Die Elektronikfertigung: Fertigung elektronischer Bauteile

Inhaltsverzeichnis

1. Herausforderungen in der Platinenbestückung
2. Fine-Pitch-Bestückung
3. THT-Bestückung
4. SMD-Bestückung
5. Bürklin Elektronik als verlässlicher Partner für EMS-Services

Herausforderungen in der Platinenbestückung

Nicht nur der fortschreitende digitale Wandel verlangt innovative Lösungen in der Elektronikproduktion. Industrie 4.0, der Umgang mit großen Datenmengen, die optimale Linienintegration oder eine zunehmend automatisierte Anlagensteuerung: Themen wie diese gehören ebenfalls zu den großen Herausforderungen der Gegenwart.

In der Platinenbestückung werden einzelne Bauelemente auf Leiterplatten montiert. Dabei ist hohe Präzision gefragt, die geschulte Mitarbeiter immer wieder eindrucksvoll unter Beweis stellen. Mit professionellen Bestückungsmaschinen kann der Mensch jedoch nicht konkurrieren.

Wir bei Bürklin Elektronik setzen uns täglich das Ziel, Sie tatkräftig bei Ihrem Bedarf in der Elektronikfertigung zu unterstützen – und haben uns nachfolgend im Detail mit den größten Herausforderungen für Bestücker auseinandergesetzt.

Zum Start: Exkurs Elektronikdienstleister

Dienstleister oder Dienstleistungsunternehmen, die Elektronik entwickeln und produzieren, werden als  Electronics Manufacturing Services (EMS) bezeichnet. Als Fertigungsdienstleister für elektronische Komponenten beschäftigen sich diese Unternehmen mit der kompletten Auftragsfertigung von elektronischen Baugruppen. EMS bieten sich unter Umständen an, um Teile einer Produktion auszulagern und so Kosten zu senken.

Fine-Pitch-Bestückung

Kurz vorweg: Der mittlere Abstand der Anschlussbeinchen bei elektronischen Bauteilen wird als Pitch bezeichnet. Ist dieser kleiner als 0,5 Millimeter, handelt es sich um einen sogenannten Fine Pitch.

Ultraflache und hochminiaturisierte Komponenten: Bei der Fine-Pitch-Bestückung arbeiten Elektronikfertiger unter anderem mit Produkten der neuesten Generation wie QFN-ICs, LGA-Leistungsbauteilen oder 03015-Chipwiderständen. Das verlangt nach extrem präzisen Schablonendrucken. Demgegenüber müssen Einrichtungs-, Produktwechsel- und Zykluszeiten im Sinne hoher Produktivität möglichst kurz gehalten werden. Genau in dieser Balance liegt die Herausforderung.

Für das Ergebnis entscheidend: der Druckprozess

Ein leistungsfähiger Druckprozess ist bei der Fine-Pitch-Bestückung das A und O. Werden Leiterplatten am Ende der Produktion als mangelhaft befunden, wird in 70 Prozent der Fälle der Druckprozess als Fehlerquelle identifiziert. Kleinigkeiten zu übersehen oder die Prozessüberwachung zu vernachlässigen, kommt nicht in Frage. Geschwindigkeit steht stets im Fokus der Hersteller.

Es können verschiedene Maßnahmen gesetzt werden, um den immer komplexer werdenden Druckprozess zu verbessern. Unsere Empfehlungen:

1. Die korrekte Ausrichtung der Schablone auf der Leiterplatte sollte sich möglichst schnell überprüfen lassen.
2. Bei unterschiedlichen Anforderungen anstatt einer Schablone lieber zwei Schablonen mit unterschiedlicher Dicke verwenden.
3. Das Verhalten der Lotpaste berücksichtigen und den Rakelwinkel (Winkel zwischen Rakel und Schablone) abhängig von der Pastenviskosität anpassen.
4. Mit einer Zweibahn-Produktivität die Druckstabilität aufrechterhalten.

THT-Bestückung

Hinter der Abkürzung THT verbirgt sich der Begriff „Through Hole Technology“, bei uns auch bekannt als Durchsteckmontage. Es handelt sich um ein spezielles Verfahren in der Platinenbestückung: Bedrahtete Bauelemente werden mit ihren Drahtanschlüssen in die Kontaktlöcher der Leiterplatte gesteckt. Anschließend werden die Bauteile mit der Leiterbahn verlötet, wodurch eine dauerhafte Verbindung entsteht.

Die Bestückung von THT-Bauteilen ist eine Herausforderung – sowohl qualitativ wie auch prozesstechnisch. Weitgehend wird die THT-Bestückung manuell durchgeführt, was die benötigte Zeit verlängert und Fehlerzahl sowie Kosten erhöht. Durch den Einsatz des Pin-in-Paste-Verfahrens können mittlerweile Teile des Prozesses automatisiert werden.

Sie fragen sich, was das Pin-in-Paste-Verfahren ist? Mittels Pin-in-Paste werden bedrahtete Bauelemente behandelt und automatisiert bestückt. Dabei laufen folgende Schritte ab:

1. Füllung der Bohrungen auf der Leiterkarte mit Lötpasten.
2. Einsetzen der Pins der THT-Bauteile in die mit Paste gefüllten Bohrungen durch den Bestückautomaten.
3. Löten im sogenannten Reflow-Ofen. Dabei zieht sich der Zinn in der Paste – die nach dem Einsetzen als Tropfen am Pin hängt – nach oben und füllt so die Durchkontaktierung.

