DE3323830C2

DE3323830C2 - Anordnung zum Auflöten einer elektrischen Schaltungsplatte auf einen Grundkörper

Info

Publication number: DE3323830C2
Application number: DE3323830A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 8035 Gauting Kohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE3323830A1

Abstract

Anordnung zum Auflöten einer elektrischen Schaltungsplatte auf einen Grundkörper. Zum Auflöten einer z. B. aus einem Keramiksubstrat bestehenden elektrischen Schaltungsplatte (3) auf einen Grundkörper (1) mit Hilfe einer Lötfolie (4) ist die Gesamtlötfläche des Grundkörpers durch kapillarartig wirkende Vertiefungen, z. B. parallele Längsnuten (2), in gleichmäßiger Weise in viele kleine definierte Teillötflächen unterbrochen. Die Vertiefungen nehmen eine vorherbestimmbare Menge Lot auf, überschüssiges Lot fließt jedoch in einen Nutengrund (6) ab. Dadurch werden mechanische Schubspannungen, welche Risse bilden und zur Zerstörung der Keramiksubstanz führen können, erheblich verringert. Außerdem wird beim Lötvorgang ein Schwimmen der Schaltungsplatte auf flüssigem Lot und damit eine Veränderung der Position der Schaltungsplatte verhindert. Die Erfindung ist für Lötverbindungen zwischen Schaltungsplatten und deren Träger allgemein, für Lötverbindungen von Keramiksubstraten bei Mikrowellenschaltungen im besonderen geeignet.

Description

den die mechanischen Schubspannungen in der Lötsteile erheblich verringert Damit wird die Gefahr von Rissebildungen oder Zerstörung insbesondere auch bei bestimmten Materialien, die für die Schaltungsplatte häufig verwendet werden, wesentlich reduziert Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher insbesondere bei der Verlötung von Keramiksubstraten mit Vorteil anzuwenden.

Die besondere Ausbildung der Vertiefungen des Grundkörpers hat den Vorteil, daß einerseits eine vorherbestimmbare Menge Lot auf Grund der beim Lötvorgang sich einstellenden Kapillarwirkung in den Vertiefungen aufgenommen wird und andererseits überschüssiges Lot in den Grund der Vertiefungen abfließen kann. Dadurch wird die Bildung einer flüssigen Lotoberfläche, auf der dse Schaltungsplatte während des Lötvorgangs schwimmen könnte, vermieden und eine sichere Lötverbindung zwischen dem Grundkörper und der Schaltungsplatte erreicht, wobei die Schaltungsplatte während der Herstellung der Lötverbindung ihre Position nicht verändert Außerdem können eingeschlossene Luftblasen oder Lötmitteldämpfe durch die Vertiefungen entweichen.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung besteht der Grundkörper im allgemeinen aus einer metallischen Grundplatte. Für den Fall, daß die elektrische Schaltungsplatte aus einem lötfähig ausgebildeten Keramiksubstrat besteht, ist es bei einer erfindungsgemäßen Anordnung von Vorteil, wenn statt der metallischen Grundplatte ein Substrat aus Keramikmaterial mit dem gleichen Längenausdehnungskoeffizienten wie das aufzulötende Keramiksubstrat verwendet wird. In diesem Fall können die Scherspannungen fast vollständig abgebaut werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruches 1 sind in den Merkmalen der Unteransprüche angegeben.

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in perspektivischer Darstellung.

F i g. 2 zeigt eine Einzelheit A nach F i g. 1 vor dem Lötvorgang, die

F i g. 3 bis 8 zeigen im Querschnitt jeweils eine Lötverbindung einer Schaltungsplatte mit einem Grundkörper bei verschiedenen Ausführungsformen der Lötfläche des Grundkörpers.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 ist ein lötfähig ausgebildeter Grundkörper 1, z. B. eine metallische Grundplatte, als Träger für eine elektrische Schaltungsplatte 3 vorgesehen, die aus einer beidseitig metallisierten Isolierplatte, z. B. aus Keramikmaterial besteht und auf den Grundkörper 1 auflötbar ist. Die Lötfläche des Grundkörpers ist mit einer Vielzahl speziell ausgebildeter Vertiefungen 2 versehen, die sich in zueinander parallelen Reihen in Längsrichtung der Schaltungsplatte 3 erstrekken und zur Lotaufnahme dienen. Die Schaltungsplatte 3 wird mit Hilfe einer Lötfolie 4 (F i g. 2), welche zwischen der Schaltungsplatte und der Lötfläche des Grundkörpers 1 vorgesehen ist, auf den Grundkörper aufgelötet Die Vertiefungen sind bei allen Ausführungsformen der F i g. 1 bis 8 so ausgebildet, daß sie beim Lötvorgang eine vorher bestimmbare Menge Lot an kapillarartig wirkenden Innenwänden 5 aufnehmen, einen Lotüberschuß jedoch in einen Grund 6 abfließen lassen.

In den F i g. 1 bis 3 sind die Vertiefungen 2 von im Querschnitt dreieckförmigen Nuten gebildet, deren Flanken die Innenwände 5 bilden. Die Innenwände der Vertiefungen bilden zur Ebene der Lötfolie 4 bzw. zur Lötfläche einen spitzen Winkel von vorzugsweise etwa 30—45°. Beim Lötvorgang tritt eine Kapillarwirkung auf, wobei nach Erreichen der Löttemperatur das flüssige Lot in die Nuten gesaugt wird. Das Lot legt sich an die Nutinnenwände 5 an und bildet in der in Fig.3 gezeigten Form eine im Querschnitt hohlkehlartige Lötnaht mit linsenartigem Lufteinschluß. Die Lötverbindung wird hierbei aufgrund der Unterteilung der Gesamtlötfläche in eine Vielzahl von kleinen definierten Lötflächen in erster Linie in den von den Nuten gebildeten Rinnen hergestellt, während auf den kleinen, zwisehen den Nuten verbleibenden Teilflächen an der Oberfläche des Grundkörpers eine Lötverbindung lediglich durch einen dünnen Lotfilm entsteht Eventuell überschüssiges Lot kann durch entsprechende Wahl der Tiefe und/oder Form der Nuten in deren Grund 6 abfließen, so daß sich zwischen der Schaltungsplatte 3 und dem Grundkörper 1 kein überschüssiges flüssiges Lot befindet auf dem die Schaltungsplatte schwimmen könnte. In F i g. 3 ist beispielhaft für alle anderen Figuren noch der Abstand a der Nuten, also der Abstand der parallelen Reihen voneinander, eingezeichnet. Dieser Abstand wird zweckmäßigerweise gleich gewählt.

Die Ausführungsform nach F i g. 4 zeigt einen Grundkörper 7 mit im Querschnitt ebenfalls dreieckförmigen Längsnuten 8, wobei noch strichiert angedeutete zusätzliche Quernuten 9 gleicher Form vorgesehen sind, die quer zu den Längsnuten in zueinander parallelen Reihen angeordnet sind. Hierdurch wird die Gesamtlötfläche in vorteilhafter Weise weiter in eine noch größere Zahl von kleinen Teillötflächen aufgeteilt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 sind die ebenfalls über gleichgeformte Quernuten 12 verbundenen Längsnuten 11 zur Aufnahme überschüssigen Lotes mit einem kanalartig vertieften Grund 13 ausgebildet. Statt der Längsnuten 2, 8 oder 11, wie in den Fig. 1 bis 5.

kann der Grundkörper auch mit einer Vielzahl von in zueinander parallelen Reihen angeordneten Bohrungen

14 versehen sein. Diese Bohrungen 14 gehen bei der Ausführungsform nach F i g. 6 durch den Grundkörper

15 und sind am Übprgang zur Lötfläche des Grundkörpers mit kapillarartig wirkenden Innenwänden versehen. Eine Kapillarwirkung kann z. B. durch Abrunden des Übergangs erzeugt werden. Hier sind die Bohrungen 14 mit einer Spitzsenkung 16 ausgebildet, welche die kapillarartig wirkenden Innenwände zur Lotaufnahme bilden. Diese Ausführung ist insbesondere im Hinblick auf das erwünschte Entweichen von Luftblasen oder Lötmitteldämpfen vorteilhaft. Die Gefahr von Lunkerbildungen auf der Lötfläche wird somit auch hierdurch weitgehendst verhindert.

In F i g. 7 ist der Grundkörper 17 anstelle von Nuten mit einer Vielzahl kugelkalottenförmiger Einprägungen 18 versehen, die ebenfalls in zueinander parallelen Reihen angeordnet sind. Die Einprägungen können hierbei auch in Längs- und Querreihen vorgesehen und dellenförmig ausgebildet werden.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 besteht der Grundkörper 19 aus einem Blech mit eingeprägten Vertiefungen 20, die im Querschnitt wannenförmig ausgebildet sind. Hierbei werden der Grund von den Wannenboden 21 und die kapillarartig wirkenden Innenwände von den Seitenwänden 22 der Einprägungen 20 gebildet.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig.4 bis 8

ergibt sich im Bereich der kapillarartig wirkenden In-

nenwände ebenfails eine Lötverbindung in einer hohikehlartigen Form mit linsenartigem Lufteinschluß, wie sie in F i g. 3 zu sehen und dort näher beschrieben ist. Dabei ist sichergestellt, daß durch entsprechende Größe und Ausbildung der Vertiefungen mit einem überflüssiges Lot aufnehmenden Grund keine Lothöcker entstehen, welche einen Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und der aufgelöteten Schaltungsplatte bilden könnten.

Bei einer z. B. aus einem Keramiksubstrat bestehenden Schaltungsplatte ist die elektrische Massefläche im allgemeinen nur im Bereich der Leiterbahnen notwendig und muß nicht über die ganze Substratunterseite verteilt sein. Führt man die Massefläche nur in diesem begrenzten Bereich aus, ätzt man also auf der Substratmasseseite die elektrisch nicht benötigten Flächen frei, so läßt sich in Verbindung mit der Nutenstruktur auf der Grundplatte eine genau definierte Lötfläche erzielen. Dies kann von Vorteil sein, wenn statt mehrerer kleiner Substrate ein größeres Substrat auf den Grundkörper aufgelötet werden soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Auflöten einer elektrischen, mindestens auf einer Seite mit einer lötfähigen Schicht versehenen Schaltungsplatte auf einen lötfähig ausgebildeten Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der lötfähigen Schicht der Schaltungsplatte (3) und dem Grundkörper (i) eine Lötfolie (4) vorgesehen ist, und daß der Grundkörper (1) auf seiner Lötfläche mit einer Vielzahl von in zueinander parallelen Reihen angeordneten Vertiefungen (2) versehen ist, die mit eine vorherbestimmbare Menge Lot aufnehmenden kapillarartig wirkenden Innenwänden (5) und einem überschüssiges Lot aufnehmenden Grund (6) ausgebildet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände (5) der Vertiefungen (2) einen spitzen Winkel («) zur Ebene der Lötfolie (4) bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel {«) etwa 30—45° beträgt

