SMD-Technologien, die in DC/DC-Wandlern verwendet werden

SMD-Bauteile mit Pins werden von unseren Kunden zunehmend nachgefragt. Dies ist hauptsächlich auf folgende Gründe zurückzuführen:

1. Bestückungsautomaten ermöglichen eine vollautomatische Produktion und senken die Kosten.
2. Es ist nur ein Montageprozess (Reflow-Ofen) erforderlich, was die Herstellungszeit reduziert.
3. Die SMD-Bestückung ermöglicht eine automatische optische Inspektion (AOI) der Lötstellen, was die Zuverlässigkeit der Teile erhöht.

Die Fertigung im Doppellötverfahren, bei der eine teilfertige SMD-Leiterplatte einen weiteren Wellenlötprozess durchläuft, um die Bauteile in Durchstecktechnik (THT) zu montieren, wird aus folgenden Gründen häufig eingesetzt:

1. Die Bauteile sind groß und benötigen eine hohe Wärmeübertragung, um eine gute Lötverbindung herzustellen (zB eine Leistungsinduktivität mit schweren Kupferkontakten). Wenn die Temperatur des Reflow-Ofens erhöht oder lange Zeit über 260° C gehalten wird, damit die größeren Bauteile die Löttemperatur erreichen können, könnten die kleineren Bauteile überhitzt werden und ausfallen.
2. Steckverbinder oder andere mechanisch beanspruchte Teile benötigen oft eine THT-Montage, da ein SMD-Steckverbinder bei der Verwendung abbrechen würde (die Schwachstelle ist der Kleber, der die Kupferbahn mit der Leiterplatte, verbindet, nicht die Lötstelle mit der Bahn oder dem Pad).
3. Die Bauteile müssen auf einen Kühlkörper montiert werden, so dass sie auf Beinen von der Leiterplatte abgehoben werden (zB Leistungstransistoren).

DC/DC-Wandler mit THT-Pins werden nach wie vor in großen Stückzahlen verkauft, denn wenn die Leiterplatte einen doppelten Lötprozess durchlaufen muss, spielt es keine Rolle, ob es sich um einen SMD- oder THT-Wandler handelt. Die Kunden suchen jedoch immer nach Möglichkeiten, die doppelte Prozessfertigung nach Möglichkeit zu vermeiden. Traditionell werden THT-Komponenten wie Steckverbinder, Sicherungen, Elektrolytkondensatoren, Transistoren und Transformatoren zunehmend in SMD-Pinouts angeboten. Manchmal ist der DC/DC-Wandler eines der wenigen THT-Bauteile auf der Platine und muss als zusätzlicher Bestückungsprozess von Hand gelötet werden. Dies liegt daran, dass der DC/DC-Wandler der Temperaturbelastung im Reflow-Ofen nicht gewachsen ist.

Langfristig muss RECOM die Anzahl der SMD-Teile in seinem Portfolio erhöhen, um wettbewerbsfähig zu bleiben und die Kundennachfrage zu erfüllen.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, reicht es nicht aus, ein Standard-THT-Design zu verwenden und einfach die Pins in SMD-Versionen zu ändern. Die wichtigsten Probleme betreffen folgende Aspekte:

1. Die thermische Belastung in einem SMD-Reflow-Ofen ist viel höher als beim THT-Wellenlötverfahren, bei dem die Leiterplatte selbst die Wandler von der Hitze des geschmolzenen Lötpads abschirmt. In einem Reflow-Ofen, insbesondere bei größeren SMD-Bauteilen, kann die Temperatur der Teile, die den Heizelementen am nächsten sind, viel höher sein als die Temperatur unten an den Pins. Um zB ein Spitzentemperaturprofil von 265° C an den Pins zu erhalten, könnte die Temperatur an der Oberseite des Konverters fast 300° C erforderlich sein. Dieser Temperaturunterschied ist bei Fertigungsprozessen mit hohen Stückzahlen noch größer, bei denen der Ofen oft auf eine höhere Temperatur eingestellt und die Geschwindigkeit des Förderbandes erhöht wird, bis die Spitzentemperatur an den Pins gerade 265° C erreicht. Dieser hohe Temperaturgrad kann dazu führen, dass interne Bauteile mit hohen Ausdehnungskoeffizienten (insbesondere Ferrite) Risse bekommen oder die Lötstellen brechen. Eine Verkapselung (Verguss) kann dazu beitragen, die internen Temperaturgradienten auszugleichen, aber auch das Material selbst kann sich unter der hohen Umgebungstemperatur ausdehnen und das Gehäuse sprengen.
2. Ein DC/DC-Wandler enthält auch SMD-Bauteile. Insbesondere bei Dampfphasen-Reflow-Öfen kann die Temperatur des gesamten Wandlers den Schmelzpunkt des Lots überschreiten, wodurch sich die internen Lötstellen verflüssigen und ausdehnen. Wenn das Bauteil vollständig vergossen ist, kann das flüssige Lot im Inneren des Konverters nichts anderes tun, als sich seinen Weg zwischen dem Vergussmaterial und der Leiterplatte zu bahnen, was der Weg des geringsten Widerstands ist. Das Ergebnis ist eine höhere Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen auf der Wandler-Leiterplatte nach dem Reflow-Löten. Deswegen sollten Vergussmaterialien in SMD-Bauteilen vermieden werden.
3. THT-Pins müssen nicht sehr genau ausgerichtet werden, da die Löcher in der Leiterplatte überdimensioniert sein müssen, damit das Lötzinn gut anziehen kann und eine gute Verbindung entsteht. Der Vorteil ist, dass die Pins um bis zu 0,25 mm abweichen können, ohne den Montageprozess zu sehr zu beeinträchtigen. Andererseits müssen SMD-Pins sehr genau ausgerichtet und auf ein Zehntel Millimeter genau flach (koplanar) sein. Wenn auch nur ein Pin „aus der Reihe tanzt“, kommt er entweder nicht mit dem Pad in Kontakt oder hebt die benachbarten Pins an, sodass sie keinen Kontakt mit ihren Pads haben. Die Beibehaltung einer präzisen Koplanarität ist eine der schwierigsten Herausforderungen bei der Herstellung von SMD-Bauteilen mit Pins.

Es gibt mindestens sieben verschiedene Möglichkeiten, die wir kennen, um SMD-Pinning zu realisieren. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile.

SMD-Pins werden in einen spritzgegossenen Kunststoffträger eingebettet. Die Leiterplatte wird dann auf die überstehenden Pins gelötet. Dies ist eines der am häufigsten verwendeten SMD-Pinning-Verfahren.
Dieses Verfahren wird bei folgenden RECOM-Produkten angewendet:

Vorteile:

1. Die Pins werden durch die Formwerkzeuge mit präziser Koplanarität genau positioniert.
2. Die überstehenden Pins auf der anderen Seite des Trägers können in beliebiger Länge ausgeführt werden, so dass das gleiche Konzept für Leiterplatten unterschiedlicher Dicke und sowohl für DC/DC- als auch für AC/DC-Produkte verwendet werden kann (bei denen die Leiterplatte häufig umgekehrt und auf langen Pins montiert wird).
3. Die Dicke des Trägers kann für ein flaches Design reduziert oder erhöht werden, um Platz für unter der Leiterplatte montierte SMD-Komponenten zu schaffen. Ein doppelseitiges PCB-Layout reduziert die Größe der Grundfläche erheblich.
4. Diese Methode ist gut für die Massenproduktion geeignet.
5. Die Lötstellen sind prüfbar.

Nachteile:

1. Es wird ein spezialisierter Anbieter benötigt, der in der Lage ist, Metallteile in eine Kunststoffform einzubetten. Nur kleine Pins können erfolgreich eingebettet werden, da größere Pins zu viel Wärme aus dem eingespritzten Thermoplast aufnehmen würden, was zu Formfehlern führen würde.
2. Die anfänglichen Werkzeugkosten sind hoch.
3. Bei großen, flachen Trägern (zB DIP24) kann sich der Kunststoffrahmen während des Lötvorgangs aufgrund der Eigenspannungen im Kunststoffträger verziehen. Der Träger benötigt möglicherweise Verstärkungsrippen, wenn er sich während des Reflow-Lötprozesses beim Kunden zu verdrehen, zu verziehen oder zu verbiegen beginnt. Die Änderung eines bestehenden Werkzeugs, um das zusätzliche Rippenmaterial hinzuzufügen, ist teuer.
4. Dünne Pins können während des Transports leicht verbogen oder falsch ausgerichtet werden, was zu Koplanaritätsproblemen führen kann, sodass die Verpackung kompliziert und teurer ist.

