DE102020204164A1 - Werkstückträger und Form zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers - Google Patents

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Abstract

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Form (200) zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Werkstückträger (100) für die Form (200) sowie ein System aus Form (200) und Werkstückträger (100). Um den Wärmeeintrag durch ein Fügeverfahren zu verbessern und die Qualität der Fügeverbindungen zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers eine Form (200) zumindest eine erste Aussparung (210) zur Aufnahme eines Fügematerials (310, 320, 330), insbesondere eines Lotformteils, und zumindest eine zweite Aussparung (220) zur Aufnahme eines Substrats (300) aufweist. Die Form (200) weist weiterhin eine Kontaktfläche (203), die zur thermischen Kontaktierung einer Heizplatte (10) ausgebildet ist, auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Form zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Werkstückträger für die Form sowie ein System aus Form und Werkstückträger.
  • Eine derartige Form kommt zum Löten, insbesondere zum Kontaktlöten von elektrischen Schaltungsträgern und deren Fügematerialien, insbesondere von Lotpreforms, zum Einsatz.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeeintrag durch ein Fügeverfahren zu verbessern und die Qualität der Fügeverbindungen zu erhöhen.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, weist die Form zur Verwendung zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers zumindest eine erste Aussparung zur Aufnahme eines Fügematerials, insbesondere eines Lotformteiles auf. Die Form weist weiterhin zumindest eine zweite Aussparung zur Aufnahme eines Substrates auf. Die Aussparungen sind dabei derart angeordnet, dass das Fügematerial und das Substrat so in der Form angeordnet werden können, dass sie durch Erwärmen der Form und damit Erwärmen von sowohl dem Fügematerial und dem Substrat eine Fügeverbindung, insbesondere eine Lötverbindung, eingehen können. Die Form ist dabei wiederverwendbar und kann dabei von dem Substrat mit dem an das Substrat gefügten Fügematerial getrennt werden. Die Form weist weiterhin eine Kontaktfläche auf, die zur thermischen Kontaktierung einer Heizplatte ausgebildet ist. Die Kontaktfläche kann dabei eine Fläche sein, die in besonders gutem thermischem Kontakt mit der Form steht. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche monolithisch mit der Form aus einem gut wärmeleitenden Metall ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Form ein Begrenzungselement auf, das so bezüglich der ersten Aussparung und der zweiten Aussparung angeordnet ist, dass das Substrat während des Fügevorganges nur bis zu dem Begrenzungselement in das Fügematerial eintaucht. Das Fügematerial ist also unterhalb des Substrats angeordnet und im ungefügten Zustand kann das Substrat auf dem Fügematerial aufliegen. Durch Wärmeeinwirkung und Aufschmelzen des Fügematerials kann sich das Substrat noch etwas weiter in die Form hineinbewegen, um aber eine ausreichende Fügematerialstärke zu gewährleisten, begrenzt das Begrenzungselement das Eintauchen des Substrates in das Fügematerial. Dies hat den Vorteil, dass immer eine optimale Fügematerialstärke zur Verfügung steht.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Form ein Lagerelement auf, das so ausgestaltet ist, dass die Form zumindest teilweise kippbar in einem Werkstückträger lagerbar ist. Das Lagerelement ist dabei so ausgebildet, dass, wenn die Form mit ihrer Kontaktfläche aufsteht, die Form teilweise eine Kippbewegung um wenige Grad ausführen kann, um ggf. Ungleichheiten auf einer Heizplatte auszugleichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Form ein Lagerelement auf, das so ausgebildet ist, dass die Form in zumindest der Z-Richtung beweglich ist. Wenn nun die Kontaktfläche auf der Heizfläche aufsteht, so kann sich die Form an die jeweilige Position auf der Heizfläche anpassen. Dies verbessert den Wärmeeintrag weiterhin. Sind mehrere Formen in einem Werkstückträger angeordnet, so kann eine reliefartige Struktur durch die Formen ausgeglichen werden.
  • Die Z-Richtung ist dabei die Richtung, in der die Form aus dem Werkstückträger entnommen werden kann, und ist dabei zu unterscheiden von den Dimensionen, in denen der Werkstückträger sich ausbreitet. In Z-Richtung beweglich heißt, dass zumindest in positive oder in negative Z-Richtung eine Bewegung ausgeführt werden kann. Die Bewegung kann dabei durch den Werkstückträger in beide Richtungen begrenzt sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Form eine dritte Aussparung, die zur Aufnahme eines elektrischen Bauteils ausgebildet ist, auf. Diese dritte Aussparung ist dabei so angeordnet, dass mit dem in den ersten Aussparungen angeordneten Fügematerial das elektrische Bauteil an das in den zweiten Aussparungen angeordnete Substrat gefügt werden kann. Dies kann beispielsweise so gestaltet sein, dass das elektrische Bauteil als Erstes in die Form positioniert wird, darauf das Fügematerial, um abschließend das Substrat darauf zu legen und in einem einzigen Fügevorgang alle Fügeverbindungen fertigzustellen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Form zumindest eine Passermarke auf. Die Passermarke ist dabei so angeordnet, dass sie maschinell erfassbar ist, wenn die Form im Werkstückträger angeordnet ist. Die Passermarken können dabei optische Erkennungsmarken sein, die sowohl die Orientierung der Form anzeigen bzw. deren Erkennung ermöglichen als auch ggf. eine Identifizierung der jeweiligen Form ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Werkstückträger gelöst, der zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers dient. Der Werkstückträger weist dabei einen Rahmen und ein oder mehrere Aufnahmen auf. Die Aufnahmen sind dabei jeweils zur Aufnahme von einer erfindungsgemäßen Form ausgebildet. Es ist denkbar, dass pro Aufnahme auch mehrere Formen aufgenommen werden können. Die Aufnahmen sind dabei weiterhin so ausgebildet, dass die Formen in den Aufnahmen in zumindest Z-Richtung beweglich und/oder zumindest teilweise kippbar sind. Der Rahmen kann dabei aus einem günstigen Material bestehen, da dieses die thermische Last des Fügeverfahrens nicht tragen muss, sondern nur eine gewisse Isolierung bereitstellen muss. Die thermische Last wird dabei vollständig bzw. zumindest fast vollständig von den einzelnen Formen getragen. Besonders von Vorteil ist, dass auch die thermische Masse, die erwärmt werden muss, kleiner wird, da so nur noch einzelne Formen erwärmt werden müssen und nicht der ganze Warenträger.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die Aufnahmen ein oder mehrere Halteelemente auf, die so ausgebildet sind, dass die Form während eines Transportes gehalten wird und/oder dass die Form während eines Fügevorganges auf einer Heizplatte aufsteht. Die Form steht dabei mit ihrer Kontaktfläche auf der Heizplatte auf. Der Rahmen in Verbindung mit den Halteelementen ist dabei so ausgestaltet, dass die Form immer den niedrigsten Punkt darstellt und somit bei einem Abstellen des Werkstückträgers auf einem Heizelement immer einen guten Wärmekontakt herstellt. Dies kann beispielsweise durch die Schwerkraft geschehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Aussparungen so ausgebildet, dass die Formen um zumindest die X-Richtung und/oder die Y-Richtung eine Kippung um einen Winkel von < 20° ausführen können. Vorzugsweise ist dieser Winkel < 10 und/oder < 5°. Dies kann vor allem in Verbindung mit Halteelementen geschehen, die in Verbindung mit den Lagerelementen der Formen eine derartige Kippung ermöglichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform besteht der Rahmen des Werkstückträgers zumindest teilweise aus Kunststoff. Dies ermöglicht eine einfache und kosteneffektive Fertigung des Rahmens. Durch die Formen, die die thermische Last aufnehmen, kann der Rahmen dementsprechend einfacher ausgestaltet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Aussparungen, insbesondere die Halteelemente, in Verbindung mit den Lagerelementen der Formen zum Einhängen der Formen in die Aussparungen ausgebildet. Insbesondere hat sich das Einhängen in Z-Richtung als vorteilhaft herausgestellt. Die Aussparungen können dabei so ausgestaltet sein, dass die Formen einmalig Eingeklickt werden können, sodass die Formen zwar beweglich gelagert sind, aber nicht mehr in Z-Richtung herausgenommen werden können, sondern ggf. durch ein Werkzeug oder sanften Druck entfernt werden können. Dies hat besonders dann Vorteile, wenn der Werkstückträger durch ein Umdrehen entleert wird.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Werkstückträgersystem gelöst, das zumindest einen Werkstückträger gemäß einer der vorangehenden Ausführungsformen sowie eine erfindungsgemäße Form aufweist.
  • In einer weiteren Ausführungsform besteht der Träger aus einem zumindest teilweise elastischen Material und/oder weist zumindest teilweise elastische Elemente auf, sodass der Werkstückträger eine Anpassung an eine Heizplatte unterstützt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Werkstückträger im Vergleich zu den Formen aus einem Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Die zweiteilige Ausgestaltung ist hier besonders vorteilhaft, da so die Wärme gezielt in die Formen geleitet werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die Formen im Vergleich zum Werkstückträger eine höhere Fertigungsgenauigkeit auf. Der Rahmen des Werkstückträgers kann dabei durch ein einfaches Verfahren, z. B. Kunststoff-Spritzguss oder Kunststoff-3D-Druck, gefertigt werden und muss dabei keine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit haben. Die Formen sind dabei auf das Fügeverfahren bzw. sogar die entsprechende Baugruppe angepasst und können dabei eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen. Als System ergibt sich so eine insgesamt günstige Möglichkeit, eine hohe Fertigungsgenauigkeit und Fügegenauigkeit zu erreichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das System ein Niederhalteelement auf, das auf die in der Form zu fügenden Elemente eine Kraft auswirkt. Dies bewirkt vorteilhaft, dass für den Fügevorgang eine gleichmäßige Kraftverteilung erreicht wird. Das Niederhalterelement kann als ein Gewicht, dass jeweils als letztes in die Form positioniert wird ausgebildet seien. Das Niederhalterelement kann aber ebenso eine automatisiert gesteuerte Niederhaltevorrichtung sein, die eine vom Fügeprozess definierte Kraft auf die jeweiligen Elemente in der Form auswirkt. Die Elemente in der Form können elektrische Bauteile, Fügematerial und Substrate sein.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen Werkstückträger mit einer darin eingelegten Form,
    • 2 eine Form mit Fügematerial und einem Substrat,
    • 3 einen Querschnitt durch einen Werkstückträger,
    • 4 einen Querschnitt durch einen Werkstückträger auf einer Heizplatte und
    • 5 eine Darstellung von problematischen Wärmeübertragungsverhältnissen durch einen nicht optimalen Werkstückträger
  • 1 zeigt einen Werkstückträger 100, aufweisend einen Rahmen 110 sowie mehrere Aufnahmen 150. Die Aufnahmen 150 bilden dabei die Aufnahmen für in diesem Fall eine Form 200, wobei der Werkstückträger 100 Platz für bis zu acht Formen 200 aufweist. Weiterhin ist ein Koordinatensystem eingerechnet, wobei die X- und die Y-Richtung X, Y, die Ebene des Werkstückträgers beschreiben und die Z-Richtung die aus dem Werkstückträger bzw. dessen Ebene senkrecht heraustretende Richtung beschreiben. Die Form 200 ist dabei in Z-Richtung in die Aufnahme 150 einlegbar. Der Rahmen 150 ist dabei so gestaltet, dass die hier nicht gezeigte Kontaktfläche der Form 200 bei einem Ablegen des Werkstückträgers 100 auf eine Heizplatte direkt mit der Heizplatte in Kontakt kommt und eine bestmögliche Wärmeübertragung in die Form ermöglicht.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer Form 200. Die Form 200 weist dabei erste Aussparungen 210 zur Aufnahme von rechteckigen Fügematerialen 310, 320 und eines runden Fügematerials 330 auf. Eine Ebene darüber befindet sich eine zweite Aussparung 220, die zur Aufnahme des hier noch oberhalb der Form 200 dargestellten Substrates 300 ausgebildet ist. Damit das Substrat 300 nicht zu tief in die Form eintaucht und so eine ausreichende Fügematerialstärke gewährleistet, weist die Form 200 ein Beschränkungselement 235 auf. Das Beschränkungselement 235 ist dabei so oberhalb der ersten Vertiefung 210 angeordnet, dass das Eintauchen des Substrates 300 exakt festgelegt ist. Das Fügematerial 320 ist dabei bereits in der vorgesehenen Aussparung eingelegt, und steht vorteilhaft etwas aus der darunterliegenden Aussparung heraus, ein optimaler Kontakt zum Substrat 300 hergestellt werden kann. Die Form 200 weist weiterhin drei Passermarken 250 auf, wobei eine vierte Ecke frei von einer Passermarke 250 ist, um die Orientierung der Form 200 feststellen zu können. Weiterhin ist ein Lagerelement 205 gezeigt, das als eine umlaufende Lippe an der Form 200 angeordnet ist und damit auf einem Gegenstück des Werkstückträgers 100 aufliegen kann. Das Lagerelement 205 könnte dabei Kerben aufweisen, die in Nasen des Werkstückträgers 100 eingreifen, die zwar eine Neigung um X- oder Y-Richtung und/oder eine Bewegung in Z-Richtung ermöglichen, aber andere Freiheitsgrade - also eine Bewegung in X und oder Y-Richtung verhindern. Die Aussparungen 210, 220, 230 können dabei gleich tief ausgestaltet sein. In den meisten Anwendungsfällen aber sind die Aussparungen 210, 220, 230 angepasst auf Architekturen mit verschiedenen Ebenen und weisen unterschiedliche Tiefen auf. Damit z. B. ein Substrat 300 später beim Fügen (Löten) auf Leiterplatten im Bereich der Chips immer großflächig kontaktiert werden können z. B. die runden Lotkontakte etwas höher sein, als die Rechteckigen, damit diese erst nach dem benetzen und dem damit verbundenen Absinken der Chips verzögert benetzen können. Somit ist die Chipfläche immer vorteilhaft mit dem größtmöglichen Lotmaterialquerschnitt angebunden.
  • 3 zeigt einen Werkstückträger 100 im Querschnitt. Die Aufnahmen 150 sind dabei bereits mit Formen 200 gefüllt. Weiterhin ist das aus 1 bekannte Koordinatensystem X, Y, Z eingezeichnet, wobei die X-Y-Ebene die Ebene des Warenträgers bezeichnet. Halteelemente 160 dienen zum Halten und Lagern der Formen 200. Die Halteelemente 160 sind in diesem Fall so ausgebildet, dass eine Bewegung in Z-Richtung und ein Kippen um die Y-Achse möglich ist. In positive und in negative Z-Richtung sind Begrenzungen vorgesehen, sodass die Form 200 nicht zu weit aus der Aufnahme 150 kippen oder bewegen kann. Auch ein Verkanten der Formen 200 kann so wirkungsvoll verhindert werden. Weiterhin gezeigt ist die Kontaktfläche 203, die sich an der Unterseite der Formen 200 befindet, sodass diese einen besonders guten Kontakt zu einer Heizplatte aufbauen kann. Besonders vorteilhaft ist, dass verschiedene Formen 200 in einem Lötvorgang kombiniert werden können, sodass z. B. die für eine komplette Inverterschaltung benötigten Substrate in einem Lötvorgang unter definierten und Nachverfolgbaren Prozessbedingungen gefügt werden können.
  • 4 zeigt den aus 3 bekannten Warenträger auf einer leicht gewölbten Heizplatte 10. Es ist dargestellt, dass der Rahmen steif bleibt, wobei die Formen in ihren Aufnahmen um einen Winkel φ kippen können und weiterhin in Z-Richtung sich auf und ab bewegen können. Für diesen Fall können die Formen 200 nicht in Z-Richtung vollständig aus dem Rahmen 110 herausgedrückt werden, da die Aufnahmen 150 Begrenzungselemente aufweisen, die ein Herausdrücken verhindern. Dies beschränkt zwar die maximal ausgleichbare Höhe, trägt aber zur Stabilität des Werkstückträgers 100 bei.
  • 5 zeigt einen Werkstückträger, der nicht die vorliegende erfindungsgemäße Ausführungsform aufweist und der ebenfalls auf einer gewölbten Heizplatte 10 aufliegt, wodurch sich problematische Wärmeübertragungsverhältnisse ergeben. Im der Markierung 55 ist zu sehen, dass die äußere Form die Heizplatte gar nicht mehr berührt und somit nur durch eine Konvektion beheizt wird, was eine unbefriedigende oder mangelhafte Fügeverbindung zur Folge hätte. Zwar liegen die mittleren beiden Formen auf der Heizplatte 10 auf, dies hat aber einen hohen Ausschuss in dieser Charge zur Folge.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Form (200) zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Werkstückträger (100) für die Form (200) sowie ein System aus Form (200) und Werkstückträger (100). Um den Wärmeeintrag durch ein Fügeverfahren zu verbessern und die Qualität der Fügeverbindungen zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers eine Form (200) zumindest eine erste Aussparung (210) zur Aufnahme eines Fügematerials (310, 320, 330), insbesondere eines Lotformteils, und zumindest eine zweite Aussparung (220) zur Aufnahme eines Substrats (300) aufweist. Die Form (200) weist weiterhin eine Kontaktfläche (203), die zur thermischen Kontaktierung einer Heizplatte (10) ausgebildet ist, auf.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Heizplatte
    100
    Werkstückträger
    110
    Rahmen
    150
    Aufnahme
    160
    Halteelement
    200
    Form
    205
    Lagerelement
    210
    erste Aussparung
    220
    zweite Aussparung
    X
    X-Richtung
    Y
    Y-Richtung
    Z
    Z-Richtung
    φ
    Winkel

Claims (15)

  1. Form (200) zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers, aufweisend zumindest eine erste Aussparung (210) zur Aufnahme eines Fügematerials (310, 320, 330), insbesondere eines Lotformteils, und zumindest eine zweite Aussparung (220) zur Aufnahme eines Substrats (300) sowie eine Kontaktfläche (203), die zur thermischen Kontaktierung einer Heizplatte (10) ausgebildet ist.
  2. Form nach Anspruch 1, aufweisend ein Begrenzungselement (235), dass so bzgl. der ersten Aussparung und der zweiten Aussparung (220) angeordnet ist, dass das Substrat (300) während des Fügevorgangs nur bis zu dem Begrenzungselement (235) in das Fügematerial (310, 320, 330) eintaucht.
  3. Form (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Form (200) ein Lagerelement (205) aufweist, das so ausgestaltet ist, dass die Form (200) zumindest teilweise kippbar in einem Werkstückträger (100) lagerbar ist.
  4. Form (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Form (200) ein Lagerelement (205) aufweist, das so ausgestaltet ist, dass die Form (200) in zumindest Z-Richtung beweglich ist.
  5. Form (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine dritte Aussparung, die zur Aufnahme eines elektrischen Bauteiles ausgebildet ist, wobei die dritte Aussparung so angeordnet ist, dass das Fügematerial (310, 320, 330), das in den ersten Aussparungen (210) anordenbar ist, das elektrische Bauteil an das Substrat (300), das in der zweiten Aussparung (220) anordenbar ist, fügt.
  6. Form (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest eine Passermarke (250), die so angeordnet ist, dass sie maschinell erfassbar ist, wenn die Form (200) im Werkstückträger (100) angeordnet ist.
  7. Werkstückträger (100) zum Fügen eines elektrischen Schaltungsträgers, aufweisend einen Rahmen (110) und ein oder mehrere Aufnahmen (150), die zur Aufnahme von jeweils zumindest einer Form (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind, wobei die Aufnahmen (150) weiterhin so ausgebildet sind, dass die Formen (200) in den Aufnahmen in zumindest Z-Richtung beweglich und/oder zumindest teilweise kippbar sind.
  8. Werkstückträger (100) nach Anspruch 7, wobei die Aufnahmen (150), ein oder mehrere Halteelemente (160) aufweisen, die so ausgebildet sind, dass die Form (200) während eines Transports gehalten wird und/oder dass die Form (200) während eines Fügevorgangs auf einer Heizplatte (10) aufsteht.
  9. Werkstückträger (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Aussparungen so ausgebildet sind, dass die Form (200) um zumindest die X-Richtung (X) und/oder um die Y-Richtung eine Kippung um einen Winkel kleiner 20°, vorzugsweise kleiner 10° oder kleiner 5° ausführen kann.
  10. Werkstückträger (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Werkstückträger zumindest teilweise aus Kunststoff besteht.
  11. Werkstückträger (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Aussparungen zum Einhängen, insbesondere in Z-Richtung (Z) der Formen (200) ausgebildet ist.
  12. Werkstückträger-System (1) aufweisend einen Werkstückträger (100) nach einem der einem der Ansprüche 7 bis 11 und zumindest eine Form (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  13. Werkstückträger-System (1) nach Anspruch 12, wobei der Rahmen zumindest teilweise aus einem elastischen Material besteht und/oder elastische Elemente aufweist, sodass der Werkstückträger eine Anpassung an eine Heizplatte unterstützt.
  14. Werkstückträger-System (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Werkstückträger (100) im Vergleich zu den Formen (200) aus einem Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist.
  15. Werkstückträger-System (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, aufweisend ein Niederhalteelement, das auf die in der Form 200 zu fügenden Elemente (300, 310, 320, 330) eine Kraft auswirkt.
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