DE102020203131A1

DE102020203131A1 - Hochstromverbindung und zugehöriges Lötverfahren

Info

Publication number: DE102020203131A1
Application number: DE102020203131.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rupprecht
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-09-16
Also published as: CN113394579A

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Hochstromverbindung, aufweisend mindestens ein Hochstromelement mit mindestens einem Pin, aufweisend einen Kopfbereich und eine dem Kopfbereich gegenüberliegende Pinunterseite und eine Leiterplatte mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, sowie Bohrungen zur Aufnahme des mindestens einen Pins. Der Pin weist einen runden Querschnitt mit einem vorgegebenen Pindurchmesser und einer Pinlänge auf. Nach Einbringen des mindestens einen Pins in eine korrespondierende Bohrung ist ein Abstand von der Pinunterseite zu der Unterseite der Leiterplatte vorhanden, und der Bohrungsdurchmesser der Leiterplatte ist maximal um 0,1 mm größer als der Pindurchmesser. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Hochstromverbindung bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochstromverbindung und ein Lötverfahren zum Herstellen der Hochstromverbindung.
In der Elektromobilität und allgemeinen Leistungselektronik ist es oft problematisch, eine Schnittstelle für hohe Ströme zur Leiterplatte herzustellen. Da hier die günstige Löttechnologie Probleme zeigt, wird größtenteils die Einpresstechnologie verwendet, wobei auch hier Optimierungsbedarf besteht.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine optimierte Hochstromverbindung und ein Lötverfahren zum Herstellen der Hochstromverbindung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird eine Hochstromverbindung, aufweisend mindestens ein Hochstromelement mit mindestens einem Pin, aufweisend einen Kopfbereich und eine dem Kopfbereich gegenüberliegende Pinunterseite. Ferner ist eine Leiterplatte mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite sowie Bohrungen zur Aufnahme des mindestens einen Pins vorgesehen. Der Pin weist einen runden Querschnitt mit einem vorgegebenen Pindurchmesser und einer Pinlänge auf. Nach Einbringen des mindestens einen Pins in eine korrespondierende Bohrung ist ein Abstand von der Pinunterseite zu der Unterseite der Leiterplatte vorhanden, und der Bohrungsdurchmesser der Leiterplatte ist maximal um 0,1 mm größer als der Pindurchmesser.
Ziel ist es, Hochstromelemente in einem SMD-Prozess mittels Löten möglichst optimal auf der Leiterplatte zu befestigen. Der SMD-Prozess wird auch als Pin-in-Paste-Prozess bezeichnet. Hier wird das Element im gleichen Prozessschritt mittels Lotpastendruck verlötet, in dem auch die SMD-Bauteile auf der Leiterplatte verlötet werden.
Die nachfolgenden Merkmale dienen zur weiteren Optimierung der Hochstromverbindung.
In einer Ausführung ist der Abstand zwischen einschließlich 0,2mm und 0,3mm. Das heißt, dass gilt: 0,2mm ≤ A1 ≤ 0,3mm. In einer Ausführung ist die Oberfläche des mindestens einen Pins glatt. In einer Ausführung ist der mindestens eine Pin an seiner Pinunterseite angefast.
Durch eine entsprechende Geometrie der Pins der Hochstromelemente kann eine optimierte, d.h. vor allem gleichmäßige Verteilung der Lotpaste in der Bohrung der Leiterplatte erreicht werden. Dies führt zu einem optimierten elektrischen Kontakt.
Um eine optimale Verbindung zwischen Pin und Leiterplatte zu erreichen, wird ferner ein Verfahren zum Herstellen der Hochstromverbindung bereitgestellt. Dabei werden die Pins der Hochstromelemente in den korrespondierenden Bohrungen in der Leiterplatte mittels Lotpastendruck verlötet, indem die Lotpaste vor dem eigentlichen Verlöten derart auf Teilbereiche der Leiterplatte aufgebracht wird, dass jeweils ein lotpastenfreier Steg in einer vorgegebenen Breite vorhanden ist, so dass zumindest ein Teilbereich der Bohrungen frei von der Lotpaste ist.
Die nachfolgend beschriebenen Anpassungen dienen zur weiteren Optimierung des Lötprozesses.
In einer Ausführung verläuft der lotpastenfreie Steg mittig über der Bohrung. Dies führt zu einem gleichmäßigen Verteilen der Lotpaste in der Bohrung während des Lötprozesses und vermeidet ein Herauslaufen der Lotpaste auf der Unterseite der Leiterplatte.
