DE102018221003A1 - Schaltungsträger, elektrische Vorrichtung mit einem Schaltungsträger - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird ein Schaltungsträger (ST), aufweisend:- mindestens eine Leiterbahn (LB);- mindestens ein Lötpad (LP), das auf der Leiterbahn (LB) ausgebildet ist und mit dieser körperlich verbunden ist;- mindestens ein Metallteil (MT) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, das in oder auf dem Lötpad (LP) angeordnet ist,- wobei das Metallteil (MT) nicht Teil der Leiterbahn (LB) oder eines elektrischen/elektronischen Bauelements (BE) ist und einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als der Schmelzpunkt des Lötpads (LP) liegt, sodass das Metallteil (MT) in einem Lötvorgang des Bauelements (BE) auf dem Lötpad (LP) nicht aufschmilzt.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger und eine elektrische Vorrichtung mit einem Schaltungsträger.
  • Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
    • Elektrische Vorrichtungen, insb. leistungselektrische Vorrichtungen, weisen in der Regel zahlreiche Lötverbindungen auf, die elektrische/elektronische, insb. leistungselektrische/leistungselektronische, Bauelemente mit Leiterbahnen auf Schaltungsträger der Vorrichtungen elektrisch verbinden. Je nach Funktionen der Vorrichtungen fließen über diese Lötverbindungen Ströme mit einer Stromstärke von über 10 Ampere, 100 Ampere oder 1000 Ampere. Darüber hinaus sind die Lötverbindungen i. d. R. Temperaturen von über 125°C oder gar 150°C ausgesetzt. Um die Stromflüssen in den Vorrichtungen zuverlässig zu bewerkstelligen, ist die Anforderung an stabile und zuverlässige Lötverbindungen hoch.
  • Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine Lötverbindung stabil und zuverlässig ausgeführt werden kann.
  • Beschreibung der Erfindung:
    • Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schaltungsträger, insb. eine Leiterplatte,
    Der Schaltungsträger weist mindestens eine Leiterbahn und mindestens ein Lötpad (bzw. mindestens eine Lötfläche) auf, das auf der Leiterbahn ausgebildet ist und mit dieser körperlich verbunden ist. Der Schaltungsträger weist ferner mindestens ein Metallteil auf, das aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht und in oder auf dem Lötpad angeordnet bzw. ausgebildet ist. Das Metallteil ist dabei nicht Teil der Leiterbahn oder eines elektrischen/elektronischen Bauelements. Darüber hinaus weist das Metallteil einen Schmelzpunkt auf, der höher als der Schmelzpunkt des Lötpads liegt, sodass das Metallteil in einem Lötvorgang des Bauelements auf dem Lötpad nicht aufschmilzt.
  • Hierbei ist ein Schaltungsträger ein Träger für elektrische/elektronische Bauelemente, der mechanischer Befestigung und elektrischer Verbindung der Bauelemente dient. In der Regel weist ein Schaltungsträger eine oder mehrere Leiterbahnen zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen den Bauelementen. Eine weit verbreitete Ausführungsform des Schaltungsträgers ist Leiterplatte. Ein Kühler mit einer entsprechenden ausgebildeten Oberfläche zur mechanischer Befestigung und elektrischer Verbindung der Bauelemente, insb. mit einer oder mehreren Leiterbahnen, kann ebenfalls als ein Schaltungsträger betrachtet werden.
  • Ein Lötpad ist eine Lötfläche, welche die Verbindung zwischen einem elektrischen/elektronischen Bauelement und einer Leiterbahn herstellt.
  • Dabei ist das Metallteil kein Bestandteil der Leiterbahn, insb. kein Teil, das mit der Leiterbahn einstückig ausgebildet ist. Ebenfalls ist das Metallteil kein Bestandteil eines elektrischen/elektronischen Bauelements, das auf dem Lötpad verlötet wird. Vielmehr ist das Metallteil ein separates Bauteil oder ein Teil des Lötpads, das jedoch nicht mit dem Lötpad einstückig aus einem flüssigen Lotmaterial geformt ist.
  • Darüber hinaus weist das Metallteil einen Schmelzpunkt auf, der höher oder gar weit höher als der Schmelzpunkt des Lötpads liegt, sodass das Metallteil in einem Lötvorgang des Bauelements auf dem Lötpad nicht aufschmilzt und somit nach dem Lötvorgang dessen (ursprünglichen) Form (mittelbar vor dem Lötvorgang) weiterbehält.
  • Das Metallteil auf oder in dem Lötpad, das einen höheren Schmelzpunkt als der des Lötpads aufweist, verursacht beim Lötvorgang eine Unebenheit in der Lötverbindungsfläche am Lötpad. Durch die Unebenheit gelangt beim Lötvorgang mehr Lot zwischen dem Bauelement und dem Lötpad. Dies verhindert wiederum, dass Gase oder Flussmittel in der Lötverbindung eingeschlossen werden, und stellt somit eine lückenlose Lötverbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterbahn über das Lötpad sicher, die auch stabil gegenüber hohe Temperaturen bzw. starke Temperaturschwankungen ist. Darüber hinaus ist eine derart hergestellte Lötverbindung durch die lückenlose ausgedehnte Verbindungfläche auch mechanisch stabil und somit auch vibrationssicher. Durch das Metallteil ist zudem eine Mindestschichtdicke der Lötverbindung gewährleistet.
