Die Bestückungsphase der Leiterplatte, auch als PCBA (Printed Circuit Board Assembly) bezeichnet, ist jenes Verfahren, in dem die unterschiedlichen für die elektronische Schaltung erforderlichen Komponenten auf der Leiterplatte positioniert werden, um dann in der nächsten Phase gelötet zu werden. Die PCBA stellt somit einen der zahlreichen Schritte des Fertigungsverfahrens einer Leiterplatte dar und birgt einige kritische Probleme vor allem im Hinblick auf die Komponenten, die wir nun detailliert analysieren möchten.
Im Lauf der Jahre haben sich die elektronischen Technologien rasch weiterentwickelt und die Techniken für die Leiterplattenbestückung beeinflusst. Im Allgemeinen können wir zwischen zwei Haupttechnologien für die Bestückung von Leiterplatten unterscheiden; dazu gesellt sich noch eine dritte, die eine Kombination der ersten beiden darstellt.
Diese Technik wird auch als SMT (Abkürzung für Surface Mount Technology) bezeichnet und besteht darin, oberflächenmontierbare Bauteile (SMD) auf der Leiterplatte zu platzieren. SMD-Komponenten weisen standardmäßig eine sehr geringe Gehäusegröße auf und ihre Montage ist deshalb besonders sensibel und kritisch (die Positionierung und die beim Löten erreichte Temperatur müssen sorgfältig kontrolliert werden). Aktuelle Maschinen zur Oberflächenmontage nutzen vollautomatische Techniken wie Pick-and-place, welche die einzelnen Komponenten aufnehmen und mit hoher Präzision auf der Leiterplatte platzieren können. Eine SMD-Komponente mit der Gehäusegröße 01005 kann noch kleiner sein als eine Bleistiftspitze (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Tabelle der SMD-Gehäusegrößen
Diese Technologie wird auch als THT (Abkürzung für Thru-Hole Technology) bezeichnet und ist die am häufigsten angewandte Technik zur Leiterplattenbestückung. Dabei werden Komponenten (Kondensatoren, Spulen, Transformatoren, aber auch große Widerstände und Induktanzen) mit zwei oder mehreren in der Fertigungsphase vorbereiteten Terminals durch die Löcher in der Leiterplatte geführt. Das Löten erfolgt auf der Rückseite. Während sich die SMT eher für kleine Komponenten eignet, ermöglicht die Durchsteckmontage die Bestückung auch mit sehr großen Komponenten.
Die elektronischen Schaltungen der neusten Generation sind sehr komplex und enthalten zahlreiche Komponenten auf immer kleinerem Raum. Es ist heute nicht immer möglich, eine PCBA mit nur einem Komponententyp (SMD oder THT) auszuführen; SMT und THT werden in der Bestückungsphase immer häufiger kombiniert, müssen dabei jedoch entsprechend angepasst und sequenziert werden, um sowohl die Bestückung als auch das darauf folgende Löten zu vereinfachen.
In den meisten Fällen kann eine Störung einer Leiterplatte auf eine oder mehrere Komponenten zurückgeführt werden. Aus diesem Grund ist es für eine rasche und fehlerfreie Bestückung wichtig, festzustellen, welche die wichtigsten kritischen Faktoren der Komponenten sind und wie sie Fehlfunktionen auslösen.
Feuchtigkeit ist für elektronische Komponenten auf einer Leiterplatte eine große Gefahr. Sie kann sich sowohl während der Fertigung der Komponente als auch während der einzelnen Aufbauphasen der Leiterplatte bilden. Außerdem kann es auf der Leiterplatte und den darauf montierten Komponenten zu einer Kondensatbildung kommen; dies geschieht meist, wenn die Platten in Behältern aufbewahrt werden, deren Temperatur unter jener der Umgebungstemperatur liegt. Die hohe Empfindlichkeit einiger Komponenten gegenüber Feuchtigkeit muss deshalb im Zuge der Auswahl dieser Komponenten sorgfältig beurteilt werden.
