DE10130618B4

DE10130618B4 - Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit einem Bauteil und Vorrichtung zum Verbinden derselben

Info

Publication number: DE10130618B4
Application number: DE2001130618
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Kautz; Heinz Dr. Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: DE10130618A1

Abstract

Verfahren zum Bestücken eines Trägers (1), insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Bauteil (2), insbesondere einem elektrischen Bauelement, wobei an dem Träger (1) auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite zumindest ein Befestigungselement (3) aus einer Form-Gedächtnis-Legierung fixiert ist, mit den Schritten:
a) Positionieren des Bauteils (2) auf dem Träger (1) derart, dass das Bauteil (2) den Träger (1) mit einem Pin (5) durchsetzt und wenigstens ein aus dem Träger (1) auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite herausragender Abschnitt (4) des Pins (5) von dem Befestigungselement (3) in einer ersten Form zumindest teilweise umgeben ist;
und
b) Erwärmen zumindest des Befestigungselements (3) derart, dass es in eine zweite Form übergeht und so den wenigstens einen herausragenden Abschnitt (4) kraft- und/oder formschlüssig umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestücken eines Trägers, insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Bauteil, insbesondere einem elektrischen Bauelement. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verbinden eines solchen Trägers mir einem solchen Bauteil.

Bei der Montage elektronischer Systeme werden durch die Kombination von effizienten automatischen SMD-Bestückungsmaschinen und anschließendem Reflow-Löten hohe Fertigungsproduktivitäten erreicht. Mehr als 95 % der Bauelemente werden nach der Surface Mount Technology bestückt. Auch hochintegrierte Ball Grid Arrays oder Chip Size Packages sind mit dem Reflow-Prozess kompatibel.

Die noch wenigen gedrahteten Bauelemente (meist weniger als 5 bis 10 pro Elektronikbaugruppe, wie Terminal Blocks für Steckverbinder oder große Elektrolyt-Kondensatoren) werden hingegen noch handbestückt und anschließend mit dem herkömmlichen Schwall-Lötverfahren gelötet. Das Schwall-Löten ist im Vergleich zum Reflow-Löten wesentlich aufwendiger und erfordert einen höheren Wartungsaufwand. Dies bedeutet, dass es lediglich wegen der Befestigung und Kontaktierung dieser wenigen Bauelemente erforderlich ist, die Schwall-Lötanlage vorzuhalten und stets betriebsbereit zuhalten.

Ein anderes Problem beim Einsatz des Schwall-Lötprozesses ist folgendes: Durch den Übergang auf bleifreie Lote nimmt die Temperaturbelastung elektronischer Baugruppen und -systeme deutlich zu. Während beim Reflow-Prozess mit Löttemperaturen bis ca. 240 °C gerechnet werden muss, werden diese Temperaturen beim Schwall-Löt-Prozess noch übertroffen und teilweise Temperaturen von über 260 °C benötigt. Die höhere thermische Belastung elektronischer Systeme kann zum Teil bereits während der Fertigung zu relativ hohen Ausfallraten und Problemen mit der Zuverlässigkeit der Elemente führen.

Aus dem JPO-Abstract zu JP 01-292887 A geht ein Verfahren zum Bestücken eines Substrats oder Rahmens mit einem Bauteil (bzw. dessen Pins) unter Verwendung eines besonderen Befestigungselementes hervor. Dieses Element besteht aus einer Form-Gedächtnis-Legierung und weist im Montagezustand eine erste Form und in der Montageendstelle eine zweite Form auf, die dem Element vor der Montage unter Ausnutzung seiner Form-Gedächtnis-Eigenschaft eingeprägt wurde. Das aus zwei Blechen aus der Form-Gedächtnis-Legierung zusammengesetzte Element hat eine etwa rautenförmige Öffnung und passt in eine entsprechende Aussparung des Substrats. In seiner Öffnung ist der Pin des zu montierenden Bauteils von der Bestückungsseite her eingebracht. Durch ein hinreichendes Erwärmen des Befestigungselementes wird dann der Pin in der Aussparung des Substrats verklemmt.

Auch aus dem JPO-Abstract zur JP 02-229415 A ist eine entsprechende Klemmtechnik zu entnehmen. Solche mechanische Fixierungen gemäß diesem Stand der Technik sind ausgesprochen umständlich, da entweder die Durchführungen/Aussparungen besondere Querschnittsformen haben müssen und/oder besonders geformte Elemente im Durchführungsbereich erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit einem Bauteil bzw. eine Vorrichtung zum Verbinden dieser Gegenstände vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, die Gegenstände, insbesondere ein zu steckendes Nicht-SMD-Bauteil auf einer Leiterplatte, aneinander zu befestigen und damit die großen bedrahteten Bauelemente gleichfalls im Reflow-Prozess zu löten, womit es möglich werden soll, auf das Schwall-Löten völlig verzichten zu können. Des weiteren soll es möglich werden, die Verbindung zwischen zwei Gegenständen, insbesondere zwischen einer Leiterplatte und einem elektronischen Bauteil, herzustellen, ohne eine hohe thermische Belastung auf die Bauelemente ausüben zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch erreicht, dass an dem Träger auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite zumindest ein Befestigungselement aus einer Form-Gedächtnis-Legierung fixiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Positionieren des Bauteils auf dem Träger derart, dass das Bauteil den Träger mit einem Pin durchsetzt und wenigstens ein aus dem Träger auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite herausragender Abschnitt des Pins von dem Befestigungselement in einer ersten Form zumindest teilweise umgeben ist; und
b) Erwärmen zumindest des Befestigungselements derart, dass es in eine zweite Form übergeht und so den wenigstens einen herausragenden Abschnitt kraft- und/oder formschlüssig umfasst.

Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der obige Schritt b) in einem Wärmeofen durchgeführt wird. Eine besonders gute Verbindung ergibt sich, wenn vor der Durchführung des obigen Schritts a) zwischen Träger und Bauteil ein Lotmittel, insbesondere eine Lotpaste, aufgebracht wird.

Mit Blick auf eine besonders wirtschaftliche Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann weiterhin vorgesehen werden, dass das Positionieren des Bauteils auf dem bzw. in den Träger und die Erwärmung des Befestigungselements automatisch erfolgen. Das vorgeschlagene Verfahren kann ferner Teil eines Reflow-Lötverfahrens sein.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden eines Trägers, insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Bauteil, insbesondere einem elektrischen Bauelement ist an dem Träger auf seiner der Verbindungsseite gegenüberliegenden Seite zumindest ein Befestigungselement aus einer Form-Gedächtnis-Legierung fixiert, ist das Bauteil auf dem Träger derart positionierbar, dass es den Träger mit einem Pin durchsetzt und wenigstens ein aus dem Träger auf seiner der Verbindungsseite gegenüberliegenden Seite herausragender Abschnitt des Pins von dem Befestigungselement in einer ersten Form zumindest teilweise umgeben ist, und ist zumindest das Befestigungselement derart erwärmbar, dass es in eine zweite Form übergeht und so den wenigstens einen herausragenden Abschnitt kraft- und/oder formschlüssig umfasst.

Bevorzugt ist der aus dem Träger herausragende Abschnitt zylindrisch ausgebildet. Der durchsetzende Abschnitt weist weiterhin vorzugsweise eine Einkerbung oder Eindrehung auf, die mit dem Befestigungselement formschlüssig zusammenwirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pin einen ersten zylindrischen Abschnitt und einen zweiten, im Vergleich mit dem ersten Abschnitt durchmesserreduzierten Abschnitt auf, wobei der zweite Abschnitt den durchsetzenden Abschnitt bildet. In diesem Falle kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Übergang vom ersten Abschnitt des Pins zum zweiten Abschnitt als Widerlagerabschnitt zur Anlage des Bauteils an den Träger ausgebildet ist.

Gemäß einer Fortbildung kann weiterhin vorgesehen werden, dass mehrere herausragende Abschnitte von dem Befestigungselement gemeinsam umgeben werden. Hierdurch vermindert sich der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung der Verbindung.

Mit Vorteil kann vorgesehen werden, dass das Befestigungselement aus einer Form-Gedächtnis-Legierung besteht, die eine Umwandlungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhöhung eine Hochtemperaturphase bildet und das Befesti gungselement die zweite Form einnimmt, und eine um wenigstens 30 °C, insbesondere um wenigstens 50 °C, unterhalb dieser Umwandlungstemperatur liegende Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in eine Tieftemperaturphase erfolgt, aufweist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen werden, dass die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Hochtemperaturphase ≥ 40 °C, insbesondere ≥ 50 °C, und die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Tieftemperaturphase ≤ 0 °C, insbesondere ≤ –40 °C, ist.

Die Form-Gedächtnis-Legierung kann einen Ein-Weg-Effekt oder Zwei-Weg-Effekt zeigen, bei dem das Befestigungselement bei einer hinreichenden Abkühlung die eingeprägte erste Form einnimmt. Hinsichtlich der zum Einsatz kommenden Materialien ist bevorzugt vorgesehen, dass die Form-Gedächtnis-Legierung eine TiNi- oder NiMn- oder CuAl-Legierung ist, die gegebenenfalls noch mindestens einen weiteren Legierungspartner enthält.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein elektrisches Bauelement zum Aufsetzen auf einen Träger, insbesondere eine Leiterplatte, wobei wenigstens ein am Träger oder am Bauelement befestigtes Befestigungselement der vorbeschriebenen Art vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Befestigungselement ermöglicht es, beispielsweise die bereits erwähnten, zu steckenden Nicht-SMD-Bauteile, wie die Terminal-Blocks für Steckverbinder oder große Elektrolyt-Kondensatoren, unter Verwendung des aus einer Form-Gedächtnis-Legierung bestehenden Befestigungselements fest an der Leiterplatte zu befestigen. Die Eigenschaft der Form-Gedächtnis-Legierung, ihre Form zu ändern, ermöglicht eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung des an dem zu befestigenden Bauelement angeordneten Befestigungselements in der Leiterplattenbohrung.

Da die Form-Gedächtnis-Legierung eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist es damit auch möglich, eine gute elektrische Kontaktierung zu erzielen. Da die Formwandlung des Befestigungselements unter Temperatureinwirkung erfolgt, ist es unter Verwendung des Befestigungselements problemlos möglich, die Bestückung der in Frage kommenden Bauelemente in den üblichen SMD-Reflow-Bestückungsprozess zu integrieren. Die Erwärmung des Befestigungselements zur Formwandlung der Form-Gedächtnis-Legierung kann in den Reflow-Ofen, dem die mit den SMD-Bauteilen bestückte Leiterplatte ohnehin zugeführt wird, gleichzeitig erfolgen. Der im Vergleich zu SMD-Bauelementen bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgende Kraft- und Formschluss bleibt bei den höheren Reflow-Temperaturen erhalten und sichert so die Bestückungsposition der relativ großen bedrahteten Bauelemente während des Lötprozesses.

Insgesamt bietet das Befestigungselement damit die Möglichkeit, auch die Bestückung der bisher in einem aufwendigen Schwall-Löt-Verfahren zu befestigenden bzw. zu kontaktierenden Bauelemente in den normalen Bestückungsprozess zu integrieren, so dass auf die aufwendige Schwall-Löt-Befestigung verzichtet werden kann. Hierdurch wird ein wesentlich wirtschaftlicheres, schnelleres und zuverlässigeres Bestücken ermöglicht.

Weiterhin ergibt sich durch die Möglichkeit des Verzichts auf den Schwall-Löt-Prozess eine insgesamt bessere thermische Bilanz: Die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile müssen nicht mehr auf die bislang erforderliche höheren Temperatur erwärmt werden. Damit kann der Montagevorgang in schonenderer Weise erfolgen, und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Bauteile wird reduziert.

Die Form-Gedächtnis-Legierung ist in der Lage, ihre Form zu wandeln, da sie temperaturbedingt die Phase ändern kann. Prägt man nun einer bestimmten Phase eine bestimmte Form auf, so kann die Form-Gedächtnis-Legierung bei einem Phasenübergang diese aufgeprägte Form einnehmen. Erst bei einer hinrei chenden Temperaturerniedrigung wiederum erfolgt eine Phasenrückwandlung. Eine weitere Eigenschaft bekannter Form-Gedächtnis-Legierungen ist es, dass die Hochtemperaturphase, die sich bei einer hinreichenden Temperaturerhöhung bildet, in der Regel wesentlich härter als die Tieftemperaturphase ist. Als Beispiel sei hier die harte Austenit-Phase und die wesentlich weichere Martensit-Phase als Tieftemperatur-Phase angeführt.

Um zu vermeiden, dass aufgrund betriebsbedingter Temperaturschwankungen oder aufgrund Veränderungen der Umgebungstemperatur, aber auch bei einer Abkühlung des Befestigungselements nach der Erwärmung zur Befestigung der jeweiligen Gegenstände eine Phasenrückwandlung einsetzt, ist es zweckmäßig, wenn die Umwandlungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhöhung die Hochtemperaturphase bildet und das Teil die zweite Form einnimmt, und die Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in die Tieftemperaturphase erfolgt, um mindestens 30 °C, besser um mindestens 50 °C, differenzieren, d.h. es muss eine sehr starke Abkühlung erfolgen, damit sich die Tieftemperaturphase bildet; die Hochtemperaturphase ist also über einen beachtlichen Temperaturbereich stabil. Dies ermöglicht es zu verhindern, dass sich die Befestigung unbeabsichtigterweise löst oder mangelhaft wird. Um also einerseits die Befestigung überhaupt zu ermöglichen, muss eine gezielte Erwärmung einsetzen; andererseits muss eine gezielte sehr deutliche Abkühlung erfolgen, um die Befestigung zu lösen.

Weist die Form-Gedächtnis-Legierung – wie oben erwähnt – einen Ein-Weg-Effekt auf, tritt bei einer solchen Legierung beim Übergang von der Tieftemperatur- in die Hochtemperaturphase eine Formwandlung auf, da nur der Hochtemperaturphase eine bestimmte Form aufgeprägt ist. Bei einer Abkühlung ändert sich lediglich die Phase, d.h. die Legierung wird weicher, die Form bleibt jedoch erhalten. Alternativ dazu kann – wie gleichfalls bereits erwähnt – die Form-Gedächtnis-Legie rung auch einen Zwei-Weg-Effekt aufweisen, bei dem das Teil aus Form-Gedächtnis-Legierung bei einer hinreichenden Abkühlung die eingeprägte erste Form einnimmt. Man kann also hier je nach Temperaturführung zwischen zwei eingeprägten Formen "schalten". Dies ist insbesondere zur Demontage der verbundenen Gegenstände zweckmäßig, da infolge der erneuten Formwandlung der Kraft- und/oder Formschluss aufgehoben wird und die Gegenstände problemlos voneinander getrennt werden können.

Auf die erfindungsgemäße Art befestigte Gegenstände, wie z.B. die Bauelemente, können damit demontiert und wieder verwendet werden. Eine einfache Demontage ist aber natürlich auch bei einer Ein-Weg-Effekt-Legierung möglich, da aufgrund der Weichheit des Materials die Bauelemente problemlos abgezogen werden können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Befestigungselements im Montagezustand,
2 das Befestigungselement gemäß 1 in der Montageendstellung,
3 schematisch den Schnitt A-B gemäß 1 in der Ausgestaltung gemäß 1 bzw. 2,
4 eine zu 3 korrespondierende Darstellung einer ersten Ausführungsvariante,
5 eine alternative Ausgestaltung zu der Lösung gemäß 3 bzw. 4 und
6 eine weitere alternative Ausgestaltung zu den Lösungen gemäß der 3, 4 und 5.
In 1 ist schematisch der Schnitt durch ein elektrisches Bauelement 2 zu sehen, das an einer Leiterplatte 1 mechanisch fest angeordnet werden soll. Das Bauelement 2 weist zur Befestigung der Leiterplatte 1 einen zylindrisch ausgebildeten Pin 5 auf, der einen ersten Abschnitt 5' sowie einen zweiten Abschnitt 5'' hat, der im Verhältnis zum ersten Abschnitt 5' im Durchmesser reduziert ausgeführt ist. Am Übergang vom ersten Abschnitt 5' zum zweiten Abschnitt 5'' des Pins 5 ergibt sich daher ein Widerlagerabschnitt 7.
Zur Vorbereitung der Vorderseiten-Bestückung der Leiterplatte 1 mit Bauelementen 2 wird Lotpaste auch an den Lötaugen der Durchkontaktierungen aufgebracht. Im Anschluss an die Bestückung der Leiterplatte 1 mit SMD-Bauelementen (nicht dargestellt) werden die bedrahteten Bauelemente 2 in die Leiterplatten-Durchführungen 8 (Bohrung) gesteckt. Unter einem bedrahteten Element wird dabei ein solches mit durch die Leiterplatte durchsteckbaren Pins 5 verstanden.
In 1 ist der Zustand skizziert, bei dem das elektrische Bauelement 2 in die Leiterplatte 1 montiert wird. Das Bauteil 2 ist in eine Bohrung 8 in der Leiterplatte 1 eingesteckt, d.h. der zweite, durchmesserreduzierte Abschnitt 5'' des Pins 5 ist in der Bohrung 8 angeordnet. Der zweite Abschnitt 5'' des Pins 5 weist in axialer Verlängerung einen durchsetzenden Abschnitt 4 auf. Dieser Abschnitt erstreckt sich also über das untere Ende 9 der Leiterplatte 1 hinaus.
Der durchsetzende Abschnitt 4 ist von einem Befestigungselement 3 ringförmig umgeben, das an der Leiterplatte 1 fixiert ist und mit dieser beispielsweise verklebt sein kann. Das Befestigungselement 3 besteht aus einer Form-Gedächtnis-Legierung der oben beschriebenen Art. Durchsetzender Abschnitt 4 und Befestigungselement 3 sind dabei – wie es gut in 1 gesehen werden kann – geometrisch komplementär zueinander ausgebildet, d.h. der durchsetzende Abschnitt 4 weist eine Eindrehung oder Einkerbung 6 auf, die der entsprechenden Kon tur des Befestigungselements 3 entspricht. Das Befestigungselement 3 ist vorliegend ringförmig ausgebildet.
Wie weiterhin gesehen werden kann, ist in der in 1 dargestellten Montagestellung der Durchmesser D des Befestigungselements 3, durch den der durchsetzende Abschnitt 4 bei der Montage durchtreten muss, zumindest geringfügig größer ausgebildet als der Durchmesser d des durchsetzenden Abschnitts 4. Das Befestigungselement 3 weist also eine erste aufgeweitete Form auf.
Ist das Bauelement 2 mit seinen Pins in die Leiterplatte 1 eingesteckt, die Leiterplatte 1 also mit dem Bauelement bestückt, erfolgt eine Erwärmung der gesamten Einheit, zumindest des Befestigungselements 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung. Der sich damit einstellende Zustand ist in 2 dargestellt. Dieser Temperprozess kann in einem Temperaturbereich zwischen 60 °C und 120 °C erfolgen – abhängig von der verwendeten Form-Gedächtnis-Legierung. Die Formänderung des Teils 3 erfolgt durch Übergang der Form-Gedächtnis-Legierung von der Martensitphase in die Austenitphase. Durch die Formänderung des Befestigungselements 3 löst sich dieses aus seiner positionierten Lage; der Durchmesser D des offenen oder geschlossenen Rings des Befestigungselements 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung verkleinert sich und zieht dadurch den Draht bzw. Pin (d.h. dessen durchsetzenden Abschnitt 4) in der Durchkontaktierung (Bohrung 8) fest. Die Einkerbung bzw. Eindrehung 6 des Drahtes bzw. Pins in Höhe des Rings 3 sorgt für die gewünschte Befestigung und Ausrichtung des Bauelements 2 in der Leiterplatte 1.
Durch den Einsatz von Form-Gedächtnis-Legierungen kann also die elektrisch leitende Verbindung zwischen den bedrahteten Bauelementen und den Leiterbahnen bei Temperaturen von 60 bis 120 °C hergestellt werden. Die Befestigung ist bis Temperaturen von etwa 300 °C stabil. Erst ab Temperaturen von wesentlich weniger als –40 °C erfolgt die Formänderung in die wei chere Tieftemperaturphase. Die Vorteile dieser Lösung liegen in einer Befestigung bei im Verhältnis zum Löten relativ niedrigen Temperaturen; weiterhin hat eine solche Verbindung geringe Korrosionsneigung, und die Kosten der Verbindung sind recht niedrig.
Das Befestigungselement 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung hat eine zweite Form eingenommen, die ihm unter Nutzung seiner Form-Gedächtnis-Eigenschaften eingeprägt wurde. Während die Geometrie des durchsetzenden Abschnitts 4 unverändert blieb, hat sich das Befestigungselement 3 hinsichtlich seines Durchmessers D (siehe 1) verkleinert und sich an die Eindrehung 6 angelegt. Hiermit ist sowohl ein Kraftschluss zwischen Befestigungselement 3 und durchsetzendem Abschnitt 4 als auch ein Formschluss zwischen diesen beiden Teilen – aufgrund der Eindrehung 6 – erzeugt worden: Das Bauelement 2 ist jetzt fest mit der Leiterplatte 1 verbunden.
In 3 ist der Schnitt III-III gemäß 1 zu sehen. Schematisch ist hier der durchsetzende Abschnitt 4 (schraffiert) dargestellt, der vom nur schematisch dargestellten Befestigungselement 3 radial umgeben ist. Die Erwärmung des Befestigungselements 3 gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hat eine Durchmesserreduzierung zur Folge, so dass sich zumindest Abschnitte des Befestigungselements 3 in Pfeilrichtung (siehe 3) verformen und sich so um den Abschnitt 4 legen.
Alternative Ausgestaltungen hierzu sind in den 4, 5 und 6 zu sehen. Es ist zu erkennen, dass auch mehrere durchgesteckte Pins 5 mit ihren jeweiligen durchsetzenden Abschnitten 4 von einem gemeinsamen Befestigungselement 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung umfasst werden können. Die Erwärmung des Befestigungselements 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung hat auch hier eine Verformung des Befestigungselements 3 in Pfeilrichtung zur Folge. Die einzelnen Pins werden damit kraft- und/oder formschlüssig vom Befestigungselement 3 umfasst und die Verbindung des Bauelements 2 mit der Leiterplatte 1 her gestellt. Symmetrische Anordnungen sorgen dabei für einen gleichmäßigen Kraftschluss. Durch die Wahl des Materials und die Abmessungen bzw. die Form des Befestigungselements 3 (Durchmesser und Dicke des Rings) kann der gewünschte Kraftschluss für die bedrahteten Bauelemente 2 eingestellt werden. Mit einem Durchmesser von ca. 1 mm und einer Dicke von ca. 1 mm können Bauelement-Drähte (Pins 5) von 0,5 bis 1 mm Durchmesser mit Ni-Ti-Nb-Legierungen mit einer Kraft im Bereich von 100 bis 500 N befestigt werden.
Das Befestigungselement 3 aus Form-Gedächtnis-Legierung kann als geschlossener oder geschlitzter Ring ausgebildet sein. Mit geschlossenen Ringen kann eine sehr geringe Bestückungs-Toleranz erreicht werden (kleiner als 5 %). Bei der gleichzeitigen Umfassung mehrerer Pins 5 gemäß den 4 bis 6 kommt als Befestigungselement 3 bevorzugt ein geschlossener Ring zum Einsatz.
Bei Verwendung offener Metallringe 3 können durch die Ausnutzung des Formschlusses und die damit erhöhte Kraft-Weg-Kennlinie kritische Abmessungen bei hohen Integrationsdichten auf der Leiterplatte 1 vermieden werden.
Bevorzugt werden also nach dem Reflow-Prozess zur Montage der Rückseite der Leiterplatte 1 geschlossene oder offene Ringe aus Form-Gedächtnis-Legierung in ihrer Niedertemperaturform (Martensit-Phase) mit einem üblichen Kleber an der Rückseite (unteres Ende 9 der Leiterplatte 1) an den Durchkontaktierungen fixiert.
Form-Gedächtnis-Legierungen wie solche aus Ni und Ti oder aus Ni, Ti und Nb (für besonders tief liegende Umwandlungstemperaturen) können Verwendung finden (Umwandlung Austenit zu Martensit kleiner als –50 °C; Umwandlung Martensit zu Austenit größer als 60 °C). Solche Legierungen sind nicht magnetisch; ihr elektrischer Widerstand liegt bei etwa 10 bis 100 μOhm cm.
Weitere Materialien mit Form-Gedächtnis-Eigenschaften sind in der Literatur hinlänglich beschrieben.

Claims

Verfahren zum Bestücken eines Trägers (1), insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Bauteil (2), insbesondere einem elektrischen Bauelement, wobei an dem Träger (1) auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite zumindest ein Befestigungselement (3) aus einer Form-Gedächtnis-Legierung fixiert ist, mit den Schritten: a) Positionieren des Bauteils (2) auf dem Träger (1) derart, dass das Bauteil (2) den Träger (1) mit einem Pin (5) durchsetzt und wenigstens ein aus dem Träger (1) auf seiner der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite herausragender Abschnitt (4) des Pins (5) von dem Befestigungselement (3) in einer ersten Form zumindest teilweise umgeben ist; und b) Erwärmen zumindest des Befestigungselements (3) derart, dass es in eine zweite Form übergeht und so den wenigstens einen herausragenden Abschnitt (4) kraft- und/oder formschlüssig umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) in einem Wärmeofen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Schritts a) zwischen Träger (1) und Bauteil (2) ein Lotmittel, insbesondere eine Lotpaste, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren des Bauteils (2) auf dem Träger (1) und die Erwärmung des Befestigungselements (3) automatisch erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Teil eines Reflow-Lötverfahrens ist.
Vorrichtung zum Verbinden eines Trägers (1), insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Bauteil (2), insbesondere einem elektrischen Bauelement, wobei a) an dem Träger (1) auf seiner der Verbindungsseite gegenüberliegenden Seite zumindest ein Befestigungselement (3) aus einer Form-Gedächtnis-Legierung fixiert ist, b) das Bauteil (2) auf dem Träger (1) derart positionierbar ist, dass es den Träger (1) mit einem Pin (5) durchsetzt und wenigstens ein aus dem Träger (1) auf seiner der Verbindungsseite gegenüberliegenden Seite herausragender Abschnitt (4) des Pins (5) von dem Befestigungselement (3) in einer ersten Form zumindest teilweise umgeben ist, und c) zumindest das Befestigungselement (3) derart erwärmbar ist, dass es in eine zweite Form übergeht und so den wenigstens einen herausragenden Abschnitt (4) kraft- und/oder formschlüssig umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Träger (1) herausragende Abschnitt (4) des Pins (5) zylindrisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der herausragende Abschnitt (4) eine Einkerbung oder Eindrehung (6) aufweist, die mit dem Befestigungselement (3) formschlüssig zusammenwirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin (5) einen ersten zylindrischen Abschnitt (5') und einen zweiten, im Vergleich mit dem ersten Abschnitt (5') durchmesserreduzierten Abschnitt (5'') aufweist, wobei der zweite Abschnitt (5'') den herausragenden Abschnitt (4) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom ersten Abschnitt (5') des Pins (5) zum zwei ten Abschnitt (5'') des Pins (5) als Widerlagerabschnitt (7) zur Anlage des Bauteils (2) an den Träger (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere herausragende Abschnitte (4) von dem Befestigungselement (3) gemeinsam umgeben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des gemeinsamen Befestigungselements (3) in Form eines geschlossenen oder geschlitzten Ringes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) ein Terminal-Block für einen Steckverbinder oder ein Elektrolyt-Kondensator ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (3) aus einer Form-Gedächtnis-Legierung besteht, die eine Umwandlungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhöhung eine Hochtemperaturphase bildet und das Befestigungselement (3) die zweite Form einnimmt, und eine um wenigstens 30 °C, insbesondere um wenigstens 50 °C, unterhalb dieser Umwandlungstemperatur liegende Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in eine Tieftemperaturphase erfolgt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Hochtemperaturphase größer oder gleich 40 °C, insbesondere größer oder gleich 50 °C, und die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Tieftemperaturphase kleiner oder gleich 0 °C, insbesondere kleiner oder gleich –40 °C, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Form-Gedächtnis-Legierung einen Ein- Weg-Effekt oder einen Zwei-Weg-Effekt, bei dem das Befestigungselement (3) bei einer hinreichenden Abkühlung die eingeprägte erste Form einnimmt, zeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Form-Gedächtnis-Legierung eine TiNi- oder NiMn- oder CuAl-Legierung ist, die gegebenenfalls noch mindestens einen weiteren Legierungspartner enthält.