DE102019218158A1

DE102019218158A1 - SMD-Bauelement sowie Verfahren zur Montage eines SMD-Bauelements

Info

Publication number: DE102019218158A1
Application number: DE102019218158.9A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Berberich; Michael Jürgens; Christian Östreich; Christian Bitsch
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein SMD-Bauelement (1) aufweisend eine Unterseite, mit der das SMD-Bauelement (1) auf eine Leiterplatte (7) gesetzt werden kann, und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite, mit einem auf der Oberseite angeordneten Bestückerplateau (3), welches eine plane Oberfläche zum Greifen des SMD-Bauelements (1) durch einen Unterdrucksauger aufweist. Zur Verklebung mit der Leiterplatte ist das Bestückerplateau (3) aus einem Heißklebermaterial gebildet, welches sich bei einem SMD-Lötvorgang (8) verflüssigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein SMD-Bauelement aufweisend eine Unterseite, mit der das SMD-Bauelement auf eine Leiterplatte gesetzt werden kann, und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite, mit einem auf der Oberseite angeordneten Bestückerplateau, welches eine plane Oberfläche zum Greifen des SMD-Bauelements durch einen Unterdrucksauger aufweist.
SMD-Bauelemente haben im Gegensatz zu Bauelementen der Durchsteckmontage keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte gelötet. Insbesondere in der industriellen Fertigung werden heutzutage hauptsächlich solche SMD-Bauelemente genutzt, da sich diese in hohen Geschwindigkeiten automatisch bestücken lassen. Dabei wird in einem ersten Prozessschritt Lötpaste, welche typischerweise eine Mischung aus Zinnkügelchen und Flussmittel darstellt, auf die Leiterplatte aufgetragen. Als nächstes werden die benötigten SMD-Bauelemente mithilfe eines Greifers, beispielsweise von einem Gurt gegriffen und auf der Leiterplatte positioniert. Dabei werden bevorzugt keine einfachen mechanischen Greifer, sondern sogenannte Unterdrucksauger oder Vakuumpipetten eingesetzt, welche eine Saugöffnung aufweisen die auf einer planen Gehäuseoberfläche der SMD-Bauelemente aufgesetzt wird. Durch einen erzeugten Unterdruck werden die SMD-Bauelemente gehalten. Zwar weist der Großteil der SMD-Bauelemente ein einfaches, meistens quaderförmiges, Gehäuse auf, welches eine plane Oberfläche besitzt und daher von einem Unterdrucksauger gegriffen werden kann. Jedoch existieren auch verschiedenste Bauformen, welche eine solche plane Oberfläche nicht aufweisen. Dies sind beispielsweise zylinderförmige Dioden und insbesondere einfach gewickelte Spulenelemente. Um solche SMD-Bauelemente dennoch mit Hilfe eines Unterdrucksaugers greifen und platzieren zu können, weisen diese ein sogenanntes Greiferplateau oder Bestückerplateau auf. Dieses, zusätzlich zu der eigentlichen Funktionseinheit des SMD-Bauelements, vorgesehene Element ist mit der Funktionseinheit des SMD-Bauelements verbunden und weist die entsprechende plane Oberfläche auf, die vom Unterdrucksauger gegriffen werden kann.
