CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 7, Teil 3 Anforderungen an Anschlussflächen auf Leiterplatten - BTC

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Der Teil 2 der Folge 7 (ELEKTRONIKPRAXIS 10/2011) behandelte das Thema "Anschlussflächen auf Leiterplatten" und erläuterte die Anforderungen an die Anschlussgeometrie zweipoliger Bauteile. Dritter und letzter Teil von Folge 7 informiert darüber, welche Vorgaben für die Bauteile der nächsten Generation, der BTC (Bottom Termination Components) erfüllt werden müssen.

Unter dem Druck zu weiterer Miniaturisierung und Kostensenkung ist in den letzten Jahren ein neuer Typ von Bauteilen auf den Markt gekommen, der völlig ohne geformten Bauteilanschluss auskommt und daher wesentlich preiswerter herzustellen ist. Nachdem sich in dieser Form zunächst nur eine überschaubare Anzahl von Gehäusen verbreiteten, die sogenannten QFN-Gehäuse (Quad Flat No Lead), kann man feststellen, dass derzeit die Variantenanzahl geradezu explodiert; bis hin zu kleinsten diskreten Bauteilen mit geringer Polzahl, ja selbst zweipolige Bauteile werden neuerdings mit Anschlussflächen nur auf der Unterseite angeboten. Dies hat weitreichende Konsequenzen für das Leiterplattendesign und auch für die Baugruppenfertigung:

Konsequenz 1: Im Gegensatz zu BGAs, die einen großen Teil des Lotes in ihren Balls mitbringen, haben BTCs (Bottom Termination Components) nur Anschlussflächen. Die Konsequenz ist, dass die Höhe der Lötstelle, die für die Zuverlässigkeit entscheidend ist, nur durch das gedruckte Pastenvolumen bestimmt wird.

Konsequenz 2: Bei den allermeisten BTCs sind die Schnittkanten nicht benetzbar, bei einem großen Teil sind sie gar nicht erst am Gehäuse nach außen geführt. Daher ist es unsinnig, die Anschlussflächen auf der Leiterplatte nennenswert über die Gehäusekante hinauszuführen. In den meisten Datenblättern der Hersteller gibt es recht gute Hinweise für die Dimensionierung von BTC-Anschlussflächen und auch für die Aufrasterung der Thermalflächen im Pastendruck. Leider muss man feststellen, dass Leiterplattendesigner sehr häufig nicht die von den Herstellern vorgeschlagenen Anschlussflächen verwenden, sondern irgendwelche in ihren CAD-Bibliotheken vorhandenen Anschlussflächenmuster, ohne zu prüfen, ob diese für den konkreten Typ von BTC wirklich verwendbar sind.

Konsequenz 3: Die meisten mehrpoligen Gehäuse haben zur besseren Wärmeabfuhr eine große Entwärmungsfläche im Zentrum des Bauteils, die in der Regel ein Vielfaches der Fläche der Signalanschlüsse hat. Zur besseren Wärmeabfuhr enthält die korrespondierende Anschlussfläche auf der Leiterplatte oft ein Raster von Durchkontaktierungen. Diese können allerdings massive Lötprobleme hervorrufen, wenn sie nicht bei der Leiterplattenfertigung gefüllt (gepluggt) werden. Die Anschlussfläche für das Thermalpad sollte im Leiterplattendesign 1:1 oder maximal 50 µm umlaufend größer dimensioniert werden, um ein Schwimmen des Bauteils auf der Fläche zu vermeiden.

Natürlich spielt das Aufrastern der Lotpaste in diesem Zusammenhang mindestens eine genauso große Rolle. Ein Liften des Bauteils beim Aufschmelzen der Paste muss vermieden werden. Die Benetzungskräfte müssen sich über die Fläche gleichmäßig verteilen und das Bauteil beim Löten auf die Anschlussflächen herunterziehen. Das Aufrastern dient zusätzlich dazu, das Entweichen der Flussmitteldämpfe zu ermöglichen, um Voids (kleine Gasblasen) möglichst gering zu halten, weil große Voids in Lötstellen auf den Entwärmungsflächen die thermische Anbindung des Gehäuses an die Leiterplatte verschlechtern würden.

Konsequenz 4:Bei Bottom Termination Components kann man noch weniger als bei anderen Bauteilen davon ausgehen, dass ähnliche Bauteile tatsächlich auch die gleichen Abmessungen haben. Der Designer muss deshalb anhand des Datenblattes sorgfältig prüfen, wie die genauen Gehäuseabmessungen tatsächlich sind und seine Anschlussflächen danach anpassen.

Die Bilder 2 und 3 zeigen zwei Typen von Anschlussflächen für QFN32, die sich nur leicht unterscheiden und Fertigungsprobleme erzeugen, wenn keine angepassten Anschlussflächenmuster vorgesehen werden.

Würde man das Bauteil des Typs 1 auf das eher übliche Anschlussflächenmuster des Typs 2 platzieren, käme es nur zu einer sehr geringen Überlappung von Bauteilanschluss und Anschlussfläche mit entsprechend unzuverlässigen oder offenen Lötstellen. Zusätzlich ist die Entwärmungsfläche bei Typ 1 deutlich größer als bei Typ 2, was das Risiko beinhaltet, dass Typ 1 auf den Anschlussflächen von Typ 2 beim Aufschmelzen der Lotpaste schwimmen könnte, wodurch das Risiko von offenen Lötstellen noch größer werden würde.

Würde man das Bauteil des Typs 1 auf das eher übliche Anschlussflächenmuster des Typs 2 platzieren, käme es nur zu einer sehr geringen Überlappung von Bauteilanschluss und Anschlussfläche mit entsprechend unzuverlässigen oder offenen Lötstellen. Zusätzlich ist die Entwärmungsfläche bei Typ 1 deutlich größer als bei Typ 2, was das Risiko beinhaltet, dass Typ 1 auf den Anschlussflächen von Typ 2 beim Aufschmelzen der Lotpaste schwimmen könnte, wodurch das Risiko von offenen Lötstellen noch größer werden würde.

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