THT und manuelle Montage

Warum bedrahtete Bauteile bleiben

Die Durchsteckmontage, im Betrieb kurz THT, ist kein Restbestand aus der Zeit vor der Oberflächenmontage. Sie ist die Bauform der Wahl, sobald eine Verbindung mechanisch belastet wird oder Ströme führt, für die eine SMD-Lötstelle zu wenig Querschnitt und zu wenig Haftgrund hat. Steckverbinder, an denen im Feld gesteckt und gezogen wird, Schraubklemmen, Relais, Übertrager, Elektrolytkondensatoren mit hoher Masse, Sicherungshalter und Leistungshalbleiter mit Kühlkörper: Bei diesen Bauteilen sitzt das Anschlussbein in der durchkontaktierten Bohrung. Es leitet die Kräfte in den Verbund aus Kupferhülse und Innenlagen ab, während eine SMD-Anschlussfläche allein an der Oberfläche haftet. Auch geforderte Luft- und Kriechstrecken führen regelmäßig zurück zur bedrahteten Bauform. Beide Bauformen stehen deshalb auf derselben Leiterplatte: dicht bestückte SMD-Seiten und wenige, dafür belastbare THT-Stellen. Wird ein vielpoliger Steckverbinder mechanisch hoch belastet und soll der Wärmeeintrag des Lötens entfallen, prüfen wir mit Ihnen die lötfreie Einpressverbindung nach DIN EN 60352-5. Der Pressfit-Pin verformt sich beim Einpressen in der Durchkontaktierung und bildet dort eine gasdichte elektrische Verbindung, die ohne Lot trägt.

Selektivlöten: jede Lötstelle einzeln parametriert

Beim Selektivlöten kommt nicht die ganze Lötseite mit flüssigem Lot in Kontakt, sondern nur die programmierte Position. Ein Mikrotropfen-Fluxer trägt Flussmittel gezielt auf die Bohrung auf, eine Vorheizung bringt die Baugruppe auf Temperatur, dann fährt eine Lötdüse mit stehender Miniwelle die Stellen an, einzeln im Tauchverfahren oder schleppend entlang einer Reihe. Kontaktzeit, Düsenhöhe und Verfahrweg legen wir je Lötstelle fest, denn ein Anschluss mit Massefläche darunter braucht mehr Wärme als ein freistehender Pin. Wir löten unter Stickstoff. Der reduzierte Restsauerstoff hält Düse und Lotoberfläche frei von Oxid, verbessert die Benetzung und senkt die Neigung zur Brückenbildung. Die Lotbadtemperatur liegt beim Selektivlöten zwischen 270 und 300 Grad Celsius und damit 10 bis 30 Kelvin über der Wellenlöttemperatur, weil der Wärmeeintrag über eine kleine Düse und in kurzer Zeit erfolgen muss.

Der Gewinn ist die thermische Schonung: Bauteile auf der Lötseite, temperaturempfindliche Kunststoffe und bereits gelötete SMD-Bereiche bleiben unberührt, ohne dass ein Abdeckrahmen gebaut werden muss. Die Grenze ist die Taktzeit. Jede Lötstelle kostet Sekunden, die Durchlaufzeit wächst also mit der Zahl der Anschlüsse. Dazu braucht die Düse Raum. Um jede Lötstelle muss ein Freiraum zum nächsten Bauteil bleiben, sonst berührt die Miniwelle die Nachbarschaft; wir rechnen im Design-Review mit mindestens 2,5 Millimetern ab Pad-Rand und legen den Wert je Düsendurchmesser und Bauteilhöhe fest.

Wellenlöten bei hoher Anschlussdichte

Trägt eine Baugruppe viele bedrahtete Anschlüsse, ist das Wellenlöten das wirtschaftlichere Verfahren, weil alle Lötstellen in einem Durchlauf entstehen. Wir fluxen die Baugruppe und führen sie durch eine Vorheizstrecke, die ihre Oberseite vor dem Lotkontakt auf 100 bis 130 Grad Celsius bringt. Danach läuft sie leicht geneigt über die Lotwelle. Das Fenster der Vorheizung ist eng. Fällt sie zu niedrig aus, ist das Flussmittel beim Kontakt noch nicht aktiviert und die Benetzung leidet; fällt sie zu hoch aus, ist es verbraucht, bevor es wirken kann. Wo SMD-Bereiche vom Lot frei bleiben müssen, arbeiten wir mit gefrästen Lötrahmen, die die Lötseite selektiv abdecken. Dem stehen drei Grenzen gegenüber: Das Verfahren belastet die gesamte Lötseite thermisch, es reagiert empfindlich auf die Bauteilorientierung zur Transportrichtung, und hinter großen Bauteilen entstehen Abschattungen, die zu Brücken oder Fehlstellen führen. Ab welcher Anschlusszahl die Welle das Selektivlöten ablöst, rechnen wir je Baugruppe gegen deren Taktzeit.

Handbestückung für Sonderbauteile

Alles, was keine Zuführung kennt oder keinen automatisierten Prozess verträgt, setzen wir von Hand: mechanisch belastete Bauteile, die zusätzlich verklebt, verschraubt oder mit Zugentlastung gesichert werden, Sonderbauteile aus Kundenbeistellung, abgekündigte Typen aus der Bevorratung, Leistungsbauteile mit Isolierscheibe und Wärmeleitmittel unter dem Kühlkörper. Wir löten an geregelten Stationen mit Temperaturmessung in der Spitze, an ESD-geschützten Arbeitsplätzen nach DIN EN 61340-5-1 und bei feinen Arbeiten unter dem Stereomikroskop. Verschraubungen erhalten ein festgelegtes Drehmoment, das im Arbeitsplan steht und am Schrauber eingestellt ist. Grundlage der Handarbeit ist die Prozessnorm IPC J-STD-001. Das Ergebnis bewerten wir nach derselben Abnahmeklasse wie die maschinell gelöteten Stellen.

Bewertung nach IPC-A-610 Klasse 2 und 3

Die Norm bewertet die durchkontaktierte Lötstelle über zwei getrennte Größen: die vertikale Füllung der Bohrung und die Benetzung des Anschlussumfangs auf beiden Seiten. Beim vertikalen Lotdurchstieg verlangen Klasse 2 und Klasse 3 mindestens 75 Prozent Füllung. Nur für Klasse 2 lässt die Norm unter eng definierten Bedingungen eine reduzierte Füllung von 50 Prozent zu, etwa wenn die Bohrungshülse thermisch an Masse- oder Innenlagen angebunden ist. Für Klasse 3 gilt der Wert ohne Ausnahme. Bei der Umfangsfüllung trennen sich die Klassen deutlicher. Die Lotzielseite ist dabei die Seite, zu der das Lot fließt, beim Wellen- und Selektivlöten also die Bauteilseite. Dort fordert Klasse 2 mindestens 180 Grad benetzten Umfang, Klasse 3 mindestens 270 Grad; auf der Lotquellseite geht Klasse 3 auf 330 Grad. Klasse 3 ist damit nicht automatisch die bessere Wahl, sondern die aufwendigere: engere Prozessfenster, mehr Prüfaufwand und ein Layout, das die Anforderung überhaupt zulässt.

Unvollständige Durchstiegsfüllung und Kaltlötstellen

Ein zu geringer Lotdurchstieg hat seine Ursache fast nie im Lot, sondern in der Wärmebilanz. Eine Bohrung, die ohne Wärmefalle an eine Massefläche oder eine Innenlage angebunden ist, zieht Wärme schneller ab, als Düse oder Welle sie nachliefern können. Das Lot erstarrt, bevor die Kapillare gefüllt ist. Weitere Ursachen sind zu kurze Kontaktzeit, verbrauchtes Flussmittel, dicke Leiterplatten mit hohem Verhältnis von Dicke zu Bohrungsdurchmesser, ein unpassender Ringspalt zwischen Anschlussdraht und Bohrungswand sowie Restfeuchte, die beim Löten ausgast. Wir setzen deshalb vor der Freigabe an. Im Design-Review prüfen wir Wärmefallen, das Bohrungsmaß gegen den Anschlussdraht nach den Empfehlungen der IPC-2221 und die Erreichbarkeit jeder Lötstelle für die Düse. Am Erstmuster verifizieren wir das Ergebnis über die Schrägdurchstrahlung im Röntgen und, wenn wir es mit Ihnen so vereinbaren, über einen Querschliff, weil der Füllgrad in der Bohrung visuell nur eingeschränkt beurteilbar ist.

Die Kaltlötstelle entsteht am anderen Ende derselben Skala: zu wenig Wärme, zu kurze Verweilzeit oder eine Bewegung des Bauteils, während das Lot erstarrt. Das Gefüge bleibt gestört, die intermetallische Phase bildet sich unvollständig aus, und die Verbindung hält mechanisch so lange, bis Vibration oder Temperaturwechsel sie öffnen. Wir begegnen ihr über die Wärmeübertragung statt über die Temperatur: passende Spitzengeometrie, ausreichender Kontakt zu Bein und Anschlussfläche, vorgewärmte Baugruppe, Fixierung bis zur Erstarrung. In der bleifreien Fertigung kommt ein Punkt dazu. Eine matte, leicht körnige Oberfläche ist bei SAC-Loten normal und für sich genommen kein Fehlerbild. Wir bewerten Benetzungswinkel, Meniskusform und Durchstieg, nicht den Glanz.

Gemischt bestückte Baugruppen

Sobald eine bestückte SMD-Seite und bedrahtete Anschlüsse auf derselben Leiterplatte zusammenkommen, steht die Reihenfolge fest: zuerst der Reflowprozess der SMD-Seiten, danach das Setzen der bedrahteten Bauteile, danach Selektiv- oder Wellenlöten, danach Reinigung, Sichtprüfung und die vereinbarte Prüfung. Jeder dieser Schritte verbraucht einen Teil des Temperaturbudgets, das die Bauteildatenblätter vorgeben. Die Zahl der thermischen Durchläufe legen wir deshalb vor dem Serienstart fest und halten sie über die Serie. Wo Bauteil und Layout es zulassen, verlagern wir THT-Anschlüsse in den Reflowprozess. Beim Pin-in-Paste-Verfahren füllen wir die Bohrung schon im Schablonendruck mit Lotpaste, setzen das bedrahtete Bauteil vor dem Ofen und löten es im selben Durchlauf wie die SMD-Bestückung. Das spart einen kompletten Lötprozess, setzt aber voraus, dass das Bauteil das Reflowprofil laut Datenblatt aushält und dass genügend Lotvolumen bereitsteht, über eine Stufenschablone oder über eingelegte Lotformteile. Ob dieser Weg trägt, klären wir am Layout, bevor die erste Schablone geschnitten wird.

Was wir für ein belastbares Angebot brauchen

Diese Unterlagen brauchen wir, um ein Lötverfahren zuzusagen: Fertigungsdaten der Leiterplatte mit Bohrdatei und Lagenaufbau, Stückliste mit Herstellertypen, Bestückungsplan mit Polarität und Einbaulage, die geforderte Abnahmeklasse nach IPC-A-610, die Datenblätter der bedrahteten Bauteile mit ihrer zulässigen Löttemperatur sowie Drehmoment- und Klebevorgaben für alles, was zusätzlich montiert wird. Bei Kundenbeistellung nennen Sie uns Menge, Anlieferform und Prüfstatus der Bauteile. Fehlende Angaben klären wir vor der Kalkulation, weil Verfahren, Taktzeit und Prüfumfang sonst nicht zu rechnen sind.