S-M-D

S-M-D Surface Mounted Device

von Peter G Zielke, DK9HZ

Surface-Mounted-Devices (SMDs), deutsch: oberflächenmontierte Bauelemente, sind Bauelemente im herkömmlichen Sinne, allerdings ohne Anschlußdrähte. Während bei der konventionellen Montage die Anschlußdrähte von der Oberseite der Platine (Bestückungsseite) in die entsprechenden Löcher gesteckt und auf der Leiterbahnseite (Lötseite) verlötet wurden, werden bei der Oberflächenmontage meistens beide Platinenseiten bestückt.



Mitte der siebziger Jahre des vorigen Jahrhunderts wurden die SMD-Technik für industrielle Anwendungen, hauptsächlich in Hi-Tech-Anwendungen zur Bestückung von Hybridschaltungen auf Keramik-Substraten, geboren. Nunmehr wird diese Technik auch für den Hobbyelektroniker und damit auch für den Funkamateur interessant. Nicht nur die Verkleinerung von Baugruppen und dem kompakteren Aufbau von Geräten, sondern auch die größere Zuverlässigkeit spielen eine große Rolle. Durch die sehr kleinen SMD-Bauteile ist der Flächenbedarf so hergestellter Schaltungen etwas 10 mal so klein, wie bei herkömmlicher Bauweise. Ferner sind die hervorragenden HF-Eigenschaften von SMD-bestückten Schaltungen hervorzuheben. Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung bzw. der Wegfall von Bohrungen bei der Platinenfertigung.



Als Nachteil sind u.U. Wärmeprobleme wegen der hohen Packungsdichte und die teilweise aufwendige Reparaturtechnik zu benennen. Weiterhin ist darauf zu achten, das nicht alle SMD-Bauteile im Klartext beschriftet sind, was zu Verwechselungen und unklaren Identifizierungen führen kann.

SMD-Widerstände stehen als CHIP (quaderförmig) oder als MELF (zylinderförmig) zur Verfügung. Null-Ohm-Widerstände werden als Brücken für Leiterbahnkreuzungen eingesetzt. Ihre Abmessungen entsprechen den CIP-Widerständen und werden überwiegend mit den Code-Aufdruck „000“ versehen. Verfügbare Werte sind von 1 Ω bis 10 MΩ. CHIP-Widerstände werden auf einem Keramiksubstrat in Dickschichttechnik hergestellt und besitzen eine lötfähige Kontaktierung an der Schmalseite des Widerstandskörpers. Die Widerstandsbahn ist zum Schutz gegen klimatische Einflüsse mit einer Glasur, auf die der Wert codiert (drei- oder vierstellig) aufgedruckt ist, versehen. Die erste, die zweite und evtl. dritte Ziffer bezeichnen den Widerstandswert, während die letzte Ziffer die Zahl der Nullen (Multiplikator, Zehnerpotenz) darstellen.

101 = 100 Ω, 471 = 470 Ω, 102 = 1 kΩ, 122 = 1,2 kΩ,

103 = 10 kΩ, 123 = 10 kΩ, 104 = 100 kΩ, 124 = 120 kΩ,

474 = 470 kΩ.

Bei MELF-Widerständen wird die Kennzeichnung des Wertes meistens wie bei bedrahteten Widerständen mittels Farbringen vorgenommen.

Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensatoren werden in einem sehr breiten Wertebereich von 0,47 pF bis 1 μF hergestellt. Es kommt vor, daß diese weder im Wert noch im Code bedruckt sind. Einmal vertauscht, hilft nur noch ein Kapazitäts-Meßgerät. Chip-Kondensatoren gibt es, je nach Kapazität in verschiedenen Größen. Beim Entwurf von Schaltungen mit SMD-Kondensatoren ist deshalb auf die Baugröße zu achten.

SMD-Tantal-Elkos werden in verschiedenen Bauformen, teilweise mit Wertangabe-Aufdruck bzw. mit Code-Aufdruck (wie bei Widerständen) in Werten zwischen 0,1 μF bis 68 μF geliefert. Neben der Wertangabe ist auf die Polaritäts-Kennzeichnung zu achten. Gleiches gilt für alle anderen Arten von Elektrolyt-Kondensatoren, wie z.B. Aluminium-Elkos in zylindrischen Metallbecher.



In den letzten Jahren sind eine Vielzahl von SMD-Dioden und -Transistoren auf den Markt gekommen, die generell die gleichen Eigenschaften haben wie die vergleichbaren Typen in konventionellen Gehäusen. Alle SMD Transistoren sind typcodiert und entsprechend gestempelt. Es ist unbedingt darauf zu achten, das Transistoren mit gleicher Codestempelung nicht unbedingt identisch sein müssen. Haben sie bei gleicher Stempelung eine unterschiedliche Gehäuseform, so sind auch hier die technischen Daten nicht unbedingt gleich. Beim Einkauf von Halbleitern sollte der Funkamateur unbedingt die Bezeichnungen konventioneller Bauteile, wie z.B. BC848A oder BCW60A usw. parat haben. Bei häufiger Verwendung dieser Bauteile ist uU die Anschaffung einer Vergleichstabelle „SMD – konventionell“ und umgekehrt anzuraten.

In den 70er Jahren wurden integrierte Schaltungen für die Oberflächenmontage in Hybridtechnik entwickelt. Heute werden viele Neuentwicklungen fast nur noch in dieser Technik hergestellt. Bei integrierten Schaltungen im SMD-Gehäuse sind die elektrischen Eigenschaften die gleichen wie die vergleichbaren Typen in DIL-Kunststoff-Gehäuse. Die Typenbezeichnungen sind deshalb auch identisch. Es ändert sich lediglich, je nach Hersteller die Nachbezeichnung bei SO-DIL Gehäusen (Small Outline) z.B. LM324N = LM324D. Bei SO-Gehäusen kommen zwei unterschiedliche Anschlußformen zum Einsatz: nach außen gebogene Anschlüsse und nach innen gebogene Anschlüsse. Die Kennzeichnung von Anschluß 1 erfolgt durch eine abgeschrägte Kante des Gehäuses oder durch einen weißen Strich auf der Stirnseite. Für integrierte Schaltungen mit höheren Anschlußzahlen gibt es schon seit längeren sogenannte PLCC-Gehäuse (Plastic Leaded Chip Carrier) und Quad-Flat-Pack Gehäuse. Die Anschlüsse sind hier auf allen vier Seiten herausgeführt und unter das Gehäuse gebogen. Der Vorteil dieser Form der Anschlüsse liegt darin, daß diese relativ unempfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung sind. Ungünstig ist allerdings das relativ hohe Gehäuse sowie die Lage der Lötstellen unter dem Gehäuse. Weiterhin wird durch die Anordnung der Anschlüsse das Löten sowie die Sichtkontrolle der Anschlüsse erschwert. Bei Quad-Flat-Pack Gehäusen sind die Anschlüsse grundsätzlich nicht nach hinten sondern nach außen gebogen.

SMD-Dioden werden meistens in MELF-Form geliefert. Die Kennzeichnung des Typs und der Kathode erfolgt wie bei herkömmlichen Bauteilen. Mit zunehmender Miniaturisierung der Baugruppen und Bauteile kommen auch immer mehr SMD-Leuchtdioden zu Einsatz. Technische Daten, Kennzeichnung usw. sollte der Funkamateur beim Einkauf erfragen oder einem Handbuch über SMD-Bauteile entnehmen. Die Anschaffung eines Handbuches lohnt sich natürlich nur, wenn häufig Schaltungen mit SMD-Bauteilen entworfen und aufgebaut werden.

Auf die industrielle Bestückung von Platinen mit SMD-Bauteilen durch Automaten soll hier nicht weiter eingegangen werden, denn für den Funkamateur und den Hobbyelektroniker ist die Handbestückung und Lötung ausschlaggebend. Wie schon gesagt, werden SMD-Bauteile plan auf der Leiterplatte fixiert und anschließend gelötet. So schwierig, wie es auf den ersten Blick aussieht, ist die Verarbeitung von SMDs in der Hobbyelektronik jedoch nicht. Eine Schwierigkeit ist allerdings die Winzigkeit der Bauelemente, weshalb man im Nahbereich gut sehen können muß. Weiterhin muß man eine ruhige Hand und ein Minimum an Spezialwerkzeug besitzen. Zwei Dinge sind es, die unabdingbar sind: ein Lötkolben (Lötstation, möglichst temperaturgeregelt) mit einer möglichst feinen zunderfreien Spitze, wie er auch zum Löten von konventionellen Schaltungen eingesetzt wird, sowie eine Pinzette und eine Lupe. Ungeeignet sind Lötkolben mit zu kleiner Leistung (< 15 Watt), da deren Wärmekapazität nicht ausreicht, um in der Nähe der Masseflächen sauber löten zu können. Bauteile sollen nicht gebraten bzw. lange aufgeheizt, sondern zügig gelötet werden. Sehr empfehlenswert ist dünnes Lötzinn mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Es versteht sich von selbst, daß kein säurehaltiges Lötzinn, Lötpaste, Lötwasser oder Salben und andere säurehaltigen Löthilfmittel verwendet wer-den dürfen.

In der Industrie werden die SMDs vor dem Lötvorgang auf der Platine durch Klebstoff fixiert. Ganz anders ist das Vorgehen in Bereich der Hobbyelektronik. Platine halten, SMD fixieren, Lötzinn und Lötkolben halten. Es fehlt eigentlich die dritte bzw. vierte Hand. Die zu bestückende Platine sollte auf eine schwerere Platte aus Metall oder Stein mittel doppelseitigen Klebebandes geklebt werden. So ist die relativ leichte Platine vor den Verrutschen geschützt, trotzdem läßt sich die Platine in die günstigste Arbeitsposition drehen.

Nachdem die Bauteile, am besten auf einem weißen Stück Papier sortiert worden sind, müssen sie auf den entsprechenden Stellen der Platine fixiert werden. Dazu muß ein Löt-Pad (Lötpunkt) der Platine verzinnt werden. Das Baiteil wird nun unter leichten Druck mit der Pinzette auf das vorverzinnte Lötauge aufgesetzt. Gleichzeitig wird das Bauelement und der Lötpunkt erhitzt bis der Lötvorgang beendet ist. Nach ein bißchen Übung ist dieser Vorgang sicher zu beherrschen. Anschließend wird der gegenüberliegende Anschluß verlötet. Die Verwendung einer Lupe ist auf jeden Fall anzuraten, denn bei den kleinen Abständen der Lötpunkte untereinander, kann es leicht zu Kurzschlüssen kommen.



Der Funkamateur/Hobbyelektroniker kann natürlich auch die SMDs vor dem Löten durch Kleben fixieren. Zu diesem Zweck gibt es geeignete Kleber in Kartuschen im Fachhandel.

Eine weitere, sehr schonende Methode ist das Löten mit einem Heißluftkolbens, weil ein direkter Kontakt zur Platine oder zum Bauelement ausgeschlossen ist und somit mechanische Belastungen unterbleiben. Zum Löten wird erst eine SMD-Lötpaste direkt aus der Kartusche auf die Lötpads aufgebracht. Die SMD-Bauteile werden dann auf der Lötpaste positioniert und dann mit dem „weichen“ Luftstrahl gelötet.

Auch bezüglich des Entlötens (z.B. bei der Reparatur) von SMDs haben sich verschiedene Methoden herauskristallisiert. Das Entlöten ist wesentlich problematischer als das Löten. Am besten bewährt hat sich sie von der konventionellen Technik her bekannte Lötsauglitze. Die Anschlüsse der Bauteile werden mit dem Lötkolben solange erhitzt, bis das Lötzinn mit der daranhaftenden Entlötlitze aufgenommen werden kann. Das Bauteil wird dann vorsichtig mit der Pinzette entfernt. Es muß beachtet werden, das ein einmal abgelötetes Bauteil nicht wieder verwendet werden kann. Beim Entlöten werden auch mit einer Lötsaugpumpe sehr gute Erfolge erzielt. Auch hier ist – wie mit der Lötsauglitze – ein bißchen Übung erforderlich.



Als weitere, sehr praktische Methode bei ICs hat sich das Abschneiden der Beinchen mit einem Universalmesser (mit abbrechbarer Klinge) erwiesen. Der Vorgang ist relativ einfach und läßt sich schnell und ohne Spezialwerkzeug durchführen. Das scharfe Messer wird direkt am IC-Körper angelegt, mit entsprechendem Druck auf das Messer werden die IC-Beinchen nacheinander abgeschert. Nach Entfernen des Schaltkreises bleiben nur noch die Stummelfüßchen zurück. Diese lassen sich mit den Lötzinnresten leicht mit Entlötsauglitze entfernen.

Das Ablöten der Bauteile mittels im Handel erhältlicher Entlötklinge ist ebenfalls unproblematisch. Die Entlötklinge besteht aus einer dünnen Stahlfolie, die bei flüssigem Lot zwischen Bauteil und Platine geschoben wird. Das Bauteil läßt sich danach leicht mit der Pinzette abheben, da das Lot nicht an der Stahlfolie haftet. Zum Ablöten von Schaltkreisen eignet sich besonders ein feiner Stahldraht (Entlötdraht). Dazu wird der Entlötdraht unter dem SMD-Bauteilefüßchen von zwei gegenüberliegenden Seiten durchgezogen. Das Ende des Drahtes wird mit Klebeband fixiert. Mit dem Heißluftgerät oder dem Lötkolben wird das Lot zum Schmelzen gebracht. Gleichzeitig wird das Bauteilfüßchen mit dem Draht nach oben gezogen. Es gibt zum Entlöten von Schaltkreisen eine Reihe spezieller Entlöteinsätze für Lotkolben und Heißluftgeräte. Diese sind allesamt für die industrielle Fertigung gedacht. Für den Funkamateur/Hobbyelektroniker ist die Anschaffung eines solchen Einsatzes unwirtschaftlich und unzweckmäßig.