Autoren: Fabian Altenbrunn, Field Application Engineer KAM eiCan von Würth Elektronik,
Markus Hildmann, Field Application Engineer, KAM von Würth Elektronik

Co-Autor: Marisa Robles, Specialist Marketing & Communication von Würth Elektronik

 

THR als Hebel für maximale Baugruppenzuverlässigkeit

Die Anforderung an die elektronische Baugruppenfertigung steigt kontinuierlich. Immer höhere Qualität zu immer günstigeren Preisen treiben die Anforderungen an die Prozessoptimierung voran. THR gewinnt zunehmend an Attraktivität, weil die Technologie das Beste aus den beiden Welten THT und SMT vereint.

Gerade bei Steckverbindern stellt die Through-Hole-Reflow-Technologie (THR) eine sinnvolle Alternative zur Through-Hole-Technology (THT) dar: Als Bauteile in Durchsteckmontage lassen sie sich gleichsam wie SMT-Komponenten mittels Bestückautomaten auf die Platine aufbringen und im selben Reflow-Lötprozess verlöten. Bei all den Vorteilen stellt die THR-Technik jedoch besondere Anforderungen sowohl an das Bauteil als auch an das Layout und den Lotpastenauftrag. Anhand von mehrpoligen Steckverbindern sollen die Anforderungen erörtert werden.

THR-fähiges Bauteil

Die Produktion eines THR-kompatiblen Steckverbinders erfordert Änderungen an Konstruktion und Material: Das Gehäuse setzt einen Kunststoff voraus, der den hohen Reflow-Löttemperaturen von üblichen +245 °C standhält. Gemäß der Norm IPC/Jedec J-STD-020 muss sich der Kunststoff sogar für einen Temperaturbereich von bis zu +260 °C eignen. Würth Elektronik verwendet für das Gehäuse seiner THR-kompatiblen Steckverbinder (z. B. die Terminal-Block-Familie WR-TBL) so genannte Liquid Crystal Polymere (LCP), die sich besonders durch ihre Hochtemperaturfestigkeit und Dimensionsstabilität auszeichnen.

Anpassungen sind auch bei der Gehäusekonstruktion nötig: Auf der Gehäuseunterseite sind Abstandsstifte erforderlich (Bild 01), um Platz für die Lotpaste zu schaffen und den Luftstrom unter dem Gehäuse zu fördern (Bild 02). Das erleichtert nicht nur das Aufschmelzen der Lotpaste im Reflow-Lötprozess, es sorgt überdies auch für den optimalen Wärmetransport. Wichtig hierbei ist, dass die Bauteilunterseite nicht mit der Lotpaste in Berührung kommt und durch den „Stand Off“ sich ein idealer Lötmeniskus auf der Leiterplattenoberseite ausbilden kann. Der Abstand zwischen Gehäuseunterseite und zum Lotpastendepot sollte min. 0,5 mm betragen. Auch bei einem Gehäuse aus Metall müssen Abstandshalter eingearbeitet werden, da die Menge des Luftstroms nicht ausreicht, um das Bauteil durchzuwärmen. Daher hat Würth Elektronik bei seiner für robuste Hochstromverbindungen ausgelegten Redcube-THR-Familie (Bild 03) sowie für die SMA- und SMP-Koaxial-Steckverbinder durch das Anbringen von Stiften an dedizierten Stellen ebenfalls für THR-Kompatibilität gesorgt.

Um schließlich die benötigte Kompatibilität für den SMT-Fertigungsprozess mitzubringen, sollte sich die Gehäuseform der THR-Steckverbinder für die SMT-Vakuum-Pipette eignen und – sofern erforderlich – mit Ansaug-Pads ausgestattet sein. Überdies muss einkalkuliert werden, dass der Bestückvorgang die maximal verwendbare Steckverbindergröße begrenzt.

