlussflächen der SMD-Bauteile auf den Platinen werden vor dem Bestücken mittels Schablonendruck (lasergeschnittene Lotpastenmaske) mit Lotpaste bedruckt. Nach dem Bestücken werden die SMD-Bauteile mit Wärme gelötet. Für die Oberseite einer Platine hat sich dafür das Reflow-Verfahren durchgesetzt. SMD-Bauteile auf der Unterseite einer Leiterplatte werden aufgeklebt und im Wellen- oder Schwallbad gelötet.

Voraussetzung für eine hohe Qualität einer in der SMD-Technik hergestellten Schaltung ist eine einwandfreie Lötung der SMD-Bauteile. Die fortschreitende Miniaturisierung der SMD-Bauteile macht es schwieriger, Leiterplatten mit SMD-Bauteilen mit dem bloßen Auge oder mit Hilfe eines Mikroskops zu kontrollieren. Hierzu werden auch Bildverarbeitungsanlagen (AOI-Systeme, englisch: automated optical inspection) eingesetzt, die mit großer Präzision und hoher Geschwindigkeit die vorgeschriebenen wichtigen Parameter überprüfen. Ball Grid Array-Lötungen können jedoch naturgemäß nicht kontrolliert werden.

Für Handbestücker ergibt sich durch die SMD-Technik der Nachteil, dass sich manche SMD-Bauteile nur sehr schwer ohne Maschinen oder entsprechendes Know-how verlöten lassen. Mit Pinzette, einer feinen Lötspitze und 0,5-mm-Lötzinn und einer Lupenbrille, eventuell einem Stereomikroskop, lassen sich jedoch viele Baugrößen verarbeiten. Die Bestückung ist teilweise sogar schneller als bei Handbestückung bedrahteter Bauteile, da die Bauteilvorbereitung jener (Ablängen, Biegen, Fixieren) entfällt. Die Verwendung klassischer Lochrasterkarten und Streifenrasterkarten ist für Versuchsaufbauten oder Prototypen nur eingeschränkt möglich. Geeignete Laborkarten und Adapter sind jedoch im Handel erhältlich oder selbst herstellbar.

Das Recycling von Bauelementen aus Altgeräten ist durch schwierige Entlötbarkeit und teilweise mehrdeutige Kennzeichnung bei SMT schwieriger.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Entwicklung der Oberflächenmontagetechnik (SMT)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Oberflächenmontagetechnik wurde in den 1960er-Jahren von IBM entwickelt und fand ihre erste Anwendungen in den Computern der Saturn- und Apollo-Missionen.[1] Begründet wurde diese Entwicklung mit den beengten Raum- und Platzverhältnissen in den Raumkapseln sowie mit der Reduzierung der Schaltungsimpedanz zur Erhöhung der Schaltfrequenzen.

SMT-Bestückungslinie mit Bestückautomat (links) und Lötstation (Mitte)

In den 1970er Jahren wurde die Digitaltechnik zur treibenden Kraft für die Lösungen von Konzepten für elektronische Schaltungen und Geräte wie z. B. für völlig neue Geräte wie z. B. Taschenrechner oder auch für konventionelle Geräte der Rundfunk- und Fernsehtechnik. 1976 wurde beispielsweise der erste Homecomputer Apple 1 präsentiert[2] und einige Jahre später, 1983, wurde das erste digitale "one-chip IC" für UKW-Radios von Philips entwickelt.[3] Parallel dazu begann die Industrie ab Mitte der 1970er Jahre die Bauelemente mit genormten Rastermaßen für Leiterplattenmontage anzubieten [4], da der Leiterplattenentwurf mittels „Computer-Aided Designs“ (CAD) mit genormten, vorgegebenen Maßen für die Bauelemente großen Vorteil bot. (Das von IBM entwickelte Programmiersystems APT, welches der rechnerunterstützten Programmierung von NC-Maschinen diente, wurde in den 1950er Jahren entwickelt [5][6])

Gleichzeitig wurden die ersten Bestückungsautomaten zur automatischen Bestückung bedrahteter Bauelemente entwickelt. Anfang der 1980er Jahre standen im Grundig Werk 16, Nürnberg-Langwasser, Bestückungsautomaten, die für 500.000 Farbfernsehgeräte pro Jahr ausgelegt waren.[7] In diesen Jahren wurden die ICs immer komplexer. Die Anzahl der Schaltungsfunktionen, die auf einem Halbleiterkristall integriert wurden, stieg von Jahr zu Jahr an (Mooresches Gesetz) Mit der ansteigenden Integration stiegen die Betriebsfrequenzen der Schaltungen an und es galt, mit kürzeren Leitungsführungen die Leitungsimpedanz zu verringern. Die von IBM entwickelte Oberflächenmontagetechnik bot hier die Möglichkeit, durch Fortfall der Bohrungen die Leitungsführungen zu verkürzen.

