Anfang der 1980er Jahre wurde die Oberflächenmontagetechnik (SMT) in der Elektronikfertigung eingeführt. Sie unterscheidet sich von der traditionellen Durchsteckmontagetechnik (THT), bei der Bauteile in die Löcher der Leiterplatte eingesetzt werden, während bei der SMT SMD-Bauteile direkt auf der Leiterplattenoberfläche montiert werden. Da das SMT-Verfahren effizienter, leichter und kostengünstiger ist, entwickelte sich diese Methode schnell zu einer neuen Richtung für die Entwicklung der Branche.

Heutzutage werden elektronische Produkte immer kleiner, leichter und stellen immer höhere Leistungsanforderungen. Dies hat die breite Anwendung der Oberflächenmontagetechnik gefördert. Sie ermöglicht die Unterbringung von mehr Komponenten auf begrenztem Raum, eine schnellere Montagegeschwindigkeit und ermöglicht zudem eine Automatisierung. Daher findet die SMT-Technologie breite Anwendung in Bereichen wie Unterhaltungselektronik, Medizintechnik und Automobilen.

Dieser Artikel erklärt Ihnen, was Oberflächenmontagetechnologie ist, was sie bedeutet, welche Vorteile sie bietet, wie die Leiterplattenmontage bei Oberflächenmontage funktioniert, welche Löttechniken gängig sind und welche Unterschiede es zur herkömmlichen Durchsteckmontage gibt. Außerdem erfahren Sie, wie Hersteller wie das SMT-Unternehmen PCBasic zuverlässige Prozesslösungen für die Oberflächenmontagetechnologie anbieten.

Was ist Oberflächenmontagetechnologie?

SMT steht für Surface Mount Technology (Oberflächenmontage). Bei der Oberflächenmontage (SMT) werden Bauteile direkt auf die Oberfläche einer Leiterplatte montiert. Die für die direkte Montage auf der Leiterplatte verwendeten Bauteile heißen Surface Mount Devices (SMD). Bei der Through Hole Technology (THT) hingegen werden die Bauteile in die Leiterplatte eingesetzt. Diese Technologie ist zeitaufwändig und aufgrund menschlicher Eingriffe fehleranfälliger. SMT hingegen ist ein vollständig automatisierter Prozess, der Kosten und Zeit spart sowie Qualität und Effizienz steigert. Allerdings können sowohl die Oberflächenmontage als auch die Through-Hole-Technologie auf derselben Leiterplatte verwendet werden. Dies liegt daran, dass einige elektronische Bauteile, wie beispielsweise Hochleistungsbauteile wie DC-DC-Wandler und Transformatoren, nicht für SMT geeignet sind.

Gängige SMD-Komponentenpakete

Die in der Oberflächenmontagetechnik verwendeten Komponenten zur Montage auf der Oberfläche von Leiterplatten werden als Surface Mount Devices (SMD) bezeichnet. Diese SMDs enthalten verschiedene elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und integrierte Schaltkreise (ICs). Alle SMDs sind in verschiedenen Größen und Längen erhältlich, die als Gehäuse bezeichnet werden.

Auf dem Markt sind verschiedene Gehäuse für Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden und ICs erhältlich. Zu den am häufigsten verwendeten SMD-Gehäusen zählen:

Widerstands-, Induktor-, Kondensator- und Diodenpakete
Verpackung	Größe in mm	BESCHREIBUNG
0201	0.6 x 0.3	Winzige Größe, hauptsächlich in HF-Schaltungen verwendet
0402	1.0 x 0.5	Wird hauptsächlich in Sensoren und Unterhaltungselektronik verwendet
0603	1.5 x 0.8	Wird hauptsächlich in Audiogeräten und Verteidigungsanwendungen verwendet
0805	2.0 x 1.3	Wird hauptsächlich in militärischen und industriellen Anwendungen verwendet
1206	3.0 x 1.5	Wird häufig in Leistungselektronikgeräten verwendet

