Vom Draht zur Hightech-Bestückung Elektronikfertigung: Die Revolution durch SMT

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Der Wechsel von THR zur automatisierten SMT ist der bedeutendste Paradigmenwechsel der Elektronikfertigung. Der Verzicht auf die Durchstecktechnik ebnete den Weg für Miniaturisierung und hohe Packungsdichten und die hochwirtschaftliche Massenproduktion.

Die Oberflächenmontagetechnik (Surface-Mount Technology, SMT) revolutionierte die Elektronikfertigung. Mit den dazugehörigen Bauelementen (Surface-Mounted Devices, SMD) waren eine beidseitige Bestückung von Leiterplatten, höhere Packungsdichten und effizientere Lötprozesse möglich. Das führte letztendlich zu einer höheren Automatisierung in der Leiterplattenbestückung.

Heute hat die SMT die Durchsteckmontagetechnik (THT) fast durchgängig abgelöst, bei der die Anschlussdrähte der Bauelemente durch die Leiterplatte gesteckt und von der Unterseite gelötet wurden. Im Gegensatz dazu werden SMD-Bauelemente mit ihrer mit Lotpaste bedeckten Unterseite direkt auf die Leiterplatte gelötet. Für die Oberseite der Leiterplatte kommt das Reflow-Löten, für die Unterseite das Wellen- oder Schwallbad zum Einsatz.

Die Wiege der Oberflächenmontagetechnik

Die Wiege der Oberflächenmontagetechnik reicht in den Beginn der 1960er-Jahre zurück. Als Pionier gilt IBM, der das Prinzip unter dem Namen „Planar Mounting“ erstmals für die Konstruktion kompakter Logikbausteine in Rechenanlagen nutzte. Das war jedoch eine reine High-End-Nische. Aufgrund der immensen Produktionskosten und der noch fehlenden Infrastruktur für eine automatisierte Massenfertigung blieb der Einsatz von SMT zunächst auf das Militär sowie die Luft- und Raumfahrt beschränkt. Hier spielten die extremen Einsparungen von Platz und Gewicht, die bei den Bordcomputern der Saturn-V-Mondraketen oder in Satelliten unabdingbar waren, eine entscheidende Rolle. Die Industrie setzte zu dieser Zeit noch uneingeschränkt auf die robuste Durchsteckmontage.

Im Laufe der 1970er-Jahre erkannten Elektronikhersteller wie IBM und Philips das Potenzial für den zivilen Markt und trieben die Weiterentwicklung im industriellen Maßstab voran. Dazu musste das gesamte Spektrum elektronischer Bauelemente grundlegend neu gedacht werden. Ingenieure gestalteten Widerstände, Kondensatoren und erste Transistoren mechanisch so um, dass die Anschlussdrähte komplett entfielen. Stattdessen erhielten die Bauelemente flache, metallisierte Endkappen oder kleine, gebogene Laschen, die sich direkt auf die Leiterbahnen einer Platine auflegen ließen.

Gleichzeitig entstanden in dieser Dekade die ersten chemischen Rezepturen für Lotpasten und grundlegende Konzepte für das Reflow-Löten in Industrieöfen, was das Fundament für die spätere vollständige Automatisierung legte.

Die 1980er-Jahre markieren den endgültigen weltweiten Durchbruch der SMT. Getrieben wurde die Entwicklung von japanischen Konzernen wie Sony und Panasonic, die SMD-Bauelemente bei der hochautomatisierten Produktion neuartiger, hochgradig miniaturisierter Konsumgüter einsetzten. Geräte dieser Zeit, wie der Walkman von Sony, flache Taschenradios und tragbare Videokameras, wären ohne SMD-Komponenten technisch unmöglich gewesen.

Die ersten Bestückungsautomaten

Parallel dazu wurde in Europa, maßgeblich vorangetrieben durch die Siemens AG, die Fertigungstechnik perfektioniert. Damals wurden die ersten kameragestützten Bestückungsautomaten (Pick-and-Place-Maschinen) entwickelt, die Bausteine mit hoher Geschwindigkeit aus angelieferten Gurten entnehmen und auf den Leiterplatten platzieren konnten. Platinen wurden seitdem standardmäßig und hochpräzise von beiden Seiten bestückt. Ab den 1990er-Jahren ist SMT globaler Industriestandard und hat THT in fast allen Bereichen verdrängt.

In diesen Zeitraum fällt auch die Standardisierung. Da integrierte Schaltungen durch die Computer- und Mobilfunkrevolution (erste Handys) hunderte von Anschlüssen benötigten, reichten klassische seitliche Pins nicht mehr aus. IC-Gehäuseformen wie Ball Grid Array (BGA) wurden entwickelt, bei denen die Kontakte als winzige Lotkugeln auf die Unterseite des Chips wanderten. Smartphones, IoT-Geräte und Wearables nutzten SMD-Bauelemente der Bauform 01005, die mit bloßem Auge kaum noch als elektronische Komponenten zu erkennen waren und den vorläufigen Höhepunkt einer über sechzigjährigen Entwicklungsgeschichte darstellen.

Die Gehäuseformen sind für passive Bauelemente, Transistoren und Dioden sowie integrierte Schaltungen unterschiedlich ausgeführt. Bei den meisten passiven Komponenten, wie SMT-Widerständen und SMT-Kondensatoren, sind die Gehäusegrößen standardisiert. Die Gehäuse kommen als kleine Quader und werden durch Zahlen beschrieben, die sich auf die Abmessungen (in Hunderstel Zoll) beziehen: Beispielsweise 1812, 1206, 0805, 0603, 0402 und 0201. Die Verbindungen zur Leiterplatte erfolgen durch metallisierte Bereiche an beiden Enden des Gehäuses. Spulen und Quarze sind spezifisch gehaust.

Bei SMT-Transistoren und SMT-Dioden werden die Verbindungen vom Kunststoffgehäuse zur Leiterplatte mithilfe von Laschen hergestellt, die so gebogen sind, dass sie die Leiterplatte berühren. Die Einhausung von integrierten Schaltungen bestimmen die Interconnects. Einfache Logikchips haben 14 oder 16 Pins, während VLSI-Prozessoren mit bis zu 200 oder mehr Pins angeboten werden. SOIC-Gehäuse (Small Outline Integrated Circuit) werden für kleinere Chips genutzt. Daneben gibt es TSOP (Thin Small Outline Package), SSOP (Shrink Small Outline Package), SOP (Small Outline Package) und TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package).

Bei VLSI-Chips wird in der Regel das Quad-Flat-Pack-Gehäuse mit quadratischer oder rechteckiger Grundfläche und an allen vier Seiten austretenden Stiften verwendet. Die Pins werden als „Gull-Wing-Formation“ aus dem Gehäuse herausgebogen, um die Verbindungstechnik zur Leiterplatte zu realisieren. Die Handhabung ist schwierig, da die Pins sehr leicht verbiegen. Varianten sind LQFP (Low Profile Quad Flat Package) oder TQFP (Thin Quad Flat Package).

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Gehäuse ohne Anschlüsse

Moderne Gehäusefamilien haben keine herausragende Anschlüsse mehr, die Kontakte liegen als flache Metallpads direkt auf der Gehäuseunterseite oder schließen bündig mit der Außenkante ab. Varianten dieser anschlusslosen Gehäuse (No-Leads & Grids) sind QFN (Quad Flat No-Leads), DFN (Dual Flat No-Leads), LGA (Land Grid Array), CSP (Chip Scale Package). Das BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) wurde speziell für komplexe Architekturen mit hoher Pin-Dichte konzipiert. Die Gehäuseunterseite ist mit einem matrixförmigen Raster aus definierten Lotkugeln versehen, die während des Lötprozesses aufschmelzen, Unebenheiten kompensieren und die elektrische Verbindung sowie die mechanische Verankerung herstellen. Die verkleinerte Variante für mobile Applikationen ist als microBGA bzw. WLCSP ausgeführt.

Fazit: Die SMT-Technik veränderte die Elektronikfertigung durch die Eliminierung bedrahteter Bauteilarchitekturen. Nach einem zwei Jahrzehnte währenden Nischendasein erfolgte 1980 der Durchbruch durch flächige Gehäusekonzepte wie QFN und BGA. Der heutige SMT-Prozess ist eine präzise, vollautomatisierte Prozesskette, deren Teilschritte vom Lotpastendruck über die Pick-and-Place-Bestückung bis zur Inline-3D-Röntgeninspektion im Millisekundentakt aufeinander abgestimmt sind. (kr)

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