DE102005016283A1 - Verfahren zur Befestigung von Bauteilen auf Schaltungsträgern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Bauteils (2) auf einem Schaltungsträger (1), wobei der Schaltungsträger (1) Öffnungen aufweist, in die zumindest ein Fortsatz (3) des Bauteils (2) eingeführt wird und wobei der zumindest eine Fortsatz (3) eine sich verbreiternde Außenfläche aufweist und der verbleibende Freiraum zwischen der sich verbreiternden Außenfläche des Fortsatzes (3) und der Innenwand der zugehörigen Öffnung mit einem flüssigen, an dieser Innenwand haftenden, sich nach Einbringung verfestigenden Material ausgefüllt wird. Mit diesem Verfahren können Bauteile (2) mit nicht lötfähiger Oberfläche gemeinsam mit lötfähigen Bauteilen in einem Arbeitsschritt auf einem Schaltungsträger (1) befestigt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Bauteils auf einem Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger Öffnungen aufweist, in die zumindest ein Fortsatz des Bauteils eingeführt wird sowie einen Bauteil zur Durchführung des Verfahrens.
• Das Montieren von elektrischer und elektronischen Baugruppen, Kühlkörpern, mechanischen Schaltern etc. auf Schaltungsträgern zur Herstellung von Schaltungen ist eine allgemein bekannte Technik. Einfache Schaltungsträger sind z.B. Leiterplatten, die als Kunststoffträger mit einer Kupferschicht ausgebildet ist. Der Kunststoffträger war früher üblicherweise aus Pertinax, heute wird meistens eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte verwendet (Laminat). Zur Befestigung und gleichzeitigen Kontaktierung von Bauelementen unterscheidet man im Wesentlichen zwischen zwei Verfahren.
• Beim älteren Verfahren werden Anschlussdrähte der Bauteile von Oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT), wobei auf der Unterseite Kupferleiterbahnen angeordnet sind, an denen sie festgelötet werden (Durchkontaktierung). Die Bohrungsinnenflächen sind dabei in der Regel mit lötfähigem Material überzogen, wodurch bei mehrschichtigen Schaltungsträgern (Multylayer-Leiterplatten) eine Kontaktierung mit Leiterbahnen in Zwischenschichten möglich wird. Für komplexe Schaltungen erreicht man damit eine Schaltungsentflechtung. Beim neueren Verfahren werden Bauteile direkt auf die Leiterbahnen gelötet. Diese oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, SMD) ermöglichten eine Anordnung mit erhöhter Packungsdichte. Die oft verwendete Kombination der beiden Verfahren erlaubt eine doppelseitige Anordnung von Leiterbahnen auf Schaltungsträgern.
• Leiterplatten mit SMD-Bauteilen werden meist auf Lötpaste bestückt und mit dem sogenannten Reflow-Verfahren gelötet. Dabei werden die Leiterplatten in Öfen erhitzt, wobei die Lötpaste aufschmilzt. THT-bestückte Leiterplatten werden hingegen im sogenannten Wellen- oder Schwalllötverfahren, bei dem flüssiges Lot gegen die Unterseite der Leiterplatte gepumpt wird, gelötet. Das gleiche gilt für mischbestückte Leiterplatten, bei denen die SMD-Bauteile zuerst auf die Unterseite geklebt, und danach zusammen mit den herkömmlich bestückten Bauteilen im Wellen- oder Schwallbad gelötet werden.
• Häufig ist es erforderlich, Bauteile mit fehlenden lötfähigen Oberflächen auf einem Schaltungsträger zu montieren. Das können Kühlkörper (z.B. aus Kupfer), Halterungen, Gehäusebefestigungen (z.B. aus Kunststoffen) oder ähnliches sein.
• Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, derartige Bauteile auf den Schaltungsträger aufzukleben. Nachteilig dabei ist jedoch, dass das Kleben als zusätzlicher Arbeitsgang die Herstellung verkompliziert und verteuert. Daneben kennt man auch ein Verfahren, bei dem die betreffenden Bauteile vor einem Lötvorgang mit einer lötfähigen Beschichtung überzogen werden. Dann kann die Bestückung und Verlötung der Bauteile ohne den Zwischenschritt des Klebens durchgeführt werden. Allerdings entsteht auch hier ein zusätzlicher Aufwand durch das vorbereitende Beschichten.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren für die Montage eines Bauteils mit nicht lötfähiger Oberfläche auf Schaltungsträgern anzugeben.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und einen Bauteil gemäß Patentanspruch 3. Der Vorteil liegt dabei darin, dass ein Bauteil mit wenigstens einem Fortsatz verwendet werden, der eine Montage im Schwall- oder Wellenbad ermöglicht, ohne dass eine vorhergehende Beschichtung oder ein Klebevorgang nötig sind. Damit können in der Fertigung Kosten durch das Wegfallen von zusätzlichen Arbeitsschritten eingespart werden.
• Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn als sich verfestigendes Material zur Befestigung des Bauteils auf einem Schaltungsträger dasselbe Lötzinn wie zur Befestigung und Kontaktierung elektrischer und elektronischer Baugruppen vorgesehen wird. Damit kann der Bauteil mit nicht lötfähiger Oberfläche im gleichen Arbeitsschritt mit elektrischen und elektronischen Baugruppen montiert wird.
• Für den Bauteil ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt des zumindest einen Fortsatzes rechteckig ausgeführt ist und sich in einem Abschnitt zum Bauteil hin verjüngt und in einem weiteren Abschnitt konstant bleibt. Der sich damit ergebende schwalbenschwanzförmige Fortsatz ist besonders geeignet, um im Schwall- oder Wellenbad den Eintritt von Lötzinn in den verbleibenden Hohlraum in der Bohrung zu ermöglichen und dann genügend Lötzinn zur sicheren Befestigung des Bauteils zurückzuhalten. Die rechteckige Ausführung ist zudem aufgrund der einfachen Geometrie für die Fertigung des Fortsatzes günstig, z.B. bei der Herstellung von Spritzgussformen.
• Dabei ist es auch weiterhin von Vorteil, wenn die Länge des zumindest einen Fortsatzes größer als die Dicke des Schaltungsträgers ist. Dadurch vergrößert sich der Spalt zwischen dem zumindest einem Fortsatz und der Bohrungsinnenfläche, so dass Lötzinn leichter in den verbleibenden Hohlraum in der Bohrung eindringen kann. Es ist jedoch darauf zu achten, dass der Fortsatz nicht zu lang ausgebildet wird, da sonst nicht genügend Lötzinn zur Befestigung des Bauteils haften bleibt.
• Für den Bauteil ist es zudem vorteilhaft, wenn dieser am Übergang zu dem zumindest einen Fortsatz eine rechteckige Schulter aufweist, deren längere Querschnittsseite größer ist als der Durchmesser der zugehörigen Bohrung im Schaltungsträger und deren kürzere Querschnittsseite kleiner ist als der Durchmesser der zugehörigen Bohrung im Schaltungsträger. Damit erreicht man, dass der Bauteil mit der Schulter am Schaltungsträger aufliegt und so ein Gegenhalt zur der formschlüssigen Befestigung des Fortsatzes mittels Lötzinn entsteht. Durch das Freilassen eines Spaltes zwischen der kürzeren Seite der Schulter und der Bohrungskante ist zudem gewährleistet, dass die sich vor dem Eindringen des Lötzinns im Hohlraum zwischen Fortsatz und Bohrungsinnenfläche befindliche Luft entweichen kann. Es wird also verhindert, dass in der Bohrung ein Luftpolster entsteht, der gegen das im Schwall- oder Wellenbad eindringende Lötzinn drückt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Spalt nicht so groß gewählt wird, dass Lötzinn durch den Spalt hindurch an die Oberseite des Schaltungsträgers gelangt.
• Besonders günstig ist das Verfahren mit dem zumindest einen Fortsatz aufweisenden Bauteil für einen Bauteil, der aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder sonstigem nicht lötfähigen Metall oder Nichtmetall besteht.
• Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:
• 1: eine schematische Darstellung eines Bauteils mit zwei erfindungsgemäßen Fortsätzen
• 2: einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Fortsatzes innerhalb einer Bohrung eines Schaltungsträgers
• 3: einen erfindungsgemäßen Fortsatz im Schrägriss
• 1 zeigt einen Bauteil 2 (beispielsweise ein Kühlkörper aus Kupfer) mit zwei schwalbenschwanzförmigen Fortsätzen 3. Der Bauteil 2 liegt dabei mit Schultern 4 auf einem Schaltungsträger 1 auf. In dieser Sicht ist die längere Seite der Schultern 4 dargestellt, die über den Bohrungsdurchmesser hinausragt und so einen sicheren Gegenhalt ermöglicht. Die Schultern 4 sollten dabei aber nicht zu breit sein, um nicht in neben den Bohrungen verlaufende Leiterbahnen hineinzuragen.
• Die Länge der Fortsätze 3 ist geringfügig größer als die Dicke des Schaltungsträgers 1. Zwischen den Fortsätzen 3 und den Bohrungsinnenflächen bleibt somit genug Freiraum, um beim Schwall- oder Wellenlöten genügend Lötzinn eindringen zu lassen, so dass dort Lötzinnpfropfen 5 entstehen.
• In 2 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Fortsatzes 3 dargestellt. Dieser soll den Bohrungsquerschnitt weitestgehend ausfüllen. Allerdings muss die Stirnfläche des Fortsatzes als dessen breiteste Stelle bei der Bestückung des Schaltungsträgers ohne Widerstand durch die Bohrung hindurch kommen.
• Ein Fortsatz 3 mit dem Übergang zum Bauteilkörper 2 ist in 3 dargestellt. Der Fortsatz 3 und der Übergang zum Bauteilkörper 2 weist dabei die gleiche Dicke auf. Der Fortsatz 3 ist an der Stirnseite am Breitesten. Von der Stirnseite des Fortsatzes 3 ausgehend verschmälert sich dessen Breite auf einem kurzen Stück um dann bis zur Schulter 4 konstant zu bleiben. Die damit erreichte Schwalbenschwanzform des Fortsatzes ermöglicht einerseits eine einfache Herstellbarkeit und andererseits eine gute Funktion zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die einzelnen Schritte dieses Verfahrens sind dann beispielhaft folgende:
  Der Bauteil 2 wird mit seinen Fortsätzen 3 maschinell oder von Hand in die Löcher des Schaltungsträgers 1 gesteckt. Dabei hat die Anordnung üblicherweise die in 1 dargestellte Lage, so dass der Bauteil 2 durch die Schwerkraft in dieser Position gehalten wird.
• Im nächsten Schritt wird der fertig bestückte Schaltungsträger 1 mit der Unterseite über einen Schwall bzw. eine Welle aus flüssigem Lötzinns geführt. Dabei benetzt ein kontinuierlicher Lötzinnfluss jene Teile an der Unterseite und in Bohrungen des Schaltungsträgers 1, die lötfähig sind. Das sind im Wesentlichen die Kontaktstellen der Leitungsbahnen und Anschlussdrähte der Bauteile.
• Der in diesem Arbeitsschritt von unten gegen den Schaltungsträger 1 strömende Lötzinnfluss befestigt dann erfindungsgemäß auch die Bauteile, die keine lötfähigen Oberflächen aufweisen. Dabei dringt Lötzinn in die Hohlräume zwischen den Fortsätzen eines solchen Bauteils und den Bohrungsinnenflächen des Schaltungsträgers 1 ein. Die in diesen Hohlräumen befindliche Luft kann dabei nach oben entweichen.
• Hat eine Bohrung mit einem Fortsatz 3 den Lötzinnstrom passiert, fließt ein Teil des in den Hohlraum gelangten Lötzinns wieder aus diesem heraus. Durch die Oberflächenspannung bzw. Kapillarität des Lötzinns verbleibt der restliche Teil zwischen den Bohrungsinnenfläche und Fortsatzaußenflächen. Die Bohrungsinnenfläche ist in der Regel lötfähig, weshalb an dieser eine fixe Verbindung mit dem Lötzinnpfropfen 5 entsteht. Nach dessen Verfestigung ergibt dieser Lötzinnpfropfen 5 im Zusammenspiel mit den sich verbreitenden Außenflächen des Fortsatzes 3 und den sich am Schaltungsträger 1 abstützenden Schultern 4 eine formschlüssige Verbindung zwischen Bauteil 2 und Schaltungsträger 1.

Claims (6)

1. Verfahren zur Befestigung eines Bauteils (2) auf einem Schaltungsträger (1), wobei der Schaltungsträger (1) Öffnungen aufweist, in die zumindest ein Fortsatz (3) des Bauteils (2) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fortsatz (3) eine sich verbreiternde Außenfläche aufweist und dass der verbleibende Freiraum zwischen der sich verbreiternden Außenfläche des Fortsatzes (3) und der Innenwand der zugehörigen Öffnung mit einem flüssigen, an dieser Innenwand haftenden, sich nach Einbringung verfestigenden Material ausgefüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als sich verfestigendes Material Lötzinn vorgesehen wird.
3. Bauteil mit zumindest einem Fortsatz (3) zur Verbindung des Bauteiles (2) mit einem Schaltungsträger (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des zumindest einen Fortsatzes (3) rechteckig ausgeführt ist und sich in einem Abschnitt zum Bauteil hin verjüngt und in einem weiteren Abschnitt konstant bleibt.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zumindest einen Fortsatzes (3) größer ist als die Dicke des Schaltungsträgers (1).
5. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (2) am Übergang zu dem zumindest einen Fortsatz (3) eine rechteckige Schulter (4) aufweist, deren längere Querschnittsseite größer ist als der Durchmesser der zugehörigen Bohrung im Schaltungsträger (1) und deren kürzere Querschnittsseite kleiner ist als der Durchmesser der zugehörigen Bohrung im Schaltungsträger (1).
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder sonstigen nicht lötfähigen Metall oder Nichtmetall besteht.