Einführung in Surface Mounted Devices (SMD)


Prof. Jürgen Plate

Einführung in Surface Mounted Devices (SMD)

SMD-Bauelemente

SMD-Bauelemente (englisch: Surface-Mounted Device) sind elektronische Bauteile, die keine Drahtanschlüsse besitzen (Trough Hole Device), sondern mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Platine gelötet werden. Diese Technik wird auch "Oberflächenmontage" genannt. Entwickelt wurde die Oberflächenmontagetechnik in den 1960er Jahren von IBM, damals noch im Dickschicht- oder Dünnschicht-Technik auf Keramikträgern. Diese wurden dann teilweise übereinandergestapelt, an den Rändern miteinander verdrahtet und dann als Modul mit Kunststoff vergossen. Anfang der 1980er Jahre stellte in Deutschland Valvo seine SMD-Bauelemente vor. Siemens und Roederstein folgten und beteiligten sich maßgeblich an der Weiterentwicklung und der Verbesserung der neuen Bauelemente. Auch Japan trieb seine Entwicklung an und konzentrierte sich hauptsächlich auf passive SMD-Bauelemente.

Durch die Oberflächenmontagetechnik ist es möglich, die Platinen beidseitig zu bestücken. Das Durchstecken der Anschlussdrähte, wie bei herkömmlichen Bauelementen, entfällt weitgehend. Ferner ist eine sehr dichte Bestückung möglich, die bei höheren Frequenzen die Schaltung sogar positiv beeinflussen kann. Die Geräte werden nicht nur kleiner, sondern können auch wesentlich kostengünstiger hergestellt werden. SMD-Bauelemente werden hauptsächlich maschinell verlötet, da eine präzise Positionierung der kleinen Bauteile per Hand manchmal schwierig ist.

Ein weiterer Vorteil ist der Wegfall der Anschlussdrähte. Hierfür muss man keine Platinen bohren, die löttechnische Verarbeitung der Bauteile ist einfacher und eine ordentlich gelötete SMD-Baugruppe widersteht mechanischen Belastungen. Dazu entfällt die Vorbereitung der Bauteile, denn man muss keine Anschlüsse biegen, durchstecken und abschneiden. Die SMD-Bauteile werden einfach auf die zugehörigen Lötpads (Lötflächen) gesetzt und dort auch (auf der Oberfläche) verlötet.

SMD-Bauelemente (passiv) in Chip-Bauform

Die Chip-Bauform bei SMD-Bauteilen ist rechteckig und wird meist für Widerstände oder Kondensatoren eingesetzt. Die Bezeichnung der Bauformen besteht immer aus vier Ziffern. Die Ziffern 1 und 2 geben die Länge, die Ziffern 3 und 4 die Breite des Bauteils in 1/100 Zoll (= 0,254 mm) an. Einige wenige Hersteller (z. B. Susumo) geben die Abmessungen allerdings auch in Einheiten von 1/10 mm an. Die Breitseite ist dabei immer die Seite, an welcher sich die metallenen Anschlüsse befinden (siehe Bilder). Bei einem 1812-Bauteil sind daher die Anschlüsse an der kürzeren, bei einem 1218-Bauteil jedoch an der längeren Seite, wobei beide Bauteile gleich groß sind). Da die Bauteile sehr klein sind und in der Regel größere Stückzahlen benötigt werden, werden sie in Gurten aus Karton oder Kunststoff verpackt. In den Gurten befinden sich Taschen, in welchen die Bauteile liegen, die Oberseite der Tasche ist durch eine Folie verschlossen, die abgezogen werden muss, um das Bauteil zu entnehmen.

SMD-Widerstände liegen heute meist in Chip-Form vor. Die verbreitetsten Größen sind 0805 und 1206. Bei SMD-Kondensatoren unterscheidet man zwischen zwei Gruppen von Kondensatoren, die Keramik-Kondensatoren, die in Chip-Form ähnlich den Widerständen ausgeführt sind,und die Elkos, die heute vorwiegend als Tantal-Elkos vorkommen. Die Keramik-Kondensatoren sind inzwischen bis in den Bereich von etlichen Mikrofarad vorgedrungen und ersetzen so manchen Elko. Die verbreitetsten Größen sind auch hier 0805 und 1206. Aber auch die (preiswerteren) Aluminum-Elkos sind recht verbreitet. Größere Kapazitaten ab ca. 330 Mikrofarad werden auch in SMD-Schaltungen mit bedrahteten Elkos bestückt. SMD-Spulen findet man in den Bauformen von 0805 bis 3615. Sie sind unterschiedlich bedruckt, ähnlich der Kennzeichnung von Widerständen. Daneben gibt es Sonderbauformen für Leistungsdrosseln.

