Defined Impedance Calculators
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Archive for category: Technologie
Insight Technology – Dickentoleranz bei Leiterplatten
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Insight Technology – Langloch-Endmaß-Toleranz
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Insight Technology – Registrierung Lage zu Lage Toleranzen
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Insight Technology – Toleranzen Leiterbahnbreite & -abstände
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Insight Technology – Toleranz Endlochdurchmesser
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Welche Lötoberfläche passt zu Ihrem Design?
Löt-Oberflächen auf Leiterplatten
Die Auswahl der richtigen Löt-Oberfläche ist ebenso wichtig wie die Auswahl des passenden Herstellers für die Leiterplattenfertigung. Die Auswahl der falschen Oberfläche kann zu Problemen bei der Bestückung führen. Die Löt-Oberfläche schützt die Kupferpads gegen Oxidation und Verunreinigungen. Ohne Löt-Oberfläche würde das Kupfer oxidieren, wodurch das Löten von Bauteilen fast unmöglich gemacht wird. Da alle Oberflächen Ihre Vor- und Nachteile haben, ist es wichtig sich ihre Anwendung anzuschauen und die Behandlung der Leiterplatte bei der Bestückung mit einzubeziehen. Wir bieten folgende Löt-Oberflächen an: bleifreie Heissluftverzinnung (HAL), chemisch Nickel-Gold (ENIG), chemisch Silber (ImAg). Alle sind bleifrei und können für ein RoHS Design ebenso genutzt werden, wie für die verbleite (SnPb) Bestückung. Steckergold kann mit Hartgold beschichtet werden (galvanisch Nickel-Gold Ni/Au)
bleifrei unspezifiziert
Falls Sie keine spezifische Oberfläche auswählen, wird Ihre Leiterplatte auf einem Produktionsnutzen entweder in HAL bleifrei, chemisch Silber, oder chemisch Nickel-Gold produziert. Die Auswahl richtet sich nach den anderen auf diesem Nutzen gefertigten Leiterplatten.
HAL bleifrei
Die Verwendung von HAL als Oberfläche führt zur höchsten Stufe der Lötbarkeit und Löt-Robustheit im Hinblick auf eine mehrstufige Bestückung und Lagerung, bei einem gleichzeitig günstigen Preis. Andererseits erfordert der HAL-Prozess das Eintauchen der kompletten Leiterplatte in flüssiges Lot und ist damit für eine zusätzliche thermische Belastung der Leiterplatte verantwortlich. Aus diesem Grund ist HAL nicht die beste Wahl, falls Ihre Leiterplatte kleine Durchsteiger besitzt, oder dicker als normal – also der Aspect Ratio zu hoch – ist. Ein weiterer Aspekt ist die balligere Oberfläche dieses Verfahrens. Obwohl wir bemüht sind eine möglichst planare Oberfläche zu erreichen, kann die Schwankung der Menge des Lotes auf den Pads diese Oberfläche weniger geeignet für kleine Bauteile mit kleinen Pad-Größen sein.
ENIG (chem. Ni/Au)
Viele Kunden wählen diese Oberfläche wegen der planaren Oberfläche, der guten Lötbarkeit und der akzeptablen Lagerfähigkeit, aber auch, weil sie diese Oberfläche schon vor der Einführung der bleifreien Bestückung kannten. Zumindest dieser Parameter konnte unverändert bleiben und gab zu dieser Zeit etwas Sicherheit. Wie auch immer, der ENIG-Prozess ist kompliziert und hat ein höheres Risiko von Fehlstellen (fehlende Beschichtung, “black Pad” oder Kontaktversprödung). Bei ENIG wird die Lötverbindung zwischen dem Lot und der Nickelschicht der Nickel-Gold-Oberfläche hergestellt, nicht mit dem darunter liegenden Kupfer. Das Gold wird in der Lötverbindung komplett aufgelöst. Diese Verbindung ist bedeutend brüchiger als eine Kupfer-Zinn-Verbindung und wird deswegen nur bei Anwendungen empfohlen bei denen Stöße, Biegungen oder starke Vibrationen keine Rolle spielen. Zudem ist ENIG die teuerste Oberfläche. Für manche Anwendungen, wie Tastaturkontakte oder Draht-Bonding, ist es die bessere Wahl.
