Wie Platinen bestückt werden

Bestückung verwandelt eine unbestückte Platine und einen Stapel Spulen in eine funktionierende Schaltung. Die meisten Teile heute sind oberflächenmontiert (SMT, Surface-Mount Technology): sie sitzen auf Pads auf der Platinenoberfläche. Einige Teile, meist große Steckverbinder, Transformatoren und Leistungsteile, haben Anschlüsse, die durch Bohrungen gehen (THT, Through-Hole Technology). Eine Platine hat oft beides, und der Prozess hat einen Schritt für jedes.

Die Linie, eine Station nach der anderen.

1. Drucker: ein Rakel drückt Paste durch die Druckschablone auf die Pads.
2. Pasteninspektion: eine Kamera prüft die Paste, bevor Teile platziert werden.
3. Bestückung: eine Düse setzt jedes Teil auf die Paste.
4. Reflow-Ofen: Zonen, die die Platine erhitzen, halten, das Lot schmelzen und abkühlen.
5. Optische Inspektion: eine Kamera prüft die gelötete Platine.

1. Vorbereiten der Linie

Bevor eine Platine gefertigt wird, tut das Werk Folgendes:

• es prüft, dass jedes Teil auf der Stückliste (BOM) vorhanden ist und zur Teilenummer passt,
• es backt feuchtigkeitsempfindliche Teile, die zu lange ausgesetzt waren (ein Kunststoff-IC, das Feuchtigkeit aufnimmt, kann beim Erhitzen im Reflow reißen),
• es lädt die Spulen in Zuführer an der Bestückungsmaschine,
• es macht oder holt eine Druckschablone und
• es lädt die Maschinenprogramme aus Ihrer Bestückungsdatei.

Was schiefgehen kann: ein falsches Teil in einem Zuführer. Darum wird die erste Platine genau inspiziert (eine Erstmuster-Inspektion), bevor die Charge läuft.

2. Lötpastendruck

Lötpaste ist eine Mischung aus winzigen Lotkugeln und Flussmittel mit der Konsistenz von Zahnpasta. Die häufigste Lotlegierung für bleifreie Arbeit ist eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung, bekannt als SAC305. Eine Druckschablone, ein dünnes Metallblech mit Löchern, wo Ihre Pads sind, wird auf die Platine gelegt. Ein Rakel drückt Paste durch die Löcher auf die Pads.

Was schiefgehen kann: zu viel Paste verursacht Brücken zwischen Pads; zu wenig ergibt schwache oder offene Verbindungen. Schablonendicke, Größe der Öffnungen und wie gut die Druckschablone gegen die Platine abdichtet, bestimmen das Volumen. Teile mit feiner Teilung brauchen eine dünnere Druckschablone als große, weshalb gemischte Platinen ein Kompromiss sind. Einige Werke verwenden eine Lötpasten-Inspektionsmaschine (SPI), um das Pastenvolumen auf jedem Pad zu messen, bevor Teile platziert werden. Siehe Inspektion und Test.

3. Bestückung

Eine Pick-and-Place-Maschine nimmt Teile mit einer Vakuumdüse aus den Zuführern, prüft sie mit einer Kamera und setzt sie auf die Paste, mit ihrer Position aus Ihrer Bestückungsdatei und korrigiert anhand der Fiducials, der kleinen runden Marken auf der Platine, die die Kamera findet.

Kleine passive Teile werden sehr schnell platziert; große oder unförmige Teile und ICs mit feiner Teilung werden langsamer und sorgfältiger platziert. Die Paste ist klebrig genug, um die Teile bis zum Löten an ihrem Platz zu halten.

Was schiefgehen kann: ein Teil um 90 oder 180 Grad gedreht, weil die Footprint-Ausrichtung in der Bibliothek von der in Ihrer Bestückungsdatei abweicht; ein fehlendes Teil, weil es aufgebraucht war; ein Grabstein (unten).

4. Reflow-Löten

Die Platine fährt auf einem Förderband durch einen Reflow-Ofen. Sie durchläuft Zonen steigender Temperatur:

1. Vorheizen: hebt die Platine sanft, sodass Teile nicht durch thermischen Schock reißen.
2. Durchwärmen: gleicht die Temperatur über die Platine aus und aktiviert das Flussmittel.
3. Reflow: die Temperatur steigt über den Schmelzpunkt des Lots (etwa 217 bis 220 °C für SAC305), meist mit einem Spitzenwert von etwa 240 bis 250 °C für kurze Zeit. Das Lot schmilzt, benetzt Pad und Bauteilanschluss, und Oberflächenspannung zieht das Teil in Ausrichtung.
4. Abkühlen: das Lot erstarrt zu einer Verbindung.

Das Profil, die Temperatur gegen die Zeit, wird für die Platine, ihre Teile und die Paste eingestellt und mit einer Thermoelement-Messung auf einer Testplatine geprüft.

1. Vorheizen: ein sanfter Anstieg.
2. Durchwärmen: die Temperatur gleicht sich aus und das Flussmittel aktiviert sich.
3. Reflow: für kurze Zeit über dem Schmelzpunkt des Lots (die gestrichelte Linie).
4. Spitzenwert: die höchste Temperatur des Profils.
5. Abkühlen: das Lot erstarrt zu einer Verbindung.

Was schiefgehen kann:

• Grabsteinbildung: ein kleines zweipoliges Teil steht an einem Ende auf, weil ein Pad früher erhitzt und benetzt als das andere. Ungleiche Pad-Größen oder eine ungleiche Kupferanbindung an die Pads sind die üblichen Ursachen.
• Lötbrücken: durch zu viel Paste oder zu nahe Pads.
• Hohlräume: Gas, das in einer Verbindung eingeschlossen ist, was unter großen thermischen Pads und BGAs zählt.
• Kopf-auf-Kissen: eine BGA-Kugel, die sich nicht mit ihrer Paste verbindet, oft wenn sich Platine oder Teil während des Reflow verzieht.
• Verrutschende oder fallende Teile: schwere Teile auf der zweiten Seite können während des zweiten Reflow herunterfallen, wenn die Pad-Fläche für ihr Gewicht zu klein ist.

1. Eine gute Verbindung: das Teil liegt flach und Lot benetzt beide Pads.
2. Grabsteinbildung: ein Pad wurde zuerst erhitzt und benetzt und zog das Teil an seinem Ende hoch.
3. Eine Lötbrücke: Lot verbindet zwei benachbarte Pads.

5. Zweite Seite

Wenn beide Seiten Teile tragen, geht die Platine zweimal durch die Linie. Die Seite mit den kleineren und leichteren Teilen geht normalerweise zuerst.

6. Durchsteckteile

Durchsteckteile werden von Hand oder Maschine eingesetzt, dann durch eines der folgenden Verfahren gelötet:

• Wellenlöten: die Unterseite der Platine fährt über eine Welle geschmolzenen Lots. Schnell für viele Pins. Oberflächenmontierte Teile auf der Unterseite müssen geklebt oder in einer Palette abgedeckt werden, um zu überleben. Unsere Linie verwendet ein bleifreies Doppelwellen-Verfahren.
• Selektives Löten: eine kleine Düse lötet gewählte Verbindungen eine nach der anderen, ohne den Rest der Platine zu erhitzen. Verwendet, wenn die Platine Teile auf beiden Seiten hat oder wärmeempfindliche Teile nahe den Durchsteckteilen.
• Handlöten: durch einen geschulten Bediener für einzelne Teile, Nacharbeit und kleine Mengen.

Nach Wellen- oder Handlöten wird überschüssige Anschlusslänge beschnitten.

7. Reinigung

Flussmittelrückstände nach dem Löten sind auf vielen Platinen harmlos (ein „No-Clean“-Flussmittel ist dafür ausgelegt). Platinen für Hochspannung, hohe Impedanz oder für Beschichtung werden gereinigt, zum Beispiel in einem Ultraschallbad, mit einer zum Flussmittel passenden Chemikalie. Bitten Sie um Reinigung, wenn das Produkt empfindlich gegen Rückstände ist.

8. Schutzbeschichtung

Ein dünner schützender Polymerfilm (Acryl, Silikon, Polyurethan oder anderes) kann auf die fertige Platine gesprüht oder getaucht werden, um sie gegen Feuchtigkeit, Salz, Staub und Chemikalien zu schützen. Steckverbinder, Testpunkte und andere Bereiche, die unbeschichtet bleiben müssen, werden maskiert oder vermieden. Beschichtung verdeckt die Platinenoberfläche, was Inspektion und spätere Nacharbeit erschwert. Unser Werk trägt Beschichtung selektiv maschinell auf.

9. Programmierung und Test

Mikrocontroller und Speicher werden mit Firmware geladen, entweder vor der Bestückung oder in der Schaltung nach dem Löten über einen Programmierstecker oder Testpads. Ein Funktionstest prüft, dass die Platine funktioniert. Siehe Inspektion und Test.

Dinge, für die Sie entwerfen sollten

• Gleiche Pad-Größen und symmetrische Kupferanbindungen für kleine zweipolige Teile, sodass sie gleichmäßig erhitzen.
• Fiducials auf der Platine und auf dem Nutzen. Siehe Nutzenbildung und kleine Platinen.
• Platz um Teile für die Düse, für Inspektion und für Nacharbeit.
• Klare Polaritäts- und Pin-1-Marken.
• Eine Wahl reflow-freundlicher Teile: nicht alle Teile überleben den Ofen, und einige (manche Steckverbinder, bestimmte Elektrolytkondensatoren, Batterien) müssen später hinzugefügt werden.

Wie dies beim Bestellen hier erscheint

Unser Werk hat automatischen Lötpastendruck, 10-Zonen-Reflow-Öfen, Hochgeschwindigkeits-Bestückung, bleifreies Doppelwellen-Löten, Hand-Nacharbeitsstationen und selektive Schutzbeschichtung. Welche Bestückungsoptionen über die Website verfügbar sind und ihre Grenzwerte, stehen auf der Seite zu den Fertigungsmöglichkeiten. Ein Ingenieur bestätigt jede Bestellung und kann nach einem Teil fragen, das nicht durchs Reflow gehen kann, oder einem Footprint, der Grabsteinbildung einlädt. Die 25 Prüfungen beim Hochladen betrachten die Platinendateien; sie prüfen Ihre Bestückung nicht auf diese Prozessfehler.