  • Damit ist die Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine Lötverbindung stabil und zuverlässig ausgeführt werden kann.
  • Das Ausmaß des Metallteils ist in der Regel kleiner als der des Lötpads.
  • Bspw. besteht das Metallteil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
  • Bspw. weist das Lötpad mit dem Metallteil gemeinsam eine Lötoberfläche zur Verlötung des zuvor genannten elektrischen/elektronischen Bauelements auf, die mindestens eine gezielt ausgeführte Erhebung mit einem Höhenunterschied zu dem Rest der Lötoberfläche aufweist.
  • Bspw. liegt der Höhenunterschied bei mindestens 20 Mikrometer oder mindestens 25 Mikrometer.
  • Bspw. ist das Metallteil durch ein gezieltes Auftragen oder ein gezieltes Anordnen des Metalls oder der Metalllegierung bzw. des Kupfers oder der Kupferlegierung in oder auf das Lötpad ausgebildet.
  • Bspw. ist das Metallteil durch ein gezieltes Aufgalvanisieren des Metalls oder der Metalllegierung bzw. des Kupfers oder der Kupferlegierung in oder auf das Lötpad aufgetragen.
  • Bspw. ist das Metallteil durch anschließendes gezieltes Teilabtragen des Metalls oder der Metalllegierung bzw. des Kupfers oder der Kupferlegierung von dem Lötpad ausgebildet ist, das/die in oder auf dem Lötpad wie zuvor beschrieben aufgetragen oder angeordnet ist.
  • Bspw. ist das Metallteil durch gezielte Laserablation des Metalls oder der Metalllegierung von dem Lötpad abgetragen.
  • Bspw. ist das Metallteil in oder auf dem Lötpad derart ausgebildet, dass das Bauelement mit mindestens einer unebenen Lötverbindungsschicht oder mehreren Lötverbindungsschichten mit mindestens einem weiteren Höhenunterschied über die unebene Lötverbindungsschicht oder die mehreren Lötverbindungsschichten auf dem Lötpad verlötet werden kann.
  • Die Unebenheit in der Lötverbindungsschicht oder der Höhenunterschied zwischen den Lötverbindungsschichten des Bauelements wird durch das Metallteil bzw. durch den Höhenunterschied bei dem Lötpad durch das integrierte Metallteil kompensiert. Mit anderen Worten wirkt die Erhebung beim Lötpad kompensierend gegen die Erhebungen an der Lötverbindungsschicht oder den Lötverbindungsschichten beim Bauelement und ermöglicht somit, dass beim Lötvorgang mehr Lot zwischen dem Bauelement und dem Lötpad gelangen kann. Dies verhindert wiederum, dass Gase oder Flussmittel in der Lötverbindung eingeschlossen werden, und stellt somit eine lückenlose stabile Lötverbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterbahn über das Lötpad sicher.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Vorrichtung, insb. eine leistungselektrische Vorrichtung, bereitgestellt.
  • Die Vorrichtung weist mindestens einen zuvor beschriebene Schaltungsträger, mindestens ein elektrisches/elektronisches Bauelement, das bspw. eine unebene Lötverbindungsschicht oder mehrere Lötverbindungsschichten mit einem Höhenunterschied aufweist. Das Bauelement ist über die unebene Lötverbindungsschicht oder die mehreren Lötverbindungsschichten auf dem Lötpad des Schaltungsträgers verlötet.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Schaltungsträgers sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Vorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung anzusehen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 in einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Schaltungsträger oder einen Abschnitt davon gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
    • 2 in einer schematischen Querschnittdarstellung eine elektrische Vorrichtung bzw. einen Abschnitt davon mit einem Schaltungsträger aus 1.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 zeigt in einer schematischen Draufsichtdarstellung einen Schaltungsträger ST oder einen Abschnitt davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Der Schaltungsträger ST ist in dieser Ausführungsform als eine Leiterplatte ausgebildet und weist auf einer Oberfläche mehrere Leiterbahnen LB aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf.
  • Der Schaltungsträger ST weist ferner Lötpads LP aus einem bekannten Lotmaterial auf, die auf vorbestimmten Abschnitten von freiliegenden Oberflächen der jeweiligen Leiterbahnen LB ausgeführt sind. Dabei sind die Lötpads LP in einer dem Fachmann bekannten Weise auf den jeweiligen Leiterbahnen LB aufgetragen.
  • Der Schaltungsträger ST weist zudem Metallteile MT aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf, die auf von den jeweiligen Leiterbahnen LB abgewandten freiliegenden Oberflächen der jeweiligen Lötpads LP ausgeführt sind. Dabei sind die Metallteile MT in einem Galvanisierungsvorgang auf die jeweiligen Lötpads LP gezielt aufgalvanisiert.