Typische Gehäuseabmessungen der Chip-Bauform sind:

Baugröße, Code
nach EIA-Standard		 Länge in mm Breite in mm Länge in Zoll Breite in Zoll
01005 0,4 0,2 0,016 ± 0,0008 0,008 ± 0,0008
0201 0,6 0,3 0,024 ± 0,002 0,012 ± 0,001
0402 1,02 ± 0,10 0,50 ± 0,10 0,040 ± 0,004 0,020 ± 0,004
0504 1,27 ± 0,15 1,02 ± 0,15 0,050 ± 0,006 0,040 ± 0,004
0603 1,60 ± 0,1 0,80 ± 0,1 0,063 ± 0,004 0,031 ± 0,004
0805 2,00 ± 0,15 1,25 ± 0,15 0,079 ± 0,006 0,050 ± 0,006
0907 2,29 ± 0,20 1,78 ± 0,20 0,090 ± 0,008 0,070 ± 0,008
1008 2,50 ± 0,15 2,00 ± 0,15 0,098 ± 0,006 0,078 ± 0,006
1206 3,20 ± 0,15 1,60 ± 0,15 0,126 ± 0,006 0,063 ± 0,006
1210 3,20 ± 0,15 2,50 ± 0,15 0,126 ± 0,006 0,098 ± 0,006
1411 3,50 ± 0,20 2,80 ± 0,20 0,138 ± 0,008 0,110 ± 0,008
1515 3,81 ± 0,38 3,81 ± 0,38 0,150 ± 0,015 0,150 ± 0,015
1608 4,00 ± 0,20 2,00 ± 0,20 0,157 ± 0,008 0,078 ± 0,008
1812 4,60 ± 0,20 3,20 ± 0,20 0,181 ± 0,008 0,126 ± 0,008
1825 4,60 ± 0,20 6,30 ± 0,20 0,181 ± 0,008 0,248 ± 0,008
2010 5,08 ± 0,13 2,54 ± 0,08 0,200 ± 0,005 0,100 ± 0,003
2220 5,70 ± 0,20 5,00 ± 0,20 0,224 ± 0,008 0,197 ± 0,008
2312 6,00 ± 0,20 3,20 ± 0,20 0,236 ± 0,008 0,126 ± 0,008
2512 6,35 ± 0,13 3,20 ± 0,08 0,250 ± 0,005 0,126 ± 0,003
2515 6,30 ± 0,20 3,81 ± 0,20 0,248 ± 0,008 0,150 ± 0,008
2716 7,00 ± 0,20 4,00 ± 0,20 0,275 ± 0,008 0,157 ± 0,008
2824 7,20 ± 0,20 6,10 ± 0,20 0,283 ± 0,008 0,240 ± 0,008
2917 7,30 ± 0,20 4,30 ± 0,20 0,287 ± 0,008 0,170 ± 0,008
2920 7,30 ± 0,20 5,00 ± 0,30 0,287 ± 0,008 0,197 ± 0,012
3111 8,00 ± 0,20 2,80 ± 0,20 0,315 ± 0,008 0,110 ± 0,008
3931 10,00 ± 0,20 8,00 ± 0,20 0,394 ± 0,008 0,315 ± 0,008
4018 10,16 ± 0,20 4,60 ± 0,20 0,400 ± 0,008 0,181 ± 0,008
4040 10,2 ± 0,50 10,2 ± 0,50 0,400 ± 0,020 0,400 ± 0,020
4320 11,00 ± 0,20 5,00 ± 0,20 0,433 ± 0,008 0,197 ± 0,008
4335 11,00 ± 0,20 9,00 ± 0,20 0,433 ± 0,008 0,352 ± 0,008
4349 11,00 ± 0,20 12,50 ± 0,20 0,433 ± 0,008 0,492 ± 0,008
4424 11,10 ± 0,81 6,10 ± 0,40 0,435 ± 0,032 0,240 ± 0,015
4527 11,50 ± 0,20 7,00 ± 0,20 0,455 ± 0,008 0,275 ± 0,008
4540 11,4 ± 0,58 10,2 ± 0,50 0,450 ± 0,023 0,400 ± 0,020
4723 12,00 ± 0,20 6,00 ± 0,20 0,472 ± 0,008 0,236 ± 0,008
4825 12,20 ± 0,20 6,35 ± 0,20 0,480 ± 0,008 0,250 ± 0,008
5550 14,00 ± 0,71 12,70 ± 0,63 0,550 ± 0,028 0,500 ± 0,025
5727 14,40 ± 0,20 7,00 ± 0,20 0,567 ± 0,008 0,275 ± 0,008
6145 15,50 ± 0,20 11,50 ± 0,20 0,610 ± 0,008 0,455 ± 0,008
6561 16,50 ± 0,20 15,50 ± 0,20 0,651 ± 0,008 0,610 ± 0,008
7565 19,10 ± 0,96 16,50 ± 0,83 0,750 ± 0,038 0,650 ± 0,033

Die Höhe der Bauteile ist nicht standardisiert, bei Widerständen ist sie in der Regel gleich, während sie sich bei Kondensatoren je nach Hersteller, Kapazität und Spannungsfestigkeit stark unterscheidet. Bei gepolten Bauteilen ist normalerweise der Pluspol markiert:

Weitere_Chip-Bauformen:

Bezeichnung Englisch Bauform Verwendung
V-Chip
Vertical Chip
zylindrisch
  • Elektrolytkondensatoren
MELF
Metal Electrode Faces
zylindrisch
  • Metallschichtwiderstände
  • nichtlineare Widerstände
SOD
Small Outline Diode
zylindrisch
  • Dioden







Kennzeichnung des Wertes für Widerstände, Spulen und Kondensatoren

Widerstande, Spulen und Kondensatoren sind durch einen Aufdruck gekennzeichnet, der ihren Wert codiert. Wie die je nach Bereich unterschiedliche Codierung aufgelöst wird, zeigen die folgenden Abbildungen. Als Besonderheit gibt es auch, der 0-Ohm-Widerstand (Aufdruck 000 bzw. 0), der statt einer Drahtbrücke oder eine Jumpers eingesetzt werden kann. Keramik-Kondensatoren sind oft nicht beschriftet, ihr Wert ist nachträglich nur durch Messen zu ermitteln.

SMD-LEDs

       

Aktive SMD-Chip-Bauformen

Bei den aktiven Bauelementen unterscheidet man zwischen Gehäuseformen, die entweder an zwei oder an allen vier Seiten Lötpins oder Lötflächen besitzen.

SMD Chip-Bauformen mit zweiseitigen Lötpads
Bezeichnung Englisch Verwendung
SOT Small Outline Diode
  • Dioden
SOT
  • SOT23
  • SOT223
  • SOT223
Small Outline Transistor
  • 3 mm x 1,75 mm x 1,3 mm
  • 7 mm x 3,7 mm x 1,8 mm, Heatsink
  • 2,2 mm x 1,35 mm x 1,1 mm
  • Transistoren

SOIC Small Outline Integrated Circuit
  • IC-Bausteine
SOP
  • PSOP
  • TSOP
  • SSOP
  • TSSOP
  • QSOP
Small Outline Package
  • Plastic Small Outline Package
  • Thin Small Outline Package
  • Shrink Small Outline Package
  • Thin Shrink Small Outline Package
  • Quarter-Size Small Outline Package
  • kleine IC-Bausteine

