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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung. Die Verbindungsanordnung weist wenigstens einen Schaltungsträger auf. Der Schaltungsträger weist wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht auf. Der Schaltungsträger weist wenigstens ein elektronisches Bauelement, insbesondere THT-Bauelement (THT = Through-Hole-Technology) wobei das elektronische Bauelement mindestens mittelbar mit dem Schaltungsträger lötverbunden ist.
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Bei Schaltungsträgern, insbesondere bei faserverstärkten Leiterplatten, besteht das Problem, dass die Leiterplatte sowohl elektronische Bauelemente aufweist, welche im Reflow-Lötverfahren mit der Leiterplatte verbunden werden, als auch klassische elektronische THT-Bauelemente, welche Anschlussbeine aufweisen, welche mit der Leiterplatte lötverbunden werden und welche durch einen Durchbruch in der Leiterplatte hindurchgeführt sind. Somit sind zum Erzeugen der Leiterplatte zueinander verschiedene Lötverbindungstechniken erforderlich, was einen Prozessaufwand zum Erzeugen der Leiterplatte erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist die Verbindungsanordnung wenigstens einen Hilfsschaltungsträger, insbesondere eine Hilfsleiterplatte, auf. Der Hilfsschaltungsträger weist wenigstens eine elektrisch isolierende Substratschicht und eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Das elektronische Bauelement ist mit dem Hilfsschaltungsträger elektrisch leitfähig verbunden, insbesondere lötverbunden, wobei das Bauelement wenigstens einen elektrischen Anschlussdraht aufweist, welcher mit der elektrisch leitfähigen Schicht lötverbunden ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht des Hilfsschaltungsträgers und die elektrisch leitfähige Schicht des Schaltungsträgers einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die zueinander gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Schichten mittels wenigstens einer Reflow-Lötverbindung miteinander verlötet sind.
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Dadurch kann die Verbindungsanordnung vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden, insoweit sämtliche mit dem Schaltungsträger lötverbundenen Bauelemente mittels Reflow-Löten mit dem Schaltungsträger verbunden sein können. Die zuvor genannten Bauelemente, welche einen Anschlussdraht aufweisen und so selektiv mit dem Schaltungsträger verlötet werden müssen, können so in einem vorherigen Prozessschritt mit dem Hilfsschaltungsträger selektiv verlötet werden. Die Fertigung der Verbindungsanordnung kann dadurch vorteilhaft aufwandsgünstig in zueinander verschiedene Lötprozessschritte geteilt werden, wobei die zueinander verschiedenen Lötprozessschritte jeweils zusammengefasst werden können.
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Bevorzugt weist der Schaltungsträger wenigstens ein weiteres Bauelement auf, welches mittels Reflow-Löten mit dem Schaltungsträger verbunden ist. Das weitere Bauelement ist beispielsweise ein integrierter Schaltkreis, ein Widerstand, ein Kondensator oder eine Diode.
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Der Schaltungsträger ist bevorzugt durch eine Leiterplatte, insbesondere eine faserverstärkte Epoxidharz-Leiterplatte, gebildet. Dadurch kann der Schaltungsträger vorteilhaft stabil ausgebildet sein, weiter vorteilhaft kann der Schaltungsträger aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Schaltungsträger durch einen LTCC Schaltungsträger (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics), ein HTCC-Substrat (HTCC= High-Temperature-Cofired-Ceramics), oder einen AMB-Schaltungsträger (AMB = Active-Metal-Brazed) gebildet. Dadurch kann der Schaltungsträger vorteilhaft biegesteif ausgebildet sein.
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Der Hilfsschaltungsträger ist bevorzugt durch eine Hilfsleiterplatte, insbesondere eine faserverstärkte Leiterplatte gebildet. Dadurch kann der Hilfsschaltungsträger vorteilhaft stabil ausgebildet sein, und ein von dem Bauelement durch seine Masseträgheit erzeugte Kippschwingung sicher abfangen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfsschaltungsträger durch ein DBC-Substrat gebildet. Durch das DBC-Substrat kann vorteilhaft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements, bevorzugt ein Anschlussbeinmit dem Schaltungsträger elektrisch verbunden werden. Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein Halbleiterschalter oder ein integrierter Schaltkreis.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfsschaltungsträger durch ein MID-Substrat (MID = Molded-Interconnect-Device) gebildet. Das MID-Substrat weist bevorzugt ein Kunststoffteil, insbesondere eine Kunststoffplatte als Substrat auf. Die Kunststoffplatte oder das Kunststoffteil ist bevorzugt durch einen thermoplastischen Kunststoff gebildet. Bevorzugt ist das Kunststoffteil ein Polyolefinteil, insbesondere ein Polyethylenteil oder ein Polypropylenteil, ein ABS-Kunststoffteil (ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder ein ein PPS-Kunststoffteil (PPS = Polyphenylensulfid). Dadurch kann der Hilfsschaltungsträger vorteilhaft eine gute Dämpfungseigenschaft auf Biegeschwingungen aufweisen und die von dem Bauelement auf den Hilfsschaltungsträger übertragenen Kippschwingungen wirksam bedämpfen. Der Schaltungsträger kann dadurch vorteilhaft wirksam mechanisch entlastet werden. Bevorzugt ist der Abstandshalter an das Kunststoffteil angeformt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Hilfsschaltungsträger, insbesondere MID-Hilfsschaltungsträger, als Sandwich-Träger ausgebildet, welcher wenigstens zwei Substratschichten, bevorzugt Kunststoffschichten aufweist, welche ein Elastomer, insbesondere Elastomerschicht zwischeneinander einschließen. Das Elastomer ist bevorzugt ein Silikongummi oder ein Dispersionsklebstoff. Dadurch kann der Hilfsschaltungsträger vorteilhaft eine wirksame Dämpfungseigenschaft aufweisen.
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Der Hilfsschaltungsträger, insbesondere die Hilfsleiterplatte, weist bevorzugt einen Durchbruch, insbesondere eine Bohrung, auf, wobei wenigstens ein elektrischer Anschluss des mit dem Hilfsschaltungsträger verbundenen elektronischen Bauelements wenigstens mit einem Längsabschnitt des Anschlussdrahtes in dem Durchbruch angeordnet ist. So kann das mit dem Hilfsschaltungsträger verbundene Bauelement vorteilhaft mit dem Hilfsschaltungsträger fest verbunden sein. Weiter vorteilhaft kann so der Hilfsschaltungsträger hinsichtlich seiner Beschaffenheit, insbesondere einer Stärke der Substratschicht, auf eine Tragfähigkeit für das mit der Hilfsleiterplatte verbundene Bauelement abgestimmt sein. Weiter vorteilhaft können so auf den Schaltungsträger übertragene Schwingungen oder Erschütterungen nur gedämpft von dem Schaltungsträger auf den Hilfsschaltungsträger, und so auf das THT-Bauelement, übertragen werden. Die Kippstabilität zwischen dem THT-Bauelement und dem Schaltungsträger wird so durch den Hilfsschaltungsträger erhöht. Weiter vorteilhaft ist der elektrische Anschlussdraht des Bauelements dadurch mechanisch entlastet.
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Die Reflow-Lötverbindung ist bevorzugt durch wenigstens eine Lotperle gebildet. Weiter bevorzugt ist wenigstens ein weiteres mit dem Schaltungsträger verbundenes Bauelement ein Flip-Chip-Schaltkreis, welcher mittels wenigstens einer BGA-Lotperle (BGA = Ball-Grid-Array) oder einer LGA-Lotperle (Land-Grid-Array) mit dem Schaltungsträger verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reflow-Lötverbindung mittels einer Lotpaste, insbesondere einer aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Lotpaste, gebildet. So kann der Schaltungsträger vorteilhaft aufwandsgünstig erzeugt werden, indem die Lotpaste beispielsweise mittels eines Druckverfahrens auf den Schaltungsträger aufgedruckt wird und der Schaltungsträger anschließend mit Bauelementen bestückt und in einem Lötofen zum stoffschlüssigen Verbinden mit den Bauelementen verlötet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Hilfsschaltungsträger, insbesondere die Hilfsleiterplatte einen Durchbruch für den Anschlussdraht auf, wobei der Anschlussdraht durch den Durchbruch hindurchgeführt ist. So kann das zuvor erwähnte Bauelement mit der Hilfsleiterplatte THT-lötverbunden sein (THT = Through-Hole-Technology). Der Durchbruch ist beispielsweise durch eine Bohrung erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Anschlussdraht einen zu dem Schaltungsträger weisenden Endabschnitt auf, wobei der Schaltungsträger eine Aussparung aufweist, welche ausgebildet und angeordnet ist, den Endabschnitt wenigstens teilweise oder vollständig aufzunehmen. Dadurch kann der Hilfsschaltungsträger vorteilhaft sicher mit dem Schaltungsträger verbunden sein, auch wenn eine Länge des Anschlussdrahtes des THT-Bauelements, welches mit dem Hilfsschaltungsträger lötverbunden ist, einer Fertigungstoleranz unterliegt.
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Der zuvor erwähnte Endabschnitt ist der Abschnitt, welcher sich zwischen der Lötstelle und dem Ende des Anschlussdrahtes des THT-Bauelements erstreckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verbindungsanordnung ein Abstandselement auf. Das Abstandselement ist wenigstens teilweise zwischen dem Schaltungsträger und dem Hilfsschaltungsträger angeordnet. Das Abstandselement ist ausgebildet, den Hilfsschaltungsträger und den Schaltungsträger mit einem vorbestimmten Abstand voneinander getrennt zu halten. So kann die Reflow-Lötverbindung zwischen dem Hilfsschaltungsträger und dem Schaltungsträger vorteilhaft frei von Kurzschlüssen ausgebildet sein, welche dadurch entstehen können, dass der Hilfsschaltungsträger einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Hilfsschaltungsträger und dem Schaltungsträger unterschreitet und so eine Lötperle oder Lotpaste zwischen dem Schaltungsträger und dem Hilfsschaltungsträger breitgepresst werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist das Abstandselement eine Kunststofffolie, oder ein Kunststoffelement, insbesondere ein Kunststoffrahmen. So kann das Abstandselement vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Anschlussdraht des Bauelements, welcher mit dem Hilfsschaltungsträger lötverbunden ist, in einem sich zwischen dem Hilfsschaltungsträger und dem Schaltungsträger erstreckenden Zwischenraum abgewinkelt. So kann der Schaltungsträger vorteilhaft keine zuvor erwähnten Vertiefungen, Aussparungen oder Durchbrüche aufweisen, welche ausgebildet sind, einen Endabschnitt des Anschlussdrahtes aufzunehmen.
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Bevorzugt ist das zuvor erwähnte Bauelement, welches mit dem Hilfsschaltungsträger verbunden ist, ein Kondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator, oder ein Wickelkondensator.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Reflow-Verlöten eines Through-Hole-Technology-Bauelements mit einem Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte, wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht aufweist. Bei dem Verfahren wird wenigstens ein Anschlussdraht des Through-Hole-Technology-Bauelements mit einer Leiterbahn eines Hilfsschaltungsträgers, insbesondere einer Hilfsleiterplatte lötverbunden.
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Bevorzugt wird wenigstens eine Lotperle mit der elektrisch leitfähigen Schicht des Hilfsschaltungsträgers oder der elektrisch leitfähigen Schicht des Schaltungsträgers verbunden. Bevorzugt wird der Hilfsschaltungsträger auf den Schaltungsträger derart aufgesetzt, dass die wenigstens eine Lotperle mit einer elektrisch leitfähigen Schicht des Schaltungsträgers berührt. In einem weiteren Schritt wird der Schaltungsträger mindestens mit dem Hilfsschaltungsträger, bevorzugt mit wenigstens einem weiteren Bauelement, Reflow-verlötet.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung umfassend einen Schaltungsträger und einen Hilfsschaltungsträger, wobei der
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1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung 1. Die Verbindungsanordnung 1 umfasst einen Schaltungsträger 2, in diesem Fall gebildet durch eine faserverstärkte, insbesondere glasfaserverstärkte Epoxidharz-Leiterplatte. Der Schaltungsträger 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch isolierende Schicht 24 auf und eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Der Schaltungsträger 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei jeweils eine Leiterbahn ausbildende elektrisch leitfähige Schichten 4 und 5 auf, welche mit der elektrisch isolierenden Schicht 24 verbunden sind.
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Die Verbindungsanordnung 1 weist auch einen Hilfsschaltungsträger 3 auf. Der Hilfsschaltungsträger 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch isolierende Schicht 25 auf, welche durch eine faserverstärkte, insbesondere glasfaserverstärkte, Epoxidharzschicht, beispielsweise erzeugt durch eine Prepreg-Schicht, oder – im Falle eines MID-Schaltungsträgers – durch eine Kunststoffschicht oder ein Kunststoffteil gebildet ist. Der Hilfsschaltungsträger 3, welcher so eine Leiterplatte bildet, weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Leiterbahn 7 und eine Leiterbahn 6 auf, wobei die Leiterbahnen 6 und 7 jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht des Schaltungsträgers 3 bilden, welche mit der elektrisch isolierenden Schicht 25 jeweils verbunden sind. Der Hilfsschaltungsträger 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine kleinere Fläche auf als der Schaltungsträger 2.
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Mit dem Hilfsschaltungsträger 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein elektronisches Bauelement 12 lötverbunden. Das elektronische Bauelement 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Kondensator, insbesondere einen Elektrolytkondensator, gebildet. Das Bauelement 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen elektrischen Anschlussdraht 10 und einen elektrischen Anschlussdraht 11 auf, welche sich in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander erstrecken. Der Hilfsschaltungsträger 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchbruch 9 auf, wobei der Anschlussdraht 11 durch den Durchbruch 9 hindurchgeführt und in dem Durchbruch 9 angeordnet ist. Der Anschlussdraht 11 ist mit der Leiterbahn 6 mittels eines Lotmittels 14 lötverbunden. Die Lötverbindung, gebildet durch das Lotmittel 14, ist beispielsweise durch Selektivlöten, insbesondere mittels eines Lötkolbens oder eines Lötbades, insbesondere eines Wellenlötbades, erzeugt.
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Der Hilfsschaltungsträger 3 weist auch einen weiteren Durchbruch 8 auf, wobei der Anschlussdraht 10 durch den Durchbruch 8 hindurchgeführt und in dem Durchbruch 8 mit einem Längsabschnitt angeordnet ist. Ein Endabschnitt 21 des Anschlussdrahtes 10 ist mittels eines Lotmittels 15 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 7 lötverbunden. Die Lötverbindung mittels des Lotmittels 15 ist beispielsweise wie die Lötverbindung zwischen dem Anschlussdraht 11 und der Leiterbahn 6 mittels Selektivlöten oder mittels Wellenlöten erzeugt.
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Der Hilfsschaltungsträger 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Abstandselement 22 und ein Abstandselement 23 auf, welche jeweils angeordnet und ausgebildet sind, einen Rand des Hilfsschaltungsträgers 3 zu umgreifen und welche sich mit einem Abschnitt 13 über den Hilfsschaltungsträger 3 hinaus und in der Verbindungsanordnung 1 dem Schaltungsträger 2 entgegenstrecken. In der bereits erwähnten Ausführungsform der Hilfsleiterplatte 3 als MID-Schaltungsträger können die Abstandselemente 22 und 23 an den Schaltungsträger angeformt, im Falle eines als Spritzgussteil erzeugten Hilfsschaltungsträger 3, angespritzt sein.
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Der Hilfsschaltungsträger 3 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch eine Lotperle 16, welche mit der elektrisch leitfähigen Schicht, gebildet durch die Leiterbahn 7 verbunden ist und eine Lotperle 17, welche mit der elektrisch leitfähigen Schicht, gebildet durch die Leiterbahn 6 verbunden ist.
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Wenn der Hilfsschaltungsträger 3 auf den Schaltungsträger 2 aufgesetzt wird, so kann die Lotperle 16 auf der elektrisch leitfähigen Schicht des Schaltungsträgers 2, gebildet durch die Leiterbahn 5, aufsetzen und die Lotperle 17 auf die elektrisch leitfähige Schicht des Schaltungsträgers 2, gebildet durch die Leiterbahn 4, aufsetzen.
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Wenn der Schaltungsträger 2 zusammen mit dem Hilfsschaltungsträger 3 in einem Lötofen mittels Reflow-Lötens verlötet wird, so kann die Lotperle 16 und die Lotperle 17 in dem Lötofen aufgeschmolzen werden und so die elektrisch leitfähige Schicht 7 und die elektrisch leitfähige Schicht 5 elektrisch und stoffschlüssig miteinander verbinden. Die Lotperle 17 kann die elektrisch leitfähige Schicht 6 und die elektrisch leitfähige Schicht 4 des Schaltungsträgers 2 stoffschlüssig und elektrisch miteinander verbinden.
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Der Schaltungsträger 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Ausnehmungen 18 und 19 für die Anschlussdrähte wie die Anschlussdrähte 10 und 11 des elektronischen Bauteils 12 auf. Die Ausnehmungen 18 und 19 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als gebohrter Durchbruch in dem Schaltungsträger gebildet. Die Ausnehmung 18, welche zu dem Anschlussdraht 10, insbesondere einer Stirnseite des Anschlussdrahtes 10, gegenüberliegend angeordnet ist, ist ausgebildet, einen Endabschnitt 21 des Anschlussdrahtes 10 wenigstens teilweise aufzunehmen. Die Ausnehmung 19, welche zu dem Anschlussdraht 11 gegenüberliegend angeordnet ist, ist ausgebildet, einen Endabschnitt 21 des Anschlussdrahtes 11 wenigstens teilweise aufzunehmen.
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Während eines Verlötens des Hilfsschaltungsträgers 3 und des Schaltungsträgers 2 in einem Reflow-Lötofen kann so der Hilfsschaltungsträger 3 bei einem durch die Erwärmung bewirkten Erweichen der Lotperlen 16 und 17 auf den Schaltungsträger 2 herabsinken, wobei ein Abstand zwischen dem Hilfsschaltungsträger 3 und dem Schaltungsträger 2 durch eine Längserstreckung des Endabschnitts 21 des Abstandselements 22 und des Abstandselements 23 vorbestimmt ist.
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Die Verbindungsanordnung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch ein weiteres Bauelement 20, welches in diesem Ausführungsbeispiel zum Reflow-Verlötetwerden mit dem Schaltungsträger 2 ausgebildet ist. Ein beispielhaft bezeichneter elektrischer Anschluss 26 des weiteren Bauelements 20 ist mittels einer auf den Schaltungsträger 2 gedruckten Lotpaste 27 mit einer Leiterbahn 28 des Schaltungsträgers 2 verlötet. Das Bauelement 20 ist beispielsweise ein SMD-Bauelement (SMD = Surface-Mounted-Device), in diesem Ausführungsbeispiel ein SMD-Widerstand. Der Hilfsschaltungsträger 3 kann anstelle der Lotperlen 16 und 17 mittels Lotpaste wie die Lotpaste 27 mit dem Schaltungsträger 2 verlötet sein.
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Die Abstandshalter wie der Abstandshalter 22 und der Abstandshalter 23, zuvor auch Abstandselement genannt, können – anders als in 1 dargestellt – auch als eine insbesondere äußere Schicht eines mehrschichtig ausgebildeten Hilfsschaltungsträgers ausgebildet sein. Die Lotperle 17 ragt dann mit wenigstens einem Teil aus dem Hilfsschaltungsträger 3 heraus und überragt mit dem wenigstens einen Teil den durch die äußere Schicht gebildeten Abstandshalter des Hilfsschaltungsträgers 3. Der Abstandshalter kann so vorteilhaft durch Fräsen einer Substratschicht des Hilfsschaltungsträgers 3, insbesondere einer elektrisch isolierenden Schicht wie die elektrisch isolierende Schicht 25, gebildet sein.
