Der Begriff oberflächenmontierbares Bauteil (englisch surface-mounted device, SMD) ist ein Fachbegriff aus der Elektronik. Diese Bauelemente (z. B. Widerstände oder Kondensatoren) haben im Gegensatz zur Durchsteckmontage (engl. Through Hole Technology, THT) keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte (Flachbaugruppe) gelötet. Die dazu gehörige Technik ist die Oberflächenmontagetechnik (englisch surface-mounting technology, SMT).

Platine mit reiner SMD-Bestückung

Platine mit gemischter Bestückung, Unterseite mit SMD-Bauelementen in Chip-Bauform, diese sind vor dem Löten mit Kleber befestigt

SMD-Bauelemente in zylindrischer Bauform (MELF)

[Bearbeiten] Übersicht

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 sich SMD-Bauteile nur sehr schwer ohne Maschinen oder entsprechendes Know-How verlöten lassen. Zusätzlich muss immer gleich eine Leiterplatte entwickelt werden, denn die Verwendung von Lochrasterkarten für Versuchsaufbauten oder Prototypen ist nicht mehr möglich. Daher wird der Einsatz von SMD-Bauteilen im Hobbybereich - so weit möglich - vermieden. Mit einem Binokular, einer Pinzette und einer ruhigen Hand lassen sich aber schon gute Ergebnisse erzielen.

SMD-Bauteile werden in der Regel auf Leiterplatten, die mittels Sieb-/Schablonendruck mit Lotpaste bedruckt wurden, bestückt und im Reflow-Verfahren verlötet. SMD-Bauteile auf der Unterseite einer mischbestückten (oder beidseitig SMD bestückten) Leiterplatte werden zuerst auf die Unterseite geklebt und danach zusammen mit den herkömmlich bestückten Bauteilen im Wellen- oder Schwallbad gelötet.

[Bearbeiten] 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.

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

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[Bearbeiten] Vorteile

• Bohrungen in der Leiterplatte entfallen, die Leiterplatte wird kostengünstiger
• Kleinere Bauteilabmessungen (ergibt höhere Bauteildichte)
• Schnelle Automatenbestückung (Collect & Place / Pick & Place / „Chip-Shooter“), Fertigungskosten sinken
• Bei den meisten Bauformen ist die Automatische Optische Inspektion (AOI) aller kritischen, optisch prüfbaren Faktoren möglich
• Kleine Positionierungsfehler bei der Bauteilbestückung werden beim Löten automatisch korrigiert (die Bauteile werden durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Zinns in die richtige Position gezogen, gilt hauptsächlich für bleihaltige Lote, die allerdings heute (2008) fast überall verboten sind)
• 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

[Bearbeiten] Nachteile

• Spezielle Geräte für die Bestückung der Platine erforderlich
• SMD-Bauteile können durch mechanische Belastung eher abgelöst bzw. vorgeschädigt oder beschädigt werden als bedrahtete Bauteile (besonders kritisch bei Keramikbauteilen, Steckern, Schaltern etc.)
• Bei Bauteilen mit Anschlüssen an der Bauteilunterseite (wie BGAs) können die Lötstellen nur noch mittels Röntgen überprüft werden
• Spezieller Lötprozess (Reflow-Löten) bei der Bestückung 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
• Vor allem Chips mit kleinem Beinabstand sind für Hobby-Elektroniker sowie bei der Prototyp-Entwicklung schwerer zu handhaben

[Bearbeiten] Bauformen

SMD-Bauteile gibt es in vielen verschiedenen Bauformen:

• Chip-Bauform
• Melf-Bauteile (Zylindrisch)
• Induktivitäten (Spulen in den verschiedensten Bauformen)
• Quarze (dito)
• Stecker & Buchsen (Die Herausforderung, was die automatisierte Bestückung anbelangt)
• „Small Outline“ (SOT), üblich ist 1,27 mm Beinabstand
• „Quad Flat Pack“ (QFP), typischerweise 0,8, 0,65 oder 0,5 mm Beinabstand
• „Shrinked Small Outline“ (TS(S)OP), typischerweise 0,65 oder 0,5 mm Beinabstand
• „(Small/Quad) Flat NO Pin“ (SON/QFN), oft 0,5 mm Anschlussabstand
• „LGA“ (Land Grid Array)
• „BGA“ (Ball Grid Array), zumeist 1 oder 0,8 mm Kugel-Abstand
• „CCGA“ (Ceramic Column Grid Array) statt Kugeln Hartlot-Zylinder
• „Micro BGA“ (MBGA) Kugel-Abstand ≤ 0,5mm
• „Chip Size Package“ (CSP/Flip-Chip)

Diese Formen unterscheiden sich u. a. in den Abmessungen und in der Art, wie die Anschlüsse am Bauteil angebracht sind.

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. In der Regel ist die Grundeinheit der Maße noch Zoll bzw. mil (Zoll/1000). 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.

• 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 × 2,9 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. Die Markierung gibt, im Gegensatz zur Markierung an Dioden, den Anodenanschluss (+,Pluspol) des Kondensators an.

• 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 Transistor-Array), kann aber auch ein IC eine LED oder ein Dioden-Array sein.
  • SOT23 3 mm × 1,40 mm × 1,1 mm Bauteilkörper mit drei Anschlüssen laut STShome
  • SOT23-5 3 mm × 1,75 mm × 1,3 mm Bauteilkörper mit fünf Anschlüssen
  • SOT23-6 3 mm × 1,75 mm × 1,3 mm Bauteilkörper mit sechs Anschlüssen
• SSOP
• TSOP
• TSSOP(englisch thin shrink small outline package)
• QFJ (englisch quad-flat-j-leg chipcarrier, auch PLCC genannt)
• TQFP (englisch '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 (englisch automated optical inspection) entwickelt.

[Bearbeiten] Verarbeitung

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 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 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.

[Bearbeiten] 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 (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.

[Bearbeiten] Aufbringen der Lotpaste bzw. des Klebers

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.

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 Millimeter kleiner, um zu verhindern die Paste neben das Pad gedruckt wird), über diesen zu liegen kommen.

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). Daher ergibt sich auch, dass alle Pads die selbe Menge Zinn pro Quadratmillimeter abbekommen. In einigen Fällen ist es jedoch erforderlich, dass bestimmte Anschlüsse mehr Zinn abbekommen, auf deren Pads muss dann 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 das Markierungen auf der Schablone und auf der Leiterplatte erkennen kann und vor dem Druck beides zueinander ausrichtet.

[Bearbeiten] 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 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. Nachdem die Leiterkarte vollständig bestückt ist, wird sie durch die nächste ausgewechselt.

[Bearbeiten] 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 geschieht 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.

[Bearbeiten] Typische Fehler

Grabsteineffekt (englisch tombstoning)

bei Bauteilen mit zwei Anschlüssen. Das Bauteil hebt sich auf der einen Seite von der Platine weg, wodurch es wie ein kleiner Grabstein aussieht, da das Teilchen jetzt nur noch an einer Stelle angelötet ist.

Popcorn-Effekt (englisch 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-020D geregelt (MSL-Klassen, 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. Das gefährliche am Popcorn-Effekt ist, dass er erst nach der Fertigung diagnostiziert werden kann.

Aufschwimmen

bezeichnet einen Fehler, der durch unterschiedliche Geometrie der Anschlußpads verursacht werden kann. Aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes verdreht sich das Bauteil seitlich.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Sichtkontrolle

[Bearbeiten] Weblinks

• Detaillierte Beschreibung für SMD-Löten und -Entlöten
• SMD Codes für Widerstände / Dioden / Transistoren / Elkos entschlüsseln
• SMD-Löten per Hand - und wie es nicht sein sollte
• SMD-Löten sowie Bauteil-Wegweiser (PDF)