SOJ
  • JLCC
  • PLCC
  • LPCC
  • LCCC
Leaded Small-Outline Package
  • J-Leaded Ceramic or Metal Chip Carrier, wie SOJ
  • Plastic Leaded Chip Carrier, wie SOJ
  • Leadless Plastic Chip Carrier, wie PLCC
  • eadless Ceramic Chip Carrier, wie PLCC im Keramikgehäuse
  • Pins unter das Gehäuse gebogen
    → für Sockel geeignet
DFP Small Outline Integrated Circuit
  • Dual Flat Pack, Pins an beiden
    Längsseiten, Raster 0,65 mm
TFP Small Outline Integrated Circuit
  • Triple Flat Pack, Pins an drei
    Seiten, Raster 0,8 mm
SMD Chip-Bauformen mit vierseitigen Lötpads
Bezeichnung Englisch Verwendung
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier
  • IC-Bausteine mit 20-84 Pins
QFN Quad Flat No Leads Package,
auch MLF (Micro Lead Frame)
oder MFP (Micro Lead Frame Package)
  • IC-Bausteine mit 20-84 Pins
  • Pins sind nur von der Unterseite zugänglich
  • nur Reflow-Löten möglich
  • VQFN (Very Thin Quad Flat Ppack No-leads)
    wie QFN, sehr dünnes Gehäuse
QFP
  • LQFP
  • PQFP
  • CQFP
  • MQFP
  • TQFP
Quat Flat Package
  • Low-Profile Quat Flat Package
  • Plastic Quat Flat Package
  • Ceramic Quat Flat Package
  • Metric Quat Flat Package
  • Thin Quat Flat Package
  • IC-Bausteine mit 32-200 Pins mit
    dem Raster 0,6mm bis 1,27 mm
SMD im substratbasierten Gehäuse
Bezeichnung Englisch Verwendung
LGA Land Grid Array
  • Package mit Kontaktflächen an der
    Unterseite, nur Reflow-Löten
TVFLGA Thin Very-Fine Land Grid Array
  • Package mit Kontaktflächen
    an der Unterseite
  • kleineres Raster als LGA
PGA
  • PPGA
  • CPGA
  • OPGA
  • FCPGA
Pin Grid Array
  • Plastic Pin Grid Array, Plastikgehäus
  • Ceramic Pin Grid Array, Keramikgehäuse
  • Organic Pin Grid Array, Kunststoffgehäuse
  • Flip-Chip Pin Grid Array
  • Package mit Pins an der
    Unterseite, nur Reflow-Löten
BGA
  • FBGA
  • FCBGA
  • CBGA
  • MAPBGA
  • CSP
  • HSBGA
  • CCGA
Ball Grid Array
  • Fine Pitch BGA, verringerter Lötpunktabstand
  • Flip Chip Ball Grid Array
  • Ceramic Ball Grid Array, Keramikgehäuse
  • Mold Array Process BGA
  • Chip Scale Package
  • Heat Slug Ball Grid Array
  • Ceramic Column Grid Array, zylinderförmige Anschlüsse
  • Package mit kleinen Lotkügelchen
    an der Unterseite, nur Reflow-Löten

SMD-Verarbeitung

Die größte Herausforderung bei der Verarbeitung von SMD_Bauelementen ist ihre geringe Größe. Deshalb sind peinliche Ordnung am Arbeitsplatz, gute Beleuchtung und spezielles Werkzeug Voraussetzungen für ordnungsgemäße Bestückung. Hier werden nur Methoden beischrieben, wie sie ohne größeren Aufwand im Hobbylabor realisierbar sind. Industrielle Methoden wie Reflow-Löten, Löten mit Lötpaste usw. werden nicht berücksichtigt. Am gut beleuchteten Arbeitsplatz sollten sich nur die Bauteile und Werkzeuge befinden, die zum Bestücken notwendig sind. Auch sollten Sie auch immer nur die Bauteile aus der Verpackung nehmen, die unmittelbar bestückt werden.

h4>Beleuchtung und Sehhilfen

Eine gute Lupenleuchte hilft enorm bei der sauberen Bestückung, denn nach einigen Lötvorgängen ermüden die hier stark beanspruchten Augen schnell. Alternativ gibt es Lupenbrillen, die mit unterschiedlich starken Gläsern ausgerüstet werden könnne. Auch eine sogenannte Uhrmacherlupe hilft bei der Kontrolle der Löststellen. Noch besser für die Nachkontrolle geeignet ist ein Inspektions-Mikroskop. Eventuell steht so etwas aus Schülerezeiten noch im Keller herum.

