Optimierung der Lötschablonen Verbindung auf engem Raum

Entwickler von hochdichten Elektroniksystemen könnten durch sorgfältige Auslegung der Öffnungen auch Steckverbinder mit 0,15 mm Koplanarität mit 0,1-mm-Lötschablonen realisieren.

Durch die zunehmende Dichte bei elektronischen Systemen versuchen die Konstrukteure normalerweise, auf der Leiterplatte 0,1 mm dünne Lotpastenschablonen für sogenannte Fine-Pitch-Steckverbindungen mit Koplanaritäten von 0,10 mm oder weniger einzusetzen. Allerdings sind Steckverbinder mit Koplanaritätswerten von 0,15 mm keine Seltenheit und es wird immer schwieriger, die 0,10 mm bei höherpoligen Steckverbindern, dazu oft noch in 90°-Ausführung, zu erreichen. Dies schränkt die Auswahl der Steckverbinderoptionen ein und bedingt entweder die Verwendung mehrerer Steckverbinder, auch wenn ein einzelner Steckverbinder die Musterlösung gewesen wäre, oder den Einsatz gestufter Schablonen. Beide Optionen erhöhen sowohl Kosten als auch Komplexität bei System­auslegung und Produktion.


Eine gemeinsame Studie von Samtec und Phoenix Contact hat allerdings gezeigt, dass durch die Optimierung der Lotschablonenöffnung, der sogenannten Apertur, auch der Einsatz der gängigeren und günstigeren Steckverbinder mit 0,15-mm-Koplanarität mit den dünneren 0,10-mm-Schablonen möglich ist. Gleichzeitig können die Kriterien gemäß IPC-J-STD-001 Class 2 für eine 100-Prozent-Ausbeute erfüllt werden. 

Präzise, trotz höherer Kontaktzahl

Es ist nicht allzu schwierig, mit präzise gespannten Schablonen eine entsprechend dünn und fein ausgeführte Lotpasteninsel aufzubringen. Es wird allerdings immer schwieriger, den Steckverbinder an solche kleinrasterigen Lotpasteninseln anzupassen, da sich die Kontaktzahl erhöht oder die Steckverbinderkontakte geformt und gebogen werden, wie zum Beispiel bei Winkelsteckverbindungen. Grob umrissen, bezieht sich der Begriff Koplanarität auf die größte Streuung der Abstände vom höchsten bis zum niedrigsten Anschluss, wenn sich der Steckverbinder auf einer planen Oberfläche befindet (Bild 1). Dieser Abstand wird üblicherweise mit einem optischen Messgerät bestimmt. 

Eine gute Lötverbindung hängt stark von einer guten Koplanarität ab: Wenn ein Kontakt oder Anschluss zu hoch sitzt, könnte dies zu einem mangelnden Kontakt mit der Lötpaste und damit zu einer mechanisch schwachen Verbindung führen – oder sogar zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung. Die meisten Spezifikationen fordern eine Koplanarität zwischen 0,10 mm und 0,15 mm. 


Mit den geeigneten Prozessen und Werkzeugen lassen sich für die meisten Anwendungen durchgängig Steckverbinder mit einer Koplanarität von 0,15 mm herstellen. Allerdings ist eine Koplanarität von 0,10 mm bei den zunehmend höherpoligen und insbesondere bei speziell geformten und ge­bogenen Steckverbinderkontakten, wie bei doppelreihigen 90°-Ausführungen, immer schwerer erreichbar. 
 

Brückenbildung zwischen Anschlüssen vermeiden

Bei großen Leiterplatten, die mittlerweile mehr als 3000 Bauelemente 
aufnehmen und den kleineren, höher integrierten Elektronikbauteilen, die immer weniger Platz in Anspruch nehmen dürfen, ziehen Designer Schablonen mit einer Dicke von 0,10 mm in Betracht. Bei dickeren Schablonen besteht die Gefahr der Brückenbildung zwischen Anschlüssen oder Pads. Andererseits haben sie Schwierigkeiten, Steckverbinder zu finden, die die 0,10-mm-Anforderung erfüllen und gleichzeitig eine geeignete Anzahl an Kontakten und entsprechende Formfaktoren aufweisen.