Integrierte Schaltkreispakete (IC).
Verpackung	BESCHREIBUNG
DIP	Das Dual-In-Line-Paket ist einfach zu verwenden und wird häufig in Prototypprojekten verwendet.
SOP	Small Outline Package ist kompakt und wird häufig in der Unterhaltungselektronik verwendet.
TSÖP	Dünnes Small Outline Package, verwendet hauptsächlich RAM und hat ein kleines Volumen.
QFP	Zur Erhöhung der Platinendichte wird ein Quad Flat Package verwendet.
QFN	Quad Flat No Leads werden hauptsächlich in Smartphones und Industrieelektronik verwendet.
BGA	Ball Grid Array wird hauptsächlich für Mikroprozessoren und Controller verwendet.
LQFP	Low Profile Quad Flat Package wird in der IC-Herstellungsindustrie häufig verwendet.
TQFP	Das dünne Quad-Flat-Package wird häufig bei kleinen elektronischen Geräten verwendet.
SOIC	Small Outline Integrated Circuit, wird häufig in Wärmeableitungsgeräten wie LDOs und Kühlkörpern verwendet.
TSSOP	Dünnes, schrumpfbares Small Outline Package, verwendet in der Unterhaltungselektronik
PBGA	Plastic Ball Grid Array, eine Art BGA, wird hauptsächlich bei der Entwicklung von Mikroprozessoren verwendet.

   

Wann ist die Oberflächenmontagetechnologie zu verwenden?

Moderne elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops und andere elektronische Gadgets werden von Jahr zu Jahr intelligenter und leichter. Dieser Wandel stellt Wissenschaftler vor die neue Herausforderung, komplexere Designs auf weniger Leiterplattenfläche zu realisieren. Die Oberflächenmontagetechnik (SMT) hat sich als optimale Lösung für diese Herausforderungen erwiesen, da sie die Unterbringung einer maximalen Anzahl von SMDs auf kleinerer Fläche ermöglicht und so leichte und intelligente elektronische Geräte ermöglicht. Aus diesem Grund wird die Oberflächenmontagetechnik in nahezu allen Elektronikbranchen, wie beispielsweise in der Medizintechnik, der Luftfahrt, der Verteidigung und der Unterhaltungselektronik, umfassend eingesetzt.

Die Oberflächenmontagetechnik (SMT) nutzt automatisierte Bestückungsautomaten (Pick-and-Place-Maschinen) für die Produktion von SMT-Baugruppen in großen Stückzahlen und eignet sich daher ideal für viele große SMT-Unternehmen und die Elektronikfertigung. Der weitgehend automatisierte Prozess ermöglicht hohe Effizienz und Kosteneffizienz. Die in der Oberflächenmontagetechnik verwendeten Komponenten, sogenannte Surface Mount Devices (SMDs), sind sehr klein, was nicht nur die Unterbringung von mehr Bauteilen auf einer Leiterplatte (PCB) ermöglicht, sondern auch für Hochfrequenzschaltungen von Vorteil ist. Aus diesen Gründen nutzen große Elektronikhersteller überwiegend die SMT-Technologie, um kompakte, leichte, intelligente und hochwertige elektronische Geräte durch effiziente Oberflächenmontage von Leiterplatten herzustellen.

Vorteile der Surface-Mount-Technologie

Die Oberflächenmontagetechnik bietet gegenüber der Durchsteckmontagetechnik zahlreiche Vorteile, was zu einem starken Wandel in der Leiterplattenfertigung hin zur Oberflächenmontagetechnik geführt hat. Einige der Vorteile sind:

•  Bei der SMT-Montage werden die Komponenten direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, im Gegensatz zur THT-Montage, bei der die Komponenten in die Leiterplatte gebohrt werden. Diese Eigenschaft der SMT ermöglicht die Montage von Komponenten auf beiden Seiten einer Leiterplatte, wodurch komplexere Designs auf kleinerem Raum Platz finden. 

•  Im Gegensatz zu bedrahteten Bauteilen sind oberflächenmontierte Bauteile sehr klein, sodass auf einer elektronischen Platine nur eine maximale Anzahl von Bauteilen Platz findet.

