Einpresstechnik

Bestückung elektronischer Baugruppen
ERNI Systemtechnik
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Themen-Übersicht
ERNI Systemtechnik
Löttechniken
SMT-Löten
- Reflow-Löten oberflächenmontierbarer Bauelemente
THR-Löten
- Durchsteck-Bauelemente im Reflow-Lötprozess
THT-Löten
- Durchsteck-Bauelemente im Wellen-Lötprozess
- Selektiver THT-Prozess
- Maskenlöten
- Mini-Welle
Lötanlagen
Prüfung elektronischer Baugruppen
- AOI – Automatische Optische Inspektion
- Elektrische Prüfung von Flachbaugruppen
Einpresstechnik
Einpresszone
Leiterplatten für die Einpresstechnik
Werkzeuge
Prüftechnik
ERNI Systemtechnik
Kunde
ERNI Vertriebsorganisation
ERNI Systemtechnik
Design
+
Entwicklung
Löten
+
Integration
Einpressen
+
Integration
Kabelkonfektionierung
Produkte der ERNI Systemtechnik
elektronische Baugruppen
Backplanes
Subracks
Kabelkonfektionierung
Löt-Techniken: SMT / THR / THT
Begriffsdefinitionen:
SMT
Surface Mount Technology
Montagetechnik für SMDs
(Surface Mount Devices = oberflächenmontierbare Bauelemente)
Die Montage erfolgt mit dem Reflow-Löt-Prozess (u.a. Konvektion, Dampfphase)
THR
Through Hole Reflow
Montagetechnik für Bauelemente in Durchstecktechnik (mit Drahtanschluss),
die thermisch stabil und automatisch bestückbar sind.
Die Montage erfolgt mit dem Reflow-Löt-Prozess.
Der THR-Prozess ist auch bekannt als:
PIP
Pin In Paste
PIH(I)R Pin In Hole (Intrusive) Reflow
Through Hole Technology
Montagetechnik für Bauelemente in Durchstecktechnik (mit Drahtanschluss)
mit dem Wellen-Löt-Prozess
THT
SMT-Prozess-Schritte
für doppelseitige SMD-Bestückung
Siebdruck der Lotpaste
SMD-Bestückung der 1.Seite
1. Reflow-Lötung
Siebdruck der Lotpaste
auf der 2.Seite
Hohlkehle
(Meniskus)
Baugruppe
umdrehen
SMD-Bestückung auf der 2.Seite
2. Reflow-Lötung
Doppel-Reflow-Fähigkeit
für Bauelemente auf der Unterseite
SMT-Löt-Prozess – was ist zu beachten ?
Montage-Know-How ist unbedingt erforderlich
Handlöten ist nur in begrenztem Umfang möglich
(Problem für Hobbyelektroniker)
Investitionen sind notwendig:
Pastendrucker, Bestückmaschinen, Reflow-Anlagen, Handling-Systeme, usw...
Die erhöhte Wärmebelastung der Bauelemente ist zu beachten
Doppel-Reflow-Fähigkeit ist die Voraussetzung für die 2-seitige Montage:
Verhältnis Bauelemente-Gewicht zu Lötfläche max. 0,1 g / mm²
Temperatur-Stabilität: mind. 2x Reflow-Temperatur-Belastung
Koplanarität der SMD-Anschlüsse mehrpoliger Bauelemente
Koplanarität
max.
100µm
Gegenüber der Durchstecktechnik ist bei SMT mit einer geringeren mechanischen Stabilität
auf der Leiterplatte (ca. 1N / mm) zu rechnen.
Die Prüftechnik für miniaturisierte Bauelemente ist aufwändiger
(evtl. Ersatz der Optischen Prüfung durch eine Röntgen-Prüfung
z.B. bei BGAs oder SMD-Steckverbindern MicroSpeed, Ermet zeroXT, ...)
THR – was ist gemeint ?
Bauteilpin
Paste
Definition nach IPC-A-610:
Durchkontaktierung
Landefläche (Pad)
Leiterplatte mit
Lötstopplack
THR-Löt-Prozess – was ist zu beachten ?
Die Bauelemente sollten automatisch bestückbar sein.
Hierzu können z.B. Pick & Place-Pads verwendet werden
Die Bauelemente müssen der thermischen Belastung
im Reflow-Prozess standhalten.
Die Leiterplatten-Dicke sollte 2mm nicht überschreiten.
Der Lochdurchmesser muss auf den Pin-Durchmesser abgestimmt sein:
typisch: Lochdurchmesser = Pindiagonale + 0,1mm
Der Pasten-Füllgrad muss gemäß IPC-Spezifikation
mindestens 75% betragen. Somit ist eine ausreichende
Menge Lotpastenmenge bereitzustellen.
