SMDs – Eine Einführung in die Welt der „Surface Mount Devices“

Florian Störmer
|  September 4, 2020
SMDs – Eine Einführung in die Welt der „Surface Mount Devices“

Die „Surface Mount Technology“ (SMT) hat sich schon vor langer Zeit in der Entwicklung elektronischer Schaltungen fest etabliert. Sie erlaubt deutlich höhere Packungsdichten auf Leiterplatten als die „Through Hole Technology“ (THT), gestaltet die Lötprozesse deutlich effektiver und sorgt generell für eine bessere Automatisierbarkeit in der Leiterplattenherstellung.

Oberflächenmontierte Komponenten unterscheiden sich von ihren THT-Pendants. Anstatt für die Verdrahtung zwischen zwei Punkten ausgelegt zu sein, sind SMT-Bauteile so konzipiert, dass sie auf eine Platine gesetzt und mit dieser verlötet werden können. Ihre Anschlussdrähte gehen nicht durch Löcher in der Leiterplatte, wie es bei einem herkömmlichen bedrahteten Bauteil der Fall ist. Es gibt verschiedene Arten von Gehäusen für verschiedene Arten von Komponenten. Im Großen und Ganzen können die Gehäuseformen in drei Kategorien eingeteilt werden: passive Bauelemente, Transistoren und Dioden sowie integrierte Schaltungen; diese drei Kategorien von SMT-Bauelementen werden im Folgenden betrachtet.

Passive SMDs:

Für passive SMDs gibt es eine ganze Reihe verschiedener Gehäuse. Bei den meisten passiven SMDs handelt es sich jedoch entweder um SMT-Widerstände oder SMT-Kondensatoren, bei denen die Gehäusegrößen relativ gut standardisiert sind. Andere Bauteile wie Spulen, Quarze und andere haben tendenziell individuellere Anforderungen und daher eigene Gehäuse.

Nahaufnahme eines SMD-Kondensators auf einer Leiterplatte. Elektronische Komponenten.

Widerstände und Kondensatoren haben eine Vielzahl von Gehäusegrößen. Diese haben unter anderem folgende Bezeichnungen: 1812, 1206, 0805, 0603, 0402 und 0201. Die Angaben beziehen sich auf die Abmessungen in Hundertstel Zoll. Mit anderen Worten, der 0805 misst 8 x 5 Hundertstel Zoll. Die größeren Größen wie 1812 und 1206 gehörten zu den ersten, die verwendet wurden. Sie sind heute nicht mehr weit verbreitet, da im Allgemeinen viel kleinere Komponenten benötigt werden. Sie können jedoch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine größere Leistung benötigt wird oder wo andere Erwägungen die größere Größe erfordern.

Oberflächenmontierbare Kondensatoren werden milliardenfach in allen Formen von elektronischen Massengeräten eingesetzt. Oberflächenmontierte Kondensatoren sind nominell kleine rechteckige Quader, deren Dimensionen normalerweise so hergestellt werden, dass sie den Industriestandardgrößen entsprechen. SMD-Kondensatoren können eine Vielzahl von Technologien verwenden, darunter Mehrschichtkeramik, Tantal, Elektrolyt und einige andere weniger verbreitete Varianten. 

Die Verbindungen zur Leiterplatte werden durch metallisierte Bereiche an beiden Enden des Gehäuses hergestellt.

Es gibt mehrere Arten anderer Bauteile, die nicht in der Lage sind, die Standardgrößen für oberflächenmontierbare Bauteile zu übernehmen, die von der Mehrzahl der SMD-Widerstände und -Kondensatoren verwendet werden.Oberflächenmontierte Versionen von Bauteilen wie viele Arten von Induktoren, Transformatoren, Quarzkristallresonatoren, Filtern, Keramikresonatoren und dergleichen können andere Bauformen erfordern, die oft größer sind als die, die für oberflächenmontierte Widerstände und Kondensatoren verwendet werden.

