DE102008013226A1

DE102008013226A1 - Hochfeste Lötverbindung für SMD Bauteile

Info

Publication number: DE102008013226A1
Application number: DE102008013226A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Birgel; Paul Bürger; Christoph Hippin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Es ist eine hochfeste Lötverbindung zwischen einem SMD-Bauteil (3) und einer Leiterplatte (1) beschrieben, durch die SMD-Bauteile mit einem Bauteilkörper (5) und mindestens einem Anschluss (7) im Reflowlötverfahren mechanisch hochstabil verlötet werden können, bei der in der Leiterplatte (1) eine erste Vertiefung (13) vorgesehen ist, Lotpaste (17) in die Vertiefung (13) eingebracht wird, die Leiterplatte (1) mit dem SMD-Bauteil (3) derart bestückt wird, dass eine Kontaktfläche (9) des Anschlusses (7) flächig auf der der Lotpaste (17) aufliegt, und der Anschluss (7) in einem Reflowlötvorgang angelötet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Lötverbindung zwischen einem SMD Bauteil und einer Leiterplatte, und eine Leiterplatte mit einem mittels einer hochfesten Lötverbindung darauf aufgebrachten SMD Bauteil.
Moderne elektrische Geräte, insb. Messgeräte, 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 verlaufende Leitungen angeschlossen werden. Zur Reduktion von Herstellungskosten werden vorzugsweise oberflächenmontierbare Bauteile, so genannte 'Surface Mounted Devices' – kurz SMD Bauteile eingesetzt. SMD Bauteile benötigen für deren Montage keine Leiterplattenlöcher, sondern werden mit ihren Kontakten direkt an vorgesehenen Anschlüssen angelötet. SMD-Bauteile können mit Bestückungsautomaten maschinell auf der Leiterplatte platziert werden.
Typischerweise wird in einem ersten Schritt an allen Orten, an denen nachfolgend Bauteile positioniert werden, im Siebdruckverfahren eine Lotpaste auf die Leiterplatte aufgebracht.
In einem nächsten Schritt werden die Leiterplatten maschinell mit den Bauteilen bestückt. Die bestückten Leiterplatten werden in einen Ofen, insb. einen Reflowofen, eingebracht. Der Lötvorgang wird in dem Ofen, z. B. in einer Schutzgasatmosphäre, vorgenommen, indem ein lotspezifischer Temperaturzyklus durchlaufen wird.
Heute sind die meisten elektronischen Bauteile als SMD-Bauteile erhältlich, was zu einer erheblichen Reduktion der Herstellkosten von elektronischen Geräten geführt hat. Allerdings gibt es auch heute noch eine Vielzahl Bauteilen, insb. von Bauteilen die bedingt durch deren Funktion größere Abmessungen aufweisen, wie z. B. Stecker und Übertrager, die nach wie vor bevorzugt als THT Bauteile ausgebildet sind. Diese Bauteile weisen stiftförmige Anschlussdrähte auf, die in Bohrungen in der Leiterplatte eingesetzt und dort von Hand oder in einem Wellenlötverfahren verlötet werden. Auf diese Weise lässt sich ein höhere mechanische Festigkeit der Lötverbindung erzielen, als dies für SMD Bauteile bisher möglich ist.
Grundsätzlich wäre es möglich auch diese größeren Bauteile als SMD Bauteilen auszubilden und zu verlöten. Um hierbei die für größeren Bauteile erforderliche Festigkeit der Lotverbindung zu erzielen, könnte die Menge der für die Verlötung verwendeten Lotpaste erhöht werden. Zusätzliches Lot kann an den entsprechenden Stellen z. B. im Druckverfahren aufgebracht werden. Da in der Regel klassische SMD Bauteile zusammen mit den genannten größeren Bauteilen verlötet werden müssen, ist es denkbar hierzu Stufenschablonen einzusetzen, mit denen an den einzelnen Lötstellen die für das jeweilige Bauteil erforderliche Menge an Lotpaste aufgedruckt werden kann. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass ein solches Vorgehen fertigungstechnische Probleme mit sich bringt. Es kommt z. B. zu Fehldrucken, bei denen insb. die Kontaktflächen für die klassischen SMD Bauteile, nicht ausreichend mit Lotpaste bedruckt werden.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass diese größeren Bauteile, wie z. B. Übertrager und Stecker, mehrere in der Regel längliche flache Anschlüsse aufweisen, die zur Erzielung der SMD-Lötfähigkeit seitlich in einer Ebene aus dem Bauteil herausführen und auf den entsprechenden Kontaktflächen auf der Leiterplatte aufgelötet werden müssen. Diese Anschlüsse sind jedoch fertigungsbedingt nicht immer vollständig koplanar angeordnet. Abweichungen von der koplanaren Anordnung können auch durch nachträglich auftretende mechanische Belastungen auftreten. Abweichungen von der Koplanarität beeinträchtigen die erzielbare Qualität der Lötverbindungen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine mittels dieses Verfahrens hergestellte Lötverbindung anzugeben, mit dem SMD-Bauteile im Reflowlötverfahren mechanisch hochstabil verlötet werden können.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Lötverbindung zwischen einem SMD Bauteil und einer Leiterplatte, bei dem

– das Bauteil einen Bauteilkörper und mindestens einen Anschluss aufweist,
– in der Leiterplatte eine erste Vertiefung vorgesehen ist,
– Lotpaste in die Vertiefung eingebracht wird,
– die Leiterplatte mit dem Bauteil derart bestückt wird, dass eine Kontaktfläche des Anschlusses flächig auf der der Lotpaste aufliegt, und
– der Anschluss in einem Reflowlötvorgang angelötet wird.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die Vertiefung mit einer an eine Leiterbahn der Leiterplatte elektrisch angeschlossenen Metallisierung versehen, und die Lotpaste wird auf die Metallisierung aufgebracht.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist auf einer unmittelbar an die Vertiefung angrenzenden Oberfläche der Leiterplatte eine Kontaktfläche vorgesehen, und die Lotpaste bewirkt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dieser Kontaktfläche und der Kontaktfläche des Anschlusses.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird in der Umgebung der ersten Vertiefung vor dem Reflowlötvorgang ein Lötstopp auf die Leiterplatte aufgebracht.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist in der Leiterplatte eine zweite Vertiefung vorgesehen, in die der Bauteilkörper des Bauteils eingesetzt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die erste Vertiefung mit einem Laser in die Leiterplatte eingefräst.
Weiter besteht die Erfindung in einer Leiterplatte mit einem mittels einer hochfesten Lötverbindung darauf aufgelöteten SMD Bauteil, wobei

– das SMD Bauteil einen Bauteilkörper und mindestens einen Anschluss aufweist,
– in der Leiterplatte eine erste Vertiefung vorgesehen ist, und
– eine Kontaktfläche des Anschlusses im Bereich der Vertiefung mittels einer Lotpaste flächig auf die Vertiefung aufgelötet ist.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die Vertiefung mit einer an eine Leiterbahn der Leiterplatte elektrisch angeschlossenen Metallisierung versehen, und die Lotpaste ist auf die Metallisierung aufgebracht.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist auf einer unmittelbar an die Vertiefung angrenzenden Oberfläche der Leiterplatte eine Kontaktfläche vorgesehen, und die Lotpaste bewirkt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dieser Kontaktfläche und der Kontaktfläche des Anschlusses.
Gemäß einer Weiterbildung ist in der Umgebung der ersten Vertiefung ein Lötstopp auf der Leiterplatte vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist in der Leiterplatte eine zweite Vertiefung vorgesehen, in die der Bauteilkörper des Bauteils eingesetzt ist.
Durch diese Erfindung ist es möglich auch große Bauteile als SMD-Bauteile im Reflowlötverfahren auf einer Leiterplatte aufzulöten. Aufgrund der Vertiefung steht ausreichend Platz für die Einbringung von Lotpaste zur Verfügung. Aufgrund der großen Menge an Lotpaste, erhöht sich die Festigkeit der erfindungsgemäß erzielbaren Lötungen deutlich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass für die Herstellung der hochfesten Lötverbindungen keine Vergrößerung der für die Lötverbindung erforderlichen Grundfläche auf der Leiterplatte erforderlich ist.
Auch sehr große SMD Bauteile können nun zusammen mit klassischen SMD Bauteilen verarbeitet werden. Hierdurch ist eine Erhöhung des Automatisierungsgrades in der Fertigung erzielbar. Insb. kann die Lotpaste für alle Lötstellen zeitgleich mit Standardschablonen im Siebdruckverfahren aufgebracht werden und es kann eine vollautomatische Bestückung der Leiterplatte mit allen SMD Bauteilen vorgenommen werden.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Leiterplatte mit einem auf einer mit einer Metallisierung versehenen Vertiefung aufgelöteten SMD-Bauteil;
2 zeigt einen Ausschnitt der Leiterplatte von 1 im Detail,
3 zeigt eine Leiterplatte mit einem auf einer von einer Kontaktfläche umgebenen Vertiefung aufgelöteten SMD-Bauteil; und
4 zeigt einen Ausschnitt der Leiterplatte von 3 im Detail.
1 zeigt eine Leiterplatte 1 mit einem darauf aufgelöteten SMD-Bauteil 3 und einem klassischen SMD-Bauteil 4. 2 zeigt einen Ausschnitt der Leiterplatte 1 von 1 im Detail. Das SMD Bauteil 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein vergleichsweise großes Bauteil, das mit dem herkömmlichen für die Verlötung von SMD Bauteilen üblicherweise eingesetzen eingangs beschriebenen Standardverfahren nicht ohne weiteres auf der Leiterplatte 1 angelötet werden kann. Es ist beispielsweise ein Stecker oder ein Übertrager. Das SMD Bauteil 3 umfasst einen Bauteilkörper 5 und mindestens einen Anschluss 7. Typischer Weise sind mehrere identische Anschlüsse 7 vorgesehen, die alle auf die hier beschriebene erfindungsgemäße Weise angelötet werden. Der exemplarisch dargestellte Anschluss 7 ist seitlich aus dem Bauteilkörper 5 herausgeführt und weist endseitig eine nahezu parallel zur Leiterplatte 1 verlaufende längliche Kontaktfläche 9 auf.
Zusätzlich können auf der Leiterplatte 1 natürlich ein Vielzahl weiterer großer SMD Bauteile 3 sowie eine Vielzahl weiterer klassischer SMD-Bauteile 4 vorgesehen sein.
Die Leiterplatte 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Multilayer-Leiterplatte mit innen liegenden Leiterbahnen 11.
In der Leiterplatte 1 ist erfindungsgemäß eine erste Vertiefung 13 vorgesehen. Die Vertiefung 13 kann, wie in den 1 und 2 dargestellt, miteiner Metallisierung 15, z. B. aus Kupfer oder Gold, versehen sein. Die Metallisierung 15 ist an eine Leiterbahn der Leiterplatte 1, hier die in der Leiterplatte 1 verlaufende Leiterbahn 11, angeschlossen. Bei klassischen Leiterplatten wird die Metallisierung völlig analog z. B. über eine aufgedruckte Anschlussleitung an eine entsprechende auf der klassischen Leiterplatte verlaufende Leiterbahn angeschlossen.
Eine solche Metallisierung 15 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. In den 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem auf einer unmittelbar an die Vertiefung 13 angrenzenden Oberfläche der Leiterplatte 1 eine Kontaktfläche 16 vorgesehen, die beispielsweise an eine auf der Leiterplatte 1 verlaufende, hier nicht dargestellte, Leiterbahn angeschlossen ist.
Die Vertiefung 13 wird vorzugsweise mittels eines Lasers in die Leiterplatte 1 eingefräst. Dies bietet den Vorteil, dass die Vertiefung 13 hochpräzise gefertigt werden kann. Abmessungen und Lage der Vertiefung 13 können damit sehr genau vorgegeben werden, was insb. dann von Vorteil ist, wenn auf der Leiterplatte 1 wenig Platz zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil besteht in Verbindung mit der beschriebenen Multilayer-Leiterplatte darin, dass die vorgegebene Tiefe der Laserfräsung sehr präzise eingehalten werden kann, da sie durch die Lage der innen liegenden Leiterbahn 11 vorgegeben ist, und die Fräsung mit dem erreichen der elektrisch leitenden Leiterbahn 11 unmittelbar gestoppt werden kann.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lotverbindung wird also zunächst die Vertiefung 13 erzeugt, die Metallisierung 15 in der Vertiefung 13 abgeschieden bzw. die Kontaktfläche 16 aufgebracht, und für deren elektrischen Anschluss an die Leiterbahn 11 gesorgt.
In einem nächsten Arbeitsgang wird Lotpaste 17 in die Vertiefung 13 eingebracht. Hierzu wird vorzugsweise, genau wie beim klassischen SMD Löten auch, ein Schablonendruckverfahren eingesetzt. Aufgrund der Vertiefung 13 kann für die erfindungsgemäße Lotverbindung eine sehr große Menge an Lotpaste 17 aufgedruckt werden. Durch die Verwendung von Stufenschablonen können gleichzeitig mit der Einbringung der Lotpaste 17 in die Vertiefung 13 auf der Leiterplattenoberfläche angeordnete Kontaktflächen 20 für klassische SMD Bauteile mit geringeren Mengen an Lotpaste 19 pro Kontaktfläche 20 bedruckt werden. Da die Vertiefungen 13 ausreichend Platz für die Aufnahme der Lotpaste bieten treten die eingangs beschriebenen Fehldrucke bei einer zeitgleichen Bedruckung von herkömmlichen Kontaktflächen 20 und den erfindungsgemäßen Vertiefungen 13 nicht mehr auf.
Abschließend wird die Leiterplatte 1 mit den hierfür vorgesehenen Bauteilen 3, 4 bestückt. Dabei wird vorzugsweise eine maschinelle Bestückung vorgenommen. Auch hier können die klassischen SMD Bauteile 4 zusammen mit den auf die erfindungsgemäße Weise zu verlötenden unter Umständen deutlich größeren SMD Bauteilen 3 in einem Arbeitsgang bestückt werden.
Die SMD Bauteile 3 werden im Rahmen der Bestückung derart auf die Leiterplatte 1 aufgesetzt, dass die Kontaktflächen 9 der Anschlüsse 7 flächig auf der in die Vertiefungen 13 eingebrachte Lotpaste 17 aufliegen. Da in der Vertiefung 13 jeweils ausreichend viel Lotpaste 17 eingebracht werden kann, liegen die Kontaktflächen 9 auch bei einer automatischen Bestückung auch dann noch flächig auf der Lotpaste 17 auf, wenn nicht alle Anschüsse 7 eines SMD Bauteils 3 völlig koplanar angeordnet sind. Abweichungen von der Koplanarität werden durch die eingebrachte vergleichsweise große Menge an Lotpaste 17 ausgeglichen. In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bewirkt die Lotpaste 17 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Metallisierung 15 und der Kontaktfläche 9 des jeweiligen Anschlusses 7. Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel bewirkt die Lotpaste 17 entsprechend eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der auf der Leiterplattenoberfläche aufgebrachten Kontaktfläche 16 und der Kontaktfläche 9 des jeweiligen Anschlusses 7.
In einem letzten Arbeitsgang wird die eigentliche Lötung in einem Reflowlötvorgang vorgenommen. Hierzu wird die vollständig bestückte Leiterplatte 1 in einen Reflow-Lötofen eingebracht und es wird ein an die verwendete Lotpaste angepasstes Temperaturprofil durchlaufen.
Dabei verhindert die Vertiefung 13, dass während des Lötvorgangs aufschmelzende Lotpaste 17 aus dem Bereich der Lötstelle abfließt. Damit wird insb. vermieden, dass Lotpaste z. B. entlang von durch angrenzende Bauteile gebildete Kriechstrecken unter benachbarte Bauteile fließt.
Dieser Vorteil kann weiter verstärkt werden, indem in der Umgebung der Vertiefung 13 auf der Oberseite der Leiterplatte 1 ein Lötstopp 21 aufgebracht wird. Der Lötstopp 21 kann hierzu z. B. unmittelbar vor oder nach der Bedruckung der Leiterplatte 1 mit der Lotpaste 17, 19, auf jeden Fall aber vor dem Reflowlötvorgang, vorgenommen werden. Der Lötstopp 21 bieten den weiteren Vorteil, dass er auch nach dem Lötvorgang noch eine Vergrößerung der elektrischen Kriechstrecken in der Umgebung der jeweiligen Lötstelle bewirkt. Dies ist insb. dann von Vorteil, wenn z. B. auch Sicherheitsgründen Mindestluftkriechstrecken zwischen einzelnen Komponenten auf der Leiterplatte 1 eingehalten werden müssen und für deren Realisierung nur wenig Platz auf der Leiterplatte 1 zur Verfügung steht.
Aufgrund der Vertiefung 13 liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine hochfeste Lötverbindung, die insb. eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Schälkräften aufweist. Diese wird insb. durch die mechanische Verankerung der Lötverbindung in der Vertiefung 13 und die Verwendbarkeit einer höheren Menge an Lotpaste 17 bewirkt.
Zusätzlich zu der beschriebenen Vertiefung 13 in der die Lötverbindung hergestellt wird, kann in der Leiterplatte 1 für jedes erfindungsgemäß angelötete SMD Bauteil 3 eine weitere Vertiefung 23 vorgesehen sein, in die der Bauteilkörper 5 des jeweiligen Bauteils 3 eingesetzt ist. Diese Vertiefung 23 wird vorzugsweise zusammen mit der Vertiefung 13 ebenfalls mittels eines Lasers in die Leiterplatte 1 eingefräst. Hierdurch kann der durch die Vertiefung 13 bewirkte Höhenunterschied zwischen dem Bauteilkörper 5 und der Kontaktfläche 9 des jeweiligen Anschlusses 7 ausgeglichen werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich dadurch die Bauhöhe der bestückten Leiterplatte 1 reduziert.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Bauteilkörper 5 durch diese weitere Vertiefung 23 nach der Bestückung zusätzlich in seiner Lage auf der Leiterplatte 1 fixiert ist. Dadurch wird ein Verrutschen des Bauteilkörpers 5 während des Transports zum Reflowofen vermieden.

1	Leiterplatte
3	SMD Bauteil
4	klassisches SMD Bauteil
5	Bauteilkörper
7	Anschluss
9	Kontaktfläche
11	Leiterbahn
13	erste Vertiefung
15	Metallisierung
16	Kontaktfläche
17	Lotpaste
19	Lotpaste
20	Kontaktfläche
21	Lötstopp
23	weitere Vertiefung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Lötverbindung zwischen einem SMD Bauteil (3) und einer Leiterplatte (1), bei dem – das SMD Bauteil (3) einen Bauteilkörper (5) und mindestens einen Anschluss (7) aufweist, – in der Leiterplatte (1) eine erste Vertiefung (13) vorgesehen ist, – Lotpaste (17) in die Vertiefung (13) eingebracht wird, – die Leiterplatte (1) mit dem SMD Bauteil (3) derart bestückt wird, dass eine Kontaktfläche (9) des Anschlusses (7) flächig auf der der Lotpaste (17) aufliegt, und – der Anschluss (7) in einem Reflowlötvorgang angelötet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vertiefung (13) mit einer an eine Leiterbahn (11) der Leiterplatte (1) elektrisch angeschlossenen Metallisierung (15) versehen ist, und die Lotpaste (17) auf die Metallisierung (15) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf einer unmittelbar an die Vertiefung (13) angrenzenden Oberfläche der Leiterplatte (1) eine Kontaktfläche (16) vorgesehen ist, und die Lotpaste (17) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dieser Kontaktfläche (16) und der Kontaktfläche (9) des Anschlusses (7) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der Umgebung der ersten Vertiefung (13) vor dem Reflowlötvorgang ein Lötstopp (21) auf die Leiterplatte (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der Leiterplatte (1) eine zweite Vertiefung (23) vorgesehen ist, in die der Bauteilkörper (5) des SMD Bauteils (3) eingesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Vertiefung (13) mit einem Laser in die Leiterplatte (1) eingefräst wurde.
Leiterplatte mit einem mittels einer hochfesten Lötverbindung darauf aufgelöteten SMD Bauteil (3), bei dem – das SMD Bauteil (3) einen Bauteilkörper (5) und mindestens einen Anschluss (7) aufweist, – in der Leiterplatte (1) eine erste Vertiefung (13) vorgesehen ist, und – eine Kontaktfläche (9) des Anschlusses (7) im Bereich der Vertiefung (13) mittels einer Lotpaste (17) flächig auf die Vertiefung (13) aufgelötet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, bei der die Vertiefung (13) mit einer an eine Leiterbahn (11) der Leiterplatte (1) elektrisch angeschlossenen Metallisierung (15) versehen ist, und die Lotpaste (17) auf die Metallisierung (15) aufgebracht ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, bei der auf einer unmittelbar an die Vertiefung (13) angrenzenden Oberfläche der Leiterplatte (1) eine Kontaktfläche (16) vorgesehen ist, und die Lotpaste (17) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dieser Kontaktfläche (16) und der Kontaktfläche (9) des Anschlusses (7) bewirkt.
Leiterplatte nach Anspruch 7, bei dem in der Umgebung der ersten Vertiefung (13) ein Lötstopp (21) auf der Leiterplatte (1) vorgesehen ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, bei dem in der Leiterplatte (1) eine zweite Vertiefung (23) vorgesehen ist, in die der Bauteilkörper (5) des SMD Bauteils (3) eingesetzt ist.