In einer Ausführung wird die Schablonenstärke zum Auftragen der Lotpaste auf die Leiterplatte in Abhängigkeit des Hochstromelements gewählt und beträgt zwischen 200µm und 600µm. Somit wird ausreichend Lot zum Verlöten zur Verfügung gestellt.
In einer Ausführung beträgt Breite des lotpastenfreien Stegs zwischen 25% und 75% des Bohrungsdurchmessers. Die Breite des lotpastenfreien Stegs hängt von dem verwendeten Hochstromelement und dessen Pindurchmesser ab.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine Schnittansicht eines Pins eines Hochstromelements gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit aufgetragener Lotpaste gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Hochstromelemente werden beispielsweise in Getriebesteuergeräten im Automobilbereich verwendet und können für Aktuatoren, Ölpumpen und zur Stromversorgung des Getriebesteuergeräts verwendet werden. Hochstromelemente weisen meist mehrere Pins 1 an einem Bereich auf, um damit an einer Leiterplatte 2 befestigt zu werden. Der dem Bereich mit den Pins 1 gegenüberliegende Kopfbereich 11 dient dann zur Kontaktierung mit einer anderen Komponente, z.B. einem Aktuator etc. Nachfolgend ist lediglich die Kontaktierung mit der Leiterplatte 2 von Interesse, so dass die Beschreibung auf diesen Teil des Hochstromelements beschränkt wird.
Ziel der Erfindung ist es, ein optimiertes elektrisches Anbinden eines Hochstromelements über seine Pins 1 an eine Leiterplatte 2 mittels einem Lötverfahren unter Verwendung von Lotpaste zu erreichen. Hierfür erfolgt eine Modifizierung der Pins 1 des Hochstromelements in Bezug auf optimale Kapillarkräfte und eine optimale Anbindung, sowie ein Anpassen der Leiterplattengeometrie und die Verwendung einer speziellen Lötpastendruck-Geometrie beim Lötverfahren. Vorteilhaft erfolgt all dies in Kombination. Nachfolgend werden die Optimierungsmaßnahmen beschrieben.
Hochstromelemente verfügen meist über mehrere, gleich lange Pins 1 zur elektrischen Kontaktierung mit der Leiterplatte 2. Auf dem gegenüberliegenden Kopfbereich kann dann ein externes Element, z.B. einen Aktuator, befestigt und damit elektrisch an die Leiterplatte 2 angebunden werden. Die Pins 1 weisen jeweils eine obere Seite auf, an welcher der Kopfbereich 11 anschließt, sowie eine gegenüberliegende Pinunterseite 10 auf. Die Pins 1 werden mit ihrer Pinunterseite 10 voraus in dafür vorgesehene Bohrungen 20 einer Leiterplatte 2 eingesteckt bzw. eingepresst und darin über ein Lotpastendruck-Verfahren verlötet. Somit wird eine entsprechende elektrische Kontaktierung erreicht. Um ein optimales Eindringen und Verteilen der Lotpaste 4 zu erreichen, werden die Geometrie der Pins 1 des Hochstromelements und der Bohrungen 20 der Leiterplatte 2 wie nachfolgend beschrieben angepasst.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Pins 1 eines Hochstromelements, der bereits mit Lotpaste 4 in einer Bohrung 20 einer Leiterplatte 2 befestigt ist. Die nachfolgenden Ausführungen gelten für alle Pins 1 eines Hochstromelements gleichermaßen, so dass nur auf einen einzelnen Pin 1 Bezug genommen wird. In allen Ausführungen weist der Pin 1 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem vorgegebenen Pindurchmesser D1 auf.
Die Leiterplatte 2, an der das Hochstromelement über die Pins 1 befestigt werden soll, weist zu den Pins 1 des Hochstromelements korrespondierende Bohrungen 20, also Durchgangslöcher durch die gesamte Dicke der Leiterplatte 2, auf. Jede Bohrung 20 weist einen vorgegebenen Bohrungsdurchmesser D2 auf, der maximal um einen vorgegebenen Betrag größer ist als der Pindurchmesser D1. Vorteilhaft ist der Bohrungsdurchmesser D2 um maximal 0,1mm größer als der Pindurchmesser D1, so dass ein Kapillarspalt 30 einer gewissen Breite B erzeugt wird. Im Idealfall ist die Breite B Kapillarspalt 30 um den gesamten Umfang gleich. Vorteilhaft lassen die Toleranzen von Bohrungsdurchmesser D2 und Pindurchmesser D1 des Pins 1 des Hochstromelements einen Kapillarspalt 30 in der Breite B von 0,05 mm zu.
Ferner weist der Pin 1 vorteilhaft eine glatte Oberfläche auf. Damit erfolgt eine gleichmäßige Verteilung der Lotpaste 4 in der Bohrung 20 der Leiterplatte 2 aufgrund der Kapillarkräfte, die im Kapillarspalt 30 zwischen Wand der Bohrung 20 und Pin 1 wirken.