Automatische Optische Inspektion – die Herausforderungen

THT-Bauelemente können aus kleinformatigen Schaltkreisen und diskreten Komponenten bestehen – ebenso aber auch aus großen und massigen Bauelementen auf einer Leiterplatte. Das stellt all jene, die mit der Prüftechnik der Automatischen Optischen Inspektion (AOI) arbeiten, vor Herausforderungen:

1. Masse der Leiterplatten: Diverse Durchsteckbauelemente auf Leiterplatten für Hochstrom- und Hochleistungsanwendungen ergeben ein Gewicht von mehreren Kilogramm. Solche Baugruppen werden daher während der Fertigung in Werkstückträgern transportiert. Sind diese groß und schwer, bedarf es spezieller Staurollentransportbänder.
2. Bauform der Werkstückträger: Viele Werkstücksträger werden in Eigenregie gefertigt, was in verschiedenen Abmessungen und Klemmvorrichtungen resultiert. Dementsprechend unterscheidet sich auch die Lage der Leiterplatte.
3. Höhe der Bauelemente: Da die Leiterplatten bis zu 80 mm hoch sind, gilt es, sowohl flache wie auch hohe Bauelemente prüfen zu können.
4. Zugang zu den Lötstellen der THT-Bauelemente: Die THT-Lötstellen befinden sich an der Leiterplatten-Unterseite. Zudem schützen Passepartouts mit Ausbrüchen unterschiedlicher Form, Größe und Dicke die SMD-Bauelemente.
5. Mechanische Verformung: Beim Löten sind die Leiterplatten hohen Temperaturen ausgesetzt. Wölbungen nach unten oder oben sind eine mögliche Folge.

Was es braucht, ist eine erweiterte Prüftechnologie. Diesbezüglich ein Bewusstsein zu schaffen, ist bereits ein erster Schritt in die richtige Richtung.

SMD-Bestückung

Seit den 1980er-Jahren werden Bauteile produziert, die sich mittels einer lötfähigen Anschlussfläche direkt auf Leiterplatten festlöten lassen. Sie sind als Surface Mounted Devices (SMD) bekannt, und die dazugehörige Löttechnik wird als Oberflächenmontage bezeichnet. Der Lötvorgang läuft im Reflow-Verfahren ab und umfasst das Wellen- oder Schwallbad. SMD-Bauelemente werden als Rollenware, Gurtabschnitte, Stange oder Tray verarbeitet.

Mittlerweile hat sich die SMD-Fertigung, also die Bestückung von SMD-Bauteilen, zu einem wichtigen Bestandteil zeitgemäßer EMS-Dienstleistungen entwickelt. Kein Wunder, schließlich konnten dadurch

• dichte und beidseitige Bestückungen ermöglicht,
• elektronische Geräte stark verkleinert und
• die Packungsdichte erhöht werden.

Einwandfreie Lötung für beste Ergebnisse nötig

Nur wenn die Lötung der SMD-Bauteile einwandfrei ist, kann beste Produktqualität sichergestellt werden. In Zeiten fortschreitender Miniaturisierung wird es immer schwieriger, Leiterplatten zu kontrollieren – sei es mit dem bloßen Auge oder mittels eines Mikroskops. Zum Einsatz kommen mitunter auch Bildverarbeitungsverfahren (AOI-Systeme), die präzise und schnell die wichtigsten Parameter überprüfen.

Für spezielle Fälle: Für die Kontrolle von sogenannten Ball-Grid-Array-Lötungen gibt es spezielle Optiken. Gesägte oder nicht behandelte Seitenflächen oder flächige Wärmeleitpads: Ist eine optische Prüfung der SMD-Bauteile in diesen oder anderen Fällen nicht möglich, kann die Prüfung nur stichprobenartig mittels Röntgen erfolgen.

Herausfordernde Arbeit für Handbestücker

Durch die SMD-Technik lassen sich immer mehr Bauteile nur sehr schwer ohne Maschinen oder Know-how verlöten. Dennoch können viele Baugrößen verarbeitet werden – mit Hilfsmitteln wie einer Pinzette, einer feinen Lötspitze, 0,5-mm-Lötzinn, einer Lupenbrille und eventuell einem Stereomikroskop. Da die Bauteilvorbereitung entfällt, ist die SMD-Bestückung im Vergleich zur Handbestückung bedrahteter Bauteile teils sogar schneller.

Wichtig: Klassische Loch- und Streifenrasterkarten sind für Versuchsaufbauten oder Prototypen nur bedingt nutzbar. Es gibt im Handel aber durchaus geeignete Laborkarten und Adapter, die sich bei Bedarf auch selbst herstellen lassen.

Bürklin Elektronik als verlässlicher Partner für EMS-Services

Ob SMD-, THT- oder Mischbestückung: Bürklin führt eine große Anzahl der gängigsten innovativen Komponenten zur Leiterplattenbestückung sowie Produktvarianten im Portfolio – auch in größeren Stückzahlen, ab Lager. Wir unterstützen Sie jederzeit und von Projektbeginn an – egal, ob es um kurzfristigen Bedarf zur Fertigung von Prototypen und Kleinserien oder um Massenproduktionen geht.

Wir legen großen Wert auf die Erfüllung unseres Lieferversprechens und die Qualität unserer Produkte. Die Beschaffung hochwertiger Bauteile und Leiterplatten wie auch die bedarfsgerechte und somit ressourcenschonende Belieferung für Ihre Fertigung gehören zu unserem Tagesgeschäft. Hierfür greifen wir auf ein umfangreiches Lieferantennetzwerk zurück.