DE10219427B4

DE10219427B4 - Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einem auf dieser anzuordnenden Kontaktstift

Info

Publication number: DE10219427B4
Application number: DE10219427A
Authority: DE
Inventors: Karsten Marquas
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: DE10219427A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte (10) und einem auf dieser anzuordnenden Kontaktstift (14), der an zumindest einem seiner beiden Enden (20, 22) hohl ausgebildet ist und einen nahe des holen Endes (20) angeordneten Außenwulst (24) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Auftragen eines Lötmaterials (17) um und/oder in eine Aufnahmedurchgangsöffnung (16) der Leiterplatte (10) für den Kontaktstift (14),
b) Anordnen des Kontaktstiftes (14) an der Leiterplatte (10) derart, dass sich das hohle Ende (20) des Kontaktstiftes (14) durch die Aufnahmedurchgangsöffnung (16) erstreckt und bei Anlage des Außenwulstes (24) an der einen Seite der Leiterplatte (10) über deren andere Seite hervorsteht,
c) Erwärmen einer Aufweitvorrichtung zum Aufweiten des hohlen Endes (20) des Kontaktstiftes (14),
d) Aufweiten des hohlen Endes (20) des Kontaktstiftes (14) mittels der erwärmten Aufweitvorrichtung und
e) Aufschmelzen des Lötmaterials (17) in Folge eines...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einem an dieser anzuordnenden Kontaktstift.
Es existieren die unterschiedlichsten Verlötungstechniken für Schaltungsbauteile. Ein Verfahren ist die Oberflächenmontage (SMD-Technik). Diese gliedert sich in drei Schritte, nämlich Auftragen der Lotpaste, Bestücken der Leiterplatte mit SMD-Bauteilen und Löten. Dabei werden zunächst die Leiterplatten anhand ihrer Justiermarken mit Hilfe von Kameras exakt ausgerichtet. Dann wird die Lotpaste durch die Schablone genau auf der vorgesehenen Stelle aufgedruckt. Das Bestücken vollzieht sich normalerweise automatisch an unterschiedlichen Bestückungsautomaten. Im Reflow-Lötofen wird ein genau festgelegtes Temperaturprofil erzeugt. Beim Durchlaufen des Temperaturprofils wird die Leiterplatte zunächst vorgeheizt und aktiviert. Nach weiterer Erwärmung erfolgt schließlich bei einer Temperatur von etwa 230° C der Reflow. Dabei verflüssigt sich die Lotpaste so, dass die SMD-Bauteile in das flüssige Zinn eingebettet werden. Durch anschließende Abkühlung erstarrt das Lot wieder, wonach das Bauteil fest mit der Leiterplatte verbunden ist.
Während die Reflow-Lötverfahren sowie andere beispielsweise für bedrahtete Bauteile entwickelte Verfahren für einen elektrischen Kontakt zwischen Leiterplatte und Bauteil sorgen, bestehen Festigkeitsprobleme bei Bauteilen, die im späteren Gebrauch mechanischen Beanspruchungen unterzogen werden, wie es beispielsweise bei Kontaktstiften der Fall ist. Werden die angreifenden Kräfte zu groß, kann es passieren, dass die Lötverbindung zwischen Kontakt stift und Leiterplatte zerstört wird, so dass die Funktion des Kontaktstiftes nicht gewährleistet werden kann.
Kontaktstifte werden normalerweise im Anschluss an die Verlötung der elektrischen Bauteile an der Leiterplatte mechanisch befestigt und danach separat gelötet. Diese Montagetechnik weist den Nachteil auf, dass zusätzlich zur Verlötung der anderen Bauteile der Leiterplatte wenigstens zwei Schritte erforderlich sind, nämlich das Verpressen und das separate Verlöten.

DE-A-26 10 537 beschreibt als Kontaktelemente dienende, selbst befestigende Platinenstifte. Diese Platinenstifte sind im wesentlichen hohl ausgebildet und weisen nahe dem hohlen Ende einen Außenwulst auf. Zur Befestigung eines derartigen Platinenstiftes an einer Platine wird der Platinenstift derart durch eine in der Platine vorgesehene Aufnahmeöffnung eingesetzt, dass der an dem Platinenstift ausgebildete Wulst zumindest am Rand der Aufnahmeöffnung auf der Platine aufliegt. Anschließend wird der Platinenstift mechanisch befestigt, indem das hohle Ende des Platinenstiftes in Richtung des Wulstes gekelcht wird, wodurch der Platinenstift zwischen dem gekelchten hohlen Ende und dem Wulst an der Platine klemmend gehalten ist. Schließlich wird der Platinenstift mit der Platine verlötet.