Zur Ergänzung der Lotpastenmenge kann
an kritischen Stellen eine zusätzliche Bestückung
von Lot-Preforms vorgesehen werden.
Hinweis:
Bei der THR-Technik muss eine ausreichende Menge an Lotpaste zur Verfügung stehen,
damit während der Reflow-Lötung eine Füllung des Raumes zwischen Bauteile-Pin und
Durchkontaktierungshülse möglich ist. Daher muss eine angemessene Fläche mit Paste
bedruckt werden, teilweise auch der Lötstopplack neben den Kupferflächen.
Kombination der Löt-Techniken: SMT / THR / THT
Siebdruck Lotpaste
SMD-Bestückung
THR-Bestückung
Reflow-Lötung
Kleber-Auftrag zur Befestigung
der SMD-Bauelemente für die
anschließende Wellenlötung:
durch Siebdruck (nur für SMT)
oder
durch Dispensen
(falls die Anschlüsse von THRBauelementen in die Druckebene
hineinragen)
SMD Bestückung
für die anschließende Wellenlötung)
Kleber aushärten (im Reflow-Ofen)
THT Bestückung
Wellenlötung
THR
Baugruppe
umdrehen
THR
THR
Baugruppe
umdrehen
THR
THT
Hinweis:
Bei der Kombination von SMT- und THR-Prozess ohne anschließende Wellenlötung ist zu
beachten, dass die THR-Bauelemente auf der 2.Lötseite montiert werden.
Dadurch können auch schwere THR-Bauelemente der Reflow-Lötung zugeführt werden.
Selektiver THT-Prozess
Das Selektive Wellenlöten findet Anwendung, wenn auf einer Leiterplatte bereits viele SMDs in
einem Reflow-Prozess gelötet wurden und nur wenige THT-Bauelemente montiert werden
müssen. Im Gegensatz zum Standard-Wellenlöten, wird beim selektiven Verfahren nur ein Teil
der Leiterplattenfläche mit Lot umspült.
Maskenlöten
Eine Variante dieses selektiven Wellenlötprozesses stellt das Maskenlöten dar. Hierbei werden
nicht zu lötende Bereiche oder bereits im Reflow-Prozess gelötete SMDs mit Hilfe einer Maske
aus thermisch stabilem Kunststoff abgedeckt.
Bauelemente
Maske
Lötzinn
Beispiel einer Lötmaske
für einen 2-fach-Nutzen.
In den schwarzen Bereichen ist die
Leiterplatte vor der Welle geschützt.
Mini-Welle
Die Lötstellen werden punktuell mit einer Lötdüse,
der sogenannten „Nozzle“, hergestellt, indem
entweder die Leiterplatte oder die Lötdüse in X- und
Y-Richtung entsprechend positioniert werden.
Mit einem Durchmesser von 6, 8 oder 10 mm kann
die Lötdüse auch an schwer zugängliche Stellen
manövriert werden.
Die Lötdüse selbst ist von heißem Stickstoff
(Schutzgas) umströmt, damit eine qualitativ
hochwertige Lötstelle entsteht.
Bild von einer
Miniwelle mit
Prinzip-Darstellung
Y
X
Eine Vorheizung der Leiterplatte sorgt für ein
angepasstes Temperaturniveau (besonders wichtig
beim bleifreien Löten).
Hinweis:
Falls nach dem Wellenlötprozess die Montage von Bauelementen in Einpresstechnik
vorgesehen ist, so sind während des Lötens die Einpresslöcher abzudecken. Dies kann durch
sog. Blaulack, Klebeband oder durch Maskierung im Selektivlötprozess erfolgen.
