Basisprincipes Connectoren voor de SMT ... - Phoenix Contact

Basisprincipes
Connectoren voor de
SMT-productie
Through Hole Reflow

Surface Mount Technologie SMT –
een moderne productiemethode
De trend naar SMD-componenten (Surface
Mount Device) heeft zich de afgelopen
jaren doorgezet. Het voordelige volautomatische
proces van soldeerpasta aanbrengen,
componenten monteren en solderen maakt
de fabricage in SMT-lijnen tot een snelle en
economische productiemethode. Het ligt
daarom voor de hand om componenten die
nu nog in bedrade vorm worden aangesloten,
zoveel mogelijk in deze productiemethode
te integreren.
Voor een probleemloze integratie
in het SMT-proces dienen de volgende
factoren in acht te worden
genomen:
• Grootte, vorm en gewicht van de
componenten (beperkingen bij de
automatische montage)
• Temperatuurbestendigheid van de
componenten (beperkingen bij het
soldeerproces)
• Te verwachten mechanische belasting
van de componenten tijdens bedrijf
(bijv. trekkrachten op connectoren bij
„wire-to-board“-toepassingen)
Through Hole Reflow-technologie (THR)
Het begrip Through Hole Reflow-technologie
beschrijft een montagetechniek voor componenten
op de printplaat. Hierbij wordt voor het
monteren van componenten gebruik gemaakt
van de doorsteekmontagetechniek (Through
Hole) in combinatie met het reflow-soldeerproces.
Deze technologie is ontwikkeld voor
volautomatische processen in de SMT-productie.
2 PHOENIX CONTACT

Varianten van de printplaatmontage
SMT-printplaat
De pure SMT-printplaat kan
„voordelig“ worden geproduceerd,
omdat alle componenten
uniform en volautomatisch worden
gemonteerd en gesoldeerd.
Inhoudsopgave
Surface Mount Technologie
SMT – een moderne
productiemethode
pagina 02 – 03
Printplaat met gemengde
bezetting
Een printplaat met een gemengde
bezetting, bestaande uit een
groot aantal SMT-componenten
en een beperkt aantal bedrade
componenten, leidt tot hoge
productiekosten. Een tweede
montage- en soldeerproces is
noodzakelijk.
Het „Pin in Paste“-
proces
Eisen aan
THR-componenten
pagina 04 – 05
pagina 06 – 10
Kwalificatie van
THR-componenten volgens
J-STD-020D
pagina 11 – 13
Procesintegratie
pagina 14 – 22
Snel naar het juiste
product
pagina 23
PHOENIX CONTACT 3

Het „Pin in Paste“-proces –
basis van de THR-technologie
Het „Pin in Paste“-proces past het specifieke
SMT-productieproces toe op een
printplaat met doorgecontacteerde boringen.
Het functieprincipe van dit proces
wordt tegenwoordig algemeen toegepast.
Afhankelijk van de geometrie van de componenten,
het soldeermateriaal en de procesparameters
kunnen hiermee zeer goede
resultaten worden bereikt.
Doel van de integratie van
componenten in doorsteektechniek
(Through Hole) in het
SMT-reflow-proces:
Bedrade componenten en
SMT-componenten dienen ...
... tegelijkertijd te kunnen worden
verwerkt
• met dezelfde apparatuur
• volgens dezelfde methode
• onder dezelfde omstandigheden
Principiële
werkwijze
Het verloop van het
„Pin in Paste“-proces
1. 2. 3. 4.
Printplaat met
doorgecontacteerde
boring
Sjabloon
positioneren
Soldeerpasta
aanbrengen
Soldeerpasta
vult de boring
5. 6. 7. 8.
Component plaatsen
Stift drukt de
soldeerpasta
door het gat
Reflow-solderen
Klaar!
4 PHOENIX CONTACT

Het „Pin in Paste“-proces in de SMT-productie
Het „Pin in Paste“-proces vormt de basis
voor de THR-technologie. Hierdoor
kan het aantal stappen in het productieproces
worden gereduceerd en kunnen
bedrade componenten in de SMT-productie
worden geïntegreerd. Aanpassingen
aan bestaande productieapparatuur
of procesvoering dienen daarbij zoveel
mogelijk te worden vermeden. Om de
THR-componenten in de processpecifieke
omgeving van de SMT-productie
te kunnen verwerken, worden hieraan
speciale eisen gesteld.
Bedrukken
Monteren
Reflow-solderen
Inspecteren
PHOENIX CONTACT 5

Eisen aan THR-componenten
Sinds 2007 wordt er loodvrij gesoldeerd.
Door deze overgang naar loodvrije soldeerprocessen
moesten soldeerlegeringen en
-processen uitgebreid worden aangepast en
gewijzigd. Dit heeft geleid tot optimaliseringen
bij de materiaalkeuze (kunststof en
metaaldelen), de geometrie van de componenten
(pinlengten) en de verpakkingen.
Hierna worden de belangrijkste eisen aan
THR-componenten en THR-technologie
onder loodvrije procesomstandigheden
beschreven.
Aanzuigvlakken voor optimale montage
Om de THR-componenten zonder speciale
grijper of pipet door de Pick and Place-kop
van de automaat te kunnen opnemen,
moeten deze een glad aanzuigvlak hebben.
Als dit gladde aanzuigvlak ontbreekt of als
het te klein is, moet het component van
speciale Pick and Place-pads worden voorzien.
Aanzuigvlak op het component Geïntegreerd aanzuigvlak Aanvullend Pick & Place-pad
6 PHOENIX CONTACT