Blick auf die Unterseite einer SMD-Platine mit gemischter Bestückung

Allerdings waren die Investitionskosten für diese neue Montagetechnik sehr hoch. Es mussten für alle Fertigungsschritte neue Automaten entwickelt werden. Die erforderlichen hohen Investitionskosten konnten nur von Geräteherstellern mit großen Stückzahlen aufgebracht werden und die waren überwiegend in Japan und in den USA ansässig. 1979 wurde deshalb in Japan die erste SMD-Fertigungslinie installiert und zwei Jahre späten in den USA.[8] In Europa und in Deutschland war Philips mit seiner Bauelementetochter Valvo ab 1984 Vorreiter für die SMD-Technik mit ihren Bauelementen einschließlich der erforderlichen Bestückungsanlagen.[9] Die Bestückungszeit dieser neuen SMD-Vollautomaten war deutlich höher als die der Automaten für bedrahtete Bauelemente. Es konnten mit diesen Automaten Bestückungsgeschwindigkeiten von 7000 bis zu 540.000 SMDs pro Stunde erreicht werden. [9]

Die Entwicklung der Automaten für die Oberflächenmontagetechnik Ende der 1970er Jahre war von den Herstellern von Anfang an in ein Gesamtkonzept mit hohen Qualitätsanforderungen eingebunden. Es umfasste die Standardisierung der Bauelemente über ihre gegurtete Anlieferweise bis hin zu ihren genormten Landeflächen und der Reflow-Lötfähigkeit bzw. der Fähigkeit der Wellen-Lötbarkeit, die Bestückungsautomaten mit hohen Anforderungen an die Reinheit und hohe Genauigkeit beim Kleben, hohe Präzision der Passgenauigkeit beim Bestücken sowie die präzise Temperatursteuerung bei der Lötung. Entscheidend für den Erfolg dieser Technik war, dass die Oberflächenmontagetechnik als ganzheitliches Konzept betrachtet und realisiert wurde. Mit diese Technik konnte die Leitungsimpedanz und das Bauvolumen für die Gesamtschaltung deutlich reduziert werden, die Herstellkosten sanken, da die Kosten für die Bohrungen in den Leiterplatten und die zusätzlicher Anschlüsse an den Bauelementen entfielen und die Qualität der Schaltungen stieg mit der größeren Sauberkeit bei der Herstellung an. Ab Mitte 1980 wurden bereits SMD-Schaltungen in vielen Bereichen der Industrie im großen Stil verwendet, wobei die Schaltung häufig als "Mixed Print" ausgelegt war, d. h., die größeren Bauelemente weiterhin bedrahtet eingesetzt wurden.

Entwicklung der SMD-Bauelemente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die anfänglich für die Raumfahrt benötigten Bauelemente kamen aus den USA von den seinerzeit führenden Herstellern wie IBM, Texas Instruments, Fairchild, Spague u. a.. Es waren die damals verfügbaren Bauelemente, wie Transistoren und Dioden, ICs, Kondensatoren und Widerstände, deren Anschlüsse für den Einsatz in der Oberflächen-Montagetechnik modifiziert waren oder durch lötbare Metallkappen ersetzt waren. Die treibende Kraft waren die neuen Integrierten Schaltungen, die die gewünschte Volumenverkleinerung der Geräte brachten. Bei Texas Instruments wurde 1958 von Jack S. Kilby der erste integrierte Schaltkreis („integrated circuit“, IC) entwickelt. Bei Fairchild war es 1961 Robert Noyce, der spätere Mitbegründer von Intel. 1965 wurde dort das Dual-In-Line-Gehäuse (DIL-Gehäuse) entwickelt[10], mit dem 1966 die erste TTL-Logikschaltung versehen wurde. [11]

Die Kondensatoren kamen u. a. von Sprague, wo schon 11 Jahre vorher die Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Festelektrolyten zur Serienreife gebracht wurden.[12] [13][14]. Außerdem wurden zur Entkopplung Glimmerkondensatoren eingesetzt.

Beispiele von unterschiedlichen Anschluss-Ausführungen von Bauelementen für die Oberflächenmontage, links: BGA, rechts: DIL

Im Laufe der weiteren Jahre nahmen die entsprechenden Entwicklungen im Bereich der diskreten Halbleiter-Bauelemente stark zu, allerdings war es recht einfach, aus dem jeweiligen bedrahteten Gehäuse ein SMD-Gehäuse zu machen, siehe auch Chipgehäuse und Liste von Halbleitergehäusen# Gehäuse für Oberflächenmontage (SMD) Eine Sonderstellung nahmen bei dieser Entwicklung die hochintegrierten ICs, insbesondere die Prozessoren ein. Durch die steigenden bits pro Byte bekamen diese ICs immer mehr Anschlüsse. Hatte der Intel 4004 4 bit Prozessor 1971 noch 16 Anschlüsse, so hatte 1978 der erste 16 bit Mikroprozessor Intel 8086 bereits 40 Anschlüsse. Jetzt genügte nicht mehr eine einfache Modifikation der Anschlüsse, jetzt musste auch die Geometrie der Halbleiter-Gehäuse angepasst werden. Aber auch hier waren die Gehäuse der bedrahteten ICs (Pin Grid Array (PGA)) und der SMD-ICs (Land Grid Array (LGA) und Ball Grid Array (BGA)) ähnlich, nur die Kontaktierungsform der Anschlüsse variierte. Wegen der steigenden Betriebsfrequenzen der Mikroprozessoren stiegen ab den 1970er Jahren aber die Anforderungen an die peripheren Kondensatoren an, ihre Impedanzeigenschaften mussten verbessert werden.

