DE3780025T2

DE3780025T2 - Doppelloetverfahren zur verbindung der anschlusskontakte von elektrischen bauelementen mit den leitern von gedruckten schaltungen.

Info

Publication number: DE3780025T2
Application number: DE8787311538T
Authority: DE
Inventors: Jay Deavis Baker
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1987-01-12
Filing date: 1987-12-31
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-01-01
Also published as: US4739917A; JPH0426797B2; JPS63182891A; EP0274915A1; EP0274915B1; CA1284190C; DE3780025D1

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Lötverfahren zur Verbindung elektrischer Bauteile mit den Leitern gedruckter Schaltungen.
In den letzten Jahren wurde viel daran gearbeitet, den Verfahrensweg zur Lötverbindung von Bauteilen für Oberflächenmontage und integrierte Schaltungen mit den Leitern gedruckter Schaltungen zu verbessern.
In den U.S. Patenten 4 139 881, 4 164 778 und 4 208 005 werden Verarbeitungstechniken beschrieben, in denen Bauteile für Oberflächenmontage mit je einem Paar leitender Klemmenenden mit einem Klebmittel an einer Oberfläche einer gedruckten Schaltung befestigt werden, bevor die Bauteile dein Lötverfahren unterworfen werden.
Die NASA-Veröffentlichung TMX-64937 von Caruso et al. mit dem Titel "Investigation of Discrete Component Chip Mounting Technology for Hybrid Microelectronic Circuits" [Untersuchung der Chipmontagetechnik diskreter Bauteile für hybride Mikroelektronikschaltungen] offenbart, daß Niedrigtemperaturlötpaste oder leitfähiges Epoxy zur Verbindung der elektrischen Klemmenenden des Bauteils für Oberflächenmontage mit den jeweiligen Leitern von gedruckten Schaltungen verwendet werden kann.
Bei jedem der obengenannten Befestigungsverfahren wurde festgestellt, daß durch Verdrängung und Ausbreitung des Klebstoffs oder der Lötpaste beim Zurechtlegen des Bauteils auf der Platte manchmal Schlupf auftritt.
Dieser Schlupf führt zu Versatz des Bauteils bezüglich der Leiter der gedruckten Schaltungen sowie zu schlechter mechanischer und elektrischer Verbindung, wodurch die Ausbeute an während dem Verfahren hergestellten, gedruckten Schaltungen verringert wird.
US-A-3 381 081 offenbart ein Verfahren zur Verbindung eines Leiters mit einem leitfähigen Lötauge eines elektrischen Bauteils mit einem auf einem Träger abgestützten elektrischen Gerät. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Eintauchens des Trägers in ein Schmelzlot zum Überziehen des leitfähigen Lötauges mit Heftlot, Anheften des Leiters an das Heftlot durch Schmelzen des Heftlots und anschließendes Eintauchen des Trägers mit dem gehefteten Leiter in ein Schmelzlot, dessen Erweichungstemperatur niedriger als die Erweichungstemperatur des Heftlots liegt, um das Heftlot und den gehefteten Teil des Leiters zu bedecken.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Verbindung elektrisch leitender Klemmen von elektrischen Bauteilen mit den Leitern gedruckter Schaltungen auf der dielektrischen Oberfläche eines Trägers, umfassend die Schritte des Ausbildens eines vorbestimmten Leitermusters auf dem genannten Träger, des Auflegens eines mit Abstand angeordneten Paares Kegel aus Lötmittel, das eine relativ hohe Schmelz temperatur besitzt, die oberhalb eines ersten vorbestimmten Wertes liegt, auf vorgewählte Flächen des genannten Leitermusters, des Auflegens einer Beschichtung aus einem Lötpastenmaterial, das eine relativ niedrige Schmelztemperatur besitzt, die unterhalb des genannten ersten vorbestimmten Wertes liegt, auf die genannten Kegel aus Hochtemperaturlötmittel und auf Abschnitte des genannten Leitermusters, des Anpassens des Klemmenabschnittes eines elektrischen Bauteiles mit Hilfe eines Hochtemperaturlötkegels, indem der genannte Klemmenabschnitt durch die genannte Niedrigtemperaturlötpastenbeschichtung gepreßt wird, wobei das genannte Paar Kegel dazu beiträgt, die Position des eingepreßten Klemmenabschnittes zwecks entsprechender Verbindung zu bestimmen und festzulegen, des Erhitzens der genannten Niedrigtemperaturlötpastenbeschichtung auf eine Temperatur, die oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegt, und des Abkühlens der genannten Niedrigtemperaturlötpaste auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelz temperatur, um so die genannte Klemme elektrisch und mechanisch mit dem genannten Hochtemperaturlötkegel zu verbinden.