JP Abstract 11126640 A beschreibt Platinenstifte zum Einsetzen in Löcher von Platinen. Zur Befestigung eines Platinenstiftes an einer Platine wird dieser zuerst in ein in der Platine vorgesehenes Loch eingesetzt, dann an einem seiner Enden mechanisch vorgefaltet (gekelcht), danach mit der Platine verlötet und schließlich das vorgefaltete Ende mechanisch nachgefaltet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einem auf dieser anzuordnenden Kontaktstift zu schaffen, bei dem wenigstens ein zusätzlicher Arbeitsschritt entfällt.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einem auf dieser anzuordnenden Kontaktstift gelöst, der an zumindest einem seiner beiden Enden hohl ausgebildet ist und einen nahe des holen Endes angeordneten Außenwulst umfasst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Auftragen eines Lötmaterials um und/oder in eine Aufnahmedurchgangsöffnung der Leiterplatte für den Kontaktstift,
b) Anordnen des Kontaktstiftes an der Leiterplatte derart, dass sich das hohle Ende des Kontaktstiftes durch die Aufnahmedurchgangsöffnung erstreckt und bei Anlage des Außenwulstes an der einen Seite der Leiterplatte über deren andere Seite hervorsteht,
c) Erwärmen einer Aufweitvorrichtung zum Aufweiten des hohlen Endes des Kontaktstiftes,
d) Aufweiten des hohlen Endes des Kontaktstiftes mittels der erwärmten Aufweitvorrichtung und
e) Aufschmelzen des Lötmaterials in Folge eines Wärmetransports von der Aufweitvorrichtung über den Kontaktstift bis zum Außenwulst.

Durch die Aufweitvorrichtung wird das hohle Ende des Kontaktstiftes konisch oder in anderer Weise aufgeweitet und somit eine sichere mechanische Press- bzw. Klemmverbindung zwischen Kontaktstift und Leiterplatte erzeugt. Während der Außenwulst des Kontaktstiftes um die Aufnahmedurchgangsöffnung an der Seite der Leiterplatte anliegt, liegt das aufgeweitete Ende des Kontaktstiftes auf der anderen Seite der Leiterplatte an dem Rand der Aufnahmedurchgangsöffnung an. Damit liegen an beiden Seiten der Leiterplatte Bereiche des Kontaktstiftes an, was zu einer Verklemmung des Kontaktstiftes mit der Leiterplatte führt. Während des Verpress- bzw. Verklemmvorganges des Kontaktstiftes wird gleichzeitig das Lötmaterial aufgeschmolzen, indem diesem an seinem hohlen Ende über die Aufweitvorrichtung Wärme zugeführt wird. Durch diese simultane Bearbeitung entfällt ein zusätzlicher Arbeitsschritt.

Der Kontaktstift ist zumindest an seinem aufzuweitenden Ende hohl ausgebildet, um auf diese Weise das Aufweiten dieses Endes zu vereinfachen. Gegenüber massiven Kontaktstiften weisen hohle Kontaktstifte den Vorteil auf, dass während des Verpressens bzw. Klemmens die für das Aufweiten des hohlen Endes des Kontaktstiftes erforderlichen Kräfte reduziert sind, wodurch die auf die Leiterplatte wirkenden Kräfte verringert sind.

Ein weiterer Vorteil des zeitgleichen Verpressens und Verlötens besteht darin, dass während des Aufschmelzens des Lötmaterials geringfügig nachverpresst werden kann. Auf diese Weise kann ein Spiel zwischen dem Kontaktstift, dem Lötmaterial und der Leiterplatte, das durch ein Verteilen des flüssigen Lötmaterials entsteht, ausgeglichen werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktstift derart angeordnet ist, dass der Außenwulst an dem Lötmaterial anliegt und somit der Kontakt zwischen Kontaktstift und Lötmaterial über den Außenwulst und nicht über das hohle Ende des Kontaktstiftes hergestellt wird. Dabei muss das hohle Ende nur um einen relativ kleinen Winkel aufgeweitet werden, der zur Erzeugung einer sicheren Klemmverbindung zwischen Kontaktstift und Leiterplatte erforderlich ist. Alternativ kann der Kontaktstift auch derart angeordnet sein, dass das hohle Ende des Kontaktstiftes über diejenige Seite der Leiterplatte vorsteht, an der das Lötmaterial aufgetragen ist. Bei dieser Anordnung muss das hohle Ende jedoch nahezu vollständig aufgebördelt werden, so dass damit der Kontaktstift an seinen hohlen Ende auf dem Lötdepot aufliegt, um einen sicheren Kontakt zwischen Kontaktstift und Lötmaterial zu gewährleisten. Dies stellt aufgrund höherer Aufweitkräfte und damit höherer auf die Leiterplatte wirkender Kräfte einen Nachteil dar.

Weiterhin wird bevorzugt, dass die Aufweitvorrichtung ein Aufweitwerkzeug zum Aufweiten des hohlen Endes des Kontaktstiftes und ein Aufnahmeelement zum Aufnehmen des dem hohlen Ende gegenüberliegenden Endes aufweist, wobei das Aufweitwerkzeug und/oder das Aufnahmeelement zum Schmelzen des Lötmaterials erwärmt wird/werden. Der Vorteil hiervon liegt im wesentlichen in dem einfachen Aufbau dieser Anordnung des Aufweitwerkzeuges.

Im folgenden werden einzelne Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Dabei ist
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Bauteilanordnung, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens montiert werden soll;
2 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht, welche die in
1 dargestellte Bauteilanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform einer Aufweitvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
3 eine teilweise gebrochene, perspektivische Ansicht, welche die in 2 dargestellte Aufweitvorrichtung mit der darin positionierten Bauteilanordnung während des Verpress- bzw. Klemm- und Lötvorgangs gemäß des erfinderischen Verfahrens zeigt; und
4 eine Querschnittansicht der montierten Bauteilanordnung der 1.
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu montierende Bauteilanordnung zeigt, nämlich eine Leiterplatte 10 mit mehreren, an Lotaugen bzw. Lotpads 12 endenden Leiterbahnen. An einem Lotpad 12 ist ein Kontaktstift 14 angeordnet, der sich durch eine Aufnahmedurchgangsöffnung 16 des Lotpads 12 erstreckt. Um die Aufnahmedurchgangsöffnung 16 herum ist an einer Seite der Leiterplatte 10 ein Lötmaterial 17 ringförmig angeordnet, das den Kontaktstift 14 im montierten Zustand mit dem Lotpad 12 und damit mit einer auf der Leiterplatte 10 ausgebildeten Leiterbahn 18 elektrisch verbindet. Die Aufnahmedurchgangsöffnung 16 ist z. B. durchkontaktiert (nicht dargestellt).
Der Kontaktstift 14 ist im wesentlichen stabförmig ausgebildet und weist ein hohl ausgebildetes Ende 20 und ein diesem gegenüberliegendes Ende 22 auf. Nahe dem hohlen Ende 20 umfasst der Kontaktstift 14 einen Außenwulst 24, der radial von dem Kontaktstift 14 absteht. Der Kontaktstift 14 wird derart an der Leiterplatte 10 angeordnet, dass sich sein hohles Ende 20 durch die Aufnahmedurchgangsöffnung 16 und das ringförmig um diese angeordnete Lötmaterial 17 erstreckt und bei Anlage des Außenwulstes 24 an dem Lötmaterial 17 über die dem Lötmaterial 17 gegenüberliegende Seite der Leiterplatte 10 Seite vorsteht. Der Kontaktstift 14 ist über seine gesamte Länge hohl, wobei der Außenwulst 24 durch Verformung der Wandung des Kontaktstiftes 14 gebildet ist.
2 zeigt eine teilweise gebrochene, perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Aufweitvorrichtung 26 mit einem Aufweitwerkzeug 28 und einem Aufnahmeelement 30, die in axialer Richtung fluchtend zueinander ausgerichtet sind. Das Aufweitwerkzeug 28 dient zum Aufweiten des hohlen Endes 20 des Kontaktstiftes 14 und ist im vorliegenden Fall kegelförmig ausgebildet, so dass es in das hohle Ende 20 eintauchen kann, wobei sich das Aufweitwerkzeug 28 auch in anderer Form verjüngen kann. Ferner umfasst das Aufweitwerkzeug ein thermisch gut leitendes Material wie beispielsweise Kupfer. Bei dem Aufnahmeelement 30 handelt es sich um einen Halteblock aus einem verschleißfesten Material mit einer Aufnahmebohrung 32 zur Aufnahme des Kontaktstiftes 14.
Wie in 2 gezeigt, ist die in 1 dargestellte Bauteilanordnung derart in der Aufweitvorrichtung 26 positioniert, dass das Ende 22 des Kontaktstiftes 14 in der Aufnahmebohrung 32 des Aufnahmeelementes 30 aufgenommen ist. Dabei liegt der zum Ende 22 des Kontaktstiftes 14 weisende Außenwulst 24 auf dem Aufnahmeelement 30 auf. Zwischen der in Richtung des Endes 20 des Kontaktstiftes 14 weisenden Oberfläche des Außenwulstes 24 und der Leiterplatte 10 befindet sich das Lötmaterial 17, wobei der Außenwulst 24 und das Lötmaterial 17 einander kontaktieren. Die einzelnen Komponenten sind derart zueinander ausgerichtet, dass die Aufnahmebohrung 32 des Aufnahmeelementes 30 mit dem Kontaktstift 14 sowie mit dem Aufweitwerkzeug 28 fluchten.
3 zeigt die in 2 dargestellte Anordnung während des Verpress- bzw. Klemm- und Aufschmelzvorgangs. Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Anordnung sind das Aufweitwerkzeug 28 und das Aufnahmeelement 30 in der in 3 dargestellten Anordnung axial auf einander zu bewegt, so dass das Aufweitwerkzeug 28 Aufweitkräfte auf den Kontaktstift 14 und somit auf den zwischen dem Außenwulst 24 und dem Ende 20 liegenden Bereich des Kontaktstiftes ausübt. Wie in 3 zu erkennen ist, wird das hohle Ende 20 des Kontaktstiftes 14 durch diese Aufweitkräfte aufgeweitet, während der Außenwulst 24 durch die axial wirkenden Kräfte des Aufweitwerkzeuges 28 gestaucht wird. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Winkel des Aufweitwerkzeuges 28 sehr groß ist, da bereits ein geringfügiges Aufweiten des hohlen Endes 20 des Kontaktstiftes 14 ausreicht, um eine sichere Klemmwirkung zwischen Kontaktstift 14 und Leiterplatte 10 zu erzielen.
Während des Aufweitvorganges wird dem Aufweitwerkzeug 28 bspw. durch elektrische Energie Wärme zugeführt, die von dem Aufweitwerkzeug 28 über den Kontaktstift 14 auf den Außenwulst 24 und somit auf das Lötmaterial 17 übergeht. Dabei wird das Lötmaterial 17 bis zum Ende des Aufweitvorganges vollständig aufgeschmolzen.
4 ist eine Querschnittansicht der fertig montierten Bauteilanordnung der 1. Durch den simultanen Verpress-Lötvorgang ist der Kontaktstift 14 sowohl durch die Klemmverbindung kraftschlüssig mit der Leiterplatte 10 als auch durch die Lötverbindung stoffschlüssig und somit elektrisch mit dem Lotpad 12 verbunden, ohne dass die Lötverbindung während des Verpressens beschädigt wurde. Die derart erzeugte Bauteilanordnung kann während ihres Einsatzes hohen mechanischen Belastungen standhalten, wobei stets eine ordnungsgemäße elektrische Verbindung sichergestellt ist.

10: Leiterplatte
12: Lotpad
14: Kontaktstift
16: Aufnahmedurchgangsöffnung der Leiterplatte
17: Lötmaterial
18: Leiterbahn
20: hohles Ende des Kontaktstiftes
22: zweites Ende des Kontaktstiftes
24: Außenwulst des Kontaktstiftes
26: Aufweitvorrichtung
28: Aufweitwerkzeug
30: Aufnahmeelement
32: Aufnahmebohrung des Aufnahmeelementes

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung zwischen einer Leiterplatte (10) und einem auf dieser anzuordnenden Kontaktstift (14), der an zumindest einem seiner beiden Enden (20, 22) hohl ausgebildet ist und einen nahe des holen Endes (20) angeordneten Außenwulst (24) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Auftragen eines Lötmaterials (17) um und/oder in eine Aufnahmedurchgangsöffnung (16) der Leiterplatte (10) für den Kontaktstift (14), b) Anordnen des Kontaktstiftes (14) an der Leiterplatte (10) derart, dass sich das hohle Ende (20) des Kontaktstiftes (14) durch die Aufnahmedurchgangsöffnung (16) erstreckt und bei Anlage des Außenwulstes (24) an der einen Seite der Leiterplatte (10) über deren andere Seite hervorsteht, c) Erwärmen einer Aufweitvorrichtung zum Aufweiten des hohlen Endes (20) des Kontaktstiftes (14), d) Aufweiten des hohlen Endes (20) des Kontaktstiftes (14) mittels der erwärmten Aufweitvorrichtung und e) Aufschmelzen des Lötmaterials (17) in Folge eines Wärmetransports von der Aufweitvorrichtung über den Kontaktstift (14) bis zum Außenwulst (24).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (14) derart angeordnet wird, dass der Außenwulst (24) an dem Lötmaterial (17) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitvorrichtung (26) ein Aufweitwerkzeug (28) zum Aufweiten des hohlen Endes (20) des Kontaktstiftes (14) und ein Aufnahmeelement (30) zum Aufnehmen des dem hohlen Ende (20) gegenüberliegenden Endes (22) aufweist, wobei das Aufweitwerkzeug (28) und/oder das Aufnahmeelement (30) zum Schmelzen des Lötmaterials (17) erwärmt wird/werden.