Vrije ruimte aan de onderzijde van het component
THR-componenten worden in met soldeerpasta
gevulde doorgecontacteerde boringen
gestoken. Als de soldeerpasta door de sjabloon
is gedrukt, bevindt de pasta zich in het
boorgat en op de restring aan de bovenzijde
van de printplaat. Indien de soldeerpasta
voor extra soldeerreserve moet worden
overdrukt, kan in een beperkte ruimte op
de soldeerstoplak worden gedrukt (zie ook
„Sjabloondruk voor THR-componenten“
op pagina 15).
Om versmering van soldeerpasta en daaruit
resulterende soldeerfouten te voorkomen,
moeten de componenten rondom de soldeerstift
een zo groot mogelijke vrije ruimte
hebben en van afstandhouders, zogeheten
„stand offs“, zijn voorzien. Deze voorkomen
dat het isolatiehuis van de componenten en
de soldeerpasta contact maken.
Vrije ruimte rond de stiften
Behalve de designmodellen wordt ook de
vrije ruimte rondom de soldeerstift gedocumenteerd.
Het grijze gebied geeft aan waar
het component direct op de printplaat ligt.
4,05 0,55
4,42
diepte
0,5 mm
5,08
Tekening van de vrije ruimte
0,66
2
Two in One – meerpolige componenten
Met de toename van het aantal polen en de
lengte van het THR-component wordt het
procesvenster waarin het kan worden verwerkt
steeds kleiner. Tegelijkertijd neemt het
aantal aanpassingen in het proces toe.
Componenttolerantie
Door deze toenemende lengte wordt het
steeds moeilijker om de rasternauwkeurigheid
aan te houden en kan de stiftconnector
verder doorbuigen.
Componentgewicht
Als gevolg van het hoge componentgewicht
wordt het Pick and Place-proces langzamer
en zijn hoge snelheden problematisch of niet
realiseerbaar.
Verpakking
Rolverpakkingen voor meerpolige componenten
vallen meestal buiten de standaardmaten
en vragen om speciale aanpassingen aan de
toevoersystemen.
Met de Two in One-oplossing voor
COMBICON THR-stiftconnectoren kunnen
meerpolige componenten met 13 t/m 24
polen worden gerealiseerd. De THR-stiftconnectoren
worden op de printplaat uit twee
segmenten samengebouwd. De breedte van
de segmenten is gereduceerd met de dikte
van de zijwanden. Dit schept ruimte voor het
aanrakingsvrij monteren en het aan elkaar
rijgen van de behuizingen.
Na het reflow-solderen beschikken de segmenten
over dezelfde eigenschappen als
eendelige stiftconnectoren, d.w.z. dat het
steekcomfort onveranderd goed blijft. De
voordelen zijn de hoge maatvastheid en
geringe/minimale doorbuiging van de kortere
segmenten, het lage componentgewicht en
de verpakking in standaard rolbreedten waarvoor
altijd een feeder beschikbaar is.
Two in One-stiftconnectoren voor
de automatische montage op
standaard Tape on Reel
PHOENIX CONTACT 7

Gekleurde THR-componenten
In het begin van de THR-technologie waren
er alleen beige of transparante kunststoffen
beschikbaar, en kunststoffen die met
roet in verschillende gradaties zwart waren
"gekleurd".
Met de toenemende acceptatie van de
technologie op de markt neemt niet alleen
de vraag naar een uitgebreider productassortiment
toe, maar ook die naar gekleurde
uitvoeringen.
De transparante basiskunststoffen kunnen
weliswaar met kleurpigmenten van een kleur
worden voorzien, het resultaat wordt echter
bepaald door twee factoren: de stabiliteit
van het kleurpigment in relatie tot de zeer
hoge procestemperaturen en de mogelijkheden
om een gewenste kleur te realiseren.
Er is momenteel slechts een beperkt aantal
gekleurde componenten beschikbaar, waarvan
de kleuren weinig van de gebruikelijke standaardkleuren
afwijken.
Op het gebied van polyamide is de keuze het
grootst, direct gevolgd door PPA's. Gekleurde
LCP's staan bovenaan de wensenlijst. Hier
kunnen tot nu toe slechts enkele kleuren
worden gerealiseerd. In nauwe samenwerking
met kunststoffabrikanten wordt onderzocht
hoe het aantal kleurvarianten kan worden
uitgebreid.
Gekleurde THR-stiftconnectoren van HT-polyamide
Kleurvarianten
Invloed van de soldeerstiftgeometrie
Bij het THR-proces worden bedrade componenten
in de boringen gestoken, die vooraf
door de sjabloondruk met soldeerpasta zijn
gevuld. Daarbij speelt de geometrie van de
componentenaansluiting een belangrijke rol.
Boring in de
printplaat
Boring in de
printplaat
Boring in de
printplaat
Er kunnen drie basis aansluitgeometrieën
worden onderscheiden:
Vierkant
soldeercontact
Rond
soldeercontact
Rechthoekig
soldeercontact
De benodigde hoeveelheid soldeerpasta is
afhankelijk van de geometrie van de aansluitpin.
De latere vulgraad wordt bepaald door
de exacte verhouding pinvolume / boorgatvolume.
Het reflow-effect wordt veroorzaakt door
capillaire kracht, waardoor de gesmolten soldeerpasta
op de soldeerstift door de boring
naar het printplaatoppervlak wordt getrokken.
Als dit proces als gevolg van een ongunstige
geometrie zoals te smalle of dunne aansluitingen
niet op de juiste wijze functioneert,
kan dit tot pastaverlies leiden (afdruppelen).
Het procesvenster wordt hierdoor kleiner en
de optimalisatiekosten nemen toe.
Rond THR-soldeercontact (M12-connector)
Rechthoekige soldeerstift, ontoereikend soldeervolume,
hier zonder pastaverlies – optimalisatie
noodzakelijk!
8 PHOENIX CONTACT

Vergulde contacten
Voor sommige applicaties moeten vergulde
contactsystemen worden toegepast. In het
algemeen wordt de toepassing van goud in
een soldeerplaats als ongewenst beschouwd,
omdat er tin-goud-structuren ontstaan die op
termijn bros worden en daarmee de soldeerplaats
kunnen beschadigen. Bij het klassieke
golfsolderen wordt bij volledig vergulde contactstiften
de goudlaag tijdens het solderen
"weggewassen", waardoor het genoemde risico
minimaal is. Bij de THR-technologie blijft
het goud vanwege de beperkte toevoer van
soldeerpasta in de soldeerverbinding achter.
Daarom zijn bij Phoenix Contact gedeeltelijk
vergulde stiften verkrijgbaar. De contactzijde
is nog steeds verguld, maar de soldeerzijde is
vertind uitgevoerd.
Gedeeltelijk vergulde stiften
THR-stiftconnector met gedeeltelijke vergulde
stiften
Keuze van de juiste soldeerstiftlengte
De keuze van de juiste soldeerstiftlengte
is onder meer afhankelijk van de soldeermethode
en het type soldeerproces. In het
algemeen geldt dat bij loodvrije processen
vanwege de duidelijk gewijzigde soldeerpastaeigenschappen
kortere stiften worden aanbevolen.
Dat geldt met name voor het dampfaseproces,
omdat hier onafhankelijk van de
toegepaste soldeerverbinding het condensaat
op de soldeerdruppel aan het uiteinde van de
stift neerslaat en tot pastaverlies kan leiden.
Daarentegen kunnen met zeer korte, in de
printplaat verzonken stiften zeer goede soldeerplaatsen
worden gerealiseerd. Er bestaan
echter nog geen criteria om de kwaliteit
hiervan volgens de IPC-inspectienorm te testen,
zodat het risico individueel moet worden
beoordeeld.
Pinlengte (standaard) THR-convectie THR-dampfase
1,4 mm
Soldeerverbinding optimaal!
Inspectie niet volgens
IPC gekwalificeerd!
Soldeerverbinding optimaal!
Inspectie niet volgens
IPC gekwalificeerd!
2,6 mm Optimaal! Optimaal!
3,4 mm
Vooral voor loodhoudende
processen.
Kleiner procesvenster
bij loodvrije processen.
Beperkt geschikt.
Risico van pastaverlies.
Niet aan te bevelen!
PHOENIX CONTACT 9

Afhankelijkheid van soldeerstiftlengte en soldeerpasta
In het THR-proces werken printplaat, soldeerpasta,
componenten en het type soldeerproces
onderling samen. Het resultaat
wordt beïnvloed door alle bij het proces
betrokken factoren.
Van al deze factoren is de gebruikte soldeerpasta
de belangrijkste. De overgang naar
loodvrije soldeerprocessen heeft ook gevolgen
gehad voor het loodvrije THR-proces.
Soldeerproces
Soldeerpasta
Printplaatoppervlak
Componenten
Om ervoor te zorgen dat er voldoende
soldeerpasta voor het soldeerproces beschikbaar
is, wordt bij de sjabloondruk soldeerpasta
door de printplaat gedrukt.
THR-componenten van Phoenix Contact
hebben in de regel stiftlengten die 1 mm
onder de printplaat uitsteken. Voor kritische,
loodvrije soldeerpasta's (minder snelle
dekking en geringe adhesie bij de stift) zijn
kortere stiftlengten beschikbaar. Met zeer
korte stiftlengten kunnen ook loodvrije
en loodhoudende soldeerpasta's worden
verwerkt die de neiging hebben om te druppelen.
De beoordeling van de soldeerplaats
is bij deze bijzondere vorm echter beperkt
(zie ook „Inspectie van de soldeerplaats“ op
pagina 21).
De doorgedrukte soldeerpasta hangt aan de
punt van de stift en vormt het soldeerdepot
voor het aansluitende soldeerproces. Belangrijk:
een korte stift voorkomt dat de soldeerpasta
eraf druppelt. Voor dampfase-reflowsystemen
wordt in het algemeen een kortere
stiftlengte aanbevolen, omdat het condensaat
de soldeerpastadruppel extra gewicht geeft.
Hittebestendige kunststof – HT
In het eisenprofiel van een kunststof voor
THR-componenten staat de kortdurende
bestendigheid tegen hoge temperaturen
op de eerste plaats. Tegelijkertijd moet de
kwaliteit en performance van een THRcomponent
vergelijkbaar zijn met die van een
golfsoldeerbare variant.
Bij de HT-kunststoffen liggen de isolatiewaarden
voor een deel aanzienlijk onder die van
standaard kunststoffen. Daarom moet er met
lagere nominale gegevens / nominale spanningen
rekening worden gehouden. Afhankelijk
van de eis worden tegenwoordig polyamide
(PA 4.6), LCP's (Liquid Crystal Polymer) of
PCT's toegepast.
De eisen aan de bestendigheid tegen hoge
temperaturen zijn door de overgang naar
loodvrije processen aanzienlijk verhoogd.
Gemiddeld is het procestemperatuurniveau
met 30 – 40 °C toegenomen. Omdat de
bovenste grenstemperatuur voor veel componenten
tot 255 à 260 °C is begrensd,
wordt automatisch het procesvenster verkleind.
De geschiktheid van een component van een
bepaalde hittebestendige kunststof moet volgens
de norm IPC / JEDEC J-STD-020D worden
gekwalificeerd.
10 PHOENIX CONTACT

Kwalificatie van THRcomponenten
volgens
J-STD-020D
De focus van de kwalificatiestandaard IPC/
JEDEC J-STD-020D ligt op de specifieke
vochtopname van kunststoffen, die door
de temperatuurbelasting van het reflowproces
tot beschadiging van het component
in de vorm van blaasvorming, delaminatie
of deformatie kan leiden. Afhankelijk van
de componentgeometrie en indirect van
de keuze van de kunststof worden „levels“
gedefinieerd, die het type verpakking (bijv.
in een drybag) en de verwerking in voor
SMT-processen gangbare atmosferen
definiëren.
Classificatie van de eisen aan reflow-componenten
In een reeks fundamentele experimenten binnen
een gesimuleerd reflow-soldeerproces
heeft men de maximaal vereiste piektemperatuur
van 260 °C gedurende meer dan 30
seconden op het component laten inwerken.
In de praktijk is echter gebleken dat componenten
met een grotere behuizingsdikte of
-volume tegen minder hoge piektemperaturen
bestand zijn dan dunne componenten of
componenten met een klein volume. Daarom
moeten voor de eerstgenoemde componenten
– onafhankelijk van de gekozen kunststof
– de eisen ten aanzien van de piektemperatuur
worden verlaagd.
Bepaling van de maximaal toegestane
temperatuur in relatie tot behuizingsvolume
en behuizingsdikte.
Afhankelijk van het vochtopnamegedrag van
de toegepaste hittebestendige kunststof
wordt een doelklasse (level) vastgesteld.
Componentvolume
> 2000 mm 3
350 – 2000 mm 3
260 °C 245 °C 245 °C
260 °C
250 °C
245 °C
260 °C 260 °C 260 °C
< 350 mm 3 1,6 mm – 2,5 mm ≥ 2,5 mm
THR-componenten
van Phoenix Contact
vallen minimaal binnen
de volgende componentgrootteclassificatie:
• componentdikte
≥ 2,5 mm
• componentvolume
> 350 mm3
< 1,6 mm
Max. temperatuur aan de bovenzijde van het component
Componentsterkte/-
dikte
PHOENIX CONTACT 11

Bepaling van de maximaal toelaatbare
open tijd = veilige verwerking zonder
beschadiging in het reflow-proces.
De toelaatbare open tijd duidt op de tijd
waarbinnen componenten moeten worden
verwerkt vanaf het moment dat ze droog
uit een luchtdichte verpakking zijn gehaald.
Binnen deze tijd kan het component vocht
opnemen zonder dat dit in het reflow-proces
tot beschadiging leidt.
Componenten die geen of nagenoeg geen
vocht opnemen, voldoen zonder dat ze in
drybags worden verpakt aan level 1 „onbeperkt“.
Componenten die vocht opnemen
worden geclassificeerd van 1 jaar (level 2) tot
enkele uren (level 3 – 6). Deze componenten
moeten in een drybag-verpakking worden
bewaard.
Open tijd
∞
Onbegrensd
1 Y
1 jaar
4 W 168 72 48 24 TOL
4 weken
168 h
1 2 2a 3 4 5 5a 6
72 h
48 h
24 h
Tijd op etiket
Level
Testcyclus, definitie van de Moisture Sensitive Levels (MSL)
Hieronder wordt de testcyclus beschreven aan de hand waarvan de doelklasse (level) wordt getest.
Definitie van de doelklasse Droging 4 uur bij 125 °C
Nieuwe doelklasse
definiëren
Blootstelling
vochtopname
volgens doelklasse
Reflow-solderen
met temperatuurprofiel volgens
„componentgrootteclassificatie“
3 reflowcycli
Niet
doorstaan
Inspectie
Doorstaan
Component wordt
overeenkomstig deze
doelklasse geclassificeerd
12 PHOENIX CONTACT

De test begint gewoonlijk met een piektemperatuur
van 260 °C. Pas als deze test niet
wordt doorstaan, wordt overeenkomstig de
norm voor componentgrootte of -volume
de maximale piektemperatuur verlaagd tot
250 °C resp. 245 °C. De nagestreefde klasse
blijft echter gehandhaafd. Als ook deze test
niet wordt doorstaan, wordt een nieuwe
doelklasse bepaald en opnieuw met een
piektemperatuur van 260 °C begonnen.
Pas wanneer er geen beschadigingen aan
het component meer optreden, staat het
definitieve Moisture Sensitive Level vast. De
componenten worden dan overeenkomstig
de norm verpakt en gecodeerd.
Test niet doorstaan –
nieuwe testcyclus vereist
Verpakking
Voor loodvrije reflow-soldeerbare
componenten bevestigt Phoenix Contact
de verwerkbaarheid overeenkomstig
IPC/JEDEC J-STD 020D door de aanduiding
van het betreffende Moisture Sensitive Level
(MSL) voor de productfamilie.
Componenten in standaard zak – MSL 1
Componenten in drybag – bijv. MSL 3
Codering
PHOENIX CONTACT 13

Procesintegratie – achtergronden van
printplaatlayout, pastadruk,
montage, solderen en inspectie
Optimale procesintegratie begint bij de
layout van de printplaat. Hier wordt de
basis gelegd voor de best mogelijke soldeerresultaten.
Ook de juiste wijze van
pasta aanbrengen is van grote invloed op
het eindresultaat. Daarnaast gelden bij de
montage regels die in acht moeten worden
genomen. Het soldeerproces evenals de
afsluitende inspectie worden in normen
duidelijk beschreven.
Printplaatlayout
1. Pad Design / Restring
Met betrekking tot de dimensionering van de
restring gelden vrijwel dezelfde eisen als voor
golfgesoldeerde pads. Rekening houdend met
de lucht- en kruipwegen en met de vrije
ruimte onder het component rondom de
stift dienen de ringbreedten tussen 0,2 en
0,5 mm te liggen. Het potentieel grotere
pastavolume op bredere ringen kan de kwaliteit
van de soldeerverbinding (meniscusvorming)
positief beïnvloeden.
2. Boorgatdiameter
De toepassing van THR-technologie vraagt
om aanpassingen van de printplaatlayout. De
keuze van de juiste boorgatdiameter is hier
erg belangrijk. Deze zorgt voor een goede
terugstroom van soldeerpasta in het reflowproces.
Daarnaast speelt de afmeting van
het boorgat een rol bij de geautomatiseerde
montage. Met de juiste boorgatdiameter
worden productietoleranties gecompenseerd
en kan de montage betrouwbaar worden
gerealiseerd.
d
d i
d = stiftdiagonaal van de toegepaste vierkante stift
d i
= binnendiameter boorgat
Als vuistregel voor een geschikte
boorgatdiameter geldt:
d i
= d + 0,3 mm
14 PHOENIX CONTACT

In de praktijk leiden toenemende componentlengten
tot grotere productietoleranties.
Om de montagebetrouwbaarheid bij meerpolige,
grotere componenten te verhogen,
kan het nodig zijn om de binnendiameter met
maximaal 0,1 mm te vergroten. Voor THRcomponenten
van Phoenix Contact worden
de aanbevolen boorgatdiameters in relatie tot
het aantal polen bij de afzonderlijke series
gedocumenteerd.
Voorbeeld:
Voor de serie CC wordt bij 5 polen een
boorgatdiameter van 1,5 mm aanbevolen.
Vanaf 6 polen wordt de diameter vergroot
naar 1,6 mm.
1954537 CC 2,5/8-G-5,08 P26THR
Informatie over dit artikel
Afmetingen / polen
Rastermaat
5,08 mm
Afmeting a
35,56 mm
Aantal polen 8
Stiftafmetingen
1 x 1 mm
Stiftafstand
5,08 mm
Boorgatdiameter
1,6 mm
Pastadruk
1. Sjabloondruk voor THR-componenten
Tijdens het printproces wordt de soldeerpasta
voor SMD-componenten (oppervlaktemontage)
en THR-componenten (Through
Hole montage) tegelijkertijd met behulp
van een sjabloon op de pads/restringen aangebracht.
Tegenwoordig worden hiervoor
sjablonen met een dikte van 100 tot 150 µm
toegepast.
Bij het printen zelf kan de doordruk door het
variëren van de rakelhoek of rakelsnelheid
(evt. door de patroondruk bij gesloten raketsystemen)
worden veranderd.
De drukprocessen zijn afgestemd op de
gebruikte soldeerpasta en op de Fine Pitchstructuren
van de SMT-componenten en
mogen slechts in geringe mate door het
gelijktijdig plaatsvindende THR-printen worden
beïnvloed.
P1
V
α1
α2 < α1
Gesloten rakelsysteem
P2 > P1
P2
V
α2
Doordruk
in relatie tot
de rakelhoek
2. Benodigde pastavolume voor THR-componenten
Het pastavolume – de benodigde hoeveelheid
pasta – moet twee keer zo groot zijn
als het voor de verbinding nagestreefde soldeervolume,
omdat een groot deel van de
soldeerpasta uit hulpstoffen als activators en
vloeimiddelen bestaat. In de praktijk worden
twee bedrukkingsvarianten aanbevolen:
1
0 – 0,5 mm
2
100 – 150 µm
sjabloondikte
3
4
100 – 150 µm
sjabloondikte
Variant A:
Soldeerpasta met geringe neiging om te
druppelen
– geen overdruk noodzakelijk (1)
– gerichte overdruk van soldeerpasta
met een doordruk tot 0,5 mm onder de
printplaat (2)
Variant B:
Soldeerpasta met grote neiging om te
druppelen
– overdruk van het soldeeroog (3) als extra
soldeerdepot
– reductie van de ingebrachte hoeveelheid soldeerpasta
door profielen in de sjabloon (4)
PHOENIX CONTACT 15

3. Standaard druk (variant A)
De soldeerpastadruk bepaalt het uiterlijk en
de kwaliteit van de soldeerplaats. De sturing
van de hoeveelheid soldeerpasta kan worden
geregeld door de sjablonen te variëren.
d S
= d A
– 0,1 mm waarbij
d A
= d i
+ 2*R
d s
Bij een soldeerpasta met geringe neiging om
te druppelen (variant A) wordt de uitsparing
in de sjabloon berekend volgens het volgende
schema:
(d S
sjabloonuitsparing Ø)
(d A
soldeeroog Ø)
(d i
boorgat Ø)
(R restringbreedte)
R
d i
d A
R
Bij deze variant wordt een overdruk van soldeerpasta
op de soldeerstoplak vermeden.
Het benodigde soldeerdepot ontstaat door
de doorgedrukte pasta aan de onderzijde van
de printplaat.
Voordeel: de sjabloon sluit op het
soldeeroog af
– geen vorming van soldeerparels
– geen onderdrukking mogelijk en hierdoor
minder reinigingscycli
Sjabloon
Soldeerstoplak
Printplaat
Soldeerpasta
Restring
4. Gereduceerde doordruk (variant B)
Als de gebruikte soldeerpasta de neiging
heeft om te druppelen of als de boorgaten
voor de toegepaste componenten zeer groot
zijn, moet een andere strategie worden
gevolgd. In dit geval is het aan te bevelen om
profielen in de sjablonen aan te brengen om
zo de doorstroming van pasta te begrenzen.
Hier kan door gerichte overdruk een extra
(klein) soldeerdepot op het printplaatoppervlak
worden aangebracht.
Alternatieve uitsparingen met profielen
en grotere diameters:
– ter vergelijking: geen overdruk, zonder profiel
d S
S
profiel
– overdruk 50 µm en 0,3 mm profiel
R
d i
R
– overdruk 100 µm en 0,5 mm profiel
16 PHOENIX CONTACT
Sjabloonuitsparing

5. Soldeerresultaat met gereduceerde pastadruk
De volgende test met stiften van 1,4 mm en
een printplaat met een dikte van 1,6 mm
toont duidelijk aan dat met een toenemende
profielbreedte het soldeervolume afneemt en
de soldeermeniscussen steeds slanker worden.
geen profiel
geen overdruk
profiel 0,3 mm
overdruk 50 µm
Sjabloonuitsparing
Drukbeeld
onderzijde van de printplaat
Dwarsdoorsneden
soldeerplaatsen
profiel 0,5 mm
overdruk 100 µm
Montage
1. Automatische montage – Pick and Place
Printplaataansluitelementen worden gewoonlijk
– en met name bij golfsoldeerprocessen
– met de hand gemonteerd. Dankzij de integratie
van THR-componenten in de automatische
montage bij reflow-processen ontstaan
aanzienlijke kostenvoordelen.
THR-componenten kunnen echter vanwege
hun formaat en gewicht doorgaans alleen met
Pick and Place-automaten worden gemonteerd.
Hierbij zijn de montagesnelheden lager
(geen componentenverlies) en er is een vrije
montageruimte van 25 tot 40 mm nodig.
De componenten worden door standaard
vacuümpipetten opgenomen.
De componenten worden op vastgelegde
posities opgepakt (Pick), vervolgens worden
ze met een camera opgemeten en daarna op
de juiste positie op de printplaat geplaatst
(Place).
Voor de uitvoering van dit proces moeten
THR-componenten worden geleverd in verpakkingen
die standaard in de SMT-productie
kunnen worden toegepast. De rolverpakking
(Tape on Reel) is hier de meest gebruikte
verpakkingsvorm. Voor zeer grote of geometrisch
complexe componenten kunnen ook
tray- of tube-verpakkingen worden gebruikt.
„Pick“ – oppakken van het component
uit de rol
Cameraregistratie voor het opmeten
van het component
„Place“ – plaatsen van het component
op de printplaat
PHOENIX CONTACT 17

2. Rolverpakking – Tape on Reel
De meest voorkomende leveringsvorm voor
SMT- en THR-componenten is de Tape on
Reel-verpakking. Voor THR-componenten
worden rollen met de standaardbreedten
24 / 32 / 44 / 56 / 72 en 88 mm gebruikt. Op
grond van de componentgrootte – met name
bij verticale componenten – moet worden
gecontroleerd of de in de feeder aanwezige
radii voldoen en of er in de automaat voldoende
ruimte is voor de aan- en afvoer van
de tape.
Tape on Reel-verpakking
Rolradius past in het feeder-systeem
Component te groot voor het feeder-systeem
De beschikbare ruimte in de feederbank van
een automaat is altijd erg beperkt. Daarom
wordt voortdurend gestreefd naar optimale
benutting van de ruimte. Het vervaardigen
van speciale feeders is erg kostbaar. Standaard
bouwbreedten van 24 mm tot 56 mm
hebben daarom de voorkeur. Dat beperkt
echter ook de componentlengten op de rol.
Vanwege deze beperkingen worden meerpolige
stiftconnectoren als Two in One-stiftconnectoren
aangeboden. Daarbij worden de
rechter en linker helft van de componenten
gescheiden door de automaat geplaatst. Het
voordeel hiervan is economisch gebruik van
beschikbare standaard feeders. Belangrijke
automatische handelingen zoals „random
montage“ blijven behouden. Tijdrovende programmering
waarbij rekening moet worden
gehouden met bepaalde sequenties zijn niet
nodig.
Meerpolige Two in One-stiftconnectoren in twee
feeders in de feederbank
Beperkte beschikbare ruimte in de feederbank
Met de Two in One-oplossing worden
meerpolige stiftconnectoren op de
printplaat gerealiseerd
18 PHOENIX CONTACT

3. Alternatieve verpakkingen – Tubes of Trays
Veel van de vlakke SMD-componenten vragen
om een verpakking in trays. Daarom wordt
voor de toevoer naar montageautomaten
steeds vaker een tray-feeder vereist. Ook
THR-componenten met een groot volume
kunnen in trays worden verpakt, zodat optimaal
kan worden geprofiteerd van de traybevoorrading
en componententoevoer.
Componenten die moeilijk of tegen hoge
kosten op rol of in trays kunnen worden verpakt,
kunnen als tube (staafmagazijn) worden
geleverd. Ook voor deze verpakkingsvorm
moeten de montageautomaten over speciale
feeders beschikken. THR-componenten
kunnen dus ook hier in het proces worden
geïntegreerd.
Volumineuze THR-componenten in
tray-verpakking
Tube-verpakking
Speciale uitvoering „pinstrip“ in
tube-verpakking
Solderen
1. Through Hole Reflow-soldeerproces
Na de montage bevindt de soldeerpasta zich
in de vorm van een druppel („luciferkop“) op
de punt van de stift onder het boorgat. In
het daaropvolgende soldeerproces smelt de
pasta zodra de vloeitemperatuur is bereikt en
kruipt deze door capillaire werking langs de
stift door het boorgat omhoog. In de afkoelingsfase
die daarop volgt, zakt een deel van
de soldeerpasta weer omlaag en vormt de
karakteristieke soldeerkegel. De dekking van
loodvrije soldeerpasta's verloopt minder snel
dan bij loodhoudende soldeerpasta's. Daarom
worden voor THR-componenten speciaal
ontwikkelde tinoppervlakken gebruikt die dit
effect compenseren.
De overstek van de stift onder de printplaat
speelt bij het smelten van de soldeerpasta
een belangrijk rol. De doorgedrukte soldeerpasta
moet nog met het boorgat (restring)
in contact staan om een goed reflow-effect
te bereiken. Korte stiftlengten reduceren het
risico van pastaverlies door afdruppelen (zie
ook „Invloed van de soldeerstiftlengte“ op
pagina 10).
Pastadruppels op stiftpunten
Smeltproces in de reflow-oven
PHOENIX CONTACT 19

2. Soldeertechnologieën
De huidige SMD-productie maakt vooral
gebruik van de convectie-soldeertechnologie
(ca. 75% aandeel), gevolgd door dampfasesoldeersystemen
(< 20%). De klassieke infrarood-soldeeroven
wordt nog maar zelden
toegepast.
De convectie-soldeeroven beschikt vanwege
het continuproces en het huidige moderne
warmtemanagement met regelbare onder- en
bovenverhitting over het grootste productieaandeel.
Met betrekking tot de THR-technologie
zijn er zelden beperkingen aan het model.
Dampfase-soldeerovens zijn de laatste jaren
consequent doorontwikkeld. Met het toch
al hoge productieaandeel wordt deze oventechnologie
dankzij de „Inline“-productie
steeds belangrijker. Voor de toepassing van
THR-componenten dient met de volgende
bijzonderheid rekening te worden gehouden:
het condensaat dat zich op de pastadruppel
afzet, kan tot afdruppelen leiden. Door een
kortere soldeerstiftlengte kan dit worden
tegengegaan (zie ook „Invloed van de soldeerstiftlengte“
op pagina 10).
Convectie-soldeeroven
3. Normen voor het reflow-proces
Soldeerkamer van een dampfase
De actuele normen voor de verwerking van
componenten in loodvrije reflow-processen
beperken zich tot SMD-componenten, voor
zover de betreffende eisen en kwalificatietests
overeenkomstig deze normen kunnen
worden toegepast.
1. Een norm die het soldeerproces zelf
beschrijft is de DIN EN 61760-1 – Oppervlaktemontagetechnologie
– Standaardmethode
voor de specificatie van onderdelen voor
oppervlaktemontage (SMD's).
2. De procesvoorwaarden die worden
beschreven in de norm DIN IEC 60068-2-58
– Methoden voor de beproeving van de soldeerbaarheid,
de bestandheid tegen oplossen
van de gemetalliseerde delen en de bestandheid
tegen soldeerwarmte van elementen
voor oppervlaktemontage (SMD) – dienen
voor de kwalificatie van het proces. De soldeerprofielen
die in het toepassingsgebied
van de norm worden beschreven, kunnen
als basis dienen. Vooral omdat voor reflowsolderen
geschikte printplaataansluitelementen
samen met SMD-componenten worden
gesoldeerd zodat de eisen overdraagbaar zijn.
Een nadeel is dat componenten die aan geen
enkel profieltype voldoen niet volgens deze
norm kunnen worden gekwalificeerd, hoewel
er in de praktijk bij aanzienlijk lagere piektemperaturen
en vergelijkbaar profielverloop
probleemloos een soldeerverbinding volgens
DIN EN 61760-1 kan worden gerealiseerd.
3. De IPC/JEDEC J-STD-020D – Moisture/
Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic
Solid State Surface Mount Device –
bevat een kwalificatietest voor componenten.
Deze test wordt onder „Kwalificatie van
THR-componenten“ (op pagina 12) beschreven.
In principe beschrijft de IPC/JEDEC
J-STD-020D alleen de kwalificatie-eisen voor
de behuizingskunststof. De soldeerverbinding
wordt niet gekwalificeerd.
In het algemeen worden de JEDEC-profielen
in vergelijking met de IEC-profielen als meer
belastend beschreven. In werkelijkheid kan
een profiel flexibeler worden vormgegeven
en zich desondanks binnen het kwalificatieprofiel
bevinden.
4. Aanbevolen soldeerprofiel
In de praktijk wordt er altijd naar gestreefd
om aan de ondergrens van warmtebelastingen
te solderen. Gangbare piektemperaturen
liggen bij 235 °C tot 245 °C voor de meest
gebruikte SnAgCu-soldeerlegeringen.
Hiernaast wordt een aanbevolen praktijkgericht
profiel aangegeven (bovenzijde component):
voor loodvrije reflow-soldeerbare
componenten bevestigt Phoenix Contact de
verwerkbaarheid overeenkomstig IPC/JEDEC
J-STD 020D door de aanduiding van het
betreffende Moisture Sensitive Level (MSL)
voor de productfamilie. In enkele gevallen
wordt een gereduceerde maximaal toelaatbare
„Peak Body Temperature“ aangegeven.
Temperatuur °C
Reflow-soldeerprofiel loodvrij (SnAgCu)
250
217°C
200

Inspecteren
1. Eisen aan de soldeerplaats
Voor de inspectie van THR-soldeerplaatsen
kan de norm IPC-A-610D worden gehanteerd.
Om de soldeerkegel aan de boven- en
onderzijde van de printplaat te kunnen
beoordelen, moet de stift door de soldeerverbinding
heen steken. Voor korte stiften
die in de printplaat eindigen worden geen
beoordelingscriteria aangegeven.
Wanneer aan de volgende voorwaarden is
voldaan, kan een soldeerplaats volgens deze
norm worden gekwalificeerd als klasse 3-verbinding
– producten voor maximale betrouwbaarheid:
Vulgraad
Minimaal 75 % verticale soldeervulling
vereist
Dekking van de omtrek
Soldeerontvangstzijde 270° resp. 75 %
Soldeertoevoerzijde 330° resp. 92 %
Dekking van het soldeeroog
Soldeerontvangstzijde: dekking van het
soldeeroog niet vereist
Soldeertoevoerzijde: dekking van het
soldeeroog 75 %
2. Kwaliteit van loodvrije THR-soldeerplaatsen
THR-soldeerplaatsen lijken uiterlijk erg op
soldeerplaatsen die bij het golfsolderen of
selectief solderen worden gevormd. Het
belangrijkste verschil ligt in de vorm van de
soldeerkegel. Omdat er in dit proces weinig
soldeerpasta wordt gebruikt, zijn de soldeerkegels
kleiner of minder duidelijk van vorm.
Deze speciale verschijningsvorm moet
met de kwaliteitsborging zijn afgestemd
of bij toepassing van automatische
inspectiesystemen (AOI) in acht worden
genomen.
PHOENIX CONTACT 21

Standaard stift – resultaten met loodvrije soldeerverbindingen (SnAgCu)
De stift die enigszins onder de printplaatonderzijde
uitsteekt, voldoet aan de minimumeisen
van de norm voor beoordeelbare
soldeerplaatsen. Bij een optimale afstemming
van alle parameters wordt nagenoeg voor
100% aan alle eisen voldaan. Zo is in de
dwarsdoorsnede een vulgraad van minimaal
75% bereikt. Aan beide zijden zijn kleine soldeerkegels
gevormd. De mogelijke vorming
van gietblazen is sterk afhankelijk van de
gebruikte soldeerpasta.
De beoordeling van de vulgraad voor een 2,6 mmstift
in een printplaat met een dikte van 1,6 mm
Perfecte dekking van het soldeeroog en 100%
dekking van de omtrek
Typische magere THR-soldeerplaatsen aan de
onderzijde van de printplaat met meer dan 75%
soldeeroogdekking en 100% dekking van de
omtrek
Speciale uitvoering „verzonken stift“
Bij sommige layouts is het zinvol om verzonken
stiften te gebruiken, met name daar waar
men de ruimte aan de andere zijde van de
printplaat nodig heeft. Een verzonken stift is
een stift die niet uit het gat van de printplaat
steekt en waarvan de soldeerplaats daarom
niet volgens IPC-A-610D kan worden gekwalificeerd.
Om de kwaliteit te kunnen beoordelen, moeten
hier eigen strategieën worden ontwikkeld.
Dwarsdoorsneden tonen ook hier een
betrouwbare vulgraad en een goede vorm
van de soldeerkegel onder het component.
De mechanische bestendigheid van soldeerplaatsen
bij verzonken stiften is in vergelijking
met soldeerplaatsen die aan beide zijden een
meniscus hebben gevormd ca. 15% lager. De
mechanische bestendigheid van beide varianten
is vele malen hoger dan die bij pure
oppervlaktemontage.
De beoordeling van de vulgraad voor een 1,4 mmstift
in een printplaat met een dikte van 1,6 mm
De beoordeling van de dekking van de omtrek
en van de soldeeroogdekking is niet volgens IPC
gedefinieerd.
Soldeerplaats aan de bovenzijde van de printplaat:
dekking van de omtrek en soldeeroogdekking
voldoet aan de norm
22 PHOENIX CONTACT

Snel naar het juiste product
Voor de snelle productkeuze biedt
Phoenix Contact naast een geavanceerde
online productcatalogus ook de speciale
zoekassistent COMBICON select op
internet. Met de CAD-gegevens die bij het
gekozen product kunnen worden gedownload,
wordt het ontwerpen van printplaten
bijzonder eenvoudig.
www.phoenixcontact.nl/searchassistants
www.phoenixcontact.nl/catalogus
PHOENIX CONTACT 23

Meer informatie over de vermelde producten
en oplossingen van Phoenix Contact vindt u op
www.phoenixcontact.nl/catalogus
Industriële aansluittechniek,
coderingssystemen en montagemateriaal
CLIPLINE
Industriële connectoren
PLUSCON
Neem contact met ons op!
Printplaataansluittechniek en
elektronicabehuizingen
COMBICON
Overspanningsbeveiliging
NL
BE
PHOENIX CONTACT BV
Postbus 246
6900 AE Zevenaar
Tel. (0316) 59 17 20
Fax (0316) 52 40 74
sales@phoenixcontact.nl
www.phoenixcontact.nl/searchassistants
www.phoenixcontact.nl/catalogus
PHOENIX CONTACT NV/SA
Minervastraat 10-12
B-1930 Zaventem
Tel. 02-7 23 98 11
Fax 02-7 25 36 14
sales@phoenixcontact.be
www.phoenixcontact.be/searchassistants
www.phoenixcontact.be/catalogus
Componenten en systemen
AUTOMATION
TRABTECH
Signaalconverters, schakelmodulen,
voedingen
INTERFACE
MNR 52005109/01.11.08-00 Printed in Germany © PHOENIX CONTACT 2008