Lötanlagen
SMD-Linien für bleifreie und bleihaltige Reflow-Lötung
Siebdruck mit Rakel
Schablonen-Dicke:
120 – 200µm
versch. Lotpasten
bleihaltig: SnPb
bleifrei: SAC305
oder Kleber
Einfach/Doppeldruck
Reflow-Lötanlage
Stickstoff-Unterstützung
(Schutzgas)
integriertes Kühlsystem
SMD-Bestückung
Standard- / SonderBauelemente
Laser- / KameraZentrierung
4-fach Ansaugeinrichtung
Temperatur-Profile für
bleifreie Lötung
bleihaltige Lötung
Kleberaushärtung
(für Wellenlötung)
THT-Linien für bleifreie und bleihaltige Wellen-Lötung
Handbestückung von Bauelementen
in Durchstecktechnik (THT)
Doppel-Wellen-Lötanlage
Stickstoff-Unterstützung (Schutzgas)
7 Heizzonen
automatische Zinnzufuhr
automatische Winkeleinstellung:
turbulente Welle (Wörthmann)
laminare Welle
integriertes Kühlsystem
bleifreies Lot: Balver Sn100Ce
Prüftechnik elektronischer Baugruppen
AOI - Automatische Optische Inspektion
Digitales Scan-System zur Erkennung von:
Schrift
Polarität
Lötfehler
Lotfüllgrad
BE-Fehler
Ausrichtungsfehler
Grabsteineffekt
Verunreinigungen
Speziallinse zur Bild-Entzerrung
Optimiertes Beleuchtungssystem (LEDs)
automatische Helligkeits-Kalibrierung
hohe Bildauflösung
18 µm
hohe Abtastgeschwindigkeit
460 x 500mm in 19s
Leiterplattendicke
0,5 – 5,0mm
Elektrische Prüfung
elektrische Prüfung elektronischer Baugruppen
Funktionsprüfung
(automatisiert und manuell)
In-Cicuit-Tester
(teilweise mit integriertem Funktionstest)
Reparatur nach der Funktionsprüfung
(falls erforderlich)
Testeinrichtungen
Genrad Digital- und Analog-Tester
Eigenbau-Testgeräte
Kundengeräte
Entwicklung von Test-Software
Generierung von Testprogrammen
Anpassung von CAD-Daten
Prüfadapter
Nadelbett-Adapter
kundenspezifische Adaptierungen
eigene Entwicklung und Herstellung
Einpresstechnik
Als Technologieführer der Einpresstechnik bietet ERNI Werkzeuge, Bauteile und Know-how in
Fertigungs- und Prüftechnik für Busplatinen und Komplettsysteme. Als Pionier der
Einpresstechnik hat ERNI diese Fertigungstechnologie maßgeblich vorangetrieben.
Für zahlreiche Applikationen ist sie die wirtschaftlichste Lösung, und bei komplexen Bauarten,
wenn Löten nicht mehr möglich ist, sogar die einzige. Die von ERNI entwickelten Automaten
vereinen das Bestücken und Einpressen zu einem Arbeitsgang und steigern die Produktivität.
Begriffsdefinition:
Die Einpresstechnik bezeichnet eine lötfreie elektrische Verbindungstechnik im Bereich der
Leiterplatten. Hierzu muss ein Einpressstift in das metallisierte Loch (Durchkontaktierung) einer
Leiterplatte gepresst werden. Das wesentliche Merkmal ist dabei, dass die Diagonale des
Stiftquerschnitts größer ist als der Durchmesser der Kupferhülse in der Leiterplatte.
Die beim Einpressen entstehende Überpressung kann entweder durch die Verformung der
Durchkontaktierung oder durch die Verformung des Stiftes aufgenommen werden.
Es gibt zwei verschiedene Arten der Einpresstechnik:
Stifte in massiver Ausführung
Stifte mit elastischer Einpresszone
Durch das Einpressen und dem damit verbundenen Druck des Stiftes auf die Kupferhülse
entsteht eine gasdichte, korrosions-sichere elektrische Verbindung, die sich durch eine hohe
Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnet.
Die Einpresstechnik ist standardisiert und in der Europa-Norm (DIN) EN 60352-5 beschrieben
Leiterplatte
Durchkontaktierung
(Kupferhülse)
Einpress-Stift
Schnitt A-A
Einpresszone
Zur Herstellung einer Einpressverbindung können verschiedenste Formen von Einpresszonen
verwendet werden. Im Bereich der elastischen Einpresszonen stellt das sogenannte „Nadelöhr“
die am häufigsten verwendete Form dar.
Das „Nadelöhr“ besitzt mehrere Eigenschaften, welche die Herstellung einer zuverlässigen
Verbindung begünstigen:
relative geringe Einpresskraft schont die Lochwand und ist „reparaturfreundlich“
hohe Elastizität, erhöht die Dauerhaftigkeit (Zuverlässigkeit)
geringe Streuung der Einpresskräfte
annähernd gleiche Ein- und Auspress-Kraft
ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Kontaktmaterialien
Querschliff
durch eine
EinpressVerbindung
NadelöhrEinpresszone
Längsschliff durch eine
Einpressverbindung
Begriffsdefinition:
Die flexible oder elastische Einpress-Zone verformt sich
beim Einpressvorgang elastisch. Dadurch erreicht man eine
relativ geringe Einpresskraft.
