DE10125476A1

DE10125476A1 - Thermische Sicherung für ein Halbleiterschaltelement sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10125476A1
Application number: DE2001125476
Authority: DE
Inventors: Bernd Thiele
Original assignee: Lear Automotive Electronics GmbH
Current assignee: Lear Automotive Electronics GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermische Sicherung für ein Halbleiterschaltelement, das als SMD-Bauteil an Anschlüsse von Leiterbahnen einer gedruckten Leiterplatte angelötet ist, wobei ein Anschluss die Stromzuführungsleitung ist. Die Leiterbahn der Stromzuführung ist vor dem Anschluss unterbrochen, im unmittelbaren Bereich neben dem Halbleiterschaltelement ist eine Durchgangsbohrung in die Leiterplatte eingebracht und in diese ein Kontaktansatz einer vorgespannten Kontaktfeder mit einem Lötmittel eingelötet, das einen spezifischen Schmelzpunkt aufweist. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Sicherung für ein Halbleiterschaltelement, das als SMD-Bauteil an An schlüsse von Leiterbahnen einer gedruckten Leiterplatte angelötet ist, wobei eine Leiterbahn die Stromzuführungs leitung ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen thermischen Sicherung.

Halbleiterschaltelemente, insbesondere Halbleiterlei stungsschalter, ersetzen immer mehr Relais, beispiels weise als Schalter für Lampen in einem Kraftfahrzeug. In telligente Halbleiterschalter mit Treiberschaltungen sind z. B. aus der Fachzeitschrift "elektrikpraxis" 1987, Nr. 6, Seiten 118 bis 122, bekannt. Die einzelnen Lampen wer den mit relativ niedrigen Spannungen und hohen Strömen hierüber versorgt, um die gewünschte Lichtausbeute erzie len zu können. Bei modernen Fahrzeugen fließen dabei bis zu 50 Ampere Strom, die in dem Halbleiterschaltelement Verlustwärme erzeugen. Das Halbleiterschaltelement selbst ist als SMD-Bauteil ausgebildet und weist in der Regel eine Treiberschaltung und einen Feldeffekttransistor zum Durchschalter der Ströme auf. Durch das Anlöten der An schlüsse an die Leiterbahnen wird dabei Wärme auf die Leiterbahnen und damit auf das Basismaterial des Schal tungsträgers übertragen. Im Falle von Fehlschaltungen oder Defekten kann die Verlustleistung des Halbleiter schaltelementes unter Umständen eine so extrem hohe Er wärmung der gedruckten Leiterplatte bewirken, dass diese und ungünstig positionierte, benachbarte, leicht ent flammbare Teile zu brennen beginnen, mindestens aber die Leiterplatte auskohlt.

Ausgehend vom dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine thermische Sicherung für derartige Halbleiterschaltelemente anzugeben, die die thermischen Überbelastungen der Leiterplatte und der da mit verbundenen Umgebung durch zu hohe Verlustströme der Halbleiterschaltelemente vermeidet.

Die Aufgabe wird gelöst durch Ausbildung der thermischen Sicherung gemäß der Lehre des Anspruchs 1. Im Anspruch 6 ist ein Verfahren angegeben, wie eine derartige thermi sche Sicherung auf einfache Weise realisiert werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der thermischen Siche rung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Es ist ersichtlich, dass die thermische Sicherung nach der Erfindung auf einfache Weise im Schwalllötverfahren hergestellt werden kann, wenn die Kontaktfeder durch ei nen Niederhalter auf den Schaltungsträger bzw. die Lei terbahn mit ihrem freien Ende gedrückt wird, wobei gleichzeitig der angeformte oder daran befestigte Kon taktansatz in die vorgesehene Durchgangsbohrung ein greift. Das aufsteigende Lötmittel, z. B. Lötzinn mit spezifischem Schmelzpunkt, verbindet die aneinanderlie genden Metallflächen der Kontaktfeder und des Lötstütz punktes miteinander und stellt eine gesicherte Verbindung zwischen Kontaktansatz, Leiterbahn und Bohrungswandung her. Mit dem Niederhalten wird zugleich auch die Vorspan nung eingestellt. Die Kontaktfeder stellt die Stromver sorgung beim Normalbetrieb sicher. Das Halbleiterschalt element ist beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von 125°C ausgelegt. Durch Stromüberlastung oder durch mangelnde Belüftung ist es dabei nicht ausgeschlossen, dass eine wesentlich höhere punktuelle Erwärmung der Lei terplatte und des Basismaterials gegeben ist, was zu ei ner Selbstentzündung des Leiterplattenträgermaterials führen kann, wenn beispielsweise die Leiterplatte eine Flammtemperatur von 220°C aufweist. Wird nun für die feste Verbindung des Kontaktansatzes der Kontaktfeder in der Bohrung ein Lötzinn mit einem entektischen Punkt bei 180°C ausgewählt, so verflüssigt sich das Lötzinn bei Er reichen dieser Temperatur, wodurch die Federkraft der Vorgespannten Kontaktfeder den Kontaktansatz aus der Boh rung und damit von der Kontaktfläche des Lötstützpunktes abschnellen lässt. Die Stromzuführung ist unterbunden, eine weitere Erwärmung ausgeschlossen und der Verbund gegen Selbstentzündung gesichert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels ergänzend erläutert.

Das schematische Ausführungsbeispiel zeigt eine gedruckte Leiterplatte 3, auf der Leiterbahnen 2 vorgesehen sind. Diese Leiterbahnen 2 weisen Anschlüsse auf, die mit den Anschlüssen eines Halbleiterschaltelementes 1 einzeln kontaktiert sind. Weitere Bauelemente können selbstver ständlich auch vorgesehen sein. Der Einfachheit halber sind sie aber nicht dargestellt. Das Halbleiterschaltele ment 1 ist ein SMD-Bauteil und in SMT-Technik aufgebracht und im Reflow-Lötverfahren angelötet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Leiterbahn 2 der Stromzuführung unterbrochen ist. Überbrückt wird die Unterbrechungs stelle durch eine Kontaktfeder 8, deren hinteres Ende an einer Stromschiene 9 angenietet ist. Die Stromschiene 9 ist über nicht dargestellte untere Füße in Durchgangsboh rungen der Leiterplatte 3, die sich aus den Leiterbahnen 2 und dem Basisträger 6 zusammensetzt, eingesteckt und beispielsweise mittels verschränkter Ansätze an der Ba sisträgerplatte 6 oder durch Lötung gesichert gehalten.

Erfindungsgemäß ist nun in der Leiterbahn 2 der Stromzu führung des Halbleiterschaltelementes 1 an einem ausge wählten Lötstützpunkt eine Durchgangsbohrung 4 vorgese hen, die relativ groß ausgebildet ist, um einen Kontakt ansatz 7 aufnehmen zu können, der nicht an die Bohrungs wand anstößt. In diese Bohrung 4 greift der Kontaktansatz 7 am freien Ende der Kontaktfeder beim Niederdrücken der selben ein. Die Kontaktfeder 8 wird dabei vorgespannt. Wird nun die Leiterplatte 3, die an der Unterseite im Ausführungsbeispiel keine Leiterbahn aufweist, grundsätz lich aber durchaus Verbindungsleiter aufweisen kann, über ein Schwalllötbad gezogen, so steigt in der Bohrung 4 Lötzinn 5 auf und verbindet die Unterseite der Kontaktfe der 8 im Kontaktansatzbereich mit dem Lötstützpunkt der Leiterbahn 2 einerseits und füllt den ringförmigen Raum um den Kontaktansatz 7 in der Bohrung 4 aus. Wenn das Lötzinn abkühlt und erstarrt, ist die Verbindung herge stellt. Während des Lötprozesses in der Schwalllötanlage drückt ein Niederhalter die Kontaktfeder 8 auf das freie Ende, wodurch sie vorgespannt wird, da das andere Ende fest an der Stromschiene 9 befestigt ist.

Es ist ersichtlich, dass beim Überschreiten der Erwärmung der Leiterplatte 3 mit dem Basisträger 6 im Bereich der Bohrung 4 und beim Überschreiten des eutektischen Punktes des Lötzinns 5 dieses verflüssigt und die Federspannung der Kontaktfeder 8 ausreicht, um den Kontaktansatz 7 aus der Bohrung 4 herausschnellen zu lassen. Diese Position, die die Ruheposition der Kontaktfeder 8 darstellt, ist punktiert eingezeichnet. Nun kann aber kein Strom mehr fließen, so dass die Leiterplatte 3 gegen Überlastung ge schützt ist. Das defekte Halbleiterschaltelement kann he rausgenommen und ausgetauscht werden. Als Metallschicht für die Leiterbahnen kommt bevorzugt Kupfer zur Anwen dung. Leiterplatten mit anderen Metallschichten können aber auch eingesetzt werden. Die Stromschiene kann eben falls aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall be stehen.

Claims

1. Thermische Sicherung für ein Halbleiterschaltelement (1), das als SMD-Bauteil an Anschlüsse von Leiterbahnen (2) einer gedruckten Leiterplatte (3) angelötet ist, wo bei eine Leiterbahn (2) die Stromzuführungsleitung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (2) der Stromzuführung vor dem Anschluss unterbrochen ist, dass im unmittelbaren Bereich neben dem Halbleiterschalt element (1) die Leiterbahn der Stromzuführung einen Löt stützpunkt mit einer Durchgangsbohrung (4) durch die Lei terbahn (2) und den Basisträger (6) der gedruckten Lei terplatte (3) aufweist, dass in die Durchgangsbohrung (4) ein Kontaktansatz (7) einer vorgespannten Kontaktfeder (8) mit einem Lötmittel (5) eingelötet ist, das einen spezifischen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels zum Kontaktieren der Bau elemente an den Leiterbahnen (2) liegt, und dass das an dere Ende der vorgespannten Kontaktfeder (8) an der un terbrochenen Leiterbahn (2) der Stromzuführung oder an einer, auf der Bestückungsseite der Leiterplatte (3) mit vorgesehenen Stromschiene (9) befestigt ist, wobei die Vorspannung der Kontaktfeder (8) so gewählt ist, dass bei Erwärmung des Lötmittels (9) mit Überschreiten des Schmelzpunktes der Kontaktansatz (7) aus der Bohrung (5) durch die Federkraft herausschnellt.

2. Thermische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das zweite Ende der Kontaktfeder (8) an der Stromschiene (9) oder an der Leiterplatte (3) angenietet ist.

3. Thermische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass in die Durchgangsbohrung (4) ein Hohlniet eingenietet ist oder auf die Innenwand eine Kup ferschicht eingebracht ist und dass der Kontaktansatz (7) hierin mittels ihn umgebenden Lötmittels (5) befestigt ist.

4. Thermische Sicherung nach Anspruch 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (8) eine zungenförmige Feder ist.

5. Thermische Sicherung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stromschiene (9) mit der daran befestigten Kontaktfeder (8) ein kombiniertes Mon tageteil ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer thermischen Sicherung, mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, gekenn zeichnet durch folgende Verfahrensschritte

a) Herstellen einer einseitig bedruckten Leiterplatte (3),
b) Einbringen der Durchgangsbohrung (4) für den Kontaktansatz (8),
c) Aufbringen der SMD-Bauteile,
d) Verlöten der Anschlüsse der Bauteile mit den An schlüssen der Leiterbahnen (2) im Reflow-Lötverfah ren,
e) Festnieten oder Festschrauben des einen Endes der Kontaktfeder (8) an einer Stromversorgungsschiene (9) oder an der Leiterbahn (2),
f) Einsetzen der Stromschiene (9) in Haltern oder Durchbrüchen in der Leiterplatte (3) und fixieren derselben an der Leiterplatte (3),
g) Auflegen eines Niederhalters auf das freie Ende der Kontaktfeder (8) nach dem Einführen des Kontaktan satzes (7) in die Bohrung (4),
h) Festlöten des Kontaktansatzes (7) in der Bohrung (4) oder an einem metallischen Leiter innerhalb der Boh rung (4), im Schwalllötverfahren mittels Lötmittel (5) mit definiertem Schmelzpunkt.