  • Dabei sind die Metallteile MT nicht Bestandsteile der Leiterbahnen LB und weisen einen Schmelzpunkt auf, der höher als der Schmelzpunkt der Lötpads LP liegt, sodass die Metallteile MT bei einem Lötvorgang nicht aufschmilzt.
  • 2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung eine elektrische Vorrichtung EV mit dem Schaltungsträger ST aus 1 mit einem elektrischen Bauelement BE, das auf dem Schaltungsträger ST verlötet ist.
  • Wie in der Figur erkennbar, weisen die Lötpads LP durch den Einsatz der Metallteile MT samt diesen (integrierten) Metallteilen MT jeweils eine Lötoberfläche LF auf, die jeweils eine gezielt ausgeführte Erhebung EB mit einem Höhenunterschied von mindestens 25 Mikrometer zu dem Rest der Lötoberfläche LF aufweist.
  • Auf den Lötpads LP samt den Metallteilen MT ist das elektrische Bauelement BE in einem Lötvorgang verlötet. Eventuell vorhandene Unebenheiten bzw. Höhenunterschiede bei den Lötverbindungsschichten LS des Bauelements BE werden durch die Erhebungen EB bei den Lötpads LP samt den (integrierten) Metallteilen MT kompensiert, sodass beim Lötvorgang mehr Lot LT in die Räume zwischen den Lötpads LP und den Lötverbindungsschichten LS des Bauelements BE gelangt. Das Lot LT verhindert, dass Gase oder Flussmittel in der Lötverbindung eingeschlossen werden, und stellt somit eine lückenlose, stabile und somit zuverlässige Lötverbindung zwischen dem Bauelement BE und den Leiterbahnen LB über die Lötpads LP sicher.

Claims (10)

  1. Schaltungsträger (ST), aufweisend: - mindestens eine Leiterbahn (LB); - mindestens ein Lötpad (LP), das auf der Leiterbahn (LB) ausgebildet ist und mit dieser körperlich verbunden ist; - mindestens ein Metallteil (MT) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, das in oder auf dem Lötpad (LP) angeordnet ist, - wobei das Metallteil (MT) nicht Teil der Leiterbahn (LB) oder eines elektrischen/elektronischen Bauelements (BE) ist und einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als der Schmelzpunkt des Lötpads (LP) liegt, sodass das Metallteil (MT) in einem Lötvorgang des Bauelements (BE) auf dem Lötpad (LP) nicht aufschmilzt.
  2. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 1, wobei das Metallteil (MT) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
  3. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lötpad (LP) mit dem Metallteil (MT) eine Lötoberfläche (LF) aufweist, die mindestens eine gezielt ausgeführte Erhebung (EB) mit einem Höhenunterschied zu dem Rest der Lötoberfläche (LF) aufweist.
  4. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 3, wobei der Höhenunterschied (H) bei mindestens 20 Mikrometer oder mindestens 25 Mikrometer liegt.
  5. Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Metallteil (MT) durch gezieltes Auftragen oder Anordnen des Metalls oder der Metalllegierung in oder auf das Lötpad (LP) ausgebildet ist.
  6. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 5, wobei das Metallteil (MT) durch gezieltes Aufgalvanisieren des Metalls oder der Metalllegierung in oder auf das Lötpad (LP) aufgetragen ist.
  7. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Metallteil (MT) durch anschließendes gezieltes Teilabtragen des Metalls oder der Metalllegierung von dem Lötpad (LP) ausgebildet ist, das/die in oder auf dem Lötpad (LP) aufgetragen oder angeordnet ist.
  8. Schaltungsträger (ST) nach Anspruch 7, wobei das Metallteil (MT) durch gezielte Laserablation des Metalls oder der Metalllegierung von dem Lötpad (LP) abgetragen ist.
  9. Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Metallteil (MT) in oder auf dem Lötpad (LP) derart ausgebildet ist, dass das Bauelement (BE) mit mindestens einer unebenen Lötverbindungsschicht oder mehreren Lötverbindungsschichten mit einem weiteren Höhenunterschied über die unebene Lötverbindungsschicht oder die mehreren Lötverbindungsschichten auf dem Lötpad (LP) verlötet werden kann, wobei das Metallteil (MT) die Unebenheit in der Lötverbindungsschicht oder der Höhenunterschied zwischen den Lötverbindungsschichten ausgleicht.
  10. Elektrische Vorrichtung (EV), aufweisend: - mindestens einen Schaltungsträger (ST) nach einem der vorangehenden Ansprüche; - mindestens ein elektrisches/elektronisches Bauelement (BE); - wobei das Bauelement (BE) über die unebene Lötverbindungsschicht (LV) oder die mehreren Lötverbindungsschichten (LV) auf dem Lötpad (LP) des Schaltungsträgers (ST) verlötet ist.
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