Im Industrie-, Automobil- und Transportbereich müssen Leiterplatten unter extremen Umgebungsbedingungen funktionieren, bei denen Temperatur, Druck und Korrosion die Funktion der Komponenten und der Schaltung verändern können. Da in zahlreichen Kontexten ein erweiterter Temperaturbereich verpflichtend ist, müssen die Auswirkungen durch die Temperatur stets sorgfältig beurteilt, robuste Komponenten gewählt und entsprechende aktive oder passive Techniken zum Wärmemanagement eingesetzt werden, um die Betriebstemperatur der Komponenten in den jeweiligen Grenzen zu halten.
Durch Netzleitungen, Designfehler, eine Leistungsminderung der Komponenten oder (im Fall von Hochleistungskreisen) die Bildung von echten Lichtbögen verursachte Spannungs- und Stromspitzen können sensibelste und nicht ausreichend geschützte Komponenten irreparabel beschädigen.
In den meisten Fällen beschränken sich die Aspekte im Hinblick auf die Bestrahlung auf eine Minimierung der Auswirkungen durch elektromagnetische Strahlung (EMI). Dieser Aspekt ist sehr wichtig, da eine Nichtbeachtung zu Problemen mit der Signalintegrität führen kann; dies kann so weit gehen, dass die zuverlässige Übertragung eines Hochgeschwindigkeitssignals zwischen zwei Punkten in der Schaltung nicht mehr möglich ist. Befindet sich die Leiterplatte an einem Raumflugkörper, bei dem die Zuverlässigkeit extrem hoch sein muss, können die Auswirkungen der Strahlung auf elektronische Komponenten zu signifikanten Schäden führen.
Bei der Bestückung von Leiterplatten für Anwendungen in Industrie, Raumfahrt und Automobilbereich (um nur die wichtigsten zu nennen) müssen die Aspekte im Hinblick auf die mechanische Beanspruchung berücksichtigt werden. Dazu gehören Stöße und Vibrationen, die ein Biegen oder Brechen der Leiterplatte, aber auch eine teilweise Ablösung der mechanisch sensibelsten oder schwersten Komponenten verursachen können.
Durch die rasche Entwicklung der elektronischen Technologien verfügen Komponenten nur über eine eingeschränkte Lebensdauer, nach der sie obsolet werden oder sozusagen das „End of Life“ (EOL) erreichen. Wird dieser Aspekt ignoriert, kann ein weiterer Einsatz von Komponenten im EOL-Status in den Designs dazu führen, dass die Fehler- bzw. Störungsanfälligkeit aufgrund von Abnutzung und physischer bzw. mechanischer Beanspruchung signifikant steigt. EOL-Komponenten wurden von neuen technologischen Fortschritten überholt und werden nicht mehr aktualisiert; deshalb können sie die neuen Leistungsanforderungen womöglich nicht mehr erfüllen und weisen eine größere Fehlerquote und eine höhere Störungswahrscheinlichkeit auf.
Nach einer Analyse der Auswirkungen einiger kritischer Probleme bezüglich der Komponenten auf die Bestückung bieten wir Ihnen nun einige gute Designregeln zur Vereinfachung und Optimierung der PCBA-Qualität.
Allgemein gilt die Regel, den Einsatz von Mischtechnologien in der Bestückung zu minimieren und nur in Ausnahmefällen darauf zurückzugreifen. Der Vorteil einer einzigen THT-Komponente rechnet sich meist durch die zusätzlichen Kosten und die zur Bestückung erforderliche Zeit nicht. Stattdessen empfiehlt es sich, mehrere THT-Komponenten einzusetzen oder im Design vollständig darauf zu verzichten – dies ist auch effizienter. Ist der Einsatz der THT erforderlich, wird empfohlen, alle Durchsteckkomponenten auf der gleichen Seite der Leiterplatte zu platzieren, um so die Bestückungszeit zu reduzieren.
Während der Designphase für die Leiterplatte ist es wichtig, für jede Komponente die richtige Gehäusegröße zu wählen. Im Allgemeinen sollten kleinere Gehäusegrößen nur dann gewählt werden, wenn es einen guten Grund dafür gibt; anderenfalls sollten Sie sich für größere Gehäuse entscheiden. Sehr oft wählen Elektronikdesigner Komponenten mit unnötig kleinem Gehäuse und schaffen so potenzielle Probleme während der Bestückungsphase und eine mögliche Änderung der Schaltung. Je nach der erforderlichen Änderung ist es in manchen Fällen praktischer, eine ganze Leiterplatte neu aufzusetzen und nicht die betreffenden Komponenten zu entfernen und wieder aufzulöten.