Designer haben jedoch Optionen: Sie können den Ansatz der gestuften Schablone wählen, mit einer dünneren Schablone für die Komponenten mit kleinem Rastermaß und einer dickeren für den Steckverbinder selbst. Es wird zwar das Problem gelöst, aber zu höheren Schablonenkosten, die vielleicht für Anwendungen geeignet sind, bei denen der Platz zwischen den Bauelementen auf keiner Seite der Stufungslinie ausreicht.  Nach einer groben Daumenregel sollte der Abstand zwischen gestuften Öffnungen nicht weniger als das 36-fache des Stufungsabsatzes betragen.
Eine weitere Option ist die Verwendung mehrerer Steckverbinder. Bei weniger Kontakten können auch strengere Koplanaritätsanforderungen einfacher erfüllt werden. Allerdings erhöhen mehr Steckverbinder nicht nur die Kosten, sondern auch die Komplexität des Layouts und das Risiko von Zuverlässigkeitsproblemen. Während ein Steckverbinder die Koplanaritätsanforderung nach 0,10 mm erfüllen könnte, führt eine Schablonendicke von 0,10 mm zu weniger Lotmenge und somit zu einer möglicherweise mechanisch weniger festen Verbindung. 
 

Optimierung der Schablonenöffnung

Um herauszufinden, ob diese Kompromisse auf ein Minimum beschränkt werden können, haben Samtec und Phoenix Contact die Auswirkungen untersucht, die die Veränderung der Öffnungen bei einer Schablone für drei Steckverbinderreihen bewirkt. Dafür wurde eine 0,15 mm dicke Schablone mit einer 1:1-Apertur (Lot- und Kupfer-Pad entsprechen sich in Größe und Form) herangezogen. Dann wurden zwei Ausführungen der 0,10-mm-Schablone mit vergrößerten Öffnungen hinzugenommen. Die Steckverbinder wurden dann auf Basis einer Koplanarität von 0,10 mm bis 0,15 mm für diese Studie gebaut und ausgewählt.


Im Rahmen der Untersuchung wurde die Öffnungsgröße zwar über die Padgröße hinaus eingestellt (Überdrucken), um die Lotmenge zu erhöhen und eine bessere Verbindung herzustellen. Sie wurde aber nicht so weit eingestellt, dass sich Brücken bilden konnten oder Lotkugeln auf der Platine verbleiben würden. Um dies zu erreichen, ging man bei der Untersuchung davon aus, dass sich das Lot nach Erreichen der Liquidustemperatur beim Reflow tendenziell mit dem erwärmten Pad verschmelzen möchte. Trotzdem musste für jede Steckverbinderart noch die geeignete Öffnungsgröße bestimmt werden (Bild 2).
So gewährleisten etwa bei einer 0,10-mm-Schablone die Öffnungsmaße 2,84 mm x 0,97 mm eine gute Lötverbindung mit dem FTSH-Steckverbinder bei einer Koplanarität von 0,152 mm. 

Diese Kombination ergibt eine hochwertige Verbindung in Übereinstimmung mit IPC-J-STD-001 Class 2 für 100-Prozent-Ausbeute.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollten sich Designer, die mit 0,10-mm-Schablonen arbeiten, unbedingt noch einmal die Steckverbinder mit einer maximalen Koplanarität von 0,15 mm betrachten. Falls die optimale Schablonenöffnung für die jeweilige Kombination bestimmt werden konnte, kann dies ganz neue Auswahlmöglichkeiten bei serienmäßigen Steckverbindern eröffnen und einschränkende oder teure Alternativen sind vermeidbar. Falls die optimale Öffnung nicht online verfügbar oder noch nicht bestimmt worden ist, sollte der Steckverbinderhersteller unbedingt so früh wie möglich in den Designprozess einbezogen werden, um entweder die optimalen Maße zu bestimmen oder eine geeignetere Lösung für die jeweilige Anwendung zu finden. 
Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der frühen Einbindung des Herstellers. Je weiter das Design fortgeschritten ist, desto weniger Optionen gibt es.    sd