Gebogene, quadratische THT-Pins, die in einer Stiftleiste befestigt sind, werden auf die Leiterplatte geklebt und mittels Pin-in-Paste-Reflow-Löten oder Handlöten eingelötet.
Dieses Verfahren wird bei folgenden RECOM-Produkten eingesetzt: Baureihe R-78T

Vorteile:

1. Die quadratischen Pins werden in einer Kunststoffleiste genau positioniert und mit einer mechanischen Biegevorrichtung in exakter Koplanarität gebogen.
2. Quadratische Pins sind stärker als andere SMD-Pins und können für größere und schwerere Produkte oder Designs mit höheren Strömen verwendet werden.
3. Quadratische Pins sind kostengünstig, da Stiftleisten häufig verwendet und in sehr großen Mengen hergestellt werden.
4. Die Pins sind in der Regel vergoldet und lassen sich ohne Flussmittel gut löten.
5. Diese Methode eignet sich gut für die Massenproduktion, wenn eine Maschine zum Einsetzen der Pins vorhanden ist.
6. Die Lötstellen sind prüfbar.

Nachteile:

1. Zur präzisen Befestigung der Pins ist eine genaue Werkzeugvorrichtung erforderlich.
2. Die Pins müssen eingeklebt werden, um zu verhindern, dass sie sich während der Montage oder des Reflow-Prozesses beim Kunden bewegen. Dies ist ein zusätzlicher Herstellungsprozess.
3. Die Pins benötigen viel Platz auf der Leiterplatte, sodass diese Methode nur für größere Leiterplatten geeignet ist.
4. Längere Pins lassen sich beim Transport leicht verbiegen oder falsch ausrichten, was zu Koplanaritätsproblemen führen kann, sodass die Verpackung kompliziert und teurer ist.

Halbvias werden am Rand einer flachen Leiterplatte angebracht und vergoldet, um eine Verbindung zwischen der oberen und unteren Schicht herzustellen.
Dieses Verfahren wird bei folgenden RECOM-Produkten angewendet:

Vorteile:

1. Die durch Halbvias verbundenen Lötflächen sind von Natur aus koplanar.
2. Die Durchkontaktierungen sind Teil des PCB-Produktionsprozesses, sodass kein zusätzlicher Pin-Montageprozess erforderlich ist.
3. Dies ist eine relativ kostengünstige Lösung.
4. Diese Methode eignet sich für mehrere Pins, da die Produktionskosten mit der Anzahl der Verbindungen nicht wesentlich steigen.
5. Die Pins sind vergoldet und lassen sich ohne Flussmittel gut löten.
6. Diese Methode ist gut für die Massenproduktion geeignet.
7. Die Lötstellen sind prüfbar.
8. Es gibt keine Pins, die während des Transports verbogen oder falsch ausgerichtet werden können, sodass die Verpackung vereinfacht und das Risiko von Transportschäden verringert wird.

Nachteile:

1. Durchkontaktierungen verursachen zusätzliche Kosten bei der Leiterplattenherstellung.
2. Die Unterseite der Leiterplatte muss völlig eben sein, sodass nur von oben montierte Bauteile verwendet werden können. Dies erhöht die Größe der Leiterplatte erheblich.
3. Die Durchkontaktierungen benötigen relativ viel Platz auf der Leiterplatte, sodass diese Methode für sehr kleine Produkte nicht geeignet ist.
4. Es muss darauf geachtet werden, dass sich das Produkt während des Reflow-Lötens beim Kunden nicht verschiebt, da die gesamte Leiterplatte auf dem geschmolzenen Lot schwimmt. Das auf der vorigen Seite gezeigte ROF-Design hat beispielsweise an jeder Ecke halbe Durchkontaktierungen, sodass die Verbindungen symmetrisch sind und der Zug der Oberflächenspannung an den Verbindungen ausgeglichen wird.

Ein Lead-Frame wird aus einem Blech gestanzt. Die Wandlerplatine wird auf den ...