Aus der Idee, keramischen Scheibenkondensatoren übereinander zu stapeln, entstanden die keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCC-Chips). 1961, für das Apollo-Programm, wurde diese Idee erstmals von einem amerikanischen Unternehmen verwirklicht.[15] Aber erst ab Anfang 1970 begann die eigentliche Entwicklung der Keramikkondensatoren, die später als Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) fester Bestandteil fast aller SMD-Schaltungen wurden.[16] Zu einem Abschluss ist diese Entwicklung bis heute noch nicht gekommen, 2006 veröffentlichte Intel die Wünsche hinsichtlich der Impedanz von Entkopplungskondensatoren mit einer Kurve, die bis in die Größenordnung von 1 mΩ reicht.[17]

Mit Beginn der industriellen Fertigung von Geräten in der Oberflächenmontagetechnik in den 1980er Jahren nahm der Druck zur Verkleinerung auch der übrigen Kondensatoren deutlich zu. Die Hersteller von Ta- und Al-Elektrolytkondensatoren aber auch von Folienkondensatoren konnten in den Jahren danach auch tatsächlich große Fortschritte erzielen. Das CV-Produkt dieser Kondensatoren nahm bei gleichem Volumen etwa um den Faktor 10 zu, siehe Kondensator (Elektrotechnik)#Weiterentwicklung.

Während die Tantalkondensatoren von Anfang an auch in SMD-Bauformen angeboten wurden, wurden die ersten „nassen“ Al-Elkos erst Ende der 1980er Jahre „SMD-fähig“. Die Problematik war, dass der flüssige Elektrolyt einen Siedepunkt hat, der unter der Temperaturspitze der Reflow-Lötung liegt. Erst durch Verstärkung der Materialien konnte der interne Gasdruck aufgefangen werden, der sich dann nach geraumer Zeit wieder zum Elektrolyten zurückbildet.[18][19] Auch Folienkondensatoren sind seit vielen Jahren in SMD-fähigen Bauformen erhältlich.

Im Bereich der Widerstände wurden zunächst die herkömmlichen runden Bauformen mit Lötfähigen Kappen versehen und als MELF-Bauformen, in der auch die Dioden angeboten wurden, entwickelt.[9] Später wurden dann für die in den Schaltungen erforderlichen Ableitwiderstände Dickschicht-Widerstände auf Keramik-Substrat entwickelt.

Auch elektromechanische Bauelemente wie beispielsweise Steckverbinder sind in Oberflächen-montierbaren Bauformen entwickelt worden, so dass heutzutage fast alle der in der Liste elektrischer Bauelemente genannten Teile in den jeweiligen SMD-Versionen zur Verfügung stehen.

Vor- und Nachteile bei der Verwendung von SMDs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

SMD-Bauelemente haben in vielen Anwendungsfällen Bauelemente mit durchkontaktierten Anschlussdrähten abgelöst. Sie besitzen gegenüber jenen unter anderem folgende Vor- und Nachteile:

Vorteile:

  • Miniaturisierung, deutliche Verkleinerung von Schaltungen und Geräten durch kleinere Bauteilabmessungen (ergibt höhere Bauteildichte), engeren Leiterbahnabstand und dünnere Leiterbahnen auf der SMD-Platine.
  • Hervorragende Eignung für flexible Leiterplatten, etwa in Fotoapparaten oder auf LED-Lichtbändern.
  • Kostenreduzierung, Bohrungen in der Leiterplatte entfallen, die Leiterplatte wird kostengünstiger, insbesondere wenn durch die SMD-Technik auf einlagige Leiterplatten ohne Bohrungen zurückgegriffen werden kann.
  • Gewichtsreduzierung durch Wegfall von Anschlussdrähten und Verwendung kleinerer Bauelemente.
  • Verbesserung von Hochfrequenzeigenschaften durch geringeren Bauteilabstand zueinander und Verkürzung von Leiterbahnen (kleinere ohmsche Verluste, geringere Induktivität der kürzeren Leiterbahnen). Bauelemente können auf beiden Seiten der Leiterkarte auch direkt übereinander bestückt werden (wichtig bei Hochfrequenzbaugruppen).
  • Schnellere Gerätefertigung durch schnelle Automatenbestückung (Collect & Place / Pick & Place / Chip-Shooter), dadurch ergeben sich geringere Fertigungskosten.
  • Steigerung der Fertigungsqualität bei automatischer Bestückung.
  • Steigerung der Fertigungsqualität durch Wegfall von Verschmutzungsquellen (Schneiden und Biegen der Anschlussdrähte)
  • Steigerung der Fertigungsqualität durch automatische optische Inspektion (AOI) aller kritischen, optisch prüfbaren Faktoren bei den meisten SMD-Bauformen möglich.
  • Kleine Positionierungsfehler bei der Bestückung werden beim Löten automatisch durch die Oberflächenspannung des flüssigen Lots korrigiert.
  • Platinen mit glatter Rückseite herstellbar, bspw. für Fernbedienungen und Tastaturen – oder hobbymäßig als Gehäuseteil.

Nachteile:

  • Bei Bautelementen mit Anschlüssen an der Unterseite (wie BGAs) können die Lötstellen nur noch mittels Röntgen überprüft werden.
  • Durch das Reflow-Löten werden die SMD-Bauteile kurz einer hohen Temperatur ausgesetzt (> 200–250 °C). Bei Bauelementen, die Flüssigkeiten (Elektrolyt) enthalten, wie beispielsweise Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Superkondensatoren oder Akkumulatoren sind Änderungen der Kennwerte und Wartezeiten zum Rückbilden des Elektrolyten einzuplanen.
  • Geringere mechanische Festigkeit bei großen, schweren Bauelementen erfordert zusätzliche Fixierungen.

