Das Neue Proportionale Anschlussflächen-Dimensionierungskonzept

Bibliothek des Wissens Band 18 - Das Neue Proportionale Anschlussflächen-Dimensionierungskonzept ermöglicht die Berechnung der passenden Anschlussflächen auf der Leiterplatte proportional zur Größe des Bauteilanschlusses unter Beachtung der physikalischen Eigenschaften des Lötprozesses.

In den Anfängen der SMD-Löttechnik ging man davon aus, dass für eine zuverlässige Lötverbindung die Anschlussflächen auf der Leiterplatte deutlich größer sein sollten als die Bauteilanschlüsse selber. Dies schlägt sich bis heute in den geltenden Standards der IPC-7351 bzw. IEC 61188-5 nieder. Obwohl mehrfach revidiert und den immer feiner werdenden Strukturen angepasst, passen die derzeit definierten Vorgaben und Berechnungsmethoden zur Erstellung der Leiterplatten-Anschlussflächen immer weniger zu den sich ständig wandelnden Bauteileanschlüssen, insbesondere je kleiner diese werden, vor allem weil für die Überstände konstante, absolute Werte vorgegeben werden. Für moderne Reflowlötverfahren sind dies überholte Regeln und Maße, wie die Praxis zeigt: Zu weit überstehende Flächen erzeugen seitliche Zugkräfte, die im Extremfall z.B. bei Chip-Bauformen zum gefürchteten Tombstoning (Grabsteineffekt) oder bei hochpoligen Bauteilen zu Kurzschlüssen führen können. Zuviel Lot und Fläche kann also auch negative Auswirkungen beim Lötprozess haben.

Darüber hinaus ist jeder unnötige Flächenverbrauch ein erheblicher Nachteil, insbesondere bei dicht bestückten Baugruppen mit hoher Verbindungsdichte. Die ständig sich erweiternde, nahezu unübersehbare Vielfalt an Bauteilanschlussformen, -größen und Rastermaßen erfordert eine sich anpassende Dimensionierung der korrespondierenden Leiterplattenanschlussflächen für optimale Lötverbindungen. Hier setzt das Neue Proportionale Anschlussflächen-Dimensionierungskonzept an: Es ermöglicht die Berechnung der passenden Anschlussflächen auf der Leiterplatte proportional zur Größe des Bauteilanschlusses unter Beachtung der physikalischen Eigenschaften des Lötprozesses: der Benetzung, der Kapillarwirkung sowie der Kräfteübertragung. Diese bewirken in ihrem Zusammenspiel die in den geltenden Standards unter Zuverlässigkeitsaspekten vorgegebenen Lotmenisken und -bedeckungen jedoch ohne unnötig überstehende oder sich negativ auswirkende, zu große Anschlussflächen. Ausgangspunkt für das Proportionale Konzept sind einerseits die Anforderungen an Lötstellen wie sie in der J-STD-001 und der IEC 61191-2 beschrieben werden und andererseits eine neue vereinfachte Klassifizierung von Bauteilen nach ihren Anschlusstypen. Während die IEC Anschlussflächenstandards und ebenso die IPC-7351 eine Unterscheidung der Bauteile nach Gehäusefamilien vornimmt basiert das Proportionale Konzept auf einer zweistufigen Klassifizierung nach Anschlusstypen.

Die Vorteile des Neuen Proportionalen Anschlussflächen-Dimensionierungskonzepts sind: einfach skalierbar, problemlose Anpassung auch für zukünftige Bauteile, Risikominimierung (z. B. Brückenbildung beim Pastendruck, besser angepasste Pastenvolumina), höhere Zuverlässigkeit der Lötstellen (fehlerreduzierte Baugruppenfertigung), Proportionale Anschlussflächen führen zu mehr Platz für die Entflechtung von Leiterbahnen.

Download: Propotional SMD Reference Calculator

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Dokument in Englischer Sprache

Der Initiator und Erfinder des Proportionalen Konzeptes, Rainer Taube, hat als Unternehmer und Inhaber von TAUBE ELECTRONIC GmbH, einem Hightech-Baugruppenfertiger, die Notwendigkeit eines neuen Anschlusskonzeptes aufgrund eigener Erfahrungen schon vor Jahren erkannt. Der Weg und Prozess bis zum heutigen Konzept war lang und steinig. Er begann mit der Absicht, den aktuellen IPC-Standard entsprechend zu modifizieren. Insbesondere die Schwierigkeit der Umstellung bedeutender amerikanischer DoD-Unternehmen hat den Prozess in die Länge gezogen und bis heute keinen neuen IPC-Standard ermöglicht. Auf zahlreichen Treffen mit Tom Hausherr, Inhaber von PCB-Libraries, ist in stundenlangen Diskussionen über das richtige Landpattern Design und deren Berechnung aus dem IPC7351 Land-Pattern Calculator schließlich der FED / IPC Referenzkalkulator hervorgegangen. Ein EXCEL basiertes Berechnungsprogramm, das sowohl die Berechnung nach den IPC-7351B -Algorithmen wie nach dem Proportionalen Konzept ermöglicht.
Damit steht ein Tool zur Verfügung, das der FED seinen Mitgliedern zum Download zur Verfügung stellt. Der Band 18, der Bibliothek des Wissens erläutert zunächst das bisherige IPC-Landpattern-Konzept und stellt dann das Neue Proportionale Anschlussflächen-Dimensionierungskonzept sowie den IPC-FED Referenzkalkulator vor und erklärt dessen Benutzung. Um abzusichern, dass die nach dem Proportionalen Konzept berechneten Anschlussflächen akzeptable Lötstellen nach den Anforderungen von JSTD-001 und IPC-A-610 ergeben, wurde im Jahr 2016 das FED Verifikationsprojekt gestartet. In diesem Projekt wurde ein Testboard entworfen, das sowohl Anschlussflächen nach IPC-7351B nominal für alle Bauteiltypen mit vertikalem Benetzungsanteil enthält als auch nach dem Proportionalen Konzept berechnete Anschlussflächen. Für die Bewertung der Zuverlässigkeit wurden mehrere Baugruppen in zwei Fertigungsstätten bestückt und gelötet und anschließend von einem unabhängigen Gutachter nach den Abnahmekriterien der IPC-A-610 inspiziert und abgenommen. 
Im Namen des FED möchte ich Rainer Taube für diese wertvolle Arbeit meinen herzlichsten Dank aussprechen und auch für seine Freizeit, die er dem FED und seinen Mitgliedern nicht nur hiermit immer wieder unentgeltlich zur Verfügung gestellt hat und stellt. Rainer Taube gehört dem FED seit seiner Gründung an und steht ihm seitdem ununterbrochen mit Rat und Tat zur Seite, aktuell als Vorstand für den Geschäftsbereich Richtlinien und Normen sowie als Master-Trainer für IPC-A-610 und Convener der IEC WG12 im TC91 in der zur Zeit eine neue Norm zur Dimensionierung von Anschlussflächen auf Leiterplatten unter Einbeziehung des Neuen Proportionalen Anschlussflächen-Dimensionierungskonzepts erarbeitet wird.