•  Der Montageprozess von SMD-Bauelementen wird durch den Einsatz vollautomatischer Bestückungsautomaten beschleunigt, was eine Produktion in großen Stückzahlen ermöglicht. Der automatisierte Montageprozess von SMT ermöglicht zudem eine schnelle Produktion, hohe Effizienz und minimale Fehlerquote.

•  Die Signalintegrität ist eine der größten Herausforderungen moderner Elektronikdesigns. Bei der SMT-Technik sind die Komponenten kleiner und auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, wodurch die Signalübertragungsdistanz verkürzt wird. Dies verringert das Problem des Übersprechens zwischen Signalen und reduziert Induktivität und Kapazität. Daher eignen sich oberflächenmontierte Bauelemente ideal für Hochfrequenzschaltungen.

•  Die automatisierten Bestückungsautomaten ermöglichen eine Produktion großer Stückzahlen, was zu geringeren Gesamtherstellungskosten führt.

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Montageprozess für Oberflächenmontagetechnologie

Der Prozess der Montage von oberflächenmontierten Bauteilen (SMT) auf der Oberfläche der Leiterplatte wird als SMT-Montage bezeichnet. Der SMT-Montageprozess umfasst vier Hauptschritte. Jeder Schritt wird im Folgenden erläutert. 

  

Lötpaste ist eine Mischung aus Lötpulver und Flussmittel. Diese Mischung dient zum Verbinden von oberflächenmontierten Bauteilen wie Widerständen, Transistoren, Induktivitäten und ICs mit der elektronischen Baugruppe. Im ersten Schritt wird Lötpaste auf die vorhandenen Pads der Leiterplatte aufgetragen. Dies geschieht mithilfe einer dünnen Folie mit vorgestanzten Löchern, einer sogenannten Schablone.

  

Im 2.^nd In diesem Schritt werden oberflächenmontierte Geräte wie Widerstände, Kondensatoren und ICs mithilfe einer automatischen Bestückungsmaschine ausgewählt und auf den Pads der Leiterplatte platziert. 

 

An dieser Stelle werden die Bauteile mittels eines Pick-and-Place-Automaten exakt auf der Leiterplattenoberfläche platziert. In 3^rd Anschließend durchläuft die Leiterplatte einen Heizofen, den sogenannten Reflow-Ofen. Dadurch schmilzt die Lötpaste und verlötet, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den verschiedenen Bauteilen entsteht. Im Reflow-Ofen wird die Temperatur so gehalten, dass die Lötpaste präzise mit den Bauteilen verlötet wird. Die Temperatur wird gemäß dem Reflow-Profil programmiert.

 

In diesem Schritt wird eine Sichtprüfung mit dem Röntgengerät durchgeführt, um eventuelle Lötfehler und andere Defekte zu erkennen.

 

Im letzten Schritt werden die Leiterplatten einem gründlichen Reinigungsprozess unterzogen, um alle Flussmittelrückstände vom Reflow-Lötprozess zu entfernen.

Löttechniken bei der Leiterplattenmontage

In der Leiterplattenherstellungsindustrie werden hauptsächlich zwei Techniken eingesetzt, das sogenannte Wellenlöten und das Reflow-Löten.

1. Wellenlöten

Wellenlöten ist nicht so verbreitet wie Reflow-Löten. Diese Technik wird hauptsächlich für die Durchsteckmontage verwendet, kann aber auch für SMT-Anwendungen eingesetzt werden.

Schritt 1: Montieren Sie die Komponenten auf der Leiterplatte

Schritt 2: Führen Sie die Leiterplatte über eine Welle aus geschmolzenem Lötzinn

Schritt 3: Drähte löten und elektrische Verbindung herstellen

Schritt 4: Verwenden Sie Luft/Wasser, um die Leiterplatte zu kühlen.

Diese Technik ist im Vergleich zum Reflow-Löten weniger effizient und fehleranfälliger.

