SMDs in der Hobbyelektronik

Siegfried Wirsum

SMDs in der Hobbyelektronik Ein SMD-Baubuch und Halbleiterskript

SMDs in der Hobbyelektronik Ein SMD-Baubuch und Halbleiterskript Praktische Grundlagen der manuellen Anwendung der Oberflächen-Montagetechnik • Bauteile Leiterplattenentwurf • Handlötung Entwürfe und Aufbau von mit SMDs bestückten Elektronik-Minibausteinen Technische Kurzdaten von SMD-Halbleitern mit Bauformen, Code-Aufschlüsselung, Anschlußbelegungen und Vergleiche mit konventionellen Transistoren.

Wichtiger Hinweis Die in diesem Buch aufgezeigten Schaltungen, Verfahren und Entwürfe werden ohne Rücksicht auf die Patentlage oder mögliche Schutzrechte dritter mitgeteilt und dienen ausschließlich Hobbyelektronik-und Lehrzwecken. Sie dürfen nicht gewerblich benutzt werden. Hierzu bedarf es der Genehmigung durch den möglichen Lizenzinhaber. Die jeweils gültigen postalischen Vorschriften und Sicherheitsbestimmungen sind zu beachten. Alle Unterlagen, Schaltungen, Zeichnungen wurden zwar sorgfältig bearbeitet und zusammengestellt. Trotzdem können technische Änderungen und Fehler nicht ausgeschlossen werden. Die angegebenen technischen Daten dienen allein der Produktbeschreibung und sind nicht als zugesicherte Eigenschaften im Rechtssinne aufzufassen. Das Buch gibt keine Auskunft über Liefermöglichkeiten. Es kann daher weder eine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung gleich aus welchem Rechtsgrund übernommen werden. Für die Mitteilung eventueller Fehler, Ergänzungsoder Verbesserungsvorschläge ist der Autor und Herausgeber immer dankbar. Nachdruck, Vervielfältigung und Wiedergabe in irgendeiner Form auch auszugsweise nur mit Genehmigung des Herausgebers. Alle Rechte vorbehalten.

> m © 1989

Autor und Herausgeber;" c| Q Siegfried Wirsum, 8011 ^drn^ding, Herzog-Stephan-Weg 23 Gesamtherstellung: Drucköpei Bommer GmbH

Umschlag: Obere Bilder: Minimoduln mit SMDs bestückt (Entwürfe des Autors) Unteres Bild: Miniaturgehäuse SOT-23 (Werkbild Valvo)

Vorwort und Gebrauchshinweise Der fortschreitende Umstieg der Elektronik-Industrie von der herkömmlichen Einsteckmontage bei Leiterplatten zur automatisierten Oberflächenmontage hat auch Auswirkungen auf die ElektronikHobbypraxis. Das „klassische Bauelement" mit Drahtanschlüssen wird immer mehr durch neue SMD-Produkte ersetzt, so daß sich der fortschrittliche Elektroniker mit dieser Technik laufend beschäftigen muß. Für den Hobbyelektroniker liegt der Reiz des Neuen nicht nur in der Bewältigung dieser neuen Montagetechnik, sondern auch in der Ausnutzung der Vorteile der SMD-Miniaturbauelemente, welche neue kreative Möglichkeiten für den Anwender eröffnen, kurz eine neue Qualität der Hobbyelektronik ermöglichen. Das SMD-Arbeitsbuch ist daher auf den praktischen Einstieg in die SMD-Technik für Einzelanfertigungen und manuelle Bestückung abgestimmt und beinhaltet die drei wichtigsten Themenkreise, nämlich 1. Kennenlernen der SMD-Bauteile und Montagetechnik 2. Praktische Anwendungen 3. SMD-Halbleiter-Arbeitshilfe Die Anwendungsbeispiele mit Leiterplatten-Entwürfen sind zum Kennenlernen der Vorteile der SMD-Technik in der Schaltungs- und Aufbaupraxis. Zur Erleichterung des Einstiegs und bei Beschaffungsschwierigkeiten können die kompletten Bausätze nach Stückliste beim Elektronik-Fachhandel wie auch beim Herausgeber selbst bezogen werden. Die SMD-Halbleiter-Arbeitshilfe möchte dem Praktiker nicht nur bei der Identifizierung von häufig verwendeten SMD-Halbleitern helfen, Anschlußbelegungen aufzeigen, Vergleiche mit konventionellen Halbleitern herstellen, sondern darüber hinaus anhand von technischen Kurzdaten auf ihre Anwendungsmöglichkeiten hinweisen. Sie kann jedoch nicht sehr umfangreiche Datenbücher für Konstrukteure und Geräteentwickler der professionellen Elektronik ersetzen, sondern ist für den Praktiker bestimmt, der mehr wissen möchte als nur Identifizierung oder Vergleich. Der Autor hofft, mit diesem „SMD-Dreidecker" den erforderlichen Background in Sachen SMD-Nutzanwendungen in der Hobby-Elektronik und vielleicht noch mehr geben zu können. Siegfried Wirsum

Inhalt l

Kennenlernen der SMD-Bauteile und Montagetechnik . . . .

Oberflächen-Montagetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die wesentlichen Vorteile der SMD-Technik . . . . . . . . . Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SMD-Kurzbrevier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SMD-Bauformen und Maßbilder . . . . . . . . . . . . . . . . SMD-Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chip-Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Melf-Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trimmwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 SMD-Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keramik-Vielschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . . Folienkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tantalelkos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alu-Elkos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Dioden, Transistoren und integrierte Schaltungen . . . . . 1.9 Weitere SMD-Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10 Kennzeichnung der oberflächenmontierbaren Bauteile . . 1.11 Leiterplattenentwurf für manuelle Bestückung . . . . . . . . 1.12 Handlötung von SMD-Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . 1.13 Aufbau, Bestückung und Kontrolle . . . . . . . . . . . . . . .

7 8 9 9 11 19 19 19 20 20 20 20 20 20 21 21 22 27 28 31

2

Praktische Anwendungen (SMD-Entwürfe) . . . . . . . . . . .

33

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

2.1 2.2 2.3

Zweistufiger SMD-Vorverstärker mit Einzeltransistoren (SW 100 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Audio-Vorverstärker mit linearer oder nichtlinearer Ver stärkung mit SMD-IC (SW 108 VLE) . . . . . . . . . . . . . . Monauraler Audio-Endverstärker von 30 mW - 0,5 Watt (SW 106 E) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 Mikro-Stereoverstärker (SW 107 St) . . . . . . . . . . . . . . 2.5 SMD-Präzisions-Meßgleichrichter für NF-Anwendungen (SW 101 G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Astabiler Multivibrator für Vielzweckanwendungen (SW 103 M) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

SMD-Halbleiter-Arbeitshilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 Allgemeine Erläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 SMD-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 SMD-Einzeltransistoren und FETs . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Optoelektronische SMD-Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 3.5 Häufig verwendete integrierte SMD-Schaltungen . . . . . . 3.6 Anschlußbelegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literaturhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

33 36 39

42

45 48 51

51 52 66 81 82 84 88

1 Kennenlernen der SMD-Bauteile und Montagetechnik 1.1 Oberflächen-Montagetechnik Mit SMDs (Surface Mounted Devices) werden oberflächenmontierbare elektronische und elektromechanische Bauelemente bezeichnet. Im Gegensatz zur herkömmlichen Leiterplatten-Einsteckmontage mit bedrahteten Bauelementen, bei der die Bauteileanschlüsse von der Bestückungsseite her durch die Bohrungen gesteckt und auf der Leiterbahnseite gelötet werden, ist bei der Oberflächenmontage Bestük-kungs- und Lötseite gleich. Dabei werden die SMDs mit ihren drahtlosen, flachen Anschlußflächen direkt mit den Leiterbahnen verlötet. SMDs können daher auf beiden Seiten einer Leiterplatte bestückt werden. Bohrungen werden praktisch nur zum Durchkontaktieren benötigt, wenn man von Mischbestückungen absieht.

Fernbedienung mit Infrarotlicht in SMD-TechniJc (Siemens-PressebildJ

Oberflächenmontaqe 1.2 Die wesentlichen Vorteile der SMD-Technik Miniaturisierung Daher sehr geringer Raum und Platzbedarf bei geringem Gewicht. Das bedeutet: Mehr Elektronik auf kleinstem Raum, hohe Packungsdichte. Realisierung von Elektronik-Baugruppen in Mini-Moduln und Geräten in Flachbautechnik. Wirtschaftlichkeit Wegfall der Biege- und Schneidarbeiten bei Anschlußdrähten, automationsgerechtere Bauteile für Automaten mit hohen Bestückungsleistungen und Bestückungssicherheit bei der industriellen Fertigung. Geringer Lager-Raumbedarf, geringe Transportkosten. Ersparnis an Leiterplattenmaterial. Zuverlässigkeit und verbesserte Eigenschaften SMDs werden nach dem letzten Stand des Know how gefertigt und haben daher meistens verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften. Auf Grund ihrer Kleinheit und Ausführung ohne Anschlußdrähte sind bessere HF-Eigenschaften durch kürzere SignalLaufzeiten, geringere parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten erreichbar.

1.3 Grenzen Wärmeprobleme bei sehr hohen Packungsdichten und Verlustleistungen sowie die bei der Miniaturisierung zu berücksichtigenden Min-destLeiterbahnabstände bei hohen Betriebsspannungen. Berücksichtigung von verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten.

1.4 SMD-Kurzbrevier SMD

Surface Mounted Devices = oberflächenmontierbare Bauelemente

SMT

Surface Mounted Technology = Technik der Oberflächenmontage

SMA

Surface Mounted Assembly = Technologie der Oberflächenmontage

SMC

Surface Mounted Component = oberflächenmontierbares Bauelement

SMP

Surface Mounted Package = Oberflächen-Gehäusetechnik

SO

Small Outline = Gehäuse mit 4 - 2 8 Anschlüssen

SOD

Small Outline Diode = Diode für die Oberflächenmontage

SOT

Small Outline Transistor = Gehäuse für Einzel-Transistor für die Oberflächenmontage

SOP

Small Outline Package = Gehäuse

SOIC

Small Outline Integrated Circuit = Gehäuse für integrierte Schaltung für die Oberflächenmontage mit ca. 40 Anschlüssen (Raster 0,76 mm)

VSO

Very Small Outline = Gehäuse mit 40 Anschlüssen für die Oberflächenmontage

QFP

Quad Fiat Pack = Gehäuse mit 64 - 164 Anschlüssen für die Oberflächenmontage Raster 0,6 - bis 1,27 mm

TA B CG

Tape Automated Bonding = Spezialgehäuse für Sonderausführungen (bis 144 Anschlüsse) Chip Carrier = integrierte Schaltungen im Gehäuse mit max. 124 Anschlüssen (Raster 1,27 mm)

MELF

Metal Electrode Face Bonding = zylinderförmiges Gehäuse für Bauelemente der Oberflächenmontage (z. B. Dioden, Widerstände)

MINIMELF = zylindrisches Gehäuse für Bauelemente der Oberflächenmontage (Dioden, Widerstände, siehe Bauformen) MIKROMELF = besonders kleines zylindrisches Gehäuse für Bauelemente der Oberflächenmontage PLCC

Plastic Leaded Chip Carrier (bis 68 Anschlüsse) = Plastikgehäuse für ICs für die Oberflächenmontage

LCCC

Leadless Ceramic Chip Carrier = Keramikgehäuse für ICs für die Oberflächenmontage

SO-N

Small Outline Narrow = SO-Gehäuse, schmale Ausführung

SO-W

Small Outline Width = SO-Gehäuse, breite Ausführung

SO-I

Small Outline J-Leaded = SO-Gehäuse mit Anschlüssen in J-Form

CLCC

Ceramic Leaded Chip Carrier = Keramikgehäuse für ICs mit Anschlüssen in J-Form

EIA

= Electronic Industry of America

EIAJ

= Electronic Industry Association of Japan

fedec

10

= Joint Electronic Device Engineering Council (Festlegung von Bauformen, Anschlußbelegungen etc. des EIA)

1.5 SMD-Bauformen und Maßbilder Baugrößenbezeichnung 0805 1206 1210 1808 1812 2220

Abmessungen 2,0 x 1,25mm (lEC-Norm) z.B. Vio W-Widerstände 3,2 x 1,6 mm (lEC-Norm) z.B. V8 W-Widerstände 3,2 x 2,5 mm (lEC-Norm) 4,5 x 2 mm (lEC-Norm) 4,5 x 3,2 mm (lEC-Norm) 5,7 x 5 mm (lEC-Norm)

Hauptanwendung: Passive SMD-Bauteile, quaderförmig

Gehäuse Zylindrisch MELF 5,9 x 2,2 0 mm MINIMELF 3,6 x 1,4 0 mm MIKROMELF 2,0 x 1,27 0 mm SOD-80 3,5 x 1,6 0 mm

Abb. Seite 18 Abb. Seite 14

Hauptanwendung: Dioden und passive SMD-Bauteile

SMD-Halbleiter-Gehäusemaßbilder SOT-23 SOT-89

3,0

x 1,3

x 1,5 x 1,3 x4

SOT-143

4,5

SOT-192

3,0

SOT-223

4,5

SO-6

6.3-6.7X 3,3-3,7

SO-8 (SOT-96A) SO-16 (SOT-109A)

3,9 X 4 - 6,2 8,8 5-5,2 x 4 - 6,2 10

SO-8L

8

SO-14 (SOT-108A)

SO-16L (SOT-162A) 7,6 SO-20L (SOT-163A) 13 SO-24L (SOT-137A) 15,6 SO-28L (SOT-136A) 18,1 VSO-40 (SOT-158A) 15,5

SO-4 ... 28 Raster 1,27mm VSO Raster 0,76mm

mm (LxB) DIN 23 A3 JedecTO-236 Abb. S. 13 u. 14 mm Jedec TO-243 Abb. S. 13 u. 14 mm DIN 23 A 3 Abb. S. 13 u. 14 mm

mm mm mm x 4 - 6,2 x 4 -mm 6,2 mm x 7,6 x 10,510,65 mm x mm 7,610,65 mm x 7,610,65 mm x 7,610,65 mm x 7,612,8 mm

Abb. S. 16

Abb. S. 16 Abb. S. 16 Abb. S. 16 Abb. S. 15 Abb. S. 15 Abb. S. 15 Abb. S. 15 Abb. S. 15 IEC = genormt Jedec = Normvorschlag 11

SMD-Bauelemente und Bauformen mit MiJcropacJc (WerJcsfoto Siemens AG, Bereich BaueJementeJ

*~ t _C D

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:a J =; C

13

14

15

16

17

18

SMD-Widerstände auf GurtroJle (Werkbild VaJvoJ

1.6 SMD-Widerstände Die Nennbelastbarkeit bei SMD-Widerständen beträgt meistens 0,25 W bei einer Umgebungstemperatur von 70°. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Belastbarkeit ab (Derating-Kurve). Chip-Widerstände Chip-Widerstände bestehen aus einer Widerstandsschicht, die nach einem Siebdruckverfahren auf ein rechteckförmiges Keramiksubstrat eingebrannt wird. Diese besitzen lötfähige metallisierte Kontaktflächen. Die Widerstandsbahn ist durch eine Glasur gegen Umwelteinflüsse geschützt. Melf-Widerstände Die zylinderförmigen Melf-Widerstände bestehen aus einem zylindrischen Keramikkörper mit aufgedampfter Widerstandsbahn und lötfähigen Kontaktierungskappen. Der Widerstandsabgleich erfolgt durch einen Laser (Wendelung der Widerstandsschicht). Die Widerstandsschicht ist ebenfalls durch eine Schutzlackschicht geschützt. 19

Trimmwiderstände Diese gibt es in verschiedenen mechanischen Ausführungen mit unterschiedlich angeordneten Anschlußkontakten. Der Drehbereich beträgt 270°, sie sind meistens mit 0,2 W belastbar. Widerstandsbereich 100 Q - l MQ.

1.7 SMD-Kondensatoren Keramik- Vielschichtkondensatoren Keramik-Vielschicht-Kondensatoren in Chipform decken den Bereich von ca. 0,5 pF ~ l jiF ab. Ihre Spannungsfestigkeit liegt meistens bei 50 V. Diese bestehen aus dünnen Keramikschichten, zwischen denen sich der metallisierte Edelmetallbelag befindet. Diese sind an der Vorderseite durch eine Lötflächenmetallisierung verbunden. Die metallischen Endkontakte sind lötfähig. Die Baugrößen richten sich nach der Kapazität und Spannung, wobei die Baugrößen 0805 - 1206 - 1210 1808 - 1812 - 2220 infrage kommen. Für Hobby-ElektronikAnwendungen haben sich besonders die Bauformen 0805 und 1206 der qua-derförmigen Chip-Bauelemente bewährt, die mit ChipWiderständen baugleich sind. Das erleichtert das Lay-outen. SMD-Folienkondensatoren SMD-Folienkondensatoren (MKT von Siemens) bestehen aus Polyester als Dielektrikum mit aufgedampftem Metall als Kondensatorbelag und sind mit einem flammenresistenten Kunststoff umspritzt. Zu den Vorteilen zählen ihre Selbstregenerierung an den Durchschlagstellen, hohe Kapazitätskonstanz, geringer Verlustfaktor. Folienkondensatoren gibt es in einem Kapazitätsbereich von 0,01 -1 |iF mit Betriebsspannungen von 50 V. Gehäusegrößen von ca. 4,9 - 9,4 mm mit Breiten von 4,5 - 8 mm. Tantalelkos Tantal-Elektrolytkondensatoren in Chipform gibt es von ca. 0,1 uF bis 100 [iF. Die Nennspannungen liegen zwischen 4... 63 V. Sie haben eine hohe Kapazität bei geringem Volumen. Dieser besteht aus einem quaderförmigen Anodenkörper (Tantalanode), der von einer dielektrischen Schicht umhüllt und mit lötfähigen Anschlüssen versehen ist. Der gesamte Kondensatoraufbau ist mit einem Schutzlack überzogen. Bei Tantal-Elektrolytkondensatoren ist zu beachten, daß der Ladewiderstand von ca. 3 - 4 Q/V nicht unterschritten wird. Aluminium-Elkos Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind in dem Kapazitätsbereich von ca. 0,1 |iF - 47 jiF erhältlich. Der Nennspannungsbereich beträgt

20

6,3 ... 63 V. Ihre Bauformen sind meistens größer wie bei kapazitätsgleichen Tantalelkos und häufig noch nicht genormt. Alu-Elektrolytkondensatoren bestehen aus einem Anoden-Katodenfolienwickel, welcher von einem Elektrolyten getränkt und in einem Alumniniumbecher eingeschoben ist.

1.8 Dioden, Transistoren und integrierte Schaltungen Dioden haben meistens die Bauform SOD-80 (Small Outline Diode). LEDs gibt es in den Baugrößen SOD-80 und SOT-23. Die Bauformen SOT-23, SOT-89, SOT-143 findet man vor allem bei Einzeltransistoren (Verlustleistungen bei SOT-23 und SOT-143 Gehäusen ca. 100 - 400 mW, bei SOT-89 ca. 500 - 1000 mW). Bei den integrierten Schaltungen sind die Vorteile der SMD-Technik, was den Platzbedarf betrifft, besonders deutlich erkennbar. Mit den Small-Outline (SO)-Bauformen - im Vergleich mit DIL-ICs - kann der erforderliche Platzbedarf erheblich reduziert werden, teilweise bis zu 25 - 30%. Das ist auf die kleineren Gehäuseausführungen mit geringeren Pin-Abständen und stummeiförmigen Anschlüssen zurückzuführen. Dabei verbessern sich die elektrischen Eigenschaften durch kürzere Leitungsführungen. Integrierte Schaltungen im SMD-Gehäuse haben fast Dieselben Kristalle wie integrierte Schaltungen im großen Standard-Gehäuse. Die Typenbezeichnung ist identisch und hat zusätzlich eine Nachbezeichnung, welche Aufschluß auf die Gehäuseausführung gibt. Eine abgeschrägte Kante dient zur Identifizierung von Pin 1. Größere Gehäuse haben zusätzlich an der Vorderseite eine Aussparung, wie man es bei den konventionellen DIL-Gehäusen gewöhnt ist oder einen weißen Markierungsstrich. Es gibt grundsätzlich zwei Anschlußformen, nämlich nach außen gebogene Anschlüsse („Gull Wing Pin" = Anschluß in Form eines Möwenflügels) und nach innen gebogene Anschlüsse QForm). Die Anschlußform wie auch die Anzahl der Anschlüsse bestimmen die Gehäuseform.

1.9 Weitere SMD-Bauelemente Die innovative Auswirkung der SMD-Technik auf weitere elektrische und elektromechanische Bauelemente ist sehr stark. So gibt es bereits Quarze, Chip-Induktivitäten, Heiß- und Kaltleiterchips, SMD-Schalter aller Art sowie SMD-Trafos, Übertrager und Steckverbinder. Bei mechanisch und elektrisch zugleich stark beanspruchten Bauelementen ist die Entscheidung zu treffen, ob diese in SMDAusführung realisierbar sind oder eine Mischbestückung zu bevorzugen ist. 21

Dual-in-Iine-Schalter sind bei Siemens jetzt auch in SMD-Technik in 4-, 5-, 8und lOteiliger Ausführung verfügbar. Die Vorteile dieser Technologie kommen damit voll zum Tragen. (Siemens-Pressebild)

1.10 Kennzeichnung der oberflächenmontierbaren Bauteile Die Kennzeichnung der SMDs in der bisherigen Form ist wegen ihrer Kleinheit häufig nur in codierter Form möglich. Über die Kennung bei Halbleitern gibt die HalbleiterZusammenstellung Auskunft. Die Stempelung erfolgt hier mit einem typspezifischen Code aus Zahlen und Buchstaben, wobei bei gleicher Codierung eine Abweichung der angegebenen technischen Daten von Hersteller zu Hersteller möglich ist. Bei den rechteck- und quaderförmigen Chip-Baugrößen (z. B. Bauform 1206 und 0805) werden die Werte meistens in Kurzform nach der Zwei-, Drei- oder Vierzeichencodierung angegeben. Als Besonderheit gibt es als „Layout-Hilfe" den rechteckförmigen Null-Ohmwiderstand (Jumper = Brücke). 22

Kennzeichnung der Chip-Widerstände

Zur optimalen Nutzung der Vorteile der platzsparenden Aufbautechnik haben die oberflächenmontierbaren Bauteile (SMDs) stark miniaturisierte Gehäuse-Bauformen mit teilweise speziellen Anschlußbelegungen, und die Beschriftung kann wegen ihrer Winzigkeit meist nur in Buchstaben- oder Zahlen-Codes aufgedruckt werden. Toleranz

Wertebereic Beschriftungsc Hinweise und Beispiele h ode (Aufdruck) 0 Ohm (Jumper, Brücke) 1,0 Q- 9,1 Q

000 XRY

X = I.Ziffer Y = 2. Ziffer (Wertigkeit) z. B. 1RO A i Q 4R7 ^ 4,7 Q 9R1 A 9,1 Q

10Q-91Ü

X YR

X = l. Ziffer Y = 2. Ziffer

2 % und

z. B. 10R^ 10 Q

5%

47R^=47 Q 91R^91Q 100Q-10M

X YZ

X, Y = 1. und 2. Ziffer (Wertigkeit) Z = 3. Ziff er = Multiplikator auf Basis 10 (Anzahl der Nullen) Multiplikatorwerte Ziffer l 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MultiJ pH- 10° 101 102 103 104 105 106 107 108 109 kator 1

23

Toleranz

Wertebereic Beschriftungsc Hinweise und Beispiele h ode (Aufdruck) z. B. 101 A 100 Q 471 A 470 ü 102 A 1 kQ 122^ 1,2 kQ 472 ^ 4,7 kQ 103 A 10 kQ 473 ^ 47 kQ 104 A 100 kQ 124 A 120 kQ 154 A 150 kQ 224 A 220 kQ 474 ^ 4 7 0 kQ 105 A l MQ 106 A 10 MQ

1%

100 - 988 Q

X YZ R

X, Y, Z = 1., 2. und 3. Ziffer des Widerstandes (Wertigkeit) z. B. 100 R A 100 Q 988 R A 988 Q

1 kQ - 1 MQ

XY Z M

X, Y, Z = 1 , 2. und 3. Ziffer des Widerstandswertes (Wertigkeit) M = Multiplikator auf Basis 10 (Exponent), Anzahl der Nullen z. B 1001 ^

1 kQ

1201 ^ 1,2 kQ 4701 A 4,7 kQ 1002 ^ 10 kQ 1202 =£= 12 kQ 4702 A 47 kQ 1003 A 100 kQ 1004 A 1 MQ

24

Kennzeichnung der Keramik-Chip-Kondensatoren

Bei der industriellen Gurten- oder Rollenlieferung sind die KeramikChip-Kondensatoren meistens weder mit dem Wert noch mit einem Code bedruckt. Daher muß bei der Lagerung sorgfältig darauf geachtet werden, daß bei Erhalt die eingetütelten Kondensatoren richtig eingeordnet werden und der Aufbewahrungsbehälter (Minicontainer, Plastikbehälter, Döschen) einwandfrei gekennzeichnet wird. Wird die Dreizeichencodierung angewandt, so gilt wiederum: Erste und zweite Stelle = Wertigkeit Dritte Stelle = Exponent auf Basis 10 (Multiplikator, Zahl der Nullen) z. B. 101 = 10 • 101 = 100 pF 104 = 10 • 104 = 0,1 nF

Kapazitätswert in pF (1012 F)

Kennzeichnung von Tantalelkos

Auch Tantalelkos werden teilweise ohne Aufdruck geliefert. Manchmal werden Tantalelkos mit codierter Beschriftung, dagegen Elkos mit großen Kapazitätswerten meist mit direktem Wertaufdruck und Kennzeichnung der Polarität geliefert. Bei der Dreizeichencodierung gilt auch hier: Erste und zweite Stelle = Wertigkeit des Kondensators Dritte Stelle = Exponent auf Basis 10 bzw. Multiplikator, Zahl der Nullen Beispiel: 104 = 10 • 104 = 0,1 ^F 474 = 47 . io4 = 0,47 jiF

Der Kapazitätsbereich von Tantalelkos reicht von 0,1 \i¥ bis 100 \iF. Die Baugrößen und Bauformen der Elkos sind von der Kapazität und Betriebsspannung abhängig. Abmessungs-Schwerpunkte sind die Bauformen 0805,1206 und erstrecken sich bis zu ca. 7 x 5 x 3 mm. Die Polaritätskennzeichnungen verschiedener Bauformen zeigen die Abbildungen auf Seite 26. Die Polaritäten müssen unbedingt beim Bestücken eingehalten werden. 25

Kennzeichnung von Tantalelkos 26

1.11 Leiterplattenentwurf für manuelle Bestückung Bei der Einzelanfertigung von Leiterplatten für manuelle SMD-Bestükkung haben sich folgende praktische Hinweise bewährt: 1. Grundsätzlich sollte man mit dem Lay-outen erst dann beginnen, wenn sämtliche in der Schaltung vorkommenden Bauteile vorhanden sind. Damit erspart man sich Nacharbeiten, die durch SMDBauteile mit anderen Bauformen entstehen. 2. Als Basismaterial ist kein spezielles Leiterplattenmaterial erforderlich. Allerdings sollte eine qualitativ hochwertige Ausführung in Epoxyd-Glasfaser, bei der sich die Leiterbahnen bei Temperatureinwirkung nicht lösen oder stark ausdehnen, verwendet werden. Für kleinere SMD-Bausteine kann Epoxyd-Glasfaser mit Stärken von 0,5 - l mm benützt werden mit einer üblichen Kupferauflage von 35 (im. Das Lay-outen Für die Erstellung des Lay-out können die bekannten Verfahren benutzt werden. Bewährt hat sich die Klebetechnik, wobei im Interesse einer exakten Bahnführung mindestens im Maßstab 2 : \ und bei höheren Anforderungen 4 : \ geklebt werden sollte. Für sehr einfache Schaltungsentwürfe reicht bereits ein Kleben im Maßstab l : 1. Die hierfür erforderlichen Anreiben und Klebesymbole werden jetzt häufiger im Handel angeboten oder können aus vorhandenem konventionellen Bestand selbst erstellt werden. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt 0,5 mm, und der minimale Bahnabstand sollte mit 0,5 mm nicht unterschritten werden. Die Ausführung der Lötpads für die SMDs ist quadratisch oder rechteckförmig. Für den Einstieg können die Leiterbahnen durchaus etwas breiter als erforderlich ausgeführt werden, sofern nicht eine hohe Packungsdichte oder die maximalen Miniaturisierungsmöglichkeiten ausgeschöpft werden müssen. Die Leiterbahnbreiten richten sich auch, wie beim Lay-outen üblich, nach den Strombelastungen, - auch für den Kurzschlußfall - Betriebsspannungen und Leitungskapazitäten. Vorteilhaft beim Lay-outen sind auch SMD-Einzelhalbleiter mit „reversiblen" Anschlußbelegungen mit dem Zusatz „R" zum Stempelcode. Bei diesen sind meistens die Anschlußbelegungen Kollektor und Emitter im Gegensatz zur Normalausführung (siehe Tabellenteil) vertauscht. Gleichfalls ist die Möglichkeit der Überbrückung einer Leiterbahn durch Null-Ohm-Widerstände (Jumper = Brücke) gegeben. Der Einbau von Leiterbahn-Prüfpunkten bzw. kleinen Prüfflächen, die von einer SMD-Prüfspitze kontaktiert werden können, ist eine Hilfe für die Service- und Prüfpraxis. Ebenso sollten die Anschlußflächen der Terminals für die externen Verbindungsleitungen etwas großflächiger ausgeführt werden. 27

1.12 Handlötung von SMD-Bauelementen Der erfolgreiche SMD-Selbsthau wird durch das „richtige Löten" entscheidend bestimmt. Die winzigen SMDs werden als oberflächenmontierbare Bauelemente plan auf der Leiterbahnseite, die zugleich Lot- und Bestückungsseite ist, fixiert und danach angelötet. Dazu ist als Minimum folgendes Werkzeug erforderlich: 1. Eine Pinzette mit feiner Spitze zum Positionieren und Festhalten der Mikrobauelemente (z. B. Uhrmacherpinzette, gebogen oder gerade). 2. Feinstlötkolben mit einer zunderfreien Spitze mit einem max. Durchmesser von ca. 0,8 - \ mm. Lötkolbenleistung ca. 15 W. Besser ist noch eine temperaturgeregelte Niedervolt-Lötstation. 3. Dünnes SMD-Lötzinn mit 0,5 mm 0, z. B. Sn60/40Pb mit niedrigem Schmelzpunkt, damit die SMDs möglichst wenig erhitzt werden, und mit Flußmittelseele auf Kolophoniumbasis für schnelle Lötung und säurefreie Lötstellen. Ein solches Lot wird nach DIN 8516 z. B. mit der Bezeichnung LS60PbCu2 angeboten. Empfehlenswert ist zusätzlich folgendes Werkzeug: a) Eine Lupe als optischen Verstärker. b) eine Vakuumpipette oder Pinzette zur Entnahme der winzigen Bauteile aus der Lagerbox und Plazierung auf der Leiterplatte. c) Feine Lötsauglitze 0,8 mm 0 zum Auslöten von Chip-SMD-Bauelementen. Vorbereitung 1. Auf einem sauberen, zugluft- und windgeschützten Arbeitsplatz werden die richtig entzifferten SMD-Bauteile sortiert. 2. Die kleine SMD-Platine wird mit einem doppelseitigen Klebeband auf dem Arbeitstisch arbeits- und lupengerecht - möglichst auf einer hellen Unterlage - plaziert. Durch die Verwendung eines doppelseitigen Klebebandes mit einer Klebeseite zum Arbeitstisch und der anderen zur Leiterplatte wird ein Verrutschen des Prints während der Bestückungs- und Lötphase vermieden. Lötvorgang 1. Zunächst wird eine Lötstelle des zu bestückenden Bauelementes leicht vorverzinnt. 2. Das SMD-Bauelement wird ohne besondere mechanische Beanspruchung mit der Pinzette auf die vorverzinnte Lötstelle aufgesetzt, wobei mit dem Lötkolben das Bauteil wie auch die Lötstelle gleich-

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.Leiterbahn Trägermaterial Pinzette

Lötkolbenspitze

richtige Lötstelle mit Lotdosierung

zu viel Lötzinn

zu wenig Lötzinn Handlöten 29

zeitig erhitzt werden. Die Lötphase sollte bei richtig erhitztem Lötkolben von ca. 210 bis 230° nur ca. 3 Sekunden dauern, bis das Lötzinn richtig verflossen und ein einwandfreier, mechanisch stabiler und elektrischer Kontakt hergestellt ist. Eine zu kurze Lötzeit läßt das Zinn nicht sauber verfließen und eine zu lange würde die winzigen Bauteile durch zu hohe thermische Belastung beschädigen oder gar rösten. Bei den Bauteilen müssen die max. Löttemperaturen und Lötzeit eingehalten werden. 3. Danach werden die restlichen Anschlüsse so gelötet, daß die Lötspitze Leiterbahn-Lötstelle und Bauteileanschluß zugleich erhitzt werden und das Lötzinn anfängt zu fließen. Vermeiden sie jegliche mechanische Belastung des SMD-Bauteils durch den Lötkolben oder Pinzette. Die Dosierung des Lotes darf nicht zu wenig und nicht zu viel sein (Kurzschlußgefahr durch Zinnbrücken). Die richtige Menge Lot und Lötung zeigen die Abbildungen auf Seite 29. Entlötung Hierzu ist die Verwendung einer feinen Lötsauglitze (0,8 mm 0) zweckmäßig. Diese wird auf die Lötstelle des Bauteils mit dem Lötkolben gedrückt, bis das Lötzinn von der Entlötlitze aufgenommen ist. Dann vollgesaugte Entlötlitze mit dem Lötkolben abheben. Das Bauelement wird anschließend mit der Pinzette vorsichtig entfernt und entsorgt, das vollgesaugte Litzenteil abgeschnitten. Grundsätzlich sollte man im Interesse einer möglichst geringen thermischen Beanspruchung der Leiterplatte lieber eine Gefährdung des zu entlötenden Bauteils in Kauf nehmen und auf dessen Wiederverwendung aufgrund möglicher Defekte verzichten. Für ein paar Pfennige erspart man sich dabei viel Ärger. Üben macht den Meister Für Einsteiger ist ein Üben anhand billiger SMD-Bauteile und einer Versuchsplatine empfehlenswert, damit man den Umgang mit Lötkolben, Temperatur- und Zinndosierung beim Verlöten von SMD-Bautei-len in den Griff bekommt. Der Umgang mit SMD-Lotpaste Bei Verwendung von Lotpaste ist darauf zu achten, daß die Kartusche eine längere Lager- und Verarbeitungszeit gewährleistet und die Lotpaste nur sehr gering oxidiert. SMD-Lotpasten enthalten das Lotpulver (z. B. SN 63), ein Flußmittel (z. B. Kolophonium) und ein Geliermittel, damit sich die einzelnen Bestandteile nicht trennen und die Mischung erhalten bleibt. 30