Werkzeug

Zum Löten ist ein Lötkolben mit nicht zu schlanker Spitze einzusetzen (eine sehr schlanke Spitze hilft nur dann, wenn die Bauteile sehr eng stehen). Die Lötspitzentemperatur sollte möglichst regelbar sein, hier ist eine elektronische Lötstation auf jeden Fall sinnvoll, die Leistungen zwischen 5 und 30 VA abgibt. Weiterhin benötigt man Lötzinn mit Kolophoniumseele und einer Stärke von 0,5 mm. Dickeres Lötzinn kann zu Kurzschlüssen auf den oft dicht bestückten Platinen mit geringen Anschlussabständen führen. Für das Entfernen überschüssigen Lötzinns sollte Entlötlitze zur Hand sein (hier nicht sparen, billige Entlötlitze taugt meist nur für das Löten an Dachrinnen). Schließlich brauchen Sie noch eine feine, sicher schließende und stabil haltende Pinzette zum sicheren Platzieren der Bauteile.

Der Lötkolben von Lötstationen ist bei gleicher Heizleistung in der Regel wesentlich handlicher da die Zuleitung sehr flexibelist. Für hochwertige Lötstationen steht eine Vielzahl Lötspitzen und Löteinsätze für die unterschiedlichsten Aufgaben zur Verfügung, die sich auch im Betrieb (bei heissem Lötkolben) wechseln lassen. Lötstationen sind mit einer Temperaturregelung ausgestattet, die sehr schnelle Anheizzeiten erlaubt. Durch die Temperaturregelung bleibt die Lötspitze sowohl bei Arbeitspausen als auch bei hoher Lötfrequenz weitgehend im optimalen Temperaturbereich, wodurch eine wesentlich bessere Qualität der Lötstellen als bei ungeregelten Lötgeräten erreicht werden kann.


(Bildquelle: Wikipedia, Simon A. Eugster, Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0)

Bauteile aufbewahren

Man kann es gar nicht oft genug sagen: Die Bauteile von Bausätzen werden typweise einzeln verpackt geliefert. Die jeweilige Tüte sollte erst unmittelbar vor Bestücken der jeweiligen Bauteile geöffnet und nach dem Entleeren sofort von der Arbeitsfläche genommen werden. Das betrifft insbesondere die unbeschrifteten SMD-Keramikkondensatoren, aber auch viele Halbleiter, deren Codierung oft nur mühsam ermittelbar ist. Es ist sinnvoll, den Streifen mit den Bauteilen auf der Rückseite mit einem wasserfesten Stift mit dem Bauteilewert zu beschriften. Dann kann später kaum etwas schief gehen. Im Übrigen bewähren sich spezielle SMD-Containersysteme sowie SMD-Sortimentskästen zur geordneten Aufbewahrung (wobei man da schon fast eine Vakuum-Pinzezze braucht, um die Bauteile wieder heraus zu bekommen). Bei mir haben sich auch kleine Sortimentsboxen bewährt. Dabei werden längere Streifen (Widerstände, Kondensatoren) auf die passende Größe für das jeweilige Fach zerteilt und jedes Teistück wieder mit dem Bauteilewert beschriftet. Sinnvoll ist bei eigenen Entwürfen auch die Beschränkung auf "Standardbauteile", damit sich nicht zuviel Kram ansammelt.

Bestücken

Die meist kleinen Platinen müssen während der Bestückung gut fixiert sein, um ein Verrutschen beim Löten zu verhindern. Ideal ist natürlich ein Bestückungsrahmen oder auch ein kleiner Schraubstock mit Gummibacken. Zur not tut es aber auch ein Stück doppelseitiges Klebeband, das die Platine an der Arbeitsplatte fixiert. Die Bestückung selbst sollte in der Regel immer von innen nach außen erfolgen. Hier ist es Sinnvoll, mit den ICs zu beginnen, damit Sie noch bequem an alle Anschlüsse herankommen. Generell erfolgt das Bestücken so, dass Sie zunächst ein Lötpad für das betreffende Bauteil mit wenig Lötzinn benetzen. Dann wird das Bauteil mit der Pinzette lagerichtig auf die zugehörigen Lötpads gelegt und an dem bereits verzinnten Anschluss verlötet. Erst Wenn Sie sich vergewissert haben, dass das Bauteil exakt platziert ist, löte n Sie den gegenüber liegenden Bauteilanschluss an. Dannach folgen ggf. alle weiteren Anschlüsse.

Dabei ist sorgfältig auf Folgendes zu achten:

Ist dennoch zuviel Lötzinn aufgetragen worden, so dass ein Kurzschluss entstanden ist, entfernt man das überschüssige Lötzinn mit Entlötlitze. Falls die Entlötlitze einige Zeit nicht benutzt wurde, sollten Sie einige Millimeter davon abschneiden, da die Drahtenden leicht korrodieren. Dann wird das Lötlitzenende an die Kurzschluss-Brücke geführt und mit der Lötkolbenspitze erwärmt. Hier ist eine regelbare Lötstation sehr nützlich, da Sie hier die Leistung gegenüber dem Löten etwas erhöhen können, denn die Entlötlitze transportiert Wärme ab. Nach kurzer Zeit wird das überschüssige Lötzinn durch die Kapillarwirkung der Litze automatisch in deren Kupfergeflecht gesaugt und die Entlötlitze kann wieder von der Lötstelle genommen werden. Vor dem nächsten Gebrauch der Entlötlitze schneiden Sie das verzinnte Stück ab.

Das Löten von Bauteilen im SO-Package ist fast genauso einfach wie das Löten von Widerständen:

  1. Ein Pad, das an einer Ecke des ICs liegt, verzinnen.
  2. Das IC platzieren.
  3. Das IC nach unten drücken.
  4. Das Pad erwärmen. Falls das IC jetzt nicht richtig sitzt, einfach noch einmal die lötstelle erwärmen und das IC verschieben bis es sitzt.
  5. Das dem ersten gelöteten Pad diagonal gegenüberliegende Pad löten.
  6. Alle anderen Pads verlöten. Es ist nicht schlimm, wenn Zinnbrücken entstehen.
  7. Die Zinnbrücken mit Hilfe von Entlötlitze entfernen (siehe oben).

Bei Bauteilen im SO-Package konnte man mit ruhiger Hand die Pins ohne Zinnbrücken löten. Bei TSSOPs und dergleichen ist das praktisch nicht mehr möglich, da der Abstand der Pins einfach zu klein ist. Deshalb wird es hier aufwendiger:

  1. Platzieren des Bauteils.
  2. Das Bauteil irgendwie fixieren (Pinzette, Kleband etc.)
  3. Das Bauteil an zwei diagonal gegenüberliegenden Pins festlöten (wie beim SO-Package).
  4. Überprüfen, ob der Chip wirklich richtig auf der Platine liegt, jetzt sind Korrekturen noch möglich.
  5. Nun brauchen Sie einen Stift mit flüssigem Flussmittel (handelsüblich). Mit dem Stift auf der zu lötenden Seite einfach über alle Pins pinseln.
  6. Mit dem Lötkolben Zinn aufnehmen und über die erste Seite des TSSOP fahren. Dabei spielt es keine Rolle, ob Brücken entstehen. Den Lötkolben mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 - 2 Pins pro Sekunde vorwärts bewegen.
  7. Mit dem Lötkolben genauso über die andere(n) Seite(n) fahren.
  8. Mit Entlötlitze (siehe oben) überflüssiges Zinn entfernen.
  9. Zum Abschluss kann man mit einer Lupe die Lötstellen überprüfen.

Bitte beachten: Flussmittel sind schädlich für die Atemwege. Also nur bei guter Lüftung oder eingeschalteter Lötdampfabsaugung arbeiten! Beim Löten sollten Sie immer wieder eine Pause einlegen, so dass der Chip nicht zu heiß und bereits beim Löten beschädigt wird! Flussmittelreste auf der Platine entfernen Sie am Schluss mit Wattestäbchen, die mit Isopropanol (aus der Apotheke) getränkt sind.

Weitere Hinweise und auch Informationen zum Reflow-Löten (auch mit der Bratpfanne) oder zum Entlöten von Bauteilen liefern die unten angegebenen Links.

Links

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