Leiterplattensteckverbinder für Industrie 4.0 Welche Rolle Lötverfahren, Bestückung und Verpackung spielen

Leiterkartensteckverbinder werden in vielfältigen Anwendungen benötigt. Dabei spielt sowohl das verwendete Lötverfahren als auch die Art des Steckverbinders eine entscheidende Rolle. Es kann zwischen Through-Hole-Technology (THT), Through-Hole-Reflow (THR) und Surface Mounting Technology (SMT) gewählt werden.

THR-Steckverbinder sind eine Mischung aus THT- und SMD-Steckverbindern. Der geometrische Unterschied von THT- und THR-Steckverbindern liegt nur im kürzen Einlötmaß der THR-Steckverbinder. Da beim THR-Löten der Reflowprozess des SMT-Lötens verwendet wird, können beim Reflowlöten sowohl THR- als auch SMD-Steckverbinder mit der Leiterkarte verbunden werden.

Je nach Lötverfahren lässt sich automatisierte Bestückung einfacher oder schwieriger realisieren. Bei THR- und SMD-Steckverbindern kann eine automatisierte Bestückung reibungsloser und kostengünstiger umgesetzt werden als bei THT-Steckverbindern. Gerade in der Prototypenphase lassen sich THT-Steckverbinder problemloser verlöten als SMD-Steckverbinder. Jedoch werden SMD-Steckverbinder mehr und mehr nachgefragt, sobald eine Serienfertigung mit hohen Stückzahlen im Raum steht. In diesem Fall spielen sie ihre Stärken aus.

Vorzüge der Surface Mounting Technology

Das SMT-Lötverfahren bringt im Vergleich zu THT- und THR-Löten einige Vorteile mit sich. Beim THT-Löten können die Steckverbinder nicht wie bei den Reflow-Lötverfahren THR und SMT automatisiert auf der Leiterkarte bestückt werden, da die THT-Steckverbinder ohne Kleber nicht auf ihrer Position verbleiben. Während des Lötprozesses kann es beim THT-Löten zum Kippen der Steckverbinder kommen.

Beim SMT-Löten werden die Steckverbinder in den meisten Fällen von einem Roboterarm automatisch auf vorgefertigte Lötpads positioniert und mit dem Aufschmelzen des Lötpads im Reflowofen mit der Leiterkarte verbunden. Dabei kann es natürlich auch zum Verschieben der Steckverbinder auf der Leiterkarte kommen. Das geschieht jedoch sehr selten, und wenn dann nur bei Steckverbindern mit geringen Polzahlen. Aufgrund der beidseitigen Bestückung von SMD-Steckverbinder ergeben sich Platzgewinne von bis zu 50 Prozent. Durch die Verwendung von SMD-Steckverbindern in kleineren Rastermaßen als das standardmäßige 2,54-mm-Raster erhöhen diese sich noch zusätzlich.

Kunststoffe für das Reflowlöten

Um einen Reflowprozess ohne Schaden zu überstehen, müssen bei SMD-Steckverbindern sehr temperaturfeste Kunststoffe für den Isolierkörper verwendet werden. Diese Kunststoffe sind beispielsweise Polyamide (PA 4.6 oder PA 6.6), Polyphenylensulfid (PPS) oder flüssig kristalline Polymere (LCP).

Alle drei Kunststoffe besitzen eine Temperaturbeständigkeit von über 260 °C und sind somit für den Reflowprozess geeignet. Wenn die Isolierkörper nicht aus hochtemperaturbeständigen Kunststoffen hergestellt werden, wie beispielsweise einem Polybutylenterephthalat (PBT), kann es nach dem Löten zu Verformungen des Isolierkörpers oder Herausfallen der Kontakte kommen.

Beim Reflowlöten werden die Steckverbinder oder auch andere SMD-Bauteile auf den entsprechenden Lötpads der Leiterkarte positioniert und anschließend durch mehrere Reflowöfen gefahren. Die Leiterkarte wird beim Reflowprozess auf ein Transportband gelegt und durch die Öfen gefahren. Dabei steigt die Temperatur von Ofen zu Ofen, damit das Lot vollständig aufgeschmolzen ist. Üblich sind Temperaturen von maximal 250 bis 260 °C.

Sobald das Lot aufgeschmolzen ist, legt es sich um die Kontakte des SMD-Steckverbinders und dieser wird fest mit der Leiterkarte verbunden. In den darauffolgenden Öfen wird die Temperatur langsam reduziert, damit sich keine kalte Lötstelle bildet oder das Lötzinn am Kontakt aufplatzt.

Automatisierte Bestückung von SMD-Steckverbindern

Nicht nur der SMD-Steckverbinder an sich, sondern auch das Verpackungsmaterial spielt eine wichtige Rolle. Durch die stetige Automatisierung und Vernetzung von Prozessen, gerade in Industrie 4.0, werden auch Verpackungen, die sich für automatisierte Bestückung eignen, immer wichtiger. Durch Verpackungsformen wie Stangenmagazine und Blistergurte (Tape & Reel) können die Steckverbinder über einen Feeder zugeführt und auf der Leiterkarte bestückt werden.

Um das Bestücken auf der Leiterkarte zu erleichtern, verfügen die meisten SMD-Steckverbinder über eine Bestückungshilfe. Diese Bestückungshilfe wird zumeist durch eine Venturidüse angesaugt oder durch einen Fingergreifer aufgenommen, um den Steckverbinder an die richtige Stelle auf der Leiterkarte zu setzen.

Nach dem Reflowlötprozess wird die Bestückungshilfe von dem Steckverbinder abgezogen und entsorgt. Die Stangenmagazine und Blistergurte müssen genau wie die Bestückungshilfen an die SMD-Steckverbinder angepasst werden, da zum Beispiel bei einem zu groß gewählten Stangenmagazin oder Blistergurt sich die Steckverbinder verschieben und ineinander verhaken können. Auch ist das Risiko einer Positionsverschiebung der Steckverbinder im Verpackungsmaterial bei einer falschen Dimensionierung wesentlich höher, als bei einer Anpassung des SMD-Steckverbinders an den Blistergurt.

Sowohl SMD- als auch THR-Steckverbindern steht eine vielversprechende Zukunft bevor. Das liegt einerseits an der Tatsache, dass SMD-Bauteile gleichzeitig auf beiden Seiten der Leiterkarte bestückt werden können, und andererseits werden sie häufig im Tape & Reel geliefert. Das ermöglicht einen sehr hohen Automatisierungsgrad. Gerade im Zeitalter von Industrie 4.0, in dem die Prozesse immer stärker miteinander vernetzt werden und sich die Automatisierungsgrade in den Fabriken stetig erhöhen, sind SMD-Steckverbinder in Kombination mit einem Blistergurt eine sehr gute Lösung.