用于改善焊接结果的电路板的阻焊掩模的结构化
本发明涉及一种系统,包括支承板和至少一个在支承板上安装的电子构件(例如晶体管,电阻,线圈,电容器,传感器,LED或IC),其中该支承板具有至少一个支承板接触面并且该电子构件具有至少一个与其对应的构件接触面,其中该至少一个支承板接触面至少部分地由至少一个电子构件遮盖并且由阻焊漆层包围,该阻焊漆层限制至少一个支承板接触面(2,2a,2b)。
此外本发明涉及用于焊接地连接至少一个电子构件与至少一个支承板的方法。
将电子构件装到支承板上,例如印刷电路板上,是在制造电子电路时经常非常需要的工序。印刷电路板此外通常具有导体路径,该导体路径连接单个或多个接线接触,其中单个电子构件与电接线接触相连接。该连接可以满足多个方面例如电,机械和/或热连接。
根据现有技术可已知借助于电子构件与支承板的连接实现的不同的方法。因此例如单个电子构件的接触面(下面还称为构件接触面)可以与在支承板上布置的接触面(下面还称为支承板接触面)焊接。
在这里参考SMT方法(表面安装技术),其中电子构件的电接线或者接触面以及支承板的对应的接触面必须分别位于在其表面上并且电子构件必须仅固定在支承板的表面并且可以放弃贯通孔的安排。在此支承板的接触面首先用焊料,大多焊膏,来涂覆。在接线中实现对支承板装备单个电子构件。
为了制造电子构件与支承板的耐用的电和/或热和/或机械连接,已知例如回流焊接方法,其中焊膏和接触面在装备电子构件之后如此加热,使得焊膏融化并且与支承板以及相应电子构件的接触面相连。
在经典SMT过程中焊膏不仅包含焊材(Lötgut)(其在参与的接触面后耐久地连接)而且包含熔剂,熔剂改善焊材的可焊性(尤其是流动和湿润特性)。焊膏大多在丝网或者掩模印刷过程中以焊剂沉淀的形式涂装在支承板上,在电子构件放置在支承板上之前。因此焊剂沉淀形式通常跟随对应的支承板接触面的形式,使得膏仅仅涂装到支承板接触面上。焊剂沉淀的面积和高度(或者厚度)安置焊剂沉淀的体积并且因此固定焊膏的涂装量。为了使焊剂沉淀上的焊膏的量能够适配于不同的要求(其可以例如以单个电子构件的重量或机械负荷为条件)根据现有技术已知丝网或者掩模印刷过程,其实现焊剂沉淀的不同高度或者厚度,由此各自接触面可用特别适配数量的焊材湿润。如此优化的丝网或者掩模印刷过程是最大成本密集的。
在此本发明的任务是创造用于适宜的适配焊剂量到接触面的备选可能性,以便实现连接从电子构件的接触面到支承板的接触面的连接的改善。
本发明的第一方面中的这个任务用开始所述类型的系统解决,其中根据本发明在阻焊漆层中设置至少一个类似通道的凹槽,通过凹槽构成至少一个辅助接触面,辅助接触面接触至少一个支承板接触面,其中至少支承板接触面,构件接触面和辅助接触面包括可润湿的表面。借助于根据本发明的特征可能的是,提高接触面上的焊剂量,其方式为焊膏超过各自支承板接触面涂装在阻焊漆层上。辅助接触面实现了在阻焊漆层上捕获涂装的融化的焊材并且延伸到支承板接触面。该效果在融化的焊材的表面应力上向回引导,由此产生力,该力将位于辅助接触面的周边上的在阻焊漆层上存在的融化的焊材拉到辅助接触面上并且因此拉到相邻的支承板接触面上。接触面上的焊剂量可以通过所谓的“加印”(也就是将焊膏超过各自接触面涂装到包围接触面的阻焊漆层上)各自的接触面适宜地影响,其中附加地加印“非接触面区域”的规模主要影响焊材到各自接触面的附加的流入。换句话说,焊剂量可以通过显著提高可印刷面积来适宜地影响。对此辅助接触面的存在性是必要的,这是因为否则仅少量的焊材可引入接触面并且此外可丢失地将焊材残渣残留在漆停止层(Lackstoppschicht)上,这可能导致短路。
表达“类似通道的凹槽”在此理解为阻焊漆中的凹槽,该凹槽形成功能通道,以便焊材在融化状态下引入到支承板接触面这里来。下面还更详细地讨论特别合适的几何形状。这种通道的宽度为优选最少80µm。自然自己可以理解,本发明同样可以用于可对一个或多个电子构件分配的多个支承板接触面。可润湿的表面在本发明的意义中是表面,该表面可由焊材(或者焊料)湿润,使得在焊材冷却时可以形成表面和焊材之间的牢固连接。
在本发明的优选实施形式中可以规定,辅助接触面沿着支承板接触面周边的最大5%,10%,15%或20%接触支承板接触面。辅助接触面作为输送附加的焊材的作用因此可以特别有效地展开。尤其是可以规定,辅助接触面的面积为在支承板板接触面的面积10%和50%之间,优选在其30%和50%之间。
在本发明的特别有益的改进方案中辅助接触面是基本上三角形的,优选成形为等腰三角形。备选地辅助接触面可对此基本上成形为矩形。表达“基本上”在此上下文中理解为可基本上这样认识的形式。因此例如具有圆形角的矩形面在本发明的意义中继续视为基本上矩形的面。还可设想半圆或弧形的凹槽。
在特别的实施形式中支承板接触面完全由电子构件遮盖。这可以例如在使用具有QFN壳体(四方扁平无引线)的电子构件的情况下情况为,使用辅助接触面特别有益。
在本发明的有益改进方案中辅助接触面具有关于对称轴的对称构造,其中对称轴基本上垂直于其中辅助接触面接触支承板接触面的支承板接触面的周边的区域取向。辅助接触面因此特别宽地突出到用阻焊漆涂覆的包围支承板接触面的区域中。
在本发明的优选实施形式中接触面(也就是支承板接触面,构件接触面和辅助接触面)涂覆锡,银和/或金。锡,银和/或金层保护接触面免受腐蚀并且可以在其他导电的(保护的锡,银和/或金面)下面布置的层上涂抹并且保护地遮盖该层。在支承板的情况下在其下面布置的层经常是在电隔离的支承材料上布置的铜层。在构件的情况下下面布置的层可以由不同的材料例如由铝、铜、铁合金、镍和/或若干半导体材料组成。
根据本发明的特别简单并且低成本的变体支承板接触面可以在输送管道上构成用于支承板接触面。
为特别确定或者附加地提高引入支承板接触面的焊材的量,在本发明的有益改进方案中规定,一个,优选两个,特别优选多个另外的辅助接触面接触支承板接触面。
可能有利的是,至少一个电子构件附加地借助于粘附点固定到支承板上。这允许电子构件的特别位置稳定的固定。
在本发明的第二方面中开始提及的任务用用于焊接地连接至少一个电子构件与至少一个支承板的方法来解决,其中支承板具有至少一个支承板接触面并且电子构件具有至少一个与其对应的构件接触面,其中至少一个支承板接触面至少由阻焊漆层包围,该阻焊漆层限制至少一个支承板接触面,其中在阻焊漆层中设置至少一个类似通道的凹槽,通过凹槽构成至少一个辅助接触面,辅助接触面接触至少一个支承板接触面,其中至少支承板接触面,构件接触面和辅助接触面具有可润湿的表面,该方法包括下列步骤:
a)将焊膏涂装到至少一个支承板接触面上并且超过后者,
b)以至少一个电子构件装备支承板,其中构件接触面至少部分地遮盖与其对应的支承板接触面并且辅助接触面突出超过其如此遮盖的区域,
c)加热焊接材料以制造支承板和至少一个电子构件之间的焊接的连接。
在此焊膏如此超出支承板接触面地压印(或相应地引导焊料),使得辅助接触面可以“捕获”融化的焊膏并且引到支承板接触面上并且因此到与其对应的构件接触面上。通常焊膏在融化过程中暴露于超过180°C,尤其是超过183°C的温度(在含铅的焊膏的情况下)或者超过215°C的温度,尤其是超过217°C的温度(在无铅的焊膏的情况下)。超过250°C的温度对于一些电子构件有害,因此最大可达到的温度经常限制在250°C。焊膏在此融化,其中包含焊膏的熔剂至少部分地蒸发并且位于支承板接触面上和在其周边的焊材(在说明书的范围中概念焊材理解为导电的并且不在加热期间蒸发的焊膏或者焊料的组成成分)固定在支承板接触面上。通常任意焊膏可以用于此。示例性地已知焊膏如SAC305(无铅的合金,其由大约96.5%锡,3%银和0.5%铜组成)或低银合金例如SAC0105或包含铋,钴或锰的合金。焊膏此外可以通过使用的熔剂或者其组成成分彼此区别。
在根据本发明的方法的有益改进方案中可以在步骤a)中在至少一个接触面涂装的焊膏遮盖支承板接触面的面积的至少120%,优选至少150%的大小的面。在此焊膏涂装在支承板接触面上并且超出支承板接触面涂装在支承板上。
为了提高支承板接触面上的焊材量可以规定,在步骤a)中至少总辅助接触面用焊膏遮盖。此外尤其有利的是,在步骤a)中焊膏超出辅助接触面涂装。在此例如延伸超出辅助接触的用焊膏遮盖的面可具有辅助接触面面积的至少50%,优选至少100%,特别优选至少200%的面积。
在本发明的有益实施形式中支承板接触面沿着支承板接触面的周边的最大5%,10%,15%或20%接触辅助接触面。支承板接触面的周边der通常通过包围支承板接触面的阻焊漆层限制,其中其中阻焊漆层通过辅助接触面中断的区域的周线对应于支承板接触面的连接到辅助接触面的边缘的延伸。
在本发明的有益实施形式中辅助接触面的面积为支承板板接触面的面积的10%和50%之间,优选在其30%和50%之间。
在特定实施形式中可以规定,在步骤b)中支承板接触面完全由电子构件遮盖。因此尤其可承担辅助接触面的功能。
此外还可以规定,辅助接触面成形为基本上三角形的,优选为等腰三角形。对此备选地辅助接触面可以成形为例如基本上矩形的。
在本发明的特别有利的变体中可以规定,辅助接触面具有关于对称轴的对称的构造,其中对称轴基本上垂直于其中辅助接触面接触支承板接触面的支承板接触面的周边的区域取向。
此外可以规定,接触面用锡,银和/或金涂覆。
在根据本发明的方法的特别有益的变体中支承板接触面可以在到支承板接触面的输送管道的上构成。
为了特别确定或者附加地提高可对支承板接触面输送焊材量,在根据本发明的方法的有益改进方案中可规定,一个,优选两个,特别优选多个另外的辅助接触面接触支承板接触面。
可能可有利的是,至少一个电子构件附加地借助于粘附点固定在支承板上。这允许电子构件的特别位置稳定的固定。
本发明连同其他扩展方案和优点在下面根据示例性的非限制的实施形式详细解释,该实施形式在附图中说明。在此示出
图1示出具有三个支承板接触面和输送管道的支承板上的平面图,
图2示出用于固定在支承板上的电子构件,
图3a示出具有安装在支承板上的电子构件的图1的支承板上的平面图,
图3b示出沿着图3a的割线AA的支承板的断面图示,
图4a示出在融化过程中具有固定在支承板上的电子构件的图3a的支承板上的平面图,
图4b示出沿着图4a的割线AA的支承板的断面图示,
图5a示出在融化过程后图4a的支承板的平面图,
图5b示出沿着图5a的割线AA的支承板的断面图示,
图6a示出包括支承板和至少一个在支承板上安装的电子构件的根据本发明的系统的平面图,
图6b示出沿着图6a的割线AA的支承板的断面图示,
图7a示出在融化过程期间连同包围支承板接触面的区域的支承板接触面的详细视图,
图7b示出在融化过程期间属于图7a的支承板的侧面视图,
图8示出在融化过程之后根据图7a的支承板,
图9a示出在融化过程期间辅助接触面的详细视图,以及
图9b示出在融化过程之后辅助接触面的详细视图。
下面在附图1到5b中详细解释现有技术的缺点。在附图中(假如没有相反说明)相同的特征用相同的附图标记来做记号。
图1示出支承板1的平面图,支承板具有三个支承板接触面2和各两个引导到支承板接触面2的输送管道13。这个支承板1对应于支承板,如现有技术中所述。
图2示出电子构件10的平面图,该电子构件应固定在支承板1上。
图3a示出支承板1的剖面的平面图,其中在支承板上安装的电子构件10的位置通过虚线表示。附加地可识别粘附点4,借助于粘附点电子构件10应在支承板1上固定。支承板接触面2大量地用焊膏5遮盖,使得这接近完全由焊膏5遮盖并且焊膏5超出接触面2延伸。支承板接触面2分别构成为铜面17(其优选用银,锡和/或金涂覆)的部分,铜面在其边缘部分中以阻焊漆层12(参见图3b)遮盖。支承板接触面2通过阻焊漆层12限制。
图3b示出支承板1沿着图3a的割线AA的断面图示,其中在此可认识到定位在支承板1上的电子构件10。电子构件10具有接触面,接触面下面称为构件接触面11,并且对此设立成,借助于焊膏5或者其中包含的焊材与支承板接触面2相连。图4a示出图3a的支承板1的平面图,其中电子构件10已安装在支承板1上。焊膏5在此通过安放电子构件10可能压烂,使得可形成焊膏5上的通用层。在图4b的示例(断面图示支承板1沿着图4a的割线A示出)可忽略其通过装备有电子构件10导致的焊膏5的变形。从现有技术已知的用于涂装焊膏5的方法是模板印刷方法,其实现具有不变高度的焊剂沉淀的特别准确的方式(容差为大约30µm)的涂装。
图5a示出在融化过程之后图4a的支承板1的平面图,其中可识别焊珠9形式的位于支承板1上的丢失的焊材残渣。这个焊材残渣与不完全的焊接连接存在关联(第三接触区域8)(其可在图5b中识别),图5b示出支承板1沿着图5a的割线AA的断面图示。对此电子构件10的构件接触面11位于对应的支承板接触面2上面。对比图4b和图5b,则清楚地显示,位于支承板接触面上的焊材15的体积在融化过程之前的焊膏5的体积更少。这个区别部分通过蒸发在焊膏5中包含的熔剂导致。另一原因在于在根据图5b的示出的示例中,焊材的部分以焊珠9的形式从支承板接触面2丢失。焊珠9在阻焊漆层12上的区域中形成,该区域一定程度上远离接触面,使得在这个区域中存在的焊材15不再流向最近接触面,而是形成位于阻焊漆层12中,从接触面释放的焊珠9。这种焊珠9是不期望的,这是因为它一方面减少接触位置上的焊材15的数量另一方面是故障源,这是因为这个焊珠9可从阻焊漆层12松脱并且导致短路。为了说明焊膏5在融化和冷却过程期间的体积损失的问题示出下面简短讨论的三个示例性接触区域6到8。
第一接触区域6示出仅部分焊接的支承板接触面2或者构件接触面11。在此虽然确保接触面连接的电传导性,但是电阻抗由于焊接位置的横断面收缩而提高以及热和机械连接变差。横断面收缩导致焊接连接的变小的机械承受力。第二接触区域7示出具有气窝(形成缩孔)的焊接位置,其减小焊接连接的有效截面并且是基本上类似于根据第一接触区域6的截面减小的效果。焊接连接中的空气或熔剂包含特别有问题,这是因为它们仅难以识别。第三接触区域8示出该场景,其中焊材15一定程度上从构件接触面11后退,使得阻碍电连接与位置相对的支承板接触面2的持续的间隙并且缺失的焊材15的部分以先前提及的焊珠9形式位于阻焊漆层12上。
图6a示出根据本发明的系统的平面图,系统包括支承板16(见图6b)和至少一个在支承板16上安装的电子构件10,其中电子构件10的位置用虚线示出。在这个示出的示例中除了根据本发明的凹槽以外支承板16的构造与先前讨论的现有技术的那个支承板1一致,形成辅助接触3a和3b并且在下面还进一步详细解释。因此支承板16具有支承板接触面2,其中电子构件10具有与其对应的构件接触面11(见图6b,7b和8),其中支承板接触面2完全由电子构件10遮盖并且由阻焊漆层12包围,阻焊漆层限制支承板接触面2,其中在这个示例中在阻焊漆层12中设置四个类似通道的凹槽,凹槽分别构成辅助接触面3a或者3b。辅助接触面3a或者3b接触支承板接触面2,其中至少支承板接触面2,构件接触面11和辅助接触面3a或者3b具有可润湿的表面。支承板接触面2的周边通常通过包围支承板接触面2的阻焊漆层12限制。在其中阻焊漆层12通过辅助接触面3a或者3b中断的那个区域中,辅助接触面3a或者3b可以与支承板接触面2不同,其方式为导向辅助接触面3a或者3b的支承板接触面2的边缘思想上延长。在图6a,7a和9a中它通过虚线示出。辅助接触面3在此可以完全地单件地用支承板接触面2构成并且形成持续的面–这甚至是有利的。当然辅助接触面3a或者3b与支承板接触面2不同在于,辅助接触面3a或者3b实现完全其他的功能并且不是设立用于直接与构件接触面11相连。相反地如上所述辅助接触面3a或者3b用于将焊材15(见图8)引到位于辅助接触面3a或者3b的附近的焊接连接。为此目的,辅助接触面3a或者3b借助于类似通道的凹槽在阻焊漆层12中构成,其优选由构件接触面11遮盖。在此有利的是,辅助接触面3沿着支承板接触面2的周边的最大5%,10%,15%或20%接触支承板接触面2。支承板16具有三个支承板接触面2,其中支承板接触面2a具有成形为等腰三角形的两个辅助接触面3a。另一支承板接触面2b同样具有两个辅助接触面3a或者3b,其中辅助接触面3b在输送管道上构成并且成形为矩形的。总接触面在此优选设计成镀铜的面。
图6b示出支承板16沿着图6a的割线AA的断面图示。在此示出的电子构件10定位在支承板16上面,以便安放在支承板16上。支承板接触面2a和2b可以从现在起大量地用焊膏5遮盖,这是因为辅助接触面3a和3b防止脱落焊材残渣的形成并且提供足够的焊材15(见图8),以便平衡由熔剂的蒸发导致的体积变小或者具有更高焊接材料需求的构件提供足够焊材15,而不必为此使用成本密集的阶梯模型。作为具有附加的焊材需求的构件提及例如插头,尤其是电插拔连接,其可具有显著更高焊材需求例如QFP构件(四面扁平封装)并且至今仅借助于特别适配的阶梯模型提供足够焊材。尤其有利地本发明可与细间距技术结合,其中接触面和/或引脚之间的距离尤其小。一方面本发明允许将附加的焊材15准确給入或者导向连接。另一方面可以防止可导致短路由此触发的缺陷的焊珠9的形成。
图7a示出在融化过程期间连同包围支承板接触面2的区域的支承板接触面2的详细视图。用焊膏5压印的区域在此用封闭虚线示出,其中这个压印的区域完全遮盖支承板接触面2b以及辅助接触面3a。如果焊膏在例如根据回流焊接方法的情况下融化,则焊材在接触面上汇集,其中涂在阻焊漆层上的焊材借助于辅助接触面3a和3b捕获。“捕获的”焊材的流动方向在图7a中通过箭头表示。图7a在图7a的支承板16的侧视图中说明支承板16上的融化过程,其中电子构件10已定位在支承板16中。
图8示出在融化过程之后根据图7a的支承板16。在此焊材15完全并且无残渣地流入支承板接触面2,使得构件接触面11完全与与其对应的支承板接触面2相连。现有技术的开始所述的缺点在此通过本发明克服。
图9a示出在融化过程期间支承板接触面2a上辅助接触面3a的详细视图,其中融化焊膏5流向辅助接触面3a和支承板接触面2a通过箭头符号表示。图9b示出在全体焊膏5已液化并且在辅助接触面3a和支承板接触面2a上固定之后图9a的详细视图。融化焊材15的表面应力导致,到支承板接触面2a的位于辅助接触面3上的焊材15的量增加。这在图9b中通过箭头符号说明,其通过虚的弧形水平线彼此分离。
自然两个或多个电子构件10可以在支承板16上布置。辅助接触面3的数量还可以单独适配到单个构件的要求。称为同样可以设置粘附点4(见现有技术的图3a,4a和5a),可借助于其电子构件10固定。
本发明可以以本领域技术人员已知的任意方式改变并且不限制与示出的实施形式。本发明的单独方面还可以考虑并且进一步彼此组合。基本上以本发明为基础的思想可考虑到这个教导由本领域技术人员以多种方式实施并且尽管这样保持保护。