Bei vorliegender Erfindung wird eine zweifache Löttechnik angewandt, durch die die Notwendigkeit einer klebenden Befestigung der Bauteile auf der gedruckten Schaltung vor dem Löten entfällt. Somit stellt die Beseitigung von chemisch reaktionsfähigem Kunststoffleim zum Halten der Bauteile an der Platte vor dem Löten eine willkommene und kostengünstige Verbesserung dar.
Mit vorliegender Erfindung kann die Position der Bauteile bei Plazierung auf der Platte richtig bestimmt und festgelegt werden, um eine intakte Verbindung sicherzustellen.
Es wird auch gezeigt, daß die Plazierung der Hochtemperaturlötkegel so ausgewählt wird, daß eine Mehrzahl von Kegeln zur Führung und Positionierung der leitenden Klemmen von elektrischen Bauteilen dient, wenn diese durch die Niedertemperaturlötpastenbeschichtung in die richtige Position gepreßt werden.
Die Niedrigtemperaturlötpaste verleiht dem elektrischen Bauteil eine gewisse Klebkraft vor dem Schritt des Erhitzens einer solchen Lötpaste auf einen Punkt, an dem sie schmilzt und wieder fließfähig wird, um zwischen der elektrisch leitenden Klemme des elektrischen Bauteils und dem Hochtemperaturlötkegel eine dauerhafte Verbindung herzustellen.
Die Erfindung sei nun beispielhaft anhand beigefügter Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Träger mit einer isolierenden dielektrischen Oberfläche mit darauf gebildeten leitenden Bauteilen;
Figur 2 den gedruckten Schaltungsträger aus Figur 1 nach Definierung vorbestimmter Bereiche der leitfähigen Elemente zur Aufnahme von Lötmittel;
Figur 3 den gedruckten Schaltungsträger aus Figur 2 nach Aufbringung von Kegeln aus Hochtemperaturlötmittel auf den definierten Bereichen der leitfähigen Elemente;
Figur 4 den gedruckten Schaltungsträger aus Figur 3, nachdem die Hochtemperaturlötkegel mit dem Niedrigtemperaturlötmittel überzogen wurden;
Figur 5 eine Querschnittsansicht eines mit Anschlüssen versehenen elektrischen Bauteils nach Pressen durch die Niedrigtemperaturlötpaste und Positionierung durch die Hochtemperaturlötkegel;
Figur 6 ein elektrisches Bauteil für Oberflächenmontage, das genau zwischen Hochtemperaturlötkegeln positioniert ist und durch einen Überzug aus Niedrigtemperaturlötpaste damit verbunden ist; sowie
Figur 7 die Verwendung des erfindungsgemäßen, zweifachen Lötverfahrens zur Bereitstellung einer verbesserten Lötverbindung mit einem elektrischen Bauteil für Oberflächenmontage.
Vorliegende Erfindung umfaßt ein einzigartiges zweifaches Lötverarbeitungsverfahren zur Verwendung mit elektrischen Bauteilen für Oberflächenmontage und integrierten Schaltungen, um verbesserte Klemmenverbindungen mit gedruckten Schaltungen oder Dickfilmleitern bereitzustellen. Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der genauen Lagerung und Ausrichtung von Bauteilen für Oberflächenmontage und Bauteilen von integrierten Schaltungen vor dem Löten.
Darüber hinaus bietet vorliegende Erfindung auch den Vorteil einer wesentlich verzögerten Auflösung von Silberlegierungsleitern auf Trägerflächen beim Löten mit Lötmitteln mit hohem Zinngehalt.
Figur 1 zeigt einen Träger 10 mit einer nichtleitenden dielektrischen Oberfläche, mit der ein Muster aus Leiterbauteilen 12 in vorbestimmter und herkömmlicher Weise verbunden ist. Die Leiter 12 bestehen typischerweise aus einer auf dem Träger 10 in Form einer Leiterpaste aufgebrachten Palladium/Silber- Legierung. Danach wird die Paste zur Herstellung der Verbindung mit dem Träger ausgehärtet oder gesintert. In Figur 1 werden die Leiterelemente in Gruppen A, B, C und D angeordnet gezeigt. Das in Figur 1 gezeigte Muster ist typisch für jenes, das die Verbindung zwischen den entsprechenden, von einer integrierten Schaltung ausgehenden elektrischen Klemmen unterstützt.
In Figur 2 wird der Träger 10 wiederum mit dem elektrischen Leitermuster wie in Figur 1 gezeigt nach der Aufbringung eines dielektrischen Materials oder Lötstopps 14 auf jedem Leiter zur Definierung vorgewählter Bereiche 16 und 18 des Leiters 12, die während eines späteren Verfahrensschrittes Lötmittel aufnehmen werden, gezeigt.