Durch die Elastizität wird im eingepressten Zustand ein
permanenter Druck auf die Durchkontaktierung ausgeübt, und
so auch unter Umwelt-Einflüssen eine zuverlässige
Verbindungsstelle sicherstellt.
Leiterplatten für Einpresstechnik
Das Leiterplattenloch zur Aufnahme des Einpresspins besteht aus der Kupferhülse und der
darauf aufgebrachten Oberflächenveredelung.
Grundvoraussetzung für die Herstellung einer für Einpresstechnik geeigneten
Durchkontaktierung ist die Wahl des Bohrers. Hierzu gilt der folgende Zusammenhang für die
Festlegung der Durchmesser:
Durchmesser des Bohrers – 0,1mm = Endloch-Durchmesser
Die Toleranz des Endlochdurchmessers wird mit typisch +/-0,05mm angegeben.
Das folgende Beispiel zeigt den Lochaufbau für das Endloch mit Durchmesser
0,6 + 0,05 / -0,05 mm
-0,03 mm
0,7
Bohrloch
25 – 35µm Cu
0,6
Loch mit
Cu - Hülse
Weitere Bohr- bzw. Lochdurchmesser sind in der DIN EN 60352-5 spezifiziert.
Zum Schutz der Kupferoberflächen stehen verschiedene (bleifreie) Veredelungsverfahren zur
Verfügung:
chemisch Zinn, mit einer Schichtdicke von ca. 1µm,
ist die am häufigsten verwendete Oberfläche für Einpresstechnik
chemisch NiAu, mit einer Schichtdicke von ca. 5µm,
mit Nickel-Sperrschicht und Flash-Vergoldung
weitere organisch, chemisch oder galvanisch aufgebrachte Substanzen verfügbar
Einpressvorgang
Zum Einpressen benötigt man die Leiterplatte, die Steckverbinder mit Einpresspins, geeignete
Werkzeuge und eine Presse, welche die erforderliche Gesamtkraft aufbringen kann. Damit beim
Einpressvorgang keine Beschädigungen auftreten, ist ein geeignetes Unterwerkzeug zur
Abstützung der Leiterplatte zu verwenden.
Einpress-Werkzeuge
Beispiele von Einpress-Werkzeugen für die Steckverbinderleisten nach
DIN 41612 / IEC 60603-2
für Messerleisten
Werkzeug-Oberteil
zur Aufnahme der
Messerkontakte
Einpresskraft wirkt
auf die einzelnen
Messerkontakte
Unterwerkzeug zur
Abstützung der Leiterplatte
für Federleisten
Werkzeug-Oberteil:
Flachstempel mit Führung
Einpresskraft wirkt auf
den Isolierkörper
Unterwerkzeug zur Abstützung der
Leiterplatte
Hinweis:
Um Beschädigungen zu vermeiden, ist beim Einpressen darauf zu achten, dass der Kunststoffkörper des Steckverbinders nicht zu stark auf die Leiterplatten-Oberfläche gepresst wird.
In der Praxis kann sich dadurch ggf. ein Spalt von 0,05 - 0,1mm zwischen Bauteil und
Leiterplatte ergeben.
Es ist generell zu empfehlen, geeignete Pressen mit Grenzwert-Überwachung zu verwenden
Vorteile der Einpresstechnik
Sehr guter elektrischer Kontakt
mit hoher Zuverlässigkeit
(geringere Ausfallrate als Löttechnik)
Beidseitige Bestückung möglich
Mischbestückung
(zusammen mit Löttechnik)
In Multilayer-Leiterplatten
beliebiger Dicke verarbeitbar
Kein thermischer Stress
Keine erhöhten Anforderungen
durch bleifreie Prozesse
Steckerverbinder sind austauschbar
(Reparatur-Fähigkeit)
I/O (Übergabetechnik)
und Wire wrap
Einpress-Werkzeuge und Prüftechnik
Werkzeuge aller Bauformen von Steckverbindern verfügbar
Prozesssteuerung und -überwachung
Bauteilbibliotheken vorhanden
Protokollierung der Einpresskräfte
Vollautomatische Backplane-Test-Einrichtungen
Automatische Optische Inspektion (AOI)
Verbindungstest (Cross-Connect)
- „keine Unterbrechungen”
Isolationstest (bis 1500V)
- „keine Kurzschlüsse”
Impedanzprüfung
- „keine Unstetigkeiten“
Elektrischer Funktionstest
Test-Lösung für hohe Kontaktdichte
(> 100.000 Testpunkte, Leiterplatten bis 1400 x 600 mm)
Elektrische Prüfung passiver Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, …)
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