Das Lotpulver hat einen Anteil von ca. 80 Prozent. Der Inhalt einer kleinen Kartusche beträgt 25 g. Der Lötvorgang Die SMD-Lotpaste wird exakt dosiert (nicht zu wenig und nicht zu viel) direkt auf die Lötstelle (Lötfleck) aufgebracht, die Platine mit den SMDBauelementen bestückt und durch Heißluft, Reflowofen oder Lötkolben verlötet. SMD-Lotpaste-Plastikspritze Die Verwendung einer Lotpaste-Plastikspritze erleichtert wesentlich das manuelle SMD-Löten. SMD-Lotpaste-Spritzen mit einem Inhalt von ca. 2 ml sind für unsere Lot-Versuche besonders wirtschaftlich. Die SMD-Lotpaste wird über eine sehr dünne Kanüle direkt auf die Lötflecke gezielt und richtig dosiert gespritzt bzw. aufgebracht. Die SMD-Bauelemente werden dann auf die Lötflecke mit der Lotpaste positioniert und mittels eines Lötkolbens gelötet. So hat beispielsweise die SMD-Lotpaste 8005/2 von Mira-Electronic, Nürnberg als Einwegkartusche einen Inhalt von ca. 2 ccm und ist mit passender Dosiernadel und Verschluß versehen. Durch den besonders niedrigen Schmelzpunkt (ca. 190°C) können damit SMD-Bauelemente schonend gelötet werden. Vorteilhaft ist dabei, daß bei SMD-ICs nicht auf jeden Lötfleck einzeln die Paste aufgebracht werden muß, sondern es kann ein Strang über alle Pads gezogen werden. Beim Verlöten zieht sich dann das Lot auf jeden Lötfleck zusammen; Kurzschlüsse können kaum entstehen.

1.13 Aufbau, Bestückung und Kontrolle Die Durchführung dieser Arbeiten hat sich nach folgender Reihenfolge bewährt: 1. Einlöten der Halbleiter (Einzeltransistoren, ICs, Dioden, LEDs) Anschlußbelegungen und Polaritätsangaben beachten. 2. Einlöten von Trimmwiderständen und sonstigen elektromechanischen Bauelementen. Dabei sollten die Anschlüsse leicht vorverzinnt werden, damit die Lötpads der Leiterbahnen nicht zu sehr thermisch beansprucht werden. 3. Sämtliche Widerstände. 4. Sämtliche Kondensatoren unter Berücksichtigung der Polaritäten bei Elektrolytkondensatoren und Spannungsangaben. Ein verkehrter Anschluß führt zur Zerstörung von Bauteilen. 31

5. Bestückungskontrolle anhand des Aufbauplanes in Verbindung mit dem Schaltplan. Elektromechanische Bauelemente wie z. B. Trimmwiderstände sind im eingebauten Zustand auf ihr Funktionieren mittels eines Ohmmeters zu überprüfen. So erspart man sich eine mögliche zeitraubende Fehlersuche. 6. Visuelle, optische Überprüfung des bestückten Prints auf mögliche Feinschlüsse von Leiterbahnen durch Zinnbrücken mit Hilfe einer Lupe. 7. Anschlußleitungen an den Terminals des Moduls anlöten und überprüfen, ob die Verbindungsleitungen (Polarität bei der Stromversorgung beachten, Ein- und Ausgänge, Masseanschlüsse etc.) richtig sind. Einbau und Montage Nachdem SMD-Baugruppen nur sehr wenig Platz beanspruchen, eine geringe Bauhöhe haben und gewichtsarm sind, können diese in bereits vorhandenen Geräten und Moduln verhältnismäßig leicht untergebracht werden. Die allgemeinen Regeln des Schaltungsaufbaus gelten auch bei SMDs. So sollten empfindliche NF-Vorverstärker unmittelbar am Verstärkereingang bei richtiger Erdung montiert werden, möglichst entfernt von Einstreuungen aller Art. Eine Montage in unmittelbarer Nähe von Wärmequellen und Staus ist zu vermeiden. Die SMD-Baugruppe kann mit einem doppelseitigen, langzeitstabilen Klebeband auf ein Metallchassis isoliert geklebt werden, wobei das Metallchassis gleichzeitig als Abschirmung der Leiterplatine verwendet wird. Schutz durch Plastikgehäuse Zum Schutz gegen mechanische oder elektrische Beschädigung beispielsweise durch ein versehentliches Ausrutschen mit dem Schraubenzieher - kann der SMD-Baustein in ein Plastikgehäuse eingebaut werden, das dann im Gerät oder Modell festgeklebt wird. Derart passende Plastikgehäuse mit Deckel hat man vielleicht selbst zur Aufbewahrung von Schmuck oder als Minibehälter von Kleinteilen zuhause. Sie sind auch für wenige Pfennige leicht beschaffbar. Bewährt hat sich eine Ausführung mit Stülpdeckel, bei dem die Seitenteile zur Herausführung der Anschlußleitungen herausgebrochen oder mit Bohrlöchern versehen werden. Inbetriebnahme Nach nochmaliger Kontrolle insbesondere auf polrichtigen Anschluß der Versorgungsleitungen kann das SMD-Modul in Betrieb genommen werden. 32

2 Praktische Anwendungen 2.1 Zweistufiger SMD-NF-Vorverstärker mit Einzeltransistoren (Entwurf SW 100 V) SW 100 V W

Technische Daten Stromversorgung: 4,5 - 12 V /1 - max. 3,5 mA Frequenzgang: 20 Hz - 200 kHz ± 0,3 dB Verstärkung: ca. 50 - 120fach einstellbar Klirrfaktor: