Montagetipps und -tricks

Nachdem Sie Ihr PCB-Design in Altium abgeschlossen und die PCBs eingetroffen sind, ist es an der Zeit, über die Montage der Platinen zur Verifizierung nachzudenken. Ob für die Massenproduktion oder Prototypenherstellung, ein Designer sollte sich der Montagetechniken bewusst sein. Es sollte Teil des Designprüfungsprozesses sein, um sicherzustellen, dass die Platine auf Design-for-Assembly (DFA)-Probleme geprüft wurde. Der Hauptfokus dieses Artikels wird auf der Handmontage liegen, daher werde ich verschiedene Tipps und Tricks aus meiner Erfahrung teilen, wie z.B. die Auswahl von Schablonen und Lötpaste, Herausforderungen bei Temperaturdifferenzen, Komponentenlöten usw.

Erstellen einer Lötpastenschablone

Zuallererst ist die Verwendung einer Schablone zum Verteilen der Lötpaste im Vergleich zum Auftragen mit einer Spritze eine enorme Zeitersparnis. Fast alle Prototypen-Leiterplattenhersteller weltweit bieten ultragünstige rahmenlose Schablonen an, oder einige Unternehmen bieten eigenständige Dienstleistungen zur Herstellung kostengünstiger Prototypen an. Es lohnt sich also in jedem Fall, nicht jeden einzelnen oberflächenmontierten Bauteil von Hand zu löten, und es ist gleichzeitig viel einfacher.

Obwohl es verschiedene Prozesse oder Materialien für die Schablonenherstellung gibt, geht es einfach darum, Lötpunktaperturen auf einem dünnen Metallblech, in der Regel Edelstahl, zu haben. Abhängig von der minimalen Pitch-Größe im Artwork können chemisch geätzte oder laser-geschnittene Schablonen verwendet werden. Chemisch geätzt ist optimal, wenn Ihr Design sehr feine Pitch-Komponenten hat. Die kleinsten Pad-Größen bestimmen auch die Dicke des Blechs, damit das richtige Aspektverhältnis für die korrekte Menge an Lötpaste beibehalten werden kann. Prototypen und Kleinserienproduktionen erfordern in der Regel keinen Rahmen um die Schablone, es sei denn, Sie planen, Montagemaschinen zu verwenden, daher wird eine rahmenlose Schablone die Kosten senken.

Aus einer anderen Perspektive, wenn Sie mehr auf DIY stehen und Zugang zu einem Laser-Cutter haben, können Sie sogar eine Schablone aus Laserdrucker-Transparentfolien herstellen.

Vielleicht haben Sie versucht, ein Blatt zu lasern. Das ist möglicherweise nicht sehr gut gelaufen und hat in einem geschmolzenen Durcheinander geendet. Hier kommen jedoch Laserdrucker-Transparentfolien ins Spiel, bei denen die Acetatfolien höhere Temperaturen aushalten können und ungefähr die richtige Dicke haben. Es geht alles um das Thermomanagement, und es gibt einige Tricks, um die Laser-Cut-Operation einer Schablone zu verbessern. Da Acetatfolien leicht sind, möchten Sie nicht direkt auf dem Laserbett schneiden, da sie sich während des Prozesses leicht bewegen könnten. Meine bevorzugte Lösung ist die Verwendung eines flachen Abschnitts eines Kartons, der in Wasser eingeweicht ist, für die erste Schicht, die mit einem Blatt normalem Kopierpapier bedeckt ist, das ebenfalls in Wasser eingeweicht ist. Darauf wird die Transparentfolie und ein weiteres Blatt Kopierpapier, das in Wasser eingeweicht ist, hinzugefügt. Man könnte denken, das ist viel Wasser, um die Sachen aufzusaugen, aber ein Laserstrahl hat kein Problem mit Wasser; im Gegenteil, es hält alles schön kühl, so dass die Schablone nicht schmilzt. Sie können die Luftunterstützung auf ein Minimum reduzieren, das das Papier nicht trocknet und das Objektiv sauber hält.

Halten Sie Ihre Bewegungsgeschwindigkeit niedrig, es sei denn, Sie verfügen über eine Hochleistungsmaschine wie Trotec oder Epilog. Einige Laser könnten von den Riemen abprallen, was zu ungenauen Ecken führt und die kleinen Zwischenräume zwischen den Pads von feinpoligen Komponenten ausbläst. Als letzte Einstellung sollte die Leistungsstufe so eingestellt werden, dass die erste Schicht des Kartons geschnitten wird, aber nicht vollständig durch, um sicherzustellen, dass Sie genügend Leistung haben, um sauber zu schneiden, ohne unnötige Hitze zu erzeugen.

Fixierung und Pastenauftrag

Nachdem Sie die Schablone haben, ist es entscheidend, sie präzise auf der Platine zu positionieren. Meine Lösung war es, zusätzliche Platinen von alten Projekten auf meinem Schreibtisch zu verwenden, um einen Rahmen zu bilden, bis ich kürzlich eine Acrylplatte lasergeschnitten habe, um meine Schablonenarbeiten zu machen. Es muss nicht unbedingt eine lasergeschnittene Oberfläche sein, aber alles Starre und Flache, wie ein Klemmbrett oder ein Schneidebrett, sollte denselben Zweck erfüllen.

