BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine mit Bauteilen zum Verlöten im Lötbad bestückte Leiterplatte, die für den Anschluss der Bauteile Lötstellen mit durchkontaktierten Kapillarbohrungen aufweist, durch welche beim Lötprozess das Lot unter Kapillarwirkung an Lötstellen gelangt, die sich auf der dem Lötbad abgewandten Seite der Leiterplatte befinden.
Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf Bauteile, die als SMD (surface mounted devices) bekannt sind.
In der DE-OS 3 321 694 ist eine Leiterplatte beschrieben, die für eine einseitige Bestückung mit Bauteilen, welche flach auflötbare Anschlusselemente haben, eingerichtet ist. Die Lötstellen befinden sich in Vertiefungen, in welche die Fussplättchen der Anschlusselemente zur Fixierung der Bauteile an der Leiterplatte einrasten. Die Vertiefungen sind mit durchkontaktierten Kapillarbohrungen versehen, durch welche das Lot von der Rückseite der Leiterplatte her an die Lötstellen gelangen kann. Diese Ausbildung der Leiterplatte soll es ermöglichen, flach aufzulötende Bauteile mit Anschlussbeinen und zugleich herkömmliche Bauteile mit Anschlussdrähten auf der Leiterplatte vorzusehen und deren Anschlusselemente in einem Arbeitsgang und mit demselben Lötverfahren, z.B. im Lötbad, and der Leiterplatte zu verlöten.
Bei der Herstellung einer solchen Leiterplatte sind zusätzliche Arbeitsprozesse für die Bildung der Vertiefungen erforderlich. Zudem kann das Einrasten von Anschlussbeinen in die Vertiefungen beim automatischen Bestücken der Leiterplatte Schwierigkeiten bieten. Im Hinblick auf zugelassene Mass ab- weichungen an den zu verbindenden Teilen und auf die Positionierungstoleranzen üblicher Bestückungsautomaten erscheint es durchaus möglich, dass nicht alle Anschlusselemente eines Bauteils beim Aufsetzen auf die Leiterplatte einwandfrei einrasten, was zu Ausfällen führen kann.
Ferner besteht bei dieser Lösung die Gefahr, dass das vor dem Lötprozess anzuwendende Flussmittel die Lötstelle in der Vertiefung, d.h. den Spalt zwischen dem Boden der Vertiefung und dem in diese eingesetzten, die Mündung der Kapillarbohrung vollständig abdeckenden Fussplättchen des Anschlusselements gasdicht abschliesst, so dass das in die Kapillarbohrung eindringende Lot in dieser eingeschlossene Luft nicht verdrängen und daher nicht oder nicht in genügendem Mass bis zur Lötstelle gelangen kann.
Neuerdings werden Leiterplatten auch mit kubischen Chip Bauteilen bestückt. Das sind Bauteile, die an der Oberfläche der Leiterplatte mit einem Kleber befestigt werden und Lötflächen bildende Beläge ari gegenüberliegenden Stirnseiten aufweisen, welche im wesentlichen senkrecht zur Leiterplattenoberfläche stehen. Beim Verlöten im Lötbad befinden sich diese Bauteile in herkömmlicher Weise jeweils auf der dem Lötbad zugewandten Seite der Leiterplatte. Im gleichen Arbeitsgang zu verlötende Bauteile mit Anschlussdrähten oder -beinen sind auf der dem Lötbad abgewandten Seite der Leiterplatte anzuordnen, da solche Bauteile beim Eintauchen ins Lötbad Schaden nehmen können.
Einheitlich mit SMD-Bauteilen beidseitig bestückte Leiterplätten lassen sich unter gewissen Umständen in zwei Arbeitsgängen im Lötbnd verlöten, wobei die Leiterplatte zwischen den beiden Arbeitsgängen gewendet wird. Andererseits besteht die Möglichkeit, die auf der dem Lötbad abgewandten Seite der Leiterplatte angeordneten SMD-Bauteile gleichzeitig im Reflow-Verfahren zu verlöten (DE-OS 3 445 625). In diesem Fall werden also zwei verschiedene Lötverfahren im gleichen Arbeitsgang angewandt.
Demgegenüber hat die Erfindung zum Ziel, unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile eine mit Bauteilen zum Verlöten im Lötbad bestückte Leiterplatte zu entwickeln, die sich für die ein- oder beidseitige Bestückung mit SMD-Bauteilen, einschliesslich Chip-Bauteilen, und für eine gemischte Bestückung zusammen mit herkömmlichen Bauteilen eignet und die in jeder dieser Bauformen mit demselben Lötverfahren in einem Arbeitsgang verlötet werden kann.
Dieses Ziel lässt sich gemäss der Erfindung dadurch erreichen, dass die Kapillarbohrungen so bemessen und in bezug auf die Lage der Bauteile angeordnet sind, dass die Anschlusselemente der Bauteile die Mündung der Kapillarbohrungen mindestens teilweise offen lassen, damit das Lot beim Lötprozess auch abseits der mündung der Kapillarbohrungen befindliche Lötflächen an den Anschlusselementen der Bauteile im erforderlichen Mass erreichen kann.
Je nach Bestückung der Leiterplatte kann entweder das Tauchlötverfahren oder das Wellenlötverfnhren angewandt werden. Im Falle von SMD-Bauteilen, deren Anschlusselementen das Lot durch die Kapillarbohrungen zugeführt wird, ist das Wellenlötverfahren vorzuziehen.
Die Bemessung der Kapillarbohrungen ist von verschiedenen Faktoren abhängig und hat von Fall zu Fall nach empirischen Grundlagen zu erfolgen. Erfahrungsgemäss hat der Durchmesser der Kapillarbohrungen einen Wert in der Grössenordnung von 1 mm. Eher kleiner Werte sind für Leiterplatten üblich, die im Tauchlötverfahren verarbeitet werden, während für das Wellenlöten vorgesehene Leiterplatten Kapillarbohrungen mit eher höheren Durchmesserwerten aufweisen können, da in diesem Fall ausser der Kapillarwirkung auch die dynamische Kraft der Lötwelle den Lotfluss zur Lötstelle fördert.
Eine teilweise Bedeckung der Mündung der Kapillarbohrungen durch die Anschlusselemente der Bauteile ist in der Regel erwünscht, um den vom Lotfluss zu überbrückenden Weg von der Mündung bis zum betreffenden Anschlusselement möglichst kurz zu halten. Der Grad der bedeckung kann in gewissen
Grenzen (z.B. von 0 bis 5001) varüeren. Dabei ist zu beachten, dass der jeweils offen bleibende Querschnitt der Mündung gross genug ist, um ein Verkleben der Öffnung durch das Flussmittel zu verhindern und einen hinreichenden Lot- bzw. Wärmefluss zu den Lötstellen zu erzielen. Andererseits darf bei einer für das
Wellenlöten vorbereiteten leiterplatte der offene Querschnitt einer Kapillarbohrung nicht so gross sein, dass das Lot unter dem Druck der Lötwelle im Übermass aus der Mündung fliesst.
Für grössere Lötflächen ist deshalb jeweils mehr als eine Kapil larbohrung vorzusehen.
Die Erfindung ermöglicht die Anwendung des Lötverfah rens mit Lotzufuhr durch Kapillarbohrungen auch für Chip
Bauteile, wobei auf eine zusätzliche Anwendung des Reflow
Verfahrens verzichtet werden kann. Zudem sind einseitig be stückte Leiterplatten unter Einschluss von Chip-Bauteilen in einem Arbeitsgang mit demselben Verfahren (insbesondere
Wellenlöten) verlötbar. An fertigen Leiterplatten dieser Art sind sämtliche Anschlussstellen an der nichtbestückten Platten seite frei zugänglich, was Funktionsprüfungen erleichtert.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt einer Leiterplatte, die mit einem
Chip-Bauteil bestückt ist,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Leiterplatte, die mit einem
Bauteil bestückt ist, das Anschlusselemente mit annähernd qua dratischen Fussplättchen aufweist, und
Fig. 3 einen Ausschnitt einer Leiterplatte, die mit einem
Bauteil bestückt ist, das Anschlusselemente mit länglichen
Fussplättchen aufweist.
Alle Figuren zeigen die mit Bauteilen bestückten Leiterplat ten im Zustand nach dem Lötprozess, wobei Leiterplatten und
Lötstellen im Schnitt dargestellt sind und als Bauteile durch wegs SMDs (surface mounted devices) gezeigt werden.
Die Leiterplatte 1 nach Fig. list mit einem Chip-Bauteil 2 bestückt, der mit einem Klebstofftropfen 3 an der Leiterplatte befestigt ist. An gegenüberliegenden Stirnseiten des Bauteils 2 sind Anschlusselemente 4 in Form von Lötflächen 5 bildenden
Belägen vorhanden, welche Lötflächen im wesentlichen senk recht zur Leiterpiattenoberfläche stehen. An den Lötstellen weist die Leiterplatte 1 durchkontaktierte Kapillarbohrungen 6 auf, durch welche das Lot 7 von der dem Bauteil 2 abgewand ten Seite der Leiterplatte 1 her an die Lötstellen gelangt. Die Kapillarbohrungen 6 sind in bezug auf die Lage des Bauteils 2 so angeordnet, dass die Anschlusselemente 4 des Bauteils die Mündungen der Kapillarbohrungen teilweise überdecken.
Der Durchmesser der Kapillarbohrungen 6 und der Überdeckungsgrad sind dabei so gewählt, dass das Lot 7 beim Lötprozess im Wellenlötbad durch den offen bleibenden Teil der Mündung der Kapillarbohrungen 6 die ganze über der Mündung stehende Lötfläche 5 der Anschlusselemente 4 in ausreichendem Mass erreichen kann.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat das Bauteil 10 Anschlusselemente 11 mit wenigstens annähernd quadratischen Fussplättchen 12, die parallel zur Leiterplattenoberfläche verlaufen. Die durchkontaktierten Kapillarbohrungen 13 in der Leiterplatte 14 sind in diesem Fall so bemessen und in bezug auf die Lage des auf die Leiterplatte aufgesetzten Bauteils 10 so angeordnet, dass die Fussplättchen 12 des Bauteils 10 in die Kapillarbohrungen 13 hineinragen.
Der Durchmesser der Kapillarbohrungen 13 ist grösser als das Eckmass der Fussplättchen 12, damit die Mündung der Kapillarbohrungen 13 vom jeweiligen Fussplättchen 12 nur teilweise bedeckt ist und so weit offen bleibt, dass ein Verstopfen der Mündung durch das Flussmittel vermieden wird und das Lot 15 von der dem Bauteil 10 abgewandten Seite der Leiterplatte 14 her am Fussplättchen 12 vorbeifliessen und auch abseits der Mündung der Kapillarbohrungen 13, d.h. oberhalb des Fussplättchens 12 befindliche Lötflächen an den Anschlusselementen 11 im erforderlichen Mass erreichen kann. Für die Befestigung des Bauteils 10 an der Leiterplatte 14 kann wiederum ein Klebstofftropfen 16 vorgesehen sein.
Die Fig. 3 zeigt eine Anschlussseite eines Bauteils 20 mit einem Anschlusselement 21, das ein längliches, zur Leiterpiat- tenoberfläche geneigtes Fussplättchen 22 aufweist. Die Befestigung des Bauteils 20 an der Leiterplatte 23 ist hier nicht dargestellt. Zum Anschluss dieses Bauteils 20 sind an der dargestellten Lötstelle zwei durchkontaktierte Kapillarbohrungen 24 und 25 in der Leiterplatte 23 vorgesehen. Die Mündung der einen Kapillarbohrung 24 wird vom freien Ende des Fussplättchens 22 teilweise bedeckt, während die Mündung der anderen Kapillarbohrung 25 unter einem von der Leiterpiattenoberfläche distanzierten Teil des Fussplättchens 22 liegt und von diesem nicht bedeckt wird.
Auch bei dieser Ausführung gelangt das Lot 26 durch die Kapillarbohrungen 24 und 25 auch an abseits ihrer Mündungen befindliche Lötflächen am Anschlusselement 21 im erforderlichen Mass, wenn die Kapillarbohrungen entsprechend bemessen sind.
DESCRIPTION
The invention relates to a printed circuit board equipped with components for soldering in the soldering bath, which for the connection of the components has soldering points with plated-through capillary bores, through which during the soldering process the solder reaches the soldering points under capillary action, which are located on the side of the circuit board facing away from the soldering bath.
The invention relates in particular to components which are known as SMD (surface mounted devices).
DE-OS 3 321 694 describes a printed circuit board which is set up for one-sided assembly with components which have connection elements which can be soldered flat. The solder joints are located in recesses into which the base plates of the connection elements snap in to fix the components on the circuit board. The depressions are provided with plated-through capillary holes through which the solder can reach the soldering points from the back of the circuit board. This design of the circuit board should make it possible to provide components to be soldered flat with connection legs and at the same time conventional components with connection wires on the circuit board and their connection elements in one operation and with the same soldering process, e.g. in the solder bath, to be soldered to the circuit board.
When manufacturing such a printed circuit board, additional work processes are required for the formation of the depressions. In addition, it can be difficult to snap connecting legs into the recesses when automatically populating the circuit board. With regard to the permitted dimensional deviations on the parts to be connected and the positioning tolerances of conventional pick and place machines, it seems quite possible that not all connection elements of a component will engage properly when placed on the circuit board, which can lead to failures.
Furthermore, with this solution there is a risk that the flux to be used before the soldering process will cause the soldering point in the recess, i.e. closes the gap between the bottom of the recess and the foot plate of the connecting element inserted into it, completely covering the mouth of the capillary bore, so that the solder penetrating into the capillary bore does not displace in this enclosed air and therefore not or not to a sufficient extent up to the solder joint can reach.
Recently, circuit boards have also been equipped with cubic chip components. These are components that are attached to the surface of the circuit board with an adhesive and have pads that form solder surfaces on opposite end faces, which are essentially perpendicular to the circuit board surface. When soldering in the solder bath, these components are conventionally located on the side of the circuit board facing the solder bath. Components with connecting wires or legs to be soldered in the same operation are to be arranged on the side of the circuit board facing away from the solder bath, since such components can be damaged when immersed in the solder bath.
Under certain circumstances, printed circuit boards that are uniformly equipped with SMD components on both sides can be soldered in two steps in the solder joint, whereby the circuit board is turned between the two steps. On the other hand, there is the possibility of simultaneously soldering the SMD components arranged on the side of the circuit board facing away from the soldering bath in the reflow process (DE-OS 3 445 625). In this case, two different soldering methods are used in the same operation.
In contrast, the aim of the invention, while avoiding the disadvantages described, is to develop a printed circuit board equipped with components for soldering in a solder bath, which are suitable for one-sided or double-sided assembly with SMD components, including chip components, and for a mixed assembly together with conventional components and which can be soldered in each of these designs with the same soldering process in one operation.
This goal can be achieved according to the invention in that the capillary bores are dimensioned and arranged in relation to the position of the components such that the connection elements of the components at least partially leave the mouth of the capillary bores open, so that the solder during the soldering process also away from the mouth of the Capillary bores can reach soldering areas on the connection elements of the components to the required extent.
Depending on the assembly of the circuit board, either the dip soldering process or the wave soldering process can be used. In the case of SMD components, the connection elements of which the solder is fed through the capillary holes, the wave soldering method is preferable.
The dimensioning of the capillary bores depends on various factors and has to be based on empirical principles from case to case. Experience has shown that the diameter of the capillary bores is of the order of 1 mm. Rather small values are common for circuit boards that are processed by dip soldering, while circuit boards intended for wave soldering can have capillary bores with rather larger diameter values, since in this case, in addition to the capillary action, the dynamic force of the solder wave also promotes the solder flow to the solder joint.
A partial covering of the mouth of the capillary bores by the connection elements of the components is generally desirable in order to keep the path from the mouth to the relevant connection element to be bridged as short as possible. The degree of coverage can vary in certain
Variate limits (e.g. from 0 to 5001). It should be noted that the cross-section of the mouth that remains open is large enough to prevent the opening from sticking together with the flux and to achieve sufficient solder or heat flow to the soldering points. On the other hand, with one for the
The open cross-section of a capillary bore should not be so large that the solder flows excessively from the mouth under the pressure of the solder wave.
For larger soldering areas, more than one capillary hole must therefore be provided.
The invention enables the use of Lötverfah ren with solder supply through capillary bores also for chip
Components, with an additional application of the reflow
Procedure can be dispensed with. In addition, one-sided printed circuit boards including chip components are in one operation with the same method (in particular
Wave soldering) can be soldered. On finished circuit boards of this type, all connection points on the unassembled board side are freely accessible, which facilitates functional tests.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing, namely:
Fig. 1 shows a section of a circuit board with a
Chip component is assembled,
Fig. 2 shows a section of a circuit board, with a
Component is equipped, the connection elements with approximately square foot plates, and
Fig. 3 shows a section of a circuit board, with a
Component is equipped, the connecting elements with elongated
Has foot plates.
All figures show the printed circuit boards with components in the state after the soldering process, with printed circuit boards and
Solder points are shown in section and are shown as components by way of SMDs (surface mounted devices).
The circuit board 1 according to FIG. List is equipped with a chip component 2 which is fastened to the circuit board with an adhesive drop 3. Connection elements 4 in the form of soldering surfaces 5 are formed on opposite end faces of the component 2
There are coatings which soldering areas are essentially perpendicular to the surface of the printed circuit board. At the soldering points, the circuit board 1 has plated-through capillary holes 6 through which the solder 7 reaches the soldering points from the side of the circuit board 1 facing away from the component 2. The capillary bores 6 are arranged with respect to the position of the component 2 such that the connection elements 4 of the component partially cover the mouths of the capillary bores.
The diameter of the capillary holes 6 and the degree of coverage are chosen so that the solder 7 can reach the entire soldering surface 5 of the connection elements 4 above the mouth through the part of the mouth of the capillary holes 6 that remains open during the soldering process in the wave solder bath.
In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the component 10 has connection elements 11 with at least approximately square base plates 12, which run parallel to the circuit board surface. In this case, the plated-through capillary bores 13 in the printed circuit board 14 are dimensioned and arranged in relation to the position of the component 10 placed on the printed circuit board such that the foot plates 12 of the component 10 protrude into the capillary bores 13.
The diameter of the capillary holes 13 is larger than the corner dimension of the foot plate 12, so that the mouth of the capillary holes 13 is only partially covered by the respective foot plate 12 and remains so open that clogging of the mouth by the flux is avoided and the solder 15 from the flow away from the component 10 side of the printed circuit board 14 past the foot plate 12 and also away from the mouth of the capillary bores 13, ie above the base plate 12 can reach soldering areas on the connection elements 11 to the required extent. An adhesive drop 16 can in turn be provided for fastening the component 10 to the printed circuit board 14.
FIG. 3 shows a connection side of a component 20 with a connection element 21 which has an elongated foot plate 22 which is inclined towards the surface of the printed circuit board. The attachment of the component 20 to the printed circuit board 23 is not shown here. To connect this component 20, two plated-through capillary bores 24 and 25 are provided in the printed circuit board 23 at the soldering point shown. The mouth of one capillary bore 24 is partially covered by the free end of the foot plate 22, while the mouth of the other capillary bore 25 lies under a part of the foot plate 22 distanced from the surface of the printed circuit board and is not covered by the latter.
In this embodiment, too, the solder 26 passes through the capillary bores 24 and 25 to the required extent on the soldering surfaces on the connection element 21 that are located away from their mouths if the capillary bores are dimensioned accordingly.