Nach Aufbringung der Lötstoppbereiche 14 wird ein "Hochtemperatur"-Lötmittel in Kegeln auf die vorgewählten Bereiche des Leitermusters aufgebracht. Figur 3 veranschaulicht die auf den Bereichen 16 und 18 jedes Leiters 12 gebildeten Kegel. Das zur Bildung der Kegel 20 und 22 verwendete Lötmittel wird "Hochtemperatur"-Lötmittel genannt, weil seine Schmelztemperatur 200ºC übersteigt. In der bevorzugten Ausführungsform kann das Hochtemperaturlötmittel eine Zusammensetzung von ungefähr 10% Zinn, 88% Blei und 2% Silber oder 5% Zinn und 95% Blei aufweisen. Das in der bevorzugten Ausführungsform verwendete Hochtemperaturlötmittel besitzt eine Schmelztemperatur von ungefähr 320ºC. Bei Abkühlung behalten die Kegel 20 und 22 ihre auffällig erhöhte und etwas kugelige Gestalt bei. In dem in Figur 3 gezeigten Fall sind die Hochtemperaturlötkegel 20 und 22 auf benachbarten Bereichen zur Bildung eines Tales über das dielektrische Material 14 geformt.
Nach Aufbringung der Hochtemperaturlötkegel wird ein "Niedrigtemperatur"-Lötmaterialüberzug auf die Kegel 20 und 22 aufgebracht. In Figur 4 wird das Niedrigtemperaturlötmaterial 30 als Überzug über die Kegel 20 und 22 und zusätzlich als sich zwischen den benachbarten Kegeln 20 und 22 zur Abdeckung des dielektrischen Materials 14 und zur Auffüllung des Tals zwischen den Kegeln erstreckend gezeigt.
Das "Niedrigtemperatur"-Lötmittel wird sogenannt, weil seine Schmelztemperatur im allgemeinen unterhalb von 200ºC liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine trockene oder nasse Lötpaste verwendet, die eine Zusammensetzung von ungefähr 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber oder 60% Zinn und 40% Blei aufweisen kann. Diese Massen besitzen eine Schmelztemperatur von ungefähr 183ºC.
Nach Aufbringung des Niedrigtemperaturlötmittels über und zwischen den benachbarten Kegeln 20 und 22 können elektrische Bauteile direkt an der Platte 10 befestigt werden. Figur 5 zeigt ein mit Anschlüssen versehenes Gerät 100, wie im Stand der Technik üblich ist, mit "J"-förmigen Anschlüssen 40, die sich als elektrische Klemmen zur Verbindung mit der gedruckten Schaltung erstrecken und in einem Muster entsprechend der Lage der Täler in Gruppen A-D angeordnet sind. Die Klemmen 40 werden den Hochtemperaturlötkegeln 20 und 22 angepaßt, wenn sie durch die Niedrigtemperaturlötpaste 30 nach unten eingepreßt werden. Da die Niedrigtemperaturlötpaste 30 in dieser Verfahrensstufe relativ weich ist, wird das Material lediglich durch die Bewegung der Klemme 40 bewegt, wenn diese durch das Material gedrückt wird. Da die Kegel 20 und 22 gehärtet werden, wirken sie zur Führung und Ausrichtung der einzelnen Klemmen 40 bei deren Anpassung in die richtige Position.
Wie oben erwähnt kann ein typischer elektrischer Leiter 12 auf einem Träger 10 aus einer Palladium/Silber-Legierung bestehen, für die Lötmittel mit hohem Zinngehalt schlechte Hafteigenschaften besitzt. Andererseits ist Lötmittel mit hohem Zinngehalt ideal für eine vorübergehende Haftung einer Klemme eines elektrischen Geräts vor Aushärtung des Lötmittels. Vorliegende Erfindung stellt deshalb eine gute Haftung zwischen dem elektrischen Leiter 12 durch Verwendung der Hochlemperaturlötkegel 20 und 22 mit und niedrigem Zinngehalt her. Die Niedrigtemperaturlötpaste 30 mit hohem Zinngehalt dient dann zur Verbindung zwischen den elektrischen Klemmen des elektrischen Bauteils und den Hochtemperaturlötkegeln 20 und 22 .
Nach dem Anpassen der Klemmenabschnitte des elektrischen Bauteils an den Hochtemperaturlötkegel durch die Niedrigtemperaturlötpaste 30 wird die Niedrigtemperaturlötpaste auf ihre Schmelztemperatur erhitzt und dann abgekühlt, um dazwischen wieder eine fließfähige Lötverbindung herzustellen.