Anstatt übrig gebliebene PCBs zu verwenden, um die Platine auf meiner Acrylplatte zu halten, habe ich auch 3D-gedruckte Platinenumrandungen mit einer Lippe hergestellt, die sicherstellt, dass die Schablone nicht auf etwas Höherem als der Platinenoberfläche sitzt. Das sanfte Aufliegen der Schablone auf der oberen Oberfläche der Platine hilft, den Verschmierungseffekt zu reduzieren, indem die Platine während des gesamten Prozesses in Kontakt mit der Platine bleibt. Ich fand es auch nützlich, die Schablone an einem weiteren Kunststoffaufsatz zu befestigen, der als Scharnier dient und uns ermöglicht, sie sauber anzuheben. Haben Sie keine Angst, zusätzliches Klebeband an der gegenüberliegenden Kante der Schablone zu verwenden, um ein Verrutschen zu verhindern, da die Ausrichtung während des Auftrags entscheidend ist. Es gibt viele Möglichkeiten, eine genaue DIY-Ausrichtung zu haben, besonders nach der 3D-Drucker-Revolution, und dies ist nur eine davon.

Der nächste Schritt ist das Auftragen der Lötpaste, aber Sie sollten die richtige Paste haben. Ich bevorzuge die Verwendung der GC10-Serie von Henkel Loctite in T4- oder T5-Maschengröße, wobei je feiner das Maschennetz, desto besser die Anwendung auf kleinen Pads. Diese Paste ist perfekt für Prototypen aus ein paar Gründen. Erstens haben Sie mehr als 8 Stunden Montagezeit, bevor die Paste schlecht wird. Außerdem muss sie, um bei Raumtemperatur stabil zu sein, nicht unbedingt im Kühlschrank gelagert werden. Obwohl hochwertige Lötpaste teuer ist, wird ein Behälter davon weit über das Ende seiner Haltbarkeit hinaus gute Dienste leisten. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn die Paste abgelaufen ist - als lebensrettender Hack, anstatt abgelaufene Paste, die schwer zu schablonieren ist, wegzuwerfen, können Sie einfach etwas Gel-Flussmittel zur Paste hinzufügen. CHIPQUICK's SMD291 ist bei weitem meine beste Wahl gegenüber jedem anderen Gel-Flussmittel, und ich kann mir kein besseres Duo vorstellen als abgelaufene Paste gemischt mit abgelaufenem Flussmittel.

Nun, da Sie Paste auf allen Pads haben, ist es Zeit, die Komponenten zu platzieren. Gebogene Pinzetten sind meine Favoriten, da sie eine bessere Sichtbarkeit und Präzision beim Platzieren der Komponenten bieten. Dennoch rate ich dringend davon ab, billige Mehrfachpackungen von Pinzetten um jeden Preis zu vermeiden – sie sind es nicht wert. Sie suchen nach Edelstahl oder ESD-Keramik in einem 7SA-Muster. Ich liebe es auch, gepolsterte Griffe zu haben, da sie während langer Montagesitzungen viel bequemer sind.

Behalten Sie den Überblick über Teile mit dem Assembly Assistant

Das Ausdrucken der Montagezeichnung ist eine Möglichkeit, den Überblick darüber zu behalten, welches Teil wohin geht. Ich habe kürzlich Altium 365 Assembly Assistant ausprobiert, was viel praktischer als Ausdrucke ist. Es ist einfach, den Montagefortschritt durch virtuelle Bestückung des Boards und Suchfunktionen mit gutem visuellen Feedback zu verfolgen. Klicken Sie auf den Link, wenn Sie es ausprobieren möchten; Sie möchten vielleicht nicht zu Ausdrucken zurückkehren.

Wenn Sie das Board reflowen, erhalten Sie etwas Hilfe von der Oberflächenspannung, die Ihnen etwas Freiheit bei der Platzierungspräzision gibt. Solange die Anschlüsse der Komponente die Paste berühren, wird das Teil während des Reflows gerade gerichtet, was Ihr Leben einfacher macht, wenn Sie kleine Komponenten wie das 0201-Paket platzieren. Bei der Platzierung von ICs stellen Sie einfach sicher, dass die Anschlüsse mit der Paste ausgerichtet sind und kein benachbartes Pad berühren, dann überlassen Sie den Rest der Oberflächenspannung. Sie müssen sich keine Sorgen machen, wenn es während des Reflows nicht korrekt platziert ist; wenn Sie unsicher sind, geben Sie dem IC einen kleinen Schubs, während das Lötzinn noch flüssig ist, und es wird zurück in seine Position springen oder aus der Ausrichtung fallen. Sie können es aufheben und erneut einpassen, wenn es aus der Ausrichtung ist.