THR-Kompatibilität dank Kontaktstiften

Ein weiterer Punkt ist die Länge der Anschlussenden der Kontakte. Zu kurze Anschlussenden können die Stabilität des Kontaktstifts in der Durchstecköffnung beeinträchtigen: Ein zu langer Stift drückt die Lotpaste durch die Platinen-Durchgangsbohrung, wodurch nicht mehr genügend Lot in der Bohrung verbleibt, um den Stift sicher umschließen zu können. Neben dem Effekt, dass sich am Stiftende Lotperlen ausbilden, wird die Ausbildung des typischen Lotauges be- oder sogar verhindert. Daher muss das Ende des aus der Leiterplatte hervorstehenden Stifts im Lot erkennbar sein und darf 1,5 mm nicht überschreiten. Gemäß der Norm DIN EN 61760-3 sollte der Pin min. 0,5 mm auf der Unterseite der Platine überstehen. Auch die Zentrierung des Stifts in der durchkontaktierten Bohrung ist für einen optimalen Lotfluss von hoher Bedeutung.

Relevant ist zudem die Kontaktoberfläche im Zusammenspiel mit der Leiterplatten-Oberflächenbeschaffenheit: Die Anforderungen der THR-Technologie an die Lötbarkeit können einen Wechsel von Hochglanz- zur Mattverzinnung erforderlich machen. Eine unzureichende Kontrolle des Glanzzusatzes beeinträchtigt mitunter die Lötfähigkeit hochglanzverzinnter Stifte, da sich bei der Lagerung der Steckverbinder eine Oxidationsschicht bilden kann. Zinn ist wegen seiner Benetzungseigenschaften zwar die erste Wahl, allerdings kann Zinn glänzend oder matt sein. Eine Mattverzinnung ist für hohe Temperaturen ungeeignet, während glänzendes Zinn dazu neigt, unter Einfluss hoher Temperaturen nachzudunkeln. Wird als Leiterplatten-Oberflächen-Finish Messing (CuZn), chemisch Zinn oder eine ENIG-Legierung verwendet, muss der Stift zunächst in einer Stärke von mindestens 1,25 ?m vernickelt werden, bevor Zinn oder Gold aufgebracht werden dürfen.

Layout-Empfehlungen für THR

Kontaktstifte können rund oder eine beliebige rechteckige Form aufweisen, was sich auf die Pad-Größe und Pad-Geometrie sowohl auf der Leiterplatte als auch auf die Aperturen der Druckschablone auswirken. Mit ausreichend großen Lötaugen auf der Platinenober- und -unterseite sollten die durchkontaktierten Bohrungen im Durchmesser nur 0,2 mm größer sein als der zu verlötende Stiftdurchmesser. Größe und Geometrie der Aperturen der Druckschablone (Aspect Ratio) bestimmen letztlich das Lotpastenvolumen, das auf die Leiterplatte an den Lötpads appliziert wird (Bild 04). Wie gut die Lotpaste die Durchkontaktierung und die Druckschablonen-Apertur ausfüllt, hängt von mehreren Faktoren ab: der Auswahl der Lotpaste und der Geschwindigkeit, dem Druck sowie Aufsetzwinkel des Rakels, mit dem die Lotpaste auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Überdies hat das Pastenauslöseverhalten einen beträchtlichen Einfluss, weshalb auf eine hohe Oberflächengüte der Druckschablone in den Aperturen, aber auch auf das richtige Area Ratio zu achten ist. Bei großen Pads besteht die Gefahr, dass der Rakel eintaucht und die Paste wieder herauszieht. Rakelstege (entweder als Kreuz oder in Rakelrichtung) verhindern dies.

Vorab muss das Lotpastendepot berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Durchgangsbohrung ausreichend ausgefüllt ist und sich eine Hohlkehle bzw. zwei Hohlkehlen bilden können. Beispiel: Bei einer 150 µm dicken Druckschablone werden etwa 80 Prozent des Lochs verfüllt (Bild 05). Dieser Wert variiert je nach Platinen- und Schablonendicke. Auch die Oberfläche der Platine hat einen Einfluss auf das Volumen des Lotpastendepots. Dies lässt sich durch den Überdruck der Lotpaste auf der Leiterplattenoberseite, eine ausreichende Füllung der Durchgangbohrung und einen Durchdruck von max. 1 mm erreichen. Ab einem Via-Durchmesser von mehr als 0,8 mm sind die Lotpastentypen 4 und 5 empfehlenswert.

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Fabian Altenbrunn, Field Application Engineer KAM eiCan von Würth Elektronik
Markus Hildmann, Field Application Engineer, KAM von Würth Elektronik

Co-Autor:
Marisa Robles, Specialist Marketing & Communication von Würth Elektronik

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