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Medizinische Geräte, wie Herzschrittmacher und implantierbare Defibrillatoren, werden immer kleiner, da die Gesamtgröße des Produkts einen direkten Einfluss auf die Patientenerfahrung hat. Das Produktvolumen ist daher ein Unterscheidungsmerkmal zwischen den Wettbewerbern in der Medizinprodukteindustrie. Der Trend zur Miniaturisierung bringt zahlreiche Herausforderungen bei der Konstruktion und Montage dieser Geräte mit sich, die den Bedarf an innovativen Lösungen bei der Produktmontage steigern.
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In einigen Fällen führt dieses Streben nach Miniaturisierung zu nicht-traditionellen Komponentengeometrien und Layouts auf der Leiterplattenbaugruppe (kurz PCBA für printed circuit board assembly). Ungerade Formteile können zu Schwierigkeiten bei der Montage führen - insbesondere beim Verlöten dieser Komponenten mit der übergeordneten Leiterplattenbaugruppe. Ein Beispiel hierfür stellt die HF-Kommunikationsspule eines implantierbaren Kardioverter-Defibrillators (ICD) dar.
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Strikte Raum- und Leistungsanforderungen haben dabei zu speziellen Spulenkonstruktionen geführt. Ein derartiges Design verwendet eine Kommunikationsspule mit laserabladierten Kupferlötanschlüssen, die dann auf einer Interposer-Platte angeordnet wird, vor der Endmontage auf dem Modul. Bei diesem Design, das in den 1 bis 4 gezeigt ist, erweist es sich jedoch als schwierig, Lotmaterial auf die Kontaktstellen auf der Leiterplatte zu bringen sowie ein korrektes Benetzen der Kontaktflächen (Cu) der Spule mit dem Lotmaterial sicherzustellen.
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Zu den traditionellen Löttechniken für die Großserienmontage mikroelektronischer Geräte gehören der Schablonendruck (stencil print), die Lötmitteldosierung (solder dispense), selektives Löten (selective soldering) und Wellenlöten (wave soldering).
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Beim Schablonendruck wird die Lötpaste auf eine Siebdruckschablone aufgetragen, und ein Rakel zieht die Lotpaste über die Schablone, wobei die Paste an vordefinierten Stellen auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Die Komponenten werden dann mit Hilfe von Bestückungsautomaten auf der Leiterplatte platziert und durchlaufen einen Reflow-Ofen, um den Lötvorgang abzuschließen.
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Bei der Lötmitteldosierung wird mit einer Nadel (in der Regel schrauben- oder luftbetrieben) Lötzinn an vordefinierten Stellen auf der Leiterplatte aufgetragen. Lötdosiersysteme können entweder in traditionelle Schablonendruckmaschinen integriert oder als eigenständige Einheiten gebaut werden.
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Ferner existieren zahlreiche Selektivlöttechniken, darunter Laserselektivlöten, Miniaturwellenselektivlöten, Heißluftlöten und Induktionslöten. Diesen Techniken ist gemeinsam, dass sie so konzipiert sind, dass sie selektiv einen lokalisierten Bereich der Leiterplatte erwärmen und löten, anstatt die gesamte Baugruppe auf einmal zu bearbeiten. Lotpaste oder Vorformen (pre-forms) können manuell oder durch eine automatische Maschine aufgetragen oder platziert werden, um Lot für die Verbindung zu liefern.
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Schließlich wird beim Wellenlöten ein Behälter mit geschmolzenem Lot verwendet, um Komponenten auf eine Leiterplatte zu löten. Die Komponenten werden auf der Leiterplatte platziert, und die Leiterplatte wird durch zumindest eine Lotwelle des Lots gefahren.
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Die oben vorgestellten Lösungen werden alle in der Großserienfertigung für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt, aber im Allgemeinen fehlt ihnen die Flexibilität, die für die Verarbeitung von Bauteilen mit komplexer Form und speziellen Anschlussgeometrien erforderlich ist. Weiterhin stellt bei diesen Verfahren die Benetzung von schwierig zu benetzenden Anschlüssen ohne umständliche Fixierung eine große Herausforderung dar.
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Der Schablonendruck stellt an sich die wünschenswerteste Lösung dar, da es sich hierbei um einen Standard für die Oberflächenmontage (SMT) von elektronischen Geräten handelt. Der Schablonendruck kann jedoch keine großen Änderungen der z-Höhe der gedruckten Kontaktpads aufnehmen, was dessen Fähigkeit einschränkt, Lötpaste für komplizierte Bauteildesigns und Geometrien reproduzierbar zu drucken. Der Schablonendruck beruht auch ausschließlich auf der Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes um während des Reflow-Verfahrens den Bauteilanschluss mit dem Lot zu benetzen, es stehen keine Mechanismen zur passiven Förderung der Benetzung zur Verfügung.