Der Platzbedarf der Komponenten ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Bestückung. Aus diesem Grund muss der Leiterplattendesigner sicherstellen, dass jede Fläche basierend auf dem im Datenblatt der jeweiligen integrierten Komponente angegebenen Lötaugenmuster präzise eingerichtet wird. Das größte Problem aufgrund einer falschen Platzierung ist der sogenannte „Grabsteineffekt“, der auch als „Manhattaneffekt“ oder „Aufrichteffekt“ bekannt ist. Dieses Problem tritt auf, wenn eine integrierte Komponente mit ungleicher Wärme gelötet wird, und führt dazu, dass die Komponente nur auf einer Seite an der Leiterplatte befestigt ist. Der Grabsteineffekt betrifft vor allem passive SMD-Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktoren und geschieht aufgrund einer ungleichmäßigen Wärme durch:
Eine der wichtigsten Ursachen für eine Fehlfunktion der Leiterplatte ist das Überhitzen durch zu nahe aneinander liegende Komponenten. Platz ist vor allem bei hochkomplexen Schaltungen, die sehr anspruchsvolle Anforderungen erfüllen müssen, eine knappe Ressource. Werden Komponenten zu nahe aneinander platziert, können unterschiedliche Arten von Problemen auftreten, deren Schwere auch zeitraubende und kostspielige Änderungen an den Verfahren für Leiterplattendesign und Fertigung erforderlich machen kann.
Beim Einsatz automatisierter Bestückungs- und Testmaschinen sollten Sie darauf achten, dass jede Komponente weit genug von mechanischen Teilen, den Kanten der Leiterplatte und allen anderen Komponenten entfernt ist. Zu nahe aneinander liegende oder falsch gedrehte Komponenten können während des Wellenlötens zu Problemen führen. Liegt beispielsweise eine größere Komponente auf dem Wellenweg vor einer niedrigeren Komponente, kann ein „Schatteneffekt“ erzeugt werden, wodurch die Lötungen geschwächt werden. Senkrecht zueinander gedrehte integrierte Schaltungen können diesen Effekt ebenfalls auslösen.
Die Stückliste (BOM) ist sowohl in der Design- als auch in der Bestückungsphase einer Leiterplatte ein wichtiger Faktor. Enthält die BOM Fehler oder Ungenauigkeiten, besteht das Risiko, dass die Bestückungsphase vom Hersteller unterbrochen wird, bis diese Probleme gelöst sind. Eine Möglichkeit, die BOM stets korrekt und aktuell zu halten, besteht darin, sie bei jeder Aktualisierung des Leiterplattendesigns sorgfältig zu überprüfen. Wird dem Originalprojekt beispielsweise eine neue Komponente hinzugefügt, muss sichergestellt werden, dass die BOM aktualisiert wird, indem die korrekten Werte für Teilenummer, Beschreibung und Wert der Komponente eingegeben werden.
Passermarken sind runde Kupferscheiben, die als Markierungen für Pick-and-place-Bestückungsmaschinen dienen. Die Passermarken sorgen dafür, dass die automatisierte Maschine die Leiterplattenausrichtung erkennt und kleine oberflächenmontierbare Bauteile wie Quad Flat Package (QFP), Ball Grid Arrays (BGA) oder Quad Flat No-Lead (QFN) korrekt platziert.
Passermarken werden in zwei Klassen unterteilt: globale und lokale Passermarken. Globale Passermarken werden an der Kante der Leiterplatte platziert und ermöglichen es Pick-and-place-Maschinen, die Ausrichtung der Leiterplatte auf der x- und y-Achse zu erkennen. Lokale Passermarken werden in der Nähe der Ecken von rechteckigen SMD-Komponenten platziert und werden von Pick-and-place-Maschinen dazu verwendet, den genauen Platz einer Komponente präzise zu finden, wodurch während der Bestückung weniger relative Positionierungsfehler auftreten. Die Passermarken spielen eine wichtige Rolle, wenn ein Projekt viele Komponenten mit wenig Abstand zueinander umfasst. Abbildung 2 zeigt die bestückte Arduino-Uno-Leiterplatte mit zwei globalen Passermarken in Rot.
Abbildung 2: Beispiel einer globalen Passermarke