SMD-Anschlussformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Darstellung eines geklebten SMD-Keramik-Vielschichtkondensators (MLCC) mit gut ausgebildeten Lötmenisken an den Löt-Anschlussflächen

Passive Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Quarze oder induktive Bauelemente wie Drosseln werden überwiegend in quaderförmigen Bauformen hergestellt. Zwei oder mehr Seitenflächen dieser Bauform sind zur elektrischen Kontaktierung lötfähig ausgebildet. Eine einwandfreie Lötung dieser „Chips“ kann an einem gut ausgebildeten Lötmeniskus erkannt werden.

Transistoren und auch integrierte Schaltungen entstanden zu Beginn der SMD-Technik aus dem (bedrahteten) Dual-In-Line-Gehäuse (DIL-Gehäuse), einem Gehäuse, bei dem an den beiden Seitenflächen die Lötanschlüsse des Bauelementes herausgeführt sind. Die senkrechten Lötanschlüsse dieses Gehäuses wurden dann für die SMD-Lötung einfach entweder seitlich nach außen (englisch Gull-Wing) oder nach innen (englisch J-Leads) abgebogen. Mit fortschreitender Integrationsdichte insbesondere bei den Prozessoren mit ihren vielen Anschlüssen wurden weitere Wege in der Anschlusstechnik gesucht. Dies führte zur Entwicklung der Grid-Array-Anschlusstechnik. Hier befinden sich die Lötanschlüsse als kleine metallisierte Anschlussflächen unter dem Gehäuse der Schaltung. Beim gebräuchlichen Ball Grid Array (BGA) sind bereits Lotperlen auf den Kontaktflächen vorhanden, die während des Lötprozesses nur noch aufgeschmolzen werden. Beim Land Grid Array (LGA) muss dagegen Lot auf der zu bestückenden Platine aufgebracht sein, weswegen LGA-Bauteile selten zum Verlöten verwendet werden. Sie können jedoch auch, im Gegensatz zu BGAs, auf einem dazu passenden Pin-Array betrieben werden. Bei entsprechend gestalteter Arretierung können LGA-Komponenten dann einfach ausgewechselt werden, was z. B. bei Mikroprozessoren ausgenutzt wird.

SMD-Bauformen, SMD-Gehäuse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Bauformen von SMD-Bauelementen gibt es in der Industrie zwei unterschiedliche Oberbegriffe. Bei den passiven Bauelementen (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Quarze usw.) ist der Begriff Bauform (englisch style)[20] für die unterschiedlichen Bauweisen gebräuchlich. Die jeweilige Bauform kann sich dann auch noch in unterschiedlichen Abmessungen und der Art der Anschlussform unterscheiden.

Im Bereich der Halbleitertechnik, der aktiven Bauelemente werden hingegen die unterschiedlichen Bauformen durch den Oberbegriff Gehäuse zusammengefasst (Chipgehäuse). Die aktive Zelle, das Die, das in einem Gehäuse eingebaut wird, ist die Begründung für die abweichende Bezeichnung. Jedes Transistor- oder IC-Gehäuse hat einen eigenen Namen, der sich aus den ersten Buchstaben der englischen Beschreibung ergibt. Abweichungen innerhalb gleicher Gehäusebezeichnungen, die sich durch die Anzahl und der Anordnung der Anschlüsse und der Form der Anschlüsse ergeben, werden durch an den Namen angehängte Zahlen gekennzeichnet.

SMD-Bauformen passiver Bauelemente, Dioden und Transistoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Passive Bauelemente und gegebenenfalls auch Dioden und Transistoren werden in folgenden Bauformen hergestellt, geliefert und verarbeitet:

Chip, eine quaderförmige Bauform, ist die typische Bauform für MLCC- und Tantal-Kondensatoren, Induktivitäten sowie nichtlineare und lineare Widerstände (R-Chips). Der Begriff „Chip“ kann leicht mit dem gleichlautenden Begriff aus der Halbleitertechnik, dem „Chip“ (englisch „Die“) eines Halbleiter-Bauelementes verwechselt werden. Quaderförmigen Sonderbauformen für z. B. Quarze oder Oszillatoren können am Gehäuse auch noch zusätzliche Lötflächen, entweder für Verpolungsschutz oder zur besseren und vibrationsfesteren mechanischen Befestigung enthalten.

Die Chip-Bauform passiver Bauelemente unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Baugröße, die mit einem Code wie „1206“ angegeben wird. Dabei steht „12“ für die Länge und „06“ für die Breite des Bauteils in der Einheit Zoll/100. Die Abmessungen sind dabei metrisch standardisiert worden, bei der Umrechnung in den Zoll-Code werden jedoch nur zwei Stellen benutzt, was zu entsprechenden Rundungsfehlern führt. So beträgt die Länge eines mit dem Code „1206“ bezeichneten Bauteils 3,2 mm oder 0,12598 Zoll, aber nur die „12“ wird zur Bezeichnung benutzt. Rechnet man diese zurück, käme man nur auf 3,048 mm.

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Die metrische Schreibseise bringt für den Anwender nur Nachteile. Belege für trotzdem häufigere Verwendung wären wichtig. Robert--88.65.69.146 13:01, 1. Aug. 2014 (CEST)

Mittlerweile setzt sich jedoch immer mehr eine metrische Codierung der Baugröße durch.