2. Reflow-Löten

Reflow-Löten ist eine der am weitesten verbreiteten Techniken in der Oberflächenmontage. Es wird für die Massenproduktion eingesetzt und weist die geringste Fehlerquote auf. Diese Technik wird hauptsächlich in der Oberflächenmontage eingesetzt. Der Reflow-Lötprozess umfasst die folgenden Schritte.

Schritt 1:   Auftragen der Lötpaste mittels Schablonendruck

Schritt 2:   Übergeben Sie die Leiterplatte zur Platzierung der Komponenten an die Bestückungsmaschine

Schritt 3:   Die Leiterplatte wird nun durch einen Heizofen, den sogenannten Reflow-Ofen, geführt. Dadurch schmilzt die Lötpaste und das Lötmittel bildet eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Bauteilen. Der Reflow-Prozess besteht typischerweise aus vier Phasen.

a) Vorheizen

b) Einweichen

c) Reflow

d) Kühlung.

  

  

Oberflächenmontagetechnologie vs. Durchsteckmontagetechnologie  

Surface Mount Technology (SMT) und Through Hole Technology (THT) haben sich zu Industriestandards in der Leiterplattenherstellung entwickelt. Beide Technologien werden hauptsächlich zur Montage elektronischer Bauteile auf Leiterplatten eingesetzt. Sie unterscheiden sich jedoch in ihren Merkmalen, Einsatzmöglichkeiten, Prozessen, Vorteilen und Anwendungen.

Tabelle I: Oberflächenmontagetechnologie VS Durchsteckmontagetechnologie

Aspekt	Oberflächenmontagetechnik (SMT)	Durchsteckmontage (THT)
Technik	SMT montiert die Komponenten direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte	Beim THT-Verfahren werden die Bauteile über Bohrungen auf der Leiterplatte platziert.
Montageprozess	SMT ist ein vollautomatischer Prozess, bei dem eine Maschine zum Einsatz kommt, die als Pick-and-Place-Maschine bezeichnet wird.	THT wird meist manuell oder durch eine automatisierte Maschine durchgeführt
Komponentenplatzierung	SMT ermöglicht die Platzierung der Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte	THT erlaubt nur einseitiges Bestücken mit Bauteilen
Board-Volumen	In einem bestimmten Bereich können mehr Komponenten untergebracht werden.	Im Vergleich zur SMT kann auf einer bestimmten Fläche eine geringere Anzahl von Komponenten montiert werden.
Mechanische Beanspruchung	SMT bietet im Vergleich zu THT weniger mechanische Verbindungen, da THT-Komponenten durch Löcher eingesetzt werden.	THT bietet eine starke mechanische Verbindung zwischen Komponenten und der Leiterplatte
Komponenteneignung	SMT eignet sich für SMD-Geräte wie Widerstände, Kondensatoren, ICs, BGA, Mikrocontroller und Mikroprozessor-ICs	THT eignet sich nur für Hochleistungskomponenten wie DC-DC-Wandler und Transformatoren. Diese Komponenten sind sperrig und nicht für SMT geeignet.
Kosten	Die Anschaffungskosten von SMT sind aufgrund der Anschaffung automatisierter Maschinen wie Bestückungsautomaten höher. Die Gesamtherstellungskosten sind jedoch im Vergleich zu THT geringer.	Aufgrund des manuellen Prozesses sind die anfänglichen Kosten für THT niedriger. Die Gesamtherstellungskosten sind jedoch höher als bei SMT.
Reparatur und Nacharbeit	Bei SMT ist eine Reparatur und Nachbearbeitung nach der Herstellung schwierig.	Im Gegensatz dazu ist es relativ einfach, Reparaturen und Nacharbeiten durchzuführen Through Through-Hole-Technologie (THT)

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Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Oberflächenmontagetechnik (SMT) die Leiterplattenfertigung revolutioniert. Sie hat sich als optimale Lösung erwiesen, um maximale Anzahl oberflächenmontierter Bauelemente (SMDs) auf kleinerer Fläche zu integrieren und so leichte und intelligente elektronische Geräte zu schaffen. SMT ermöglicht der Industrie die Produktion großer Stückzahlen, wodurch Kosten gesenkt und die Effizienz gesteigert wird.