Hochleistungs-Flachdraht SMD-Spule für oberflächenmontierbare Geräte im Vergleich zu einem Streichholzkopf

Transistoren und Dioden:

SMT-Transistoren und SMT-Dioden sind oft in einem kleinen Kunststoffgehäuse untergebracht. Die Verbindungen werden über Leitungen hergestellt, die vom Gehäuse ausgehen und so gebogen sind, dass sie die Leiterplatte berühren. Für diese Gehäuse werden immer drei Drähte verwendet. Auf diese Weise lässt sich leicht erkennen, wie rum das Bauteil in die Schaltung eingebaut werden muss.

smd chips

Integrierte Schaltungen:

Es gibt eine Vielzahl von Gehäusen, die für integrierte Schaltungen verwendet werden. Welches Gehäuse verwendet wird, hängt vom Grad der erforderlichen Interkonnektivität ab. Viele Chips wie die einfachen Logikchips benötigen nur 14 oder 16 Pins, während andere wie die VLSI-Prozessoren und zugehörige Chips bis zu 200 oder mehr Pins benötigen können. Angesichts der sehr unterschiedlichen Anforderungen gibt es eine Reihe von verschiedenen Gehäusen.

Für die kleineren Chips können Gehäuse wie z.B. der SOIC (Small Outline Integrated Circuit) verwendet werden. Dabei handelt es sich praktisch um die SMT-Version der bekannten DIL-Gehäuse (Dual In Line), die für die bekannten Logik-Chips der Serie 74 verwendet werden. Zusätzlich gibt es kleinere Versionen wie TSOP (Thin Small Outline Package) und SSOP (Shrink Small Outline Package).

Die VLSI-Chips erfordern einen anderen Ansatz. Typischerweise wird ein als Quad Flat Pack bekanntes Gehäuse verwendet. Dieses hat eine quadratische oder rechteckige Grundfläche und hat an allen vier Seiten austretende Stifte. Die Pins werden wiederum in einer so genannten Gull-Wing-Formation aus dem Gehäuse herausgebogen, so dass sie auf die Platine treffen. Der Abstand der Pins ist abhängig von der Anzahl der benötigten Pins. Bei einigen Chips kann er bis zu 20 Tausendstel Zoll betragen. Beim Verpacken dieser Chips und bei der Handhabung ist große Vorsicht geboten, da die Pins sehr leicht verbogen werden können.

SMD-integrierte Schaltkreise auf Fach - Makro kleiner DOF

Andere Gehäuse sind ebenfalls erhältlich. Ein so genanntes BGA (Ball Grid Array) wird in vielen Anwendungen verwendet. Anstatt die Anschlüsse an der Seite des Gehäuses zu haben, befinden sie sich auf der Unterseite. Die Anschlusspads haben Lotkugeln, die während des Lötprozesses schmelzen und dadurch eine gute Verbindung mit der Platine herstellen und diese mechanisch befestigen. Da die gesamte Unterseite des Gehäuses verwendet werden kann, ist der Abstand der Anschlüsse größer, und es hat sich herausgestellt, dass diese Art der Verbindung viel zuverlässiger ist.

BGA

Eine kleinere Version des BGA, das so genannte microBGA, wird auch für einige ICs verwendet. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine kleinere Version des BGA.

Mit der Einführung der Oberflächenmontagetechnik steht eine große Vielfalt an Komponenten zur Verfügung. Die Auswahl der an oberflächenmontierbaren Gehäusen und verfügbaren Komponenten übersteigt bei weitem die Anzahl der in der traditionellen bedrahteten Form erhältlichen Komponenten. Dies liegt allein an der Nachfrage, die auch immer weiter steigt.

Für die beliebten Basiskomponenten wie Transistoren und viele Logik- und Analog-ICs wie Operationsverstärker sind jedoch in der Regel Versionen als traditionell bedrahtetes Bauteil und auch als oberflächenmontierbares Bauteil erhältlich. Ein BC109-Transistor zum Beispiel ist in beiden Formaten erhältlich, ebenso wie viele Operationsverstärker und Basis-Logik-Chips.

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Florian Störmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Rostock beim Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe, wo er hauptsächlich das Schaltverhalten von Leistungshalbleitern mit unterschiedlichen Ansteuerverfahren untersucht.Zur Realisierung dieser entwickelt und designt er eigene Treiberplatinen, die den verschiedensten speziellen Ansprüchen gerecht werden müssen. Im Zuge seiner Untersuchungen hat er unter anderem mit Infineon und Siemens zusammengearbeitet.Dabei entstanden mehrere wissenschaftliche Arbeiten, die auf der führenden internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der PCIM Europe, veröffentlicht wurden.Florian Störmer is a research assistant at the Chair of Power Electronics and Electrical Drives at the University of Rostock, where he mainly investigates the switching behaviour of power semiconductors with different control methods.He develops and designs his own driver boards, which have to meet various special requirements. In the course of his investigations he has collaborated with Infineon and Siemens, among others.This resulted in several scientific papers that were published at the leading international conference for power electronics, PCIM Europe.

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