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Die Lötmitteldosierung (solder dispense) bietet ein höheres Maß an Flexibilität als der Schablonendruck, aber die Technik weist einige Herausforderungen in Bezug auf die Wiederholbarkeit sowohl der Lotabgabeposition als auch des Lotabgabevolumens auf. Die Technik an sich bietet ferner keine Möglichkeit, das Löten von nicht-idealen Anschlüssen zu erleichtern, da sie ebenfalls auf der Oberflächenspannung des Lotes während des Reflow-Verfahrens beruht, um alle gelöteten Anschlüsse zu benetzen.
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Das selektive Löten ermöglicht flexibles und selektives Löten von Komponenten, aber diese Methoden sind oft vergleichsweise langsam oder müssen als Back-End-Prozesse durchgeführt werden, die spezielle Arbeitszellen erfordern. Außerdem sind sie in hohem Maße auf Fixierungsmaßnahmen angewiesen, um das Produkt während der Verarbeitung geeignet zu fixieren.
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Das Wellenlöten ist häufiger beim Verlöten von Komponenten auf Leiterplatten mit Durchgangsbohrungen anzutreffen und eignet sich nicht gut für Produkte, die weitgehend oberflächenmontiert sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Bereitstellung einer verbesserten Leiterplatte zugrunde, die eine konsistente Benetzungs- und Lötstellenbildung bei komplizierten Bauteilformen mit schwer benetzbaren Oberflächen und komplexen Geometrien erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird danach eine Leiterplatte zum Tragen einer elektrischen Komponente offenbart, aufweisend: eine Oberseite zum Tragen der elektrischen Komponente, und zumindest einem auf der Oberseite angeordneten metallischen Kontakt, der mit einer Anschlussfläche (z.B. aus Cu) der elektrischen Komponente über eine Lötverbindung elektrisch leitend verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberseite der Leiterplatte eine Stufe aufweist, die einen höheren ersten Abschnitt der Oberseite mit einem tieferen zweiten Abschnitt der Oberseite der Leiterplatte verbindet, auf dem die elektrische Komponente positionierbar ist, wobei der Kontakt auf der Stufe angeordnet ist sowie abschnittsweise auf dem tieferen zweiten Abschnitt der Oberseite der Leiterplatte, wobei der Kontakt eine Oberfläche aufweist, die ebenfalls eine Stufe ausbildet (insbesondere entsprechend der darunterliegenden Stufe der Leiterplatte). Weiterhin kann der Kontakt auch abschnittsweise auf dem höheren ersten Abschnitt der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sein. Bevorzugt weist der Kontakt eine plattierte Oberfläche auf. Bei der Leiterplatte kann es sich um eine gedruckte Leiterplatte (PCB) handeln (PCB für printed circuit board). Weiterhin handelt es sich bei der Stufe der Leiterplatte und/oder bei der Stufe des Kontakts um eine im Wesentlichen senkrechte Stufe (in Bezug auf die beiderseitigen Abschnitte der Oberseite der Leiterplatte).
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Weiterhin kann die Stufe der Oberseite der Leiterplatte durch eine Ausnehmung in der Oberseite der Leiterplatte gebildet sein, so dass der besagten Stufe eine weitere Stufe der Oberseite der Leiterplatte gegenüberliegt, die zum Positionieren der elektrischen Komponente verwendbar ist, indem die weitere Stufe einen Anschlag für die Komponente bildet, wobei bei einem bestimmungsgemäßen Kontakt der Komponente mit der weiteren Stufe eine korrekte Positionierung der Anschlussfläche der Spule bezüglich des besagten Kontaktes der Leiterplatte sichergestellt ist.
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Der abgestufte Kontakt der Leiterplatte, insbesondere mit abgestufter und plattierter Oberfläche, ist entscheidend für die Erfindung (insbesondere die Plattierung der vertikalen Oberfläche) des Kontakts, um einen konstanten Metallkontakt zwischen dem Lot und der Anschlussfläche der elektrischen Komponente (z. B. in Form eines abgetragenen Kupferbereichs eine Spule) aufrechtzuerhalten. Die erfindungsgemäße 3D-Leiterplatten-Topographie kann auch auf andere Anwendungen ausgedehnt werden, bei denen ungerade Formen und/oder schlecht benetzende Komponenten und Anschlüsse verwendet werden. Dadurch können diese Spezialkomponenten ohne kostspielige und zeitaufwändige Back-End-Verarbeitung auf Geräten eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäß abgestufte Leiterplatte (insbesondere Interposer bzw. PCBA) fördert die Benetzung und die Bildung von Lötstellen bei komplizierten Komponenten und solchen mit nicht-idealer Terminierungsmetallurgie. Dieses Design vergrößert die Kontaktfläche und verwendet eine vorzugsweise plattierte Seitenwand, um die Bildung von Lötkehlen zu fördern. Zusätzlich kann das abgestufte Design mechanische Kraft bereitstellen, um die elektrische Komponente (z.B. ein elektrisches Bauteil, insbesondere in Form einer Spule) während des Lötens auszurichten und an Ort und Stelle zu halten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Leiterplattenbaugruppe, aufweisend eine erfindungsgemäße Leiterplatte sowie eine elektrische Komponente, die auf dem tieferen zweiten Abschnitt der Oberseite angeordnet ist und die eine Anschlussfläche aufweist, die z.B. durch Abtragen einer elektrisch isolierenden Schicht der Komponente erzeugt ist, und die über eine Lötstelle mit dem Kontakt elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Lötstelle insbesondere in einem Spalt zwischen der Anschlussfläche und der Stufe des Kontakts angeordnet ist.
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Im Folgenden sollen Ausführungsformen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine Spulen- und Rahmenbaugruppe,
- 2 die Spulenbaugruppe gemäß 1, wobei bei dieser Baugruppe eine flache Leiterplatte verwendet wird, die mit mechanischen Vorrichtungen von Hand montiert wurde, um die Komponenten an ihrem Platz zu halten,
- 3 das Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Spule der 2. Hierbei wird eine Fixiervorrichtung zum Fixieren der Spule bezüglich der Leiterplatte verwendet, was arbeitsintensiv ist und sich nicht für eine Großserienfertigung eignet,
- 4 einen Kontakt der in den 2 und 3 gezeigten Leiterplatte sowie die entsprechende abgetragene Anschlussfläche (Cu) der Spule. Die senkrechte Anschlussfläche der Spule erschwert die Benetzung mit einem Lotmaterial,
- 5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplatte, deren Design bei der Lokalisierung der elektrischen Komponente (hier exemplarisch in Form einer Spule) hilft und die Benetzung des freiliegenden Kupferanschlusses der elektrischen Komponente erleichtert, und
- 6 einen Montageprozess für die in der 5 gezeigte gestufte Leiterplatte.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplatte für die Montage einer laserabladierten HF-Kommunikationsspule (z. B. als Teil eines ICD). Die vorgeschlagene Lösung besteht darin, ein abgestuftes PCB-Oberflächendesign zu verwenden, um den mechanischen Kontakt zwischen den Lötflächen und damit die Benetzung der blanken Kupferoberflächen auf der abgetragenen Spule zu verbessern. Dieses PCB/Interposer-Design erlaubt die Verwendung von traditionellen Lotabscheidungsmethoden durch Bereitstellung eines Spalts zwischen den beiderseitigen Lötflächen, der die Benetzung der Lötflächen passiv unterstützt.
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Die 1 zeigt im Zusammenhang mit den 2 bis 4 ein Beispiel für eine Spulenbaugruppe, aufweisend eine Interposer-Platine 6 und eine Spule 7, wobei ein Laserablationsverfahren dazu verwendet wurde, eine Anschlussfläche in Form eines Anschlussfensters 70 an der Seite der Spule 7 abzutragen, das mit einem zugeordneten Kontakt 60 der Platine 6 zu verlöten ist (vgl. 4). Die HF-Spule 7 wird vor der Endmontage in den Spulenrahmen 8 auf der Interposer-Platine 6 montiert. Die vollständige Spulen- und Rahmenbaugruppe ist in der 1 gezeigt, die Spulen-Interposer-Unterbaugruppe ist in 2 dargestellt. Zur manuellen Montage der besagten Unterbaugruppe gemäß 3 wird eine Fixierungsvorrichtung 8 verwendet. Dieses Verfahren ist jedoch sehr arbeitsintensiv und weniger für hohe Stückzahlen geeignet.
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Die beiden Hauptprobleme bei der Automatisierung des Spulenmontageprozesses sind die Terminierungsmetallurgie der Spulen und die Geometrie der Lötstelle. Bei den abgetragenen Anschlussfenstern der Spule handelt es sich in der Regel um rohes freiliegendes Kupfer, so dass die Kupferkontakte eine entsprechend schlechte Benetzbarkeit mit einem Lot aufweisen. Leider ist es materialbedingt nicht möglich, diese Fenster zu verzinnen oder anderweitig mit einem leichter benetzbaren Abschlussmetall (Sn, ENIG, ENEPIG usw.) zu beschichten. Auch die Geometrie der Lötstelle (vgl. 4) stellt eine Herausforderung dar. Normale SMT-Komponenten werden im Allgemeinen direkt auf Lotpastenablagerungen platziert, so dass es eine große direkte Kontaktfläche zwischen den beiden Oberflächen gibt, die miteinander verlötet werden sollen. Wie in der 4 zu sehen ist, sind die beiden Lötflächen 60, 70 senkrecht zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass das Lot auf dem Kontaktpad 60 das Kupfermaterial der Anschlussfläche 70 anziehen muss, um eine zuverlässige Lötverbindung zu bilden. Die oben beschriebene schlechte Benetzbarkeit der Kupferoberfläche 70 macht dies besonders schwierig.
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5 zeigt demgegenüber die erfindungsgemäße Lösung, wonach die Leiterplatte 1 eine Oberseite 10 zum Tragen der elektrischen Komponente 2, hier in Form einer Spule, aufweist sowie zumindest einen auf der Oberseite 10 angeordneten metallischen Kontakt 3, der mit der zugeordneten Anschlussfläche 20 der Spule 2 (z. B. in Form einer freigelegten Kupferoberfläche der Spule 2) über eine Lötverbindung 5 elektrisch leitend verbunden ist. Dabei weist die Oberseite 10 der Leiterplatte 1 eine Stufe 11 auf, die einen höheren ersten Abschnitt 12 der Oberseite 10 der Leiterplatte 1 mit einem tieferen zweiten Abschnitt 13 der Oberseite 10 der Leiterplatte 1 verbindet, auf dem die Spule 2 angeordnet ist, wobei der Kontakt 3 auf der Stufe 11 angeordnet ist sowie zumindest auf dem zweiten Abschnitt 13 der Oberseite 10 der Leiterplatte 1 (und vorzugsweise auch auf dem ersten Abschnitt 12, vgl. 5), so dass der Kontakt 3 eine Oberfläche 30 mit einer Stufe 31 ausbildet. Diese Stufe 31 liegt nun der Anschlussfläche 20 gegenüber und bildet mit dieser einen Spalt, der mit Lot füllbar ist.
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Das erfindungsgemäße Design überwindet die oben anhand der 1 bis 4 beschriebenen Herausforderungen, da das abgestuftes Leiterplatten- bzw. PCB-Design die Benetzung des Kupferanschlusses 20 der Spule 2 unterstützt und weiterhin auch bei der Positionierung der Spule 2 auf der Leiterplatte 1 helfen kann. Die Stufe 31 der vorzugsweise galvanisierten Oberfläche 30 des Kontakts 3 ermöglicht es dem Lot 5, die Stufe 31 zu benetzen, wodurch auch der Lötkontakt mit der abgetragenen Kupferoberfläche 20 der Spule 2 und die Benetzung der Spule 2 gefördert wird. Eine ggf. vorhandene Stufe 14 auf der gegenüberliegenden bzw. nicht abgetragenen Seite der Spule 2 kann dazu dienen, die Spule 2 in Bezug auf das Pad 3 zu lokalisieren.
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Das vorliegende neuartige PCB-Design ermöglicht die Verwendung von Standardmethoden auf SMT-Basis für die Lotabscheidung und Montage. Die Lotpaste kann z.B. mittels Siebdruck oder Lotdosierung auf dem gestuften Kontakt 3 aufgebracht werden. Die Komponente / Spule 2 kann dann mit Hilfe eines Bestückungsautomaten platziert und die gesamte Baugruppe gelötet werden. Dieser Prozessablauf ist in der 6 dargestellt. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von Komponenten und Designs, die andernfalls aufgrund ihrer höheren Kosten für eine Implementierung in hohen Stückzahlen nicht in Betracht gezogen worden wären. Dies hilft, die Flexibilität im Designprozess zu bewahren, die erforderlich ist, um die Grenzen der Miniaturisierung weiter zu verschieben und gleichzeitig die Leistung und Herstellbarkeit der Bauelemente zu bewahren.
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Für den Fachmann wird es offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen der beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen im Lichte der obigen Lehre möglich sind. Die offengelegten Beispiele und Ausführungsformen werden nur zu Illustrationszwecken dargestellt. Andere alternative Ausführungsformen können einige oder alle der hier offengelegten Merkmale enthalten. Daher ist es die Absicht, alle Modifikationen und alternativen Ausführungsformen abzudecken, die in den wahren Anwendungsbereich dieser Erfindung fallen können.
