DE10132268A1

DE10132268A1 - Leiterplatte mit mindestens einem elektronischen Bauteil

Info

Publication number: DE10132268A1
Application number: DE2001132268
Authority: DE
Inventors: Dietmar Birgel; Karl-Peter Hauptvogel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Es ist eine mit einem bedrahteten Bauteil bestückte Leiterplatte vorgesehen, bei der die drahtförmigen Kontakte in durchgehenden Bohrungen angeschlossen sind, bei dem die in die durchgehenden Bohrungen (9, 11) eingebrachten und dort mit einem Verbindungsmaterial (17) befestigten Kontakte (5, 7) eine Länge aufweisen, bei der die Kontakte (5, 7) mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchstens bis zu einer von dem Bauteil (3) abgewandten Seite reichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit mindestens einem elektronischen Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Leiterplatte und jedem Bauteil. Die Verbindung bewirkt sowohl die mechanische Befestigung des Bauteils auf der Leiterplatte als auch den elektrischen Anschluß des Bauteils auf der Leiterplatte.

Moderne elektrische Geräte, insb. Meßgerät, weisen in der Regel mindestens eine Leiterplatte auf, auf der elektronische Bauteile angeordnet sind. Diese Bauteile müssen mechanisch auf der Leiterplatte befestigt werden und elektrisch an in oder auf der Leiterplatte verlaufenden Leitungen angeschlossen werden.

Zur Reduktion von Herstellungskosten werden vorzugsweise oberflächenmontierbare Bauteile, sogenannte "Surface Mounted Devices" - kurz SMD-Bauteile - eingesetzt. SMD- Bauteile benötigen für deren Montage keine Leiterplattenlöcher, sondern werden mit ihren Kontakten direkt an vorgesehenen Kontaktflächen angelötet. SMD- Bauteile können mit Bestückungsautomaten maschinell auf der Leiterplatte plaziert werden.

Typischerweise wird in einem ersten Schritt an allen Orten, an denen nachfolgend Bauteile positioniert werden, im Siebdruckverfahren eine Lotpaste auf die Leiterplatte aufgebracht. Ein Ort an dem Lot aufgebracht ist bzw. an dem nach Beendigung des Fertigungsprozesses eine Lötverbindung besteht ist. nachfolgend als Lötstelle bezeichnet.

In einem nächsten Schritt werden die Leiterplatten maschinell mit den Bauteilen bestückt. Die bestückten Leiterplatten werden in einen Ofen eingebracht. Der Lötvorgang wird in einem Ofen, z. B. in einer Schutzgasatmosphäre, vorgenommen, indem ein lotspezifischer Temperaturzyklus durchlaufen wird.

Neben den bevorzugt eingesetzten SMD-Bauteilen ist aber auch eine - wenn auch rückläufige - Anzahl von sogenannten bedrahteten Bauteilen im Einsatz. Bedrahtete Bauteile weisen drahtförmige Kontakte auf. Die Verwendung dieser Bauteile bildet in der Regel einen zusätzlichen Arbeitsgang, in dem die bedrahteten Bauteile entweder von Hand, mittels eines Wellenlötprozesses oder durch Einpressen in spezielle Bohrungen auf der Leiterplatte befestigt werden.

In der DE-A 199 92 631 ist eine Leiterplatte beschrieben

- mit Sacklochbohrungen,
- mit in der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahnen, die durch die Sacklochbohrungen zugänglich sind, und
- einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteil mit drahtförmigen Kontakten,
- die in die Sacklochbohrungen eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial befestigt sind,
- wobei das Verbindungsmaterial eine elektrische Verbindung zu der jeweils angrenzenden Leiterbahn bewirkt.

Hierbei ist es von Vorteil, daß das Verbindungsmaterial maschinell aufgebracht werden kann, und die Bauteile z. B. mittels eines Lotes zusammen mit SMD-Bauteilen in einem Reflowlötprozeß elektrisch und mechanisch angeschlossen werden können.

Bislang ist man immer davon ausgegangen, daß bedrahtete Bauteile maschinell ausschließlich in Sacklochbohrungen oder in durchgehende aber einseitig endseitig mit einer Abdeckung verschlossene Bohrungen eingebracht werden können. Letztere sind der Form nach natürlich auch Sacklochbohrungen. Die hierzu vorgesehenen drahtförmigen Kontakte weisen dabei eine Länge auf, bei der die Kontakte maximal bis zur Mitte der Leiterplatte reichen.

Alternativ kann eine Handbestückung erfolgen. Hierzu werden deutlich längere drahtförmige Kontakte eingesetzt. Die Kontakte werden durch durchgehende Bohrungen durch die Leiterplatte hindurch gesteckt und auf deren bauteilabgewandten Seite von Hand festgelötet. Eine manuelle Bestückung einer Leiterplatte ist jedoch sehr kostenintensiv.

Versuche, die drahtförmigen Kontakte maschinell in durchgehende Bohrungen einzubringen und dort z. B. einzulöten haben eine Vielzahl von Problemen aufgeworfen. Es kann z. B. beim Lötvorgang so viel Lot austreten, daß die Verbindung stark geschwächt ist oder gar nicht zustande kommt. Die Qualität der Lötung hängt außerdem sehr empfindlich vom Verhältnis des Durchmessers der Bohrung zu dem des Drahtes ab. Werden hier nicht sehr enge Toleranzen eingehalten, so fließt das Lot an dem drahtförmigen Kontakt entlang aus der Bohrung heraus.

Trotzdem besteht der Wunsch, bedrahtete Bauteile möglichst maschinell in durchgehende Bohrungen einzubringen. Durchgehende Bohrungen können billiger hergestellt werden, als Sacklochbohrungen, da deren Herstellung weniger Präzision erfordert.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine mit einem bedrahteten Bauteil bestückte Leiterplatte anzugeben, bei der die drahtförmigen Kontakte in durchgehenden Bohrungen angeschlossen sind.

Hierzu besteht die Erfindung in einer Leiterplatte

- mit durchgehenden Bohrungen,
- mit Leiterbahnen, die auf der Leiterlatte angeordnete Kontaktflächen aufweisen, die an die Bohrungen angrenzen, und
- einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteil mit drahtförmigen Kontakten,
- die in die durchgehenden Bohrungen eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial befestigt sind,
- wobei das Verbindungsmaterial eine elektrische Verbindung zu mindestens einer an die Bohrung angrenzenden Kontaktfläche bildet,
- wobei die Kontakte eine Länge aufweisen, bei der die Kontakte mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchsten bis zu einer von dem Bauteil abgewandten Seite reichen.

Weiter besteht die Erfindung in einer Leiterplatte

- mit durchgehenden Bohrungen,
- mit in der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahnen, die durch die Bohrungen zugänglich sind, und
- einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischer Bauteil mit drahtförmigen Kontakten,
- die in die durchgehender Bohrungen eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial befestigt sind,
- wobei das Verbindungsmaterial eine elektrische Verbindung zu der jeweils angrenzenden Leiterbahn bildet, und
- wobei die Kontakte eine Länge aufweisen, bei der die Kontakte mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchsten bis zu einer von dem Bauteil abgewandten Seite reichen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Innere Mantelfläche der Bohrung mit einer Metallisierung versehen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verbindungsmaterial ein Lot.

Die Erfindung besteht weiter in einem Verfahren zur Herstellung einer der vorgenannten Leiterplatten, bei dem

- die durchgehenden Bohrungen in die Leiterplatte gebohrt werden,
- die drahtförmigen Kontakte gekürzt werden,
- Verbindungsmaterial in die Bohrungen eingebracht wird,
- die Bauteile aufgesetzt werden, wobei die Kontakte in den Bohrungen im Verbindungsmaterial enden, und
- eine durch das Verbindungsmaterial elektrische und mechanische Verbindung von den Kontakten zu den Kontaktflächen oder den Leiterbahnen hergestellt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das Verbindungsmaterial ein Lot, und die Verbindung wird durch eine Reflowlötprozeß hergestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine mit einem SMD-Bauteil und einem bedrahteten Bauteil bestückte Leiterplatte, bei der die Leiterbahnen auf der Oberfläche der Leiterplatte vorgesehene Kontaktflächen aufweisen; und
Fig. 2 zeigt schematisch eine mit einem bedrahteten Bauteil bestückte Leiterplatte, die in der Leiterplatte verlaufende Leiterbahnen aufweist.
In Fig. 1 ist eine Leiterplatte dargestellt, die mit einem SMD-Bauteil 1 und einem elektronischen Bauteil 3 mit drahtförmigen Kontakten 5, 7 bestückt ist. Das SMD-Bauteil 1 ist auf die Leiterplatte aufgebracht und für das bedrahtete Bauteil 3 sind zwei durchgehende Bohrungen 9, 11 vorgesehen.
Die Leiterplatte ist z. B. eine handelsübliche starre Leiterplatte, z. B. aus einem Isolierstoff auf Epoxidharzbasis, oder eine flexible Leiterplatte, z. B. aus Polyimid. Leiterbahnen der Leiterplatte bestehen üblicherweise aus Kupfer und weisen dort, wo ein Anschluß erfolgen soll, auf der Leiterplatte angeordnete freiliegende, üblicherweise als Kupferpads bezeichnete, Kontaktflächen 13 auf.
Auf den Kontaktflächen 13 kann, wie in Verbindung mit dem SMD-Bauteil 1 dargestellt, eine Anschlußmetallisierung 15 vorgesehen sein. Die Anschlußmetallisierung 15 besteht z. B. aus einer Nickelschicht und einer Goldschicht. Das Nickel wird galvanisch, das Gold chemisch aufgebracht. Dabei ist die Nickelschicht zwischen dem Kupferpad und der Goldschicht anzuordnen. Sie dient als Diffusionsbarriere und verhindert ein abwandern von Kupfer in die Goldschicht. Diese Art der Oberflächenverbesserung wird häufig bei Lötverbindungen eingesetzt.
Alternativ kann, wie in Verbindung mit dem bedrahteten Bauteil 3 dargestellt, eine Heißluftverzinnung zur Verbesserung der Löteigenschaften vorgenommen werden. Dabei wird Zinn auf die Kupferpadoberfläche aufgebracht und mittels Heißluft aufgeschmolzen. Das flüssige Zinn bildet eine sehr plane Oberfläche aus, die für einen nachfolgenden Lötvorgang vorteilhaft ist. Das Verfahren wird auch als Hot-Air-Leveling (HAL) bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel grenzen die Kontaktflächen 13, die für das bedrahtete Bauteil vorgesehen sind, unmittelbar an die Bohrungen 9, 11 an.
Die drahtförmigen Kontakte 5, 7 sind in die durchgehenden Bohrungen 9, 11 eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial, z. B. einem Lot oder einem elektrisch leitfähigen Kleber, befestigt. Als Kleber eignen sich besonders solche Kleber, die in Verbindung mit SMD- Bauteilen üblicherweise verwendet werden.
Die Kontakte 5, 7 weisen eine Lange auf, bei der die Kontakte 5, 7 mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchsten bis zu einer von dem Bauteil 3 abgewandten Seite reichen. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kontakt 5 die maximale Länge auf. Er reicht knapp bis zu der vom Bauteil 3 abgewandten Seite der Leiterplatte. Der Kontakt 7 weist die minimale Länge auf. Er reicht bis zu Mitte der Leiterplatte. Zur Erzielung der korrekten Länge der Kontakte 5, 7 können entweder Bauteile speziel angefertigt werden. Es können aber auch, besonders wenn nur geringe Stückzahlen erforderlich sind, handelsübliche für die Handbestückung vorgesehene bedrahtete Bauteile verwendet werden, indem deren Kontakte auf die entsprechende Länge gekürzt werden.
Das Verbindungsmaterial 17 bildet eine elektrische Verbindung zu mindestens einer an die jeweilige Bohrung 9, 11 angrenzenden Kontaktfläche 13. Hierzu umgibt das Verbindungsmaterial einen in der Bohrung 9, 11 befindlichen Abschnitt der Kontakte 5, 7 und benetzt die Kontaktflächen 13. Zur Vergrößerung der effektiven Kontaktfläche ist vorzugsweise eine innere Mantelfläche der Bohrung mit einer Metallisierung 19 versehen.
Fig. 2 zeigt eine mit einem bedrahteten Bauteil 3 bestückte Leiterplatte. Aufgrund der großen Übereinstimmung zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die Unterschiede näher erläutert.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß Leiterbahnen 23 vorgesehen sind, die in der Leiterplatte verlaufen. Die Leiterbahnen grenzen im Inneren der Leiterplatte an die Bohrungen 9, 11 an und sind durch die Bohrungen 9, 11 hindurch zugänglich. Die Bohrungen 9, 11 sind auch hier vorzugsweise zur Vergrößerung der effektiven Kontaktfläche mit der Metallisierung 19 versehen.
Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Leiterplatten, indem vorab die durchgehenden Bohrungen 9, 11 in die Leiterplatte gebohrt werden. Parallel werden die drahtförmigen Kontakte 5, 7 auf die erforderliche Länge gekürzt. Das Verbindungsmaterial 17 wird vorzugsweise maschinell, z. B. im Siebdruckverfahren oder mittels eines Dispensers, in die Bohrungen 9, 11 eingebracht.
Anschließend werden die Bauteile 3 aufgesetzt, wobei die Kontakte 5, 7 in den Bohrungen 9, 11 im Verbindungsmaterial 17 enden. Durch das Verbindungsmaterial 17 wird eine elektrische und mechanische Verbindung von den Kontakten 5, 7 wie in Fig. 1 dargestellt zu den Kontaktflächen 13 der Leiterbahnen oder wie in Fig. 2 dargestellt zu den Leiterbahnen 23 direkt hergestellt.
Ist das Verbindungsmaterial 17 ein Lot, so kann die Verbindung z. B. durch einen Reflowlötprozeß hergestellt werden. Das bietet denn Vorteil, das die bedrahteten Bauteile 3 zusammen mit SMD-Bauteilen 1 in einem Arbeitsgang maschinell bearbeitet werden können.

Claims

1. Leiterplatte
mit durchgehenden Bohrungen (9, 11),
mit Leiterbahnen, die auf der Leiterplatte angeordnete Kontaktflächen (13) aufweisen, die an die Bohrungen (9, 11) angrenzen, und
einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteil (3) mit drahtförmigen Kontakten (5, 7),
die in die durchgehenden Bohrungen (9, 11) eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial (17) befestigt sind,
wobei das Verbindungsmaterial (17) eine elektrische Verbindung zu mindestens einer an die Bohrung (9, 11) angrenzenden Kontaktfläche (13) bildet,
wobei die Kontakte (5, 7) eine Länge aufweisen, bei der die Kontakte (5, 7) mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchstens bis zu einer von dem Bauteil (3) abgewandten Seite reichen.

2. Leiterplatte
mit durchgehenden Bohrungen (9, 11),
mit in der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahnen (23), die durch die Bohrungen (5, 7) zugänglich sind, und
einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteil (3) mit drahtförmigen Kontakten (5, 7),
die in die durchgehenden Bohrungen (11) eingebracht und dort mit einem Verbindungsmaterial (17) befestigt sind,
wobei das Verbindungsmaterial (17) eine elektrische Verbindung zu der jeweils angrenzenden Leiterbahn (23) bildet, und
wobei die Kontakte (5, 7) eine Länge aufweisen, bei der die Kontakte (5, 7) mindestens bis zur Mitte der Leiterplatte und höchstens bis zu einer von dem Bauteil (3) abgewandten Seite reichen.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine innere Mantelfläche der Bohrung mit einer Metallisierung (19) versehen ist.

4. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Verbindungsmaterial (17) ein Lot ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
die durchgehenden Bohrungen (9, 11) in die Leiterplatte gebohrt werden,
die drahtförmigen Kontakte (5, 7) gekürzt werden,
Verbindungsmaterial (17) in die Bohrungen (9, 11) eingebracht wird,
die Bauteile (3) aufgesetzt werden, wobei die Kontakte (5, 7) in den Bohrungen (9, 11) im Verbindungsmaterial (17) enden, und
durch das Verbindungsmaterial (17) eine elektrische und mechanische Verbindung von den Kontakten (5, 7) zu den Kontaktfläche (13) oder den Leiterbahnen (23) hergestellt werden.

6. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach Anspruch 5, bei dem das Verbindungsmaterial ein Lot ist, und die Verbindung durch ein Reflowlötprozeß hergestellt wird.