Zwar werden die SMD-Bauelemente bereits allein durch die Lötverbindung auch mechanisch mit der Leiterplatte verbunden, jedoch ist diese mechanische Verbindung, insbesondere bei stärkeren mechanischen Beanspruchungen, nicht ausreichend. Eine solche mechanische Beanspruchung ist insbesondere durch Vibrationen gegeben, wie sie beispielsweise bei der Elektronik in Kraftfahrzeugen ständig auftreten. Durch diese Vibrationen werden die Lötstellen stark beansprucht und können nach längerer Beanspruchung geschädigt werden, wodurch der elektrische Kontakt unterbrochen wird. Um dies zu vermeiden werden die SMD-Bauelemente vor oder nach dem Lötvorgang noch mittels eines, im Allgemeinen elektrisch isolierenden, Klebers mechanisch mit der Leiterplatte verbunden. Dieser zusätzliche Prozessschritt ist ebenfalls zeitaufwendig und somit kostenintensiv.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostensparendes SMD-Bauelement für die automatische Bestückung anzugeben, mit dem eine sichere mechanische Verbindung des SMD-Bauelements und einer Leiterplatte gewährleistet wird, sowie ein Verfahren zur Montage eines solchen SMD-Bauelements.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein SMD-Bauelement aufweisend eine Unterseite, mit der das SMD-Bauelement auf eine Leiterplatte gesetzt werden kann, und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite, mit einem auf der Oberseite angeordneten Bestückerplateau, welches eine plane Oberfläche zum Greifen des SMD-Bauelements durch einen Unterdrucksauger aufweist, wobei das Bestückerplateau aus einem Heißklebermaterial gebildet ist, welches sich bei einem SMD-Lötvorgang verflüssigt. Das SMD-Bauelement weist somit das eigentliche Funktionselement und das Bestückerplateau auf, welches nach dem Herstellungsprozess im Stand der Technik keine Funktion mehr erfüllt hat. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Heißklebermaterial kann das Bestückerplateau kombiniert noch einem zusätzlichen Zweck dienen. Bei dem ohnehin stattfindenden Erwärmen der bestückten Leiterplatte während des SMD-Lötvorgangs schmilzt das Bestückerplateau auf, und fließt von einer Oberseite des SMD Bauelements an dessen Unterseite zwischen das SMD-Bauelement und die Leiterplatte. Beim Abkühlen der Leiterplatte nach Beendigung des SMD-Lötvorgangs härtet auch das Heißklebermaterial des Bestückerplateaus wieder aus und verklebt somit das SMD-Bauelement mit der Leiterplatte. Somit kann auf einen zusätzlichen Prozessschritt, bei dem das SMD-Bauelement mit der Leiterplatte verklebt wird, verzichtet werden. Da auch das für das Bestückerplateau benötigte Material doppelt verwendet wird, ergibt sich eine Kosteneinsparung sowohl durch eine Reduktion der Herstellungszeit als auch durch den geringeren Materialeinsatz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das SMD-Bauelement eine Spule. Zum einen weisen Spulen keinerlei intrinsische Angriffsfläche für einen Unterdrucksauger auf, sodass ein Bestückerplateau unerlässlich ist. Zweitens ist auch eine Verklebung der Spule auf der Leiterplatte dringends geboten, da Spulen durch ihren Aufbau besonders anfällig für Vibrationen sind. Zudem weisen insbesondere größere Spulenbauformen ein ungünstiges Verhältnis von Volumen (Gewicht) zu verfügbarer Lötfläche auf, was ebenfalls eine zusätzliche mechanische Fixierung gebietet. Die Umsetzung der Erfindung mit einer Spule ist darüber hinaus besonders effizient, da durch den Aufbau der Spule das aufgeschmolzene Heißklebermaterial besonders einfach von einer Oberseite an die Unterseite der Spule zwischen die Spule und die Leiterplatte fließen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der SMD-Lötvorgang ein Reflow Prozess. Dabei werden in einem ersten Schritt vor der Bestückung das Weichlot in Form von Lotpaste auf die Platine beziehungsweise die Leiterplatte aufgetragen. Hierin liegt der Hauptunterschied zu anderen Lötverfahren, wie Lötkolbenlöten, Tauchlöten oder Wellenlöten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten des Lotauftrags, z. B. mittels Schablonendruck (Stencil, Siebdruck), Dispenser, durch Lotformteile (Preforms) oder auch galvanisch. Im nächsten Schritt werden dann die SMD-Bauelemente bestückt. Die Verwendung von Lotpaste hat den Vorteil, dass diese klebrig ist und so die SMD-Bauelemente bei der Bestückung direkt an der Paste halten. Sie müssen also nicht bereits vor dem Lötvorgang aufgeklebt werden. Die bestückte Leiterplatte wird daraufhin stark genug erhitzt, so dass das in der Lotpaste enthaltene Lot schmilzt. Gleichzeitig aktiviert die erhöhte Temperatur das Flussmittel im Gel der Lotpaste. Die dafür eingesetzten Heizverfahren haben das Ziel, die Leiterplatte und die Komponenten möglichst gleichmäßig zu erwärmen. Die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots zieht die Bauteile auf die Mitte der auf der Leiterplatte vorgesehenen Pads.
Die Erwärmung der mit SMD-Bauelementen bestückten Leiterplatte kann durch eine Heizplatte erfolgen. Dabei wird die gesamte Leiterplatte auf Löt-Temperatur gebracht. Alternativ kann ein auf die Gehäuseform des zu lötenden Bauelements angepasster Stempel oder Bügel mit einer Widerstandsheizung erwärmt werden. Dieser drückt dann die Bauteilanschlüsse auf die Lötstelle und schmilzt das Lot auf. Auch kann zum Erwärmen der Leiterplatte ein Infrarotstrahler verwendet werden. Dabei werden üblicherweise vier verschiedene Temperaturzonen genutzt. In einer ersten Zone wird die gesamte Leiterplatte aufgewärmt. In einer zweiten Zone wird eine Temperatur verwendet bei der das Flussmittel aktiviert wird. In der dritten Zone findet das eigentliche Löten statt und in der vierten Zone wird die Leiterplatte wieder abgekühlt. Beim Vollkonvektions-Reflow-Löten wird Luft erwärmt und über ein Düsensystem an das Lötgut geführt. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht. Eine weitere Möglichkeit ist das Dampfphasenlöten bei dem die Kondensationswärme eines Wärmeträgermediums genutzt wird, welches an den Oberflächen des Lötgutes kondensiert. Auch ist es möglich, die Lötstelle mittels eines Laserstrahls zu erhitzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Heißklebermaterial des Bestückerplateaus bei einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C, bevorzugt zwischen 180° und 220°, flüssig. Das Heißklebermaterial hat daher zumindest bei einer während des SMD-Lötvorgangs vorliegenden Temperatur einen flüssigen Aggregatzustand. Somit ist es nicht nötig, den SMD-Lötvorgang anzupassen, um ein aufschmelzen des Heißklebermaterials sicherzustellen. Das erfindungsgemäße SMD-Bauelement lässt sich damit in den üblichen Standard SMD-Lötvorgängen verarbeiten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Schmelzpunkt des Heißklebermaterials des Bestückerplateaus bei 80° bis 220°C, bevorzugt 160° bis 200°C. Der Schmelzpunkt des Heißklebermaterials ist einerseits maßgebend für den Zeitpunkt, wann ein Aufschmelzen des Bestückerplateaus stattfindet, aber auch für den Zeitpunkt wann bei einem Abkühlen der SMD-Bauelemente nach dem Lötvorgang das Heißklebermaterial wieder verfestigt. Einerseits soll das Heißklebermaterial möglichst früh aufschmelzen, sodass sich dieses während des Lötvorgangs sicher an die Stelle zwischen SMD-Bauelement und Leiterplatte fließen kann, andererseits soll das Heißklebermaterial nach dem Lötvorgang rasch wieder verfestigen, sodass die Leiterplatte wieder beliebig bewegt werden kann, ohne dass das Heißklebermaterial von der benötigten Stelle wegfließt oder sogar das ganze SMD-Bauelement verrutscht. Im angegebenen Temperaturbereich schmilzt das Heißklebermaterial rechtzeitig auf und wird schnell nach Beendigung des Lötvorgangs wieder fest, um das SMD-Bauelement mit der Leiterplatte zu verkleben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Heißklebermaterial des Bestückerplateaus bei einer Temperatur von 200°C eine Viskosität zwischen 0,5 und 10000 mPas, bevorzugt 1 und 2000 mPas, besonders bevorzugt 5 bis 200 mPas, auf. Die angegebene Viskosität ist klein genug, sodass ein sehr großer Teil des Materials von der Oberseite des SMD-Bauelements zu dessen Unterseite zwischen SMD-Bauelement und Leiterplatte fließen kann. Die Viskosität ist jedoch noch hoch genug, dass unter anderem durch die Oberflächenspannung noch ein genügend großer Anteil des Heißklebermaterials auch zwischen SMD-Bauelement und Leiterplatte verbleibt und nicht weiter wegfließt.
Die Erfindung wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines der obenstehenden SMD-Bauelemente. Dabei wird das SMD- Bauelement mit einem Unterdrucksauger an dem Bestückerplateau gehalten und auf eine mit Lötpaste versehene Leiterplatte gesetzt. Danach wird die Leiterplatte mit dem aufgesetzten SMD-Bauelement in einem SMD-Lötvorgang erhitzt, wobei die Lötpaste aufschmilzt, wodurch das SMD-Bauelement elektrisch mit der Leiterplatte verbunden wird. Außerdem schmilzt das Bestückerplateau auf und das Heißklebermaterial fließt von einer Oberseite des SMD-Bauelements an eine Unterseite des SMD-Bauelements zwischen das SMD-Bauelement und die Leiterplatte. Danach wird die Leiterplatte mit dem aufgesetzten SMD-Bauelement abgekühlt, wobei das Heißklebermaterial verfestigt und das SMD-Bauelement mit der Leiterplatte verklebt wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SMD -Bauelements in einer Draufsicht,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SMD -Bauelements in einer Seitenansicht,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SMD -Bauelements auf einer Leiterplatte vor dem Lötvorgang,
4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SMD -Bauelements auf einer Leiterplatte nach dem Lötvorgang;

In 1 ist ein erfindungsgemäßes SMD-Bauelement 1 dargestellt, welches aus dem eigentlichen Funktionselement 2 und einem Bestückerplateau 3 aufgebaut ist. Das eigentliche Funktionselement 2 ist eine Spule mit einem Spulendraht 5 und einem Spulenkern 6. An beiden Enden des Spulendrahtes 5 ist jeweils ein Anschlusskontakt 4 vorgesehen.