Eine einfache temperaturgesteuerte Heißluft-Rework-Station eignet sich im Allgemeinen gut für das Reflowen der meisten Boards. Die Rework-Station im Stil des 858D hat über ein Jahrzehnt lang in meinem Labor gute Dienste geleistet; sie ist preiswert und erledigt die Arbeit gut genug. Seien Sie sich nur bewusst, dass Ihre Werkbank und ESD-Matte während des Reflows schmelzen könnten. Ich verwende pyramidenförmige Silikonbackmatten, um das Board warm zu halten und meine Werkbank zu isolieren. Sie müssen nicht die Ausgaben für einen Toasterofen für ein Reflow machen; jedoch, wenn Sie möchten, schauen Sie sich picoReflow an, ein Open-Source-Projekt, das die Kontrolle über Ihren Ofen übernimmt.

Der Reflow-Prozess kann etwas komplizierter werden, wenn Sie eine Platine mit viel thermischer Masse haben, wie zum Beispiel Metallkerne oder viele Schichten aus schwerem Kupfer. Es kann länger dauern, genügend Wärme in die Platine zu bekommen, was dazu führen kann, dass Ihr Flussmittel verdampft, bevor das Lötzinn vollständig aufgeschmolzen ist. Sie sollten in Erwägung ziehen, einen Vorwärmer zu verwenden, da die Reflow-Station allein möglicherweise nicht ausreicht. Wenn Sie die Kosten nicht scheuen, stellt JBC einige der besten professionellen Vorwärmer her. Ich verwende die relativ kostengünstige Alternative Quick 854, die jedoch nur einen begrenzten beheizten Bereich und eine eingeschränkte Steuerung bietet. Alternativ ist eine günstige elektrische Pfanne oder ein Teppanyaki-Grill eine Budgetalternative für professionelle Vorwärmer; sie haben jedoch eine schlechte Wärmekontrolle, die zwischen Überhitzung oder nicht ausreichender Wärmezufuhr schwankt.

Wenn Ihr Labor über einen Vorwärmer verfügt, können Sie darüber nachdenken, ihn für den gesamten Reflow-Prozess zu verwenden. Auch wenn sie dazu in der Lage sind, bevorzuge ich es nicht, sie für das Reflow-Löten zu verwenden. Stattdessen würde ich sie gerne nutzen, um die Platine auf die Einweichtemperatur der Paste zu erwärmen und dann meine Heißluftstation zu verwenden, um die Platine selektiv zu erhitzen – einen Bereich nach dem anderen, was es mir erlaubt, das Schmelzen des Lötzinns zu überwachen. Dies reduziert auch meine Nacharbeitszeit für Montageprobleme, da ich Probleme direkt beheben kann. Es ist kein vollständiger Ersatz für einen industriellen Mehrzonen-Reflow-Ofen. Dennoch sehen nur ein kleiner Prozentsatz meiner Platinen Probleme wie Tombstoning oder Fehlplatzierungen.

Durchkontaktierte Bauteile kommen zuletzt im Montageprozess. Sie sollten mit der Montage durchkontaktierter Bauteile beginnen, sobald die Platine abgekühlt ist und gehandhabt werden kann, besonders wenn Ihre Platine eine große thermische Masse hat. Die Arbeit mit der warmen Platine wird den Temperaturunterschied verringern und Ihnen das Löten erleichtern. Es ist erwähnenswert, dass eine gute Qualität der Lötstation Ihnen sehr helfen wird, zusätzlich zur Auswahl der richtigen Spitzengeometrie. Ich bevorzuge Meißelspitzen anstelle von konischen, die im Allgemeinen mehr Ärger als Nutzen bringen. Wenn Sie durchkontaktierte Komponenten mit viel thermischer Masse haben (wie zum Beispiel Anschlussblöcke), ist das Erwärmen des Anschlussdrahtes eher eine Herausforderung als das Erwärmen der Platine. Erwägen Sie die Verwendung einer spezialisierten Spitze mit einem konkaven Abschnitt dafür. Es spielt keine Rolle, ob die Spitze größer als die Komponente oder der Anschlussdraht ist; die Oberflächenspannung wird Ihnen sehr helfen. Ich verwende gerne eine 3 mm breite Spitze, um 0402-Bauteile nachzuarbeiten.

Mit all den Tipps und Tricks wäre das Prototyping mit oberflächenmontierten Komponenten viel einfacher und schneller als das Prototyping mit durchkontaktierten Teilen. Versuchen Sie das Prototyping im eigenen Haus; es dauert nicht lange, solange Sie die Anzahl der Komponenten selbst in einem handhabbaren Rahmen halten. Es ist auch eine Art Meditation, und ich finde es ziemlich entspannend. Folgen Sie für weitere Montagetipps für eine große Anzahl von Komponenten, Pick-and-Place-Montage und so weiter.

Ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme bauen müssen, nutzen Sie das komplette Set an PCB-Designfunktionen und erstklassige CAD-Tools in Altium Designer®. Um die Zusammenarbeit in der heutigen fachübergreifenden Umgebung zu implementieren, nutzen innovative Unternehmen die Altium 365™ Plattform, um Design-Daten einfach zu teilen und Projekte in die Fertigung zu bringen.

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