chemisch Silber (chem. Ag)
Diese Oberfläche ist häufig ein Zankapfel, manche lieben diese Oberfläche, manche nicht. Sie bietet eine planare Oberfläche, eine gute Lötbarkeit und eine lange Lagerfähigkeit. Die Lötverbindung wird zum darunterliegenden Kupfer hergestellt, da das Silber beim Löten aufgelöst wird. Klingt gut, aber chem. Ag ist empfänglich für Schwefeldioxid (SO²), welches die Oberfläche überzieht und eine AgS² Lage herstellt. Diese Lage beeinflusst die Lötbarkeit nachteilig. Zur Vermeidung dieses Überzugs verpacken wir die Leiterplatten vakuumdicht in silbernes Packpapier, um zu verhindern das Feuchtigkeit und SO² aus der Atmosphäre eindringt. Im Falle einer mehrstufigen Bestückung, sollte die teilbestückten Leiterplatten besser in einer schwefelfreien Umgebung aufbewahrt werden. Falls derlei Handhabung kein Problem darstellt, ist chem. Ag die beste und preiswerteste Wahl.
Steckergold
Wegen der Abriebfestigkeit von Steckverbindungen, können wir diese Stecker mit einer Lage von galvanischem Nickel-Gold (NiAu, Hartgold) versehen. Diese Oberfläche wird in einer Badkonstruktion spezieller Größe verarbeitet und kann nur für Stecker verwendet werden. Die Verarbeitung von Hartgold an anderen Stellen der Leiterplatte ist nicht Möglich.
Karbon
Karbon kombiniert eine hohe mechanische Beanspruchbarkeit mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und kann häufig als Ersatz für Goldkontakte verwendet werden. Es wird direkt auf dem Kupfer apliziert und für Schaltkontakte und Folientastaturen genutzt. Es kann die Herstellung von Leitungskreuzungen ermöglichen. Karbon ist widerstandsfähig gegenüber HAL und Lötprozessen und zeigt praktisch keine Veränderung des Widerstandes. Karbon wird mit leitender Paste gedruckt. Die Genauigkeit und das Bild ist deswegen durch den Druckvorgang begrenzt.
tabellarische Zusammenfassung
Auswirkung unterschiedlicher Kupferdicken auf die Kühlung eines SMD-Spannungsreglers
Gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. Francesco P. Volpe Professor für Mikrocomputertechnik und Digitaltechnik an der Hochschule Aschaffenburg haben wir die Auswirkung von unterschiedlichen Kupferlagenzahl und Kupferdicken auf die Kühlung eines SMD-Spannungsreglers gemacht. Das dazu gemachte Experiment, wird im Folgenden erläutert:
Möchte man ein linear geregeltes Netzteil aufbauen, steht man sofort vor der Frage, wie man die Verlustwärme am linearen Spannungsregler ableitet. Weshalb dieses Problem auftritt, wird an einem einfachen Design gezeigt:
Es soll ein linear geregeltes Netzteil mit einer Ausgangsgleichspanung von 24 V und einem maximalen Strom von 0,25 A entwickelt werden. Ferner sollen hautsächlich Bauteile in SMD zum Einsatz kommen. Ein solches Netzteil ist in Bild 1 zu sehen. Dabei handelt es sich um ein reines Prinzipschaltbild.
Bild 1: Linear geregeltes 24V-Netzteil.
Als Startpunkt wird die Ausgangsspannung gewählt und arbeitet sich in Richtung Transformator vor. Ausgehend von 24 V Ausgangspannung müssen vor dem Spannungsregler 3 V mehr anliegen. Diese sogenannte Dropout-Spannung benötigt der Spannungsregler um zu arbeiten. Über den Brückengleichrichter verliert man zusätzlich die Durchlass-Spannung von zwei Dioden, also ca. 1 V (es wurden Schottky-Dioden verwendet). Damit muss der Transformator an der Sekundärseite 24V+3V+1V=28V liefern. Das ist dann die Spitze-Spitze-Spannung. Die Ausgangsspannung von Transformatoren wird üblicherweise als Effektivwert angegeben. Die berechnete Spitze-Spitze-Spannung von 28V muss noch durch den Faktor 1,4142 (Wurzel aus 2) dividiert werden. Man erhält somit eine effektive Sekundärspannung von 28V/1,4142=19,8V. Es wird ein Transformator benötigt, der bei einer Netzspannung von 230V eine Ausgangsspannung von ca. 19,8V liefert. Leider ist das nicht die ganze Wahrheit. Die Netzspannung kann 230V+/-23V betragen. Also muss der Transformator bei der minimalen Netzspannung von 203V bereits 19,8V am Ausgang liefern. Somit wird ein 24V-Transformator gewählt. Dieser ist in der Lage, auch die minimale Spannung von 19,8V bei geringer Netzspannung zu liefern.
Wie sehen die Spannungsverhältnisse bei dem gewählten Transformator nun aus? Dieser wird eine Spitze-Spitze-Spannung von 24V x 1,4142 = 33,94V am Brückengleichrichter bereit stellen. Nach dem Brückengleichrichter werden es immer noch 32,94V sein (1V weniger wegen zwei leitender Schottky-Dioden). Der Spannungsregler wird eine Verlustleistung von Pv=(32,94V – 24V)x0,25A=2,24W umsetzen, die in Form von Wärme abgeben wird. Dazu wird der Regler, der in SMD ausgeführt ist und ein SOT-263 Gehäuse besitzt, die Wärme an das Kupfer der Leiterplatte abführen. Zur Messung, wie warm der Spannungsregler wird, wurden Messungen durchgeführt (siehe Bild 2). Als Last wurde ein einstellbarer Widerstand verwendet und für die Schaltung aus Bild 1 wurden drei Leiterplatten hergestellt, die sich in der Lagenzahl und Kupferdicke unterscheiden (siehe Tabelle 1). Anschließend wurden alle drei Schaltungen auf den unterschiedlichen Leiterplatten gemessen. Dazu wurde am Eingang des Spannungsregler 10V und der Ausgang mit 0,25A belastet. Damit ist sichergestellt, dass alle drei Messungen mit exakt der gleichen Verlustleistung von 2,5W durchgeführt wurden. Die Erwärmung des Spannungsregler und der Leiterplatte wurde mit einer IR-Kamera aufgenommen. Die Ergebnisse sind in den Bilder 3a bis 3c zu sehen: Bei der einseitigen Leiterplatte steht dem Spannungsregler weniger Kupferfläche zur Abführung der Wärme zu Verfügung und erwärmt sich auf ca. 88°C. Die Kupferfläche beträgt bei dieser Leiterplatte ca. 1.000mm2 (siehe Bild 3a). Bei der zweiseitigen Leiterplatte mit einer Kupferdicke von 35µm sind beide Lagen über 70 Vias miteinander verbunden. Dadurch werden Teile der Wärme auch auf die untere Lage geleitet und die zur Verfügung stehende Kupferfläche ist ca. doppelt so groß (ca. 2.160mm2). Es muss aber beachtet werden, dass durch die Vias die thermische Anbindung nicht optimal ist. Der Spannungsregler erwärmt sich auf knapp 74,5°C (siehe Bild 3b). Schließlich ist in Bild 3c die Messung für die zweiseitige Leiterplatte mit einer Kupferdicke von 70µm gezeigt. Hier kann sich aufgrund des stärkeren Kupfers die Wärme besser ausbreiten und der Spannungsregler erwärmt sich auf ca. 69,8°C.
Bild 2: Messaufbau. Ein Trennstelltrafo wurde verwendet, um die Netzspannung zwischen 203V und 253V einzustellen.
Tabelle 1: Messungen mit unterschiedlichen Kupferlagen und -dicken
| Leiterplatte | Kupferlagen | Kupferdicke / µm |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 35 |
| 2 | 2 | 35 |
| 3 | 2 | 70 |
Die Leiterplatte 1 ist mit einem Fräsbohrplotter und Leiterplatte 2 und 3 sind bei Eurocircuits hergestellt worden.
Bild 3a: IR-Bild der einseitigen Leiterplatte mit 35µm Kupferdicke.
Bild 3b: IR-Bild der zweiseitigen Leiterplatte mit 35µm Kupferdicke.
Bild 3c: IR-Bild der zweiseitigen Leiterplatte mit 70µm Kupferdicke.
Fazit:
Zur Kühlung von SMD-Spannungsregler wird eine große Kupferfläche benötigt. Diese kann auch durch eine zweilagige Leiterplatte erfolgen, indem die zwei Kupferlagen mit vielen Vias durchkontaktiert werden, um die Wärme auf die untere Kupferlage zu bringen. Mit dieser Maßnahme konnte die Erwärmung des Spannungsreglers von 88°C auf 74,5°C gesenkt werden. Die Erhöhung der Kupferdicke von 35µm auf 70µm und damit des Querschnitts der Fläche brachte eine weitere Temperatursenkung auf 69,8°C.
Direktbelichtung + Spray Coating EC Aachen
Eurocircuits – Standort Aachen investiert in Direktbelichtung
Eurocircuits investiert regelmäßig in seine Fertigungsstätten. Vergangenes Jahr erhielt die ungarische Produktion einen Ledia-Direktbelichter. Dieses Jahr standen und stehen in der deutschen Fertigung umfangreiche Investitionen an. Neben Ritzmaschine (LHMT), Schablonenlaser (LPKF), Einbrennofen (Beltron) und einem zweiten Bestückungsdrucker (Orbotech), lag der Fokus auf einer neuen Spray Coating Anlage (All4PCB) und einem MDI Direktbelichter (Schmoll).
Unser Ziel war es, durch die Investition in Spray Coating und Direktbelichtung, die Voraussetzungen für eine durchgängige Direktbelichtung in allen Fertigungsbereichen zu schaffen. Das heißt, dass bei allen Belichtungsvorgängen für Innen- und Außenlagen, als auch für den Lötstopplack die Direktbelichtung zum Einsatz kommen soll. Darüber hinaus sollten die europäischen Fertigungen auf diese Weise verfahrenstechnisch angeglichen werden.
Derzeit werden Direktbelichter wegen der längeren Belichtungszeiten im Vergleich zur herkömmlichen Belichtung mit Filmen, überwiegend für die Belichtung von Innen- und Außenlagen eingesetzt.
Obwohl ein Direktbelichter natürlich nicht zwingend zur Belichtung von Lötstopplack eingesetzt werden muss, ist dies aber zur Minimierung von Toleranzen ratsam. Zudem erhöht es die Wirtschaftlichkeit der Investition. Über lange Zeit lag der Fokus der Direktbelichtung auf dem Foto-Resist. Doch das Laminar wurde in den vergangenen Jahren an die geringere Energiedichte von LEDs und Dioden angepasst. In Verbindung mit energiereicheren LEDs verkürzt sich die Belichtungszeit des Lötstopplacks und diese Technologie rückt ins Blickfeld. Mittlerweile gibt es verstärkte Bemühungen bei der Entwicklung von Lötstopplacken, um die Direktbelichtungsdauer zu verkürzen. Doch auch die Anforderungen an den Auftrag des Lötstopplacks steigen. Ein gleichbleibendes Belichtungsergebnis erfordert eine zunehmend homogene und hochwertige Beschichtung des Lötstopplacks. Deswegen erfordert die durchgängige Nutzung des Direktbelichters auch für den Lötstopplack eine Investition in eine neue Beschichtungstechnologie. Dies haben wir über die Investition in eine neue Spray-Coating-Anlage erreicht, welche sämtliche Anforderungen in Bezug auf ein gleichbleibend hochwertiges und homogenes Beschichtungsergebnis erfüllt und damit die Voraussetzung für die Direktbelichtung schafft.
In Bezug auf die Belichtungstechnologien sind aktuell am Markt sehr unterschiedliche System vertreten. Bei der von uns eingesetzten MDI-Technologie wird das UV-Licht durch Mikrospiegelchips mit hoher Auflösung auf die Leiterplatte übertragen. Dabei werden vier verschiedene Wellenlängen generiert, um ein passendes Spektrum für Resist-und Lötstopplackanwendungen gewährleisten zu können.