2 zeigt das SMD-Bauelement der 1 in einer Seitenansicht. Es ist ersichtlich, dass der Anschlusskontakt 4 eine flache Unterseite aufweist, um diesen auf einer Leiterplatte zu positionieren. Das Bestückerplateau 3 hat eine plane Oberfläche, um von einem Unterdrucksauger gegriffen zu werden. Das Bestückerplateau 3 ist erfindungsgemäß aus einem Heißklebermaterial gefertigt.
3 zeigt das SMD-Bauelement der 2, welches auf einer Leiterplatte 7 angeordnet ist. Der Anschlusskontakt 4 liegt auf der entsprechenden Position der Leiterplatte 7 auf. An dieser Stelle wurde die Leiterplatte 7 mit einer Lötpaste versehen. Bei einem Lötvorgang 8 wird das komplette System aus Leiterplatte 7 und SMD-Bauelement 1 auf eine Temperatur von etwa 220 °C erwärmt, wodurch einerseits die Lötpaste unter dem Anschlusskontakt 4 aufschmilzt und so den elektrischen Kontakt zwischen dem Spulendraht 5 und der Leiterplatte 7 herstellt. Außerdem schmilzt das Bestückerplateau 4 auf und das Heißklebermaterial fließt durch die Gravitation an die Unterseite des SMD-Bauelements 1, zwischen das SMD-Bauelement 1 und die Leiterplatte 7, und bildet dort nach dem Abkühlen und Aushärten des Heißklebermaterials eine Verklebung 9, wie in 4 dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: SMD-Bauelement
2: Funktionseinheit
3: Bestückerplateau
4: Anschlusskontakt
5: Spulendraht
6: Spulenkern
7: Leiterplatte
8: Lötvorgang
9: Verklebung

Claims

SMD-Bauelement (1) aufweisend eine Unterseite, mit der das SMD-Bauelement (1) auf eine Leiterplatte (7) gesetzt werden kann, und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite, mit einem auf der Oberseite angeordneten Bestückerplateau (3), welches eine plane Oberfläche zum Greifen des SMD-Bauelements (1) durch einen Unterdrucksauger aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestückerplateau (3) aus einem Heißklebermaterial gebildet ist, welches sich bei einem SMD-Lötvorgang (8) verflüssigt.
SMD-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SMD-Bauelement (1) eine Spule ist.
SMD-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der SMD-Lötvorgang (8) ein Reflow Prozess ist.
SMD-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißklebermaterial des Bestückerplateaus (3) bei einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C, bevorzugt zwischen 180° und 220°, flüssig ist.
SMD-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des Heißklebermaterials des Bestückerplateaus (3) bei 80° bis 220°C , bevorzugt 160° bis 200°C, liegt.
SMD-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißklebermaterial des Bestückerplateaus (3) bei 200°C eine Viskosität zwischen 0,5 und 10000 mPas, bevorzugt 1 und 2000 mPas, besonders bevorzugt 5 bis 200 mPas, aufweist.
Verfahren zur Montage eines SMD-Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass - das SMD- Bauelement (1) mit einem Unterdrucksauger an dem Bestückerplateau (3) gehalten und auf eine mit Lötpaste versehene Leiterplatte (7) gesetzt wird, - die Leiterplatte (7) mit dem aufgesetzten SMD-Bauelement (1) in einem SMD-Lötvorgang (8) erhitzt wird, wobei die Lötpaste aufschmilzt, wodurch das SMD-Bauelement (1) elektrisch mit der Leiterplatte (7) verbunden wird und wobei das Bestückerplateau (3) aufschmilzt und das Heißklebermaterial von einer Oberseite des SMD-Bauelements (1) an eine Unterseite des SMD-Bauelements (1) zwischen das SMD-Bauelement (1) und die Leiterplatte (7) fließt, und - die Leiterplatte (7) mit dem aufgesetzten SMD-Bauelement (1) abgekühlt wird, wobei das Heißklebermaterial verfestigt und das SMD-Bauelement (1) mit der Leiterplatte (7) verklebt.