Um einen sauberen Lötmeniskus generieren zu können und zu vermeiden, dass das flüssige Lot, also die Lotpaste 4, im Lötprozess über die Bohrung 20 hinaus gezogen wird und somit im Lötvorgang nach unten tropft, ist die Pinlänge L1 vorteilhaft um einen vorgegebenen Wert kürzer als die Dicke der Leiterplatte, so dass zwischen Pinunterseite 10 und Unterseite 21 der Leiterplatte 2 ein Abstand A1 nach Einbringen des Pins 1 in die vorgesehene Bohrung 20 der Leiterplatte 2 vorhanden ist. Der Abstand A1 zwischen Pinunterseite 10 und Unterseite 21 der Leiterplatte 2 ist vorteilhaft zwischen einschließlich 0,2 und 0,3mm, also 0,2mm ≤ A1 ≤ 0,3mm. Die Pinlänge L1 bzw. der Abstand A1 ist grundsätzlich so zu wählen, dass der Pin 1 niemals unten aus der Leiterplatte 2 austritt.
Vorteilhaft ist zusätzlich eine Anfasung 12 des runden Pins 1 an der Pinunterseite 10, d.h. am Übergang zwischen Seitenwand und Pinunterseite 10, vorhanden. Die Anfasung unterstützt die Bildung eines sauberen Lötmeniskus noch zusätzlich, wie in 1 als Ergebnis zu sehen.
Durch entsprechendes Anpassen der Geometrie der Leiterplatte 2, genauer der Bohrungen 20, und der Geometrie der Pins 1, kann erreicht werden, dass die Lotpaste 4 sehr gleichmäßig im Bohrloch 20 verteilt wird und damit eine sehr gute elektrische Kontaktierung erfolgt.
Um dies weiter zu optimieren, ist es sinnvoll, einen entsprechenden Lötprozess bereitzustellen, der auf diese Geometrie angepasst ist. Der vorgeschlagene Lötprozess wird nachfolgend beschrieben.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Bereich einer Leiterplatte 2, an dem ein Hochstromelement mittels seiner Pins 1 befestigt werden soll, vor dem Einbringen der Pins 1. Hier ist bereits Lotpaste 4 aufgetragen. Die zum Einbringen der Pins 1 vorgesehenen Bohrungen 20 in der Leiterplatte 2 sind mit Kreisen angedeutet.
Wie in 2 zu sehen ist, ist die Lotpaste 4 in breiten Streifen auf der Leiterplatte 2 über dem Bereich, an dem das Hochstromelement befestigt werden soll, aufgetragen. Die Lotpaste 4 ist aber nicht über die gesamte Fläche aufgebracht. Es sind vielmehr lotpastenfreie Stege 5 vorhanden, da die Lotpaste 4 nach dem Bestücken mit dem Hochstromelement, d.h. nach Einbringen der Pins 1, während des Verlötens in die Bohrungen 20 gedrückt wird.
Der lotpastenfreie Steg 5 befindet sich vorteilhaft mittig zur jeweiligen Bohrung 20, d.h. der Mittelpunkt M der Bohrung ist nicht von Lotpaste 4 bedeckt. Vorteilhaft weist der lotpastenfreie Steg 5 eine Breite von 25% bis 75% des Bohrungsdurchmessers D2 auf, wobei dies abhängig vom Pindurchmesser D1 ist und für die jeweilige Anwendung separat ermittelt wird.
Der lotpastenfreie Steg 5 ist ferner vorteilhaft durchgängig über die gesamte Breite des zu verlötenden Hochstromelements gebildet und verbindet in Reihe zueinander liegende Bohrungen 20. Dies vereinfacht das Aufbringend er Lotpaste 4.
Um ausreichend Lotpaste 4 für die Verlötung zur Verfügung stellen zu können, ist eine größere Schablonenstärke als bei Standardelektronik nötig. Dabei sind je nach Anzahl der Pins 1 und Größe der Hochstromelemente Pastenschablonenstärken von 200µm bis hin zu 600µm nötig.
Ein optimales Ergebnis wird durch die Kombination möglichst aller oben beschriebener Merkmale erreicht. Das heißt, dass vorteilhaft der Kapillarspalt 30 zwischen Pin 1 und Bohrung 20 zwischen 0,05mm und 0,1mm, optimalerweise bei 0,05mm, sein sollte. Außerdem ist die Geometrie jedes Pins 1 des Hochstromelements optimal derart gewählt, dass die Pinlänge L1 um 0,2 bis 0,3mm kürzer ist als die Dicke der Leiterplatte 2 (von ihrer Oberseite bis zur Unterseite), d.h. dass kein Pin 1 durch Leiterplatte 2 hinausragt, sondern in einem Abstand A1 von 0,2mm ≤ A1 ≤ 0,3mm zur Leiterplattenunterseite 21 endet. Außerdem ist die Pinoberfläche vorteilhaft glatt, und jeder Pin 1 weist einen runden bzw. kreisförmigen Querschnitt auf. Ferner ist eine Anfasung 12 an der Pinunterseite 10 vorhanden. Außerdem wird die Lotpaste 4 bei der Herstellung der Hochstromverbindung nicht vollflächig auf die Bohrlöcher 20 aufgetragen, d.h. diese bleiben mittig frei von Lotpaste 4. Vorteilhaft bleiben 25-75% des Bohrungsdurchmessers D2 frei von Lotpaste 4. Beim Lötverfahren sind ferner Schablonenstärken von 200µm bis 600µm abhängig von Hochstromelement zu wählen.
Wird möglichst all dies beachtet, können als Einpresselemente dienende Hochstromelemente mit einer mit Lot benetzbaren Oberfläche optimal auf einer Leiterplatte 2 verlötet werden.
Bezugszeichenliste

1: Pin des Hochstromelements
10: Pinunterseite
11: Kopfbereich Hochstromelement
12: Anfasung Pin
2: Leiterplatte
20: Bohrung in 2 für 1
21: Unterseite Leiterplatte 20
22: Oberseite Leiterplatte
30: Kapillarspalt zwischen 1 und 2
4: Lotpaste
5: Lotpastenfreier Steg
D1: Pindurchmesser
D2: Bohrungsdurchmesser Leiterplatte
B: Breite Kapillarspalt
L1: Pinlänge
A1: Abstand Pinunterseite zu Boden Bohrung
M: Mittelpunkt Bohrung 20

Claims

Hochstromverbindung, aufweisend - mindestens ein Hochstromelement mit mindestens einem Pin (1), aufweisend einen Kopfbereich (11) und eine dem Kopfbereich (11) gegenüberliegende Pinunterseite (10), und - eine Leiterplatte (2) mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, sowie Bohrungen (20) zur Aufnahme des mindestens einen Pins (1), wobei - der Pin (1) einen runden Querschnitt mit einem vorgegebenen Pindurchmesser (D1) und einer Pinlänge (L1) aufweist, und wobei nach Einbringen des mindestens einen Pins (1) in eine korrespondierende Bohrung (20) ein Abstand (A1) von der Pinunterseite (10) zu der Unterseite der Leiterplatte (2) vorhanden ist, und - der Bohrungsdurchmesser (D2) der Leiterplatte (2) maximal um 0,1mm größer ist als der Pindurchmesser (D1).
Hochstromverbindung nach Anspruch 1, wobei der Abstand (A1) zwischen einschließlich 0,2mm und 0,3mm ist, also 0,2mm ≤ A1 ≤ 0,3mm.
Hochstromverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche des mindestens einen Pins (1) glatt ist.
Hochstromverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Pin (1) an seiner Pinunterseite (10) angefast ist.
Verfahren zum Herstellen einer Hochstromverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pins (1) der Hochstromelemente in den korrespondierenden Bohrungen (20) in der Leiterplatte (2) mittels Lotpastendruck verlötet werden, indem die Lotpaste (4) vor dem Verlöten derart auf Teilbereiche der Leiterplatte (2) aufgebracht wird, dass jeweils ein lotpastenfreier Steg (5) in einer vorgegebenen Breite vorhanden ist, so dass zumindest ein Teilbereich der Bohrungen (20) frei von der Lotpaste (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der lotpastenfreie Steg (5) mittig über der Bohrung (20) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schablonenstärke zum Auftragen der Lotpaste (4) in Abhängigkeit des Hochstromelements gewählt wird und zwischen 200µm und 600µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Breite des lotpastenfreien Stegs (5) zwischen 25% und 75% des Bohrungsdurchmessers (D2) beträgt.