Größenvergleich häufig vorkommender Baugrößen
Codebezeichnungen und deren Abmessungen einiger häufig vorkommender Baugrößen von Chipkondensatoren und Chipwiderständen
Gehäusegröße,
Zoll-Code
Gehäusegröße,
metrischer Code
Gehäuselänge L
in mm (± 0,2 mm)
Gehäusebreite B
in mm (± 0,2 mm)
SMD-C-Chip
(MLCC)
SMD-Ta-Chips1) SMD-R-Chip
008004 03015[21] 0,30 0,15 X X
01005 0402 0,4 0,2 X X
0201 0603 0,6 0,3 X X
0402 1005 1,0 0,5 X X
0603 1608 1,6 0,8 X X
0805 2012 2,0 1,2 X R X
1020 2550 2,5 5,0 X
1206 3216 3,2 1,6 X A X
1210 3225 3,2 2,5 X X
1218 3146 3,1 4,6 X
1225 3164 3,1 6,4 X
1411 3528 3,5 2,8 B -
1808 4520 4,5 2,0 X
1812 4532 4,5 3,2 X
2010 5025 5,0 2,5 X
2220 5750 5,7 5,0 X
2312 6032 6,0 3,2 C
2512 6330 6,3 3,0 X
2917 7343 7,3 4,3 D
2924 7361 7,3 6,1 X -
1) Ta-Chips werden mit einem Buchstabencode gekennzeichnet. Sie werden in unterschiedlichen Bauhöhen gefertigt

Erweiterte Tabellen der verfügbaren Chip-Baugrößen und deren Abmessungen finden sich auch bei den Fachartikeln der Bauelemente Keramikkondensatoren, Tantal-Elektrolytkondensatoren und Widerstände.

  • V-Chip (vertical Chip) ist eine zylindrische Bauform mit Unterlegplättchen, stehend montiert. Insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden in dieser Bauform geliefert und verarbeitet. Die Baugrößen dieser Bauform sind nicht genormt. V-Chip-Aluminium-Elektrolytkondensatoren können recht große Abmessungen erreichen; es sind die Exoten unter den SMD-Bauelementen.
  • MELF (Metal Electrode Faces), ist die Bezeichnung für eine zylindrische Bauform passiver Bauelemente, die liegend montiert werden. Sie ist die typische Bauform für Metallschichtwiderstände und nichtlineare Widerstände.
  • SOD (Small Outline Diode), wird das zylindrische Gehäuse für das Halbleiterbauelement Diode, das wie die MELF-Bauform ebenfalls liegend montiert wird, genannt. Auch das SOD-Gehäuse wird in unterschiedlichen Baugrößen geliefert.

Darüber hinaus besitzen zahlreiche passive Bauelemente wie beispielsweise Potentiometer, Trimmer, Transformatoren, Übertrager, Quarze, Oszillatoren spezielle SMD-Bauformen, die sich aus der Geometrie und den Anschlüssen der Bauelemente herleiten. Eine spezielle Herausforderung sind auch die elektromechanischen Bauteile wie Taster, Sockel, Stecker und Buchsen, deren Bauformen nicht in übliche Schemata passen.

SMD-Chipgehäuse für Halbleiter (Transistoren, Integrierte Schaltungen)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lötanschlüsse an zwei Seiten des Gehäuses[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

SOT-, SMD-Gehäuse für Transistoren
SOIC-, xSOP-, DIL-IC-SMD-Gehäuse

SMD-Transistorgehäuse mit Lötanschlüssen an zwei Seiten des Gehäuses werden mit den folgenden Gehäusenamen gekennzeichnet:

  • SOT (small outline transistor): Bauform mit drei oder vier Anschlüssen für Transistoren, der vierte Anschluss ist oft als Wärmeableitelement (englisch heatsink) ausgeführt, Anschlussabstand typisch 1,27 mm

IC-Gehäuse mit Lötanschlüssen an zwei Seiten des Gehäuses werden mit den folgenden Gehäusenamen gekennzeichnet:

  • SOIC (small-outline integrated circuit): IC-SMD-Gehäuse mit dem gleichen Reihenabstand wie die Durchsteck-Version, der Anschlussabstand ist typisch 1,27 mm
  • SOP (small outline package): kleinere Version des SOIC-Gehäuses, bildet die Grundlage für eine ganze Reihe von Abwandlungen, die zum Teil herstellerspezifisch sind, beispielsweise:
    • PSOP (plastic small-outline package)
    • TSOP (thin small-outline package): Anschlüsse auf der Schmalseite des Gehäuses,
    • SSOP (shrink small-outline package)
    • TSSOP (thin shrink small-outline package)
    • QSOP (quarter-size small-Outline package)
    • VSOP (very small outline package)

Lötanschlüsse an vier Seiten des Gehäuses[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

xQFP, Quad-in Line-IC-SMD-Gehäuse

IC-Gehäuse mit Lötanschlüssen an den vier Seiten des Gehäuses werden mit den folgenden Gehäusenamen gekennzeichnet:

  • PLCC (plastic leaded chip carrier): IC-SMD-Gehäuse mit 20 bis 84 „J-Lead“-Anschlüssen, Gehäuse mit Anschlussabstand von typisch 1,27 mm.
  • QFP (quad flat package): IC-SMD-Gehäuse mit 32 bis 200 Anschlüssen, bildet die Grundlage für eine ganze Reihe von Abwandlungen, die zum Teil herstellerspezifisch sind, beispielsweise:
    • LQFP (low-profile quad flat package): IC-SMD-Gehäuse mit 1,4 mm Bauhöhe
    • PQFP (plastic quad flat package): IC-SMD-Gehäuse das im Allgemeinen durch das dünnere TQFP-Gehäuse ersetzt wurde.
    • CQFP (ceramic quad flat package): IC-SMD-Gehäuse vergleichbar mit dem PQFP-Gehäuse jedoch mit Keramikumhüllung.
    • MQFP (metric quad flat package): IC-SMD-Gehäuse vergleichbar mit dem QFP-Gehäuse jedoch mit metrischem Abstand der Anschlüsse voneinander.
    • TQFP (thin quad flat package): Eine dünnere IC-SMD-Gehäuse-Version des PQFP-Gehäuses mit einer Bauhöhe von entweder 1,0 mm oder 1,4 mm.

Lötanschlussflächen unter dem Gehäuse, „Leadframe“ und „Grid-Arrays“[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • quad flat no leads package (QFN), micro leadframe package (MLP), auch micro lead frame, MLF: Die Bezeichnungen umfassen eine ganze Familie von IC-Gehäusen, deren elektrische Anschlüsse rahmenartig um die Seitenflächen des Gehäuses angeordnet sind und sich als metallisierte Kontaktflächen unter dem Gehäuse befinden. Diese Gehäuse haben manchmal eine weitere metallisierte Kontaktfläche unter dem Gehäuse, die mit dem Die verbunden ist, um eine bessere Wärmeableitung zu ermöglichen. Eine Variante MLPD („D“ steht für „dual“) ist Pinkompatibel mit dem DIL-SOIC-Gehäuse, mit MLPD (Dual) und MLPQ (Quad) werden die Anschlusskonfigurationen unterschieden, MLPM (Micro) steht für eine miniaturisierte Version des Gehäuses. Das QFN-IC-SMD-Gehäuse ist ein spezielles MLPQ-Gehäuse, dessen Anschlussbelegung und Anschlussabstände dem bedrahteten QFP-Gehäuse entsprechen, deren metallisierte Anschlussflächen jedoch als Kontaktflächen unter dem Gehäuse angebracht sind.

Hochintegrierte Halbleiterbauelemente wie Mikroprozessoren haben so viele elektrische Anschlüsse, dass sie nicht mehr um den Umfang des Gehäuses herum unterzubringen sind. Deshalb werden diese Anschlüsse in Form von metallisierten Anschlussflächen schachbrett- oder gitterartig (engl. grid array) unter dem Gehäuse angebracht. Diese Halbleitergehäuse mit Lötanschlussflächen schachbrettartig unter dem Gehäuse werden mit den folgenden Gehäusenamen gekennzeichnet:

  • LGA (land grid array): Ein LGA ist eine schachbrett- oder gitterartige Anordnung von elektrischen Anschlussflächen (englisch land) auf der Unterseite eines Gehäuses für ICs mit sehr vielen Anschlüssen wie z. B. Mikroprozessoren. Beim Löten dieser vielen Kontakte unter dem LGA-Gehäuse können allerdings vereinzelt Lötfehler auftreten, die nur recht schwierig zu erkennen sind (Röntgen). Da eine Reparatur kostenaufwendig und fehlerbehaftet ist, werden LGA-ICs häufig auf Sockel gesetzt. Diese Sockel mit der gleichen Pinbelegung wie das IC, werden im SMD-Prozess auf die Platine gelötet und können recht einfach auf Kontaktsicherheit getestet werden. Der Prozessor wird für den elektrischen Anschluss dann mit Hilfe einer Klammer mit seinen Anschlussflächen auf die oben liegenden Kontakte des Sockels gedrückt. Der Sockel hat federnde Kontaktstifte, so dass ein sicherer elektrischer Kontakt hergestellt werden kann.
  • BGA (ball grid array, dt. Kugelgitteranordnung): Ein BGA ist wie das LGA-Gehäuse eine Gehäuseform von Integrierten Schaltungen, bei der die elektrischen Anschlüsse schachbrett- oder gitterartige Anordnung der Unterseite angebracht sind. Die Anschlüsse sind jedoch in Form kleiner Lotperlen (engl. balls) ausgeführt. Diese Perlen werden beim Reflow-Löten in einem Lötofen aufgeschmolzen und verbinden sich mit dem Kupfer der Leiterplatte.

Verarbeitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

SMD-Bestückungsautomat, im Vordergrund sind die Rollen für die auf Bändern fixierten SMD-Bauelemente zu sehen.

Da die SMD-Bauteile auf eine Leiterplatte bestückt werden, nennt man diese Verarbeitung Bestückung, obwohl die Bestückung auch andere Arbeitsschritte umfasst als nur das Platzieren der Bauteile auf der Leiterkarte. Diese Schritte sind:

  • Aufbringen von Lotpaste (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 werden manuell ausgeführt. Die für die Verarbeitung benötigten Maschinen und Verfahren werden als Oberflächenmontagetechnik 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)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 (AOI), 8: AOI 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 Produktionschritt integriert. So verfügen moderne Pastendrucker über eine Optik zur Kontrolle des Druckes sowie der Sauberkeit der Schablone.

Aufbringen der Lotpaste bzw. des Klebers[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bild von Bauelement in Lotpaste

Lotpaste oder Kleber können auf mehrere 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 oder berührungslos aufgespritzt (Jetten).

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 so über der Leiterkarte positioniert, dass die Löcher des Siebs zentriert über den Pads aufliegen. Meist sind sie einige hundertstel Millimeter kleiner, um zu verhindern, dass die Paste neben das Pad gedruckt wird.

Leiterkarte und Sieb werden gegeneinander gepresst und ein Rakel drückt die Lotpaste durch das Sieb, sodass diese durch die Löcher auf die Pads gelangt. Die Dicke des Siebes bestimmt hierbei die Zinnmenge (Lotpastenmenge) pro Fläche. In einigen Fällen ist es jedoch erforderlich, dass bestimmte Anschlüsse mehr Zinn abbekommen – kann dies nicht durch eine größere Padfläche erreicht werden, muss später zusätzliche Lotpaste aufdosiert werden.

Die Siebe werden heute weitestgehend durch gelaserte Metallschablonen ersetzt. Somit können kleinere Strukturen besser gedruckt werden. Um die geforderte Genauigkeit beim Druck zu erreichen, werden Drucker eingesetzt, die ein genaues Ausrichten der Schablone zu der Leiterplatte ermöglichen. Dieses kann entweder von Hand erfolgen oder automatisch durch ein Kamerasystem, welches Markierungen auf der Schablone und der Leiterplatte erkennen kann und vor dem Druck beides zueinander ausrichtet.

Bestücken der Bauteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 wird, um das Bauteil zu entnehmen, ähnlich einer Blisterverpackung. Die Gurte selbst werden auf einer Rolle aufgewickelt. Auf zumindest einer Seite des Gurtes befinden sich Transport-Löcher im Abstand von 4 mm, über die der Gurt vom Bestückungsautomaten bewegt wird. Diese Rollen werden mit Hilfe von Zuführmodulen, sogenannten Feedern, dem Bestückungsautomaten zugeführt.

ICs und andere große Bauteile werden oft auch in Kunststoffstangen (englisch sticks) oder in kleinen Paletten, den so genannten Trays, verpackt. Während die Trays direkt in die Maschine eingelegt werden können, sind für die Stangen ebenfalls Feeder (englisch stickfeeder) erforderlich. Durch die Vibration der Stickfeeder gelangen nach der Entnahme die Bauteile weiter nach vorne, sodass der Bestückungskopf das nächste Bauteil entnehmen kann.

Die Bauteile werden mit Vakuumpipetten (englisch nozzle) oder Greifern entnommen und dann auf der Sollposition (X-,Y-Koordinaten) der Leiterplatte aufgesetzt. Dieser Vorgang wird für alle Bauteile wiederholt. Bei der Bestückung der Oberseite der Platine ist ein Kleben der Bauteile meist nicht erforderlich, da die Haftwirkung der Lotpaste für die notwendige Haftung des Bauteils während des Weitertransportes der Platine zur nächsten Station sorgt. Nachdem die Leiterkarte vollständig bestückt ist, wird sie zur nächsten Bearbeitungsstation transportiert und eine neue Platine kann zur Bestückung übernommen werden.

Härten des Klebstoffs und Löten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei aufgeklebten SMD-Bauteilen wird der Klebstoff durch Hitze ausgehärtet. Dies erfolgt in einem Ofen, der auch für das Reflow-Löten geeignet ist. Im Unterschied zum Reflow-Löten erfolgt das Aushärten des Klebstoffs bei niedrigerer Temperatur. Nach dem Aushärten müssen die Baugruppen noch schwallgelötet werden. Dies geschieht jedoch nach der THT-Bestückung, sofern diese THT-Bauelemente zusätzlich vorhanden sind.

Ist die Baugruppe zum Reflowlöten vorgesehen, wird sie in einem entsprechenden Reflowofen auf die erforderliche Prozesstemperatur gebracht. Die Lotkügelchen in der Lotpaste schmelzen dabei auf und sorgen sowohl für eine mechanische als auch elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte.

Typische Fehler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einige der folgenden Fehler treten nur beim Reflow-Löten auf, andere nur beim Schwalllöten. Neben den klassischen Lötfehlern, wie Nichtbenetzung und Zinnbrücken, die auch bei Durchsteckbauteilen auftreten, sind hier zu nennen:

Zwei durch den Grabsteineffekt aufgerichtete SMD-Widerstände
Grabsteineffekt (englisch tombstoning)
Der Grabsteineffekt tritt vermehrt bei Bauteilen mit zwei Anschlüssen auf. Das Bauteil hebt sich auf der einen Seite von der Platine ab, wodurch es wie ein kleiner Grabstein aussieht. Es ist jetzt nur noch an einer Stelle angelötet und die gewünschte Funktion ist nicht gegeben. Wenn möglich, muss hier nun manuell nachgearbeitet werden.

Neben ungünstigen Lötparametern ist die zu lange Lagerung von Bauteilen eine Ursache, wenn die Anschlussflächen (unterschiedlich) oxidiert sind. Bereits ausgelötete SMD-Bauteile neigen ganz besonders zum Grabsteineffekt und sind für Reflow nicht geeignet.

Durch den Popcorn-Effekt und Feuchtigkeit im Gehäuse beim Entlötprozess zerstörtes BGA-Chipgehäuse
Popcorn-Effekt (englisch popcorning)
Der Popcorn-Effekt kann entstehen, wenn feuchtigkeitsempfindliche elektronische Bauelemente zu lange außerhalb der vor Feuchte schützenden Verpackung gelagert werden; sie nehmen langsam Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf. Die Lagerung solcher feuchteempfindlichen Bauelemente ist in IPC/JEDEC J-STD-020D geregelt (MSL-Klassen, englisch Moisture Sensitive Level). 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 Gewichtsprozent). 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. Der kostenintensive Punkt am Popcorn-Effekt ist, dass er erst nach der Fertigung diagnostiziert werden kann, wenn z. B. Geräte mit solchen Bauteilen bereits in Kundenhände verkauft wurden.

Zu lange gelagerte bzw. feucht gewordene Bauelemente lassen sich durch sogenanntes „Backen“ bei ca. 110 °C in 24 Stunden wieder im Innern trocknen, sodass diese zum Bestücken oder zerstörungsfreien Auslöten geeignet sind.

Verschwimmen beim Lötprozess
Als Verschwimmen wird eine Verschiebung in X- und/oder Y-Richtung des SMD-Bauelements bezeichnet. Gleichzeitig kann ein zusätzliches Verdrehen des Bauelements auftreten. Ein Verschwimmen kann unterschiedliche Ursachen haben. Aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes verändert das Bauteil seine Lage. Es besteht eine nahe Verwandtschaft zum Grabsteineffekt.
Abschwemmen von geklebten Bauelementen
Wenn Baugruppen mit geklebten SMD-Bauelementen schwallgelötet werden, besteht das Risiko, dass sich durch das flüssige Lot der Wellenlötanlage Klebeverbindungen zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement lösen und somit das Bauelement von der Leiterplatte abgeschwemmt wird und im Lottopf der Wellenlötanlage landet.
Nichtbenetzen bei geklebten Bauelementen
Wenn Baugruppen mit geklebten SMD-Bauelementen schwallgelötet werden, besteht zusätzlich das Risiko, dass einzelne Pins oder einzelne Bauelemente durch das flüssige Lot der Wellenlötanlage nicht gelötet werden. Als mögliche Ursache hierzu kann die Abschattung durch größere benachbarte Bauelemente angesehen werden. Diese benachbarten Bauelemente können beim Wellenlöten den Lotfluss so verdrängen, dass einzelne Lötstellen nicht durch das Lot benetzt werden und somit nicht gelötet werden. Nach dem Lötvorgang haben die betroffenen Bauelemente offene Lötstellen.

Durch eine geeignete Platzierung der Bauelemente bereits beim Leiterplattenentwurf wird das Problem vermieden. Das Design legt auch die Durchlaufrichtung durch die Lötanlage fest.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. spaceaholic.com, Artifact: Digital Computer Memory and Circuit Boards, LVDC, Saturn IB/V Guidance, Navigation and Control, [1]
  2. Computerposter, [www.Computerposter.ch]
  3. „one chip“ UKW-Radio-IC, Philips-Datenblatt TDA 7010, 1983
  4. Valvo GmbH, Hamburg, Am Puls der Zeit, 1974, Jubiläumsschrift zum 50jährigen Jubiläums der Valvo GmbH
  5. Günter Spur/Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Carl Hanser Verlag, München Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3
  6. IBM 1966: Computer Aided Design Tools Developed for ICs, [2]
  7. Egon Fein, Grundig heute, Portrait eines Weltunternehmens, 1983, Druck Europrint GmbH
  8. Elektronik 13/2002, WEKA-Fachzeitschriften-Verlag, Sonderheft 50 Jahre Elektronik, Elektronik-Geschichte, Seiten 84-88
  9. a b c Valvo, SMD Technologie, Bauelemente, Bestückung, Verarbeitung, Firmen-Druckschrift S. 5, bearbeitet durch H. H. Warnke, Ausgabe 1987
  10. Computer History Museum, 1965 - Package is the First to Accommodate System Design Considerations [3]
  11. Fairchid history, [4]
  12. Sprague, Dr. Preston Robinson Granted 103rd Patent Since Joining Company In 1929 [5]
  13. A. Fraioli, “Recent Advances in the Solid-State Electrolytic Capacitor”, IRE Tran. Comp. Parts, sactions on Component Parts, June 1958.
  14. Preston Robinson, Sprague, US Patent 3066247, 25 Aug. 1954 - 27 Nov. 1962
  15. Murata, Technical Report, Evolving Capacitors [6]
  16. J. Ho, T. R. Jow, St. Boggs, Historical Introduction to Capacitor Technology, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 26, No. 1 (2010) [7]
  17. Larry E. Mosley, Intel Corporation, “Capacitor Impedance Needs For Future Microprocessors”, CARTS USA 2006, [8]
  18. C. Wiest, N. Blattau, J. Wright, R. Schatz, and C. Hillman, NIC, Robustness of Surface Mount Aluminum Electrolytic Capacitors When Subjected to Lead Free Reflow [9] oder auch [10]
  19. J. Both, “The modern era of aluminum electrolytic capacitors”, IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 31, no. 4, pp. 24-34, 2015. [11]
  20. IEC-DIN-EN 60384-1, Festkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik - Teil 1: Fachgrundspezifikation [12]
  21. Kommt 2013 die erste Bestückungsmaschine für 03015? Die kleinsten Bauteile der Welt