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (2) von Nuten gebildet sind, deren Flanken die Innenwände (5) bilden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (8) mit einer dreieckigen Querschnittsform ausgebildet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund (13) der Nuten (11) kanalartig vertieft ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen als durch den Grundkörper (15) gehende Bohrungen (14) ausgebildet sind, die am Übergang zur Lötfläche des Grundkörpers (1) mit kapiilarartig wirkenden Innenwänden versehen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (14) mit einer die kapillarartig wirkenden Innenwände bildenden Senkung (i6) ausgebildet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (18) kugelkalottenförmig ausgebildet sind.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (19) aus einem Blech mit eingeprägten Vertiefungen (20) besteht.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsplatte und der Grundkörper jeweils aus einem lötfähig ausgebildeten Substrat aus Keramikmaterial bestehen.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vertiefungen (2) in Längsrichtung der Schaltungsplatte (3) erstrecken.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Richtung quer zu den parallelen Reihen der Vertiefungen (8) zusätzliche Vertiefungen (9) in zueinander parallelen Reihen vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Auflöten einer elektrischen, mindestens auf einer Seite mit einer lötfähigen Schicht versehenen Schaltungsplatte auf einen lötfähig ausgebildeten Grundkörper.
Leitungsführungen für Mikrowellenschaltungen werden immer häufiger in der sogenannten Streifenleitungstechnik ausgeführt Hierzu verwendet man eine dünne, beidseitig metallisierte Isolierplatte (Substrat) vorzugsweise aus einem Keramikmaterial. Die eine metallisierte Seite dieses Substrates wird meist als Massefläche verwendet, während die andere Seite die gewünschte Leiterstruktur enthält Auf einem Substrat ist meist nur eine kleinere elektrische Funktionseinheit untergebracht, für komplexere Schaltungen werden viele Einheiten elektrisch und mechanisch verbunden. Darüber hinaus enthält der Schaltungszug meist auch noch weitere passive und aktive elektrische Bausteine, die auf oder neben den Substraten angeordnet sind. Die elektrische Verbindung der Leiterstruktur zwischen mehreren Substraten erfolgt über kurze Leitungsstücke, während die Masseflächen der Substrate durch Auflöten auf einen metallischen Grundkörper elektrisch und mechanisch verbunden werden sollen. Dieser Grundkörper kann auch als Gehäuse ausgebildet sein und dient als Träger aller Bausteine und zur Wärmeabfuhr verlustbehafteter Elemente. Beim Lötvorgang kann zwischen Substrat und Grundkörper eine Lötfolie gelegt werden, wobei die Teile gemeinsam auf Löttemperatur erwärmt werden.

Dabei treten jedoch nach dem Erkalten aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat, Lot und Grundkörper hohe mechanische Schubspannungen auf, die zur Zerstörung der dünnen Keramiksubstrate führen können (Rissebildung). Auch bei guter Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Grundkörper und Substrat sind allein die durch das Weichlot hervorgerufenen Spannungen meist unzulässig hoch. Sollen die Schubspannungen in Grenzen gehalten werden, so dürfen die Abmessungen der Substrate bestimmte Größen nicht überschreiten. Ein weiterer Nachteil beim Lötvorgang ist, daß die Substrate nach dem Erreichen der Löttemperatur auf der flüssigen Lotoberfläche schwimmen und damit ihre Lageposition verändern können. Auch Luft und Lötmittelein-Schlüsse, welche die elektrischen und mechanischen Eigenschaften verschlechtern, sind oft nicht zu vermeiden. So treten bei der Lötverbindung von Schaltungsplatten mit einem Grundkörper insbesondere bei großflächigen Lötungen Lunker auf.

so Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die geschilderten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise eine sichere Lötverbindung zwischen der Schaltungsplatte und dem Grundkörper zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der lötfähigen Schicht der Schaltungsplatte und dem Grundkörper eine Lötfolie vorgesehen ist, und daß der Grundkörper auf seiner Lötfläche mit einer Vielzahl von in zueinander parallelen Reihen angeordneten Vertiefungen versehen ist, die mit eine vorherbestimmbare Menge Lot aufnehmenden kapillarartig wirkenden Innenwänden und einem überschüssiges Lot aufnehmenden Grund ausgebildet sind.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird die Gesamtlötfläche des Grundkörpers durch Vertiefungen in gleichmäßiger Weise in eine Vielzahl von kleinen definierten Teillötflächen unterbrochen. Hierdurch wer-