In Figur 6 wird ein elektrisches Bauteil 101, das allgemein Bauteil für Oberflächenmontage "SMD - surface mounted device" oder anschlußloses Chipbauteil "LCC - leadless chip component" genannt wird, gezeigt, das an seinen elektrisch leitenden Klemmenenden 102 und 103 mit auf entsprechenden elektrischen Leitern 116 und 118 in der oben beschriebenen Weise gebildeten Hochtemperaturlötkegeln 120 und 122 verbunden ist. In diesem Fall sind die Bereiche 116 und 118 der elektrischen Leiter 112 so definiert, das sie die Hochtemperaturlötkegel 120 und 122 mit dem dielektrischen Material 114 aufnehmen und in einem Abstand "L", der der Länge des elektrischen Bauteils 101 entspricht, voneinander liegen. Das dielektrische Material 114 wird auf die elektrischen Leiter 112 so aufgebracht, daß die Bereiche 116 und 118 vor Aufbringung der Hochtemperaturlötkegel 120 und 122 definiert sind. Nach Aufbringung der Hochtemperaturlötkegel 120 und 122 werden die Kegel bei 130 und 132 mit der Niedrigtemperaturlötpaste überzogen. Die Klemmen 102 und 103 des Bauteils 101 werden dem Hochtemperaturlötkegel angepaßt, indem sie auf die dielektrische Oberfläche des Trägers 110 gedrückt und durch die abgerundeten und starren Flächen der Hochtemperaturlötkegel 120 und 122 in die richtige Stellung geführt werden. Die Niedrigtemperaturlötpaste bei 130 und 132 führt zu vorübergehender Haftung des angepaßten Elements und verschafft eine dauerhafte Verbindung, wenn die Niedrigtemperaturlötpaste über ihre Schmelztemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt wird.
Figur 7 zeigt ein anschlußloses Chipbauteil 201 mit elektrisch leitenden Klemmen 202 und 203, die mit Niedrigtemperaturlötmittel 230 und 232 mit auf definierten Bereichen 216 und 218 der elektrischen Leiter 212 gebildeten Hochtemperaturlötkissen 220 und 222 verbunden sind. Die in Figur 7 angewandte Befestigungstechnik unterscheidet sich von der in Figur 6 darin, daß die Hochtemperaturlötkissen 220 und 222 in einem Abstand zueinander liegen, der kleiner als die Länge zwischen den Enden des anschlußlosen Chipbauteils 201 ist, und die Kegel weniger ausgeprägt sind, um verhältnismäßig flache Befestigungskissen zu schaffen, an denen die Klemmenenden befestigt und über die Niedrigtemperaturlötpaste verbunden werden können.
Die Vorteile vorliegender Erfindung in jedem der mit Bezug auf Figur 6 und 7 beschriebenen Verfahren liegen in der Ausnutzung der günstigen Hafteigenschaften des Lötmittels mit niedrigem Zinngehalt zur Verbindung mit dem elektrischen Leiter 112 (212) in Bereichen 116 (216) und 118 (218) unter Ausnutzung der vorübergehenden Hafteigenschaften der Lötpaste mit hohem Zinngehalt vor Herstellung der anschließenden elektrischen Verbindung zwischen den Endklemmen der Bauteile und den Hochtemperaturlötkissen. Darüber hinaus sorgt die in bezug auf Figur 6 angewandte Technik dafür, daß das anschlußlose Chipbauteil bei Auflegung auf die Platte zwischen den Kegeln 120 und 122 ausgerichtet und geführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung elektrisch leitender Klemmen von elektrischen Bauteilen mit den Leitern gedruckter Schaltungen auf der dielektrischen Oberfläche eines Trägers (10), umfassend die Schritte des Ausbildens eines vorbestimmten Leitermusters (12, 14, 16, 18) auf dem genannten Träger (10), des Auflegens eines mit Abstand angeordneten Paares Kegel (20, 22) aus Lötmittel, das eine relativ hohe Schmelztemperatur besitzt, die oberhalb eines ersten vorbestimmten Wertes liegt, auf vorgewählte Flächen des genannten Leitermusters, des Auflegens einer Beschichtung (30) aus einem Lötpastenmaterial, das eine relativ niedrige Schmelztemperatur besitzt, die unterhalb des genannten ersten vorbestimmten Wertes liegt, auf die genannten Kegel aus Hochtemperaturlötmittel und auf Abschnitte des genannten Leitermusters, des Anpassens des Klemmenabschnittes (40) eines elektrischen Bauteiles (100) mit Hilfe eines Hochtemperaturlötmittelkegels, indem der genannte Klemmenabschnitt durch die genannte Niedrigtemperaturlötpastenbeschichtung gepreßt wird, wobei das genannte Paar Kegel dazu beiträgt, die Position des eingepreßten Klemmenabschnittes zwecks entsprechender Verbindung zu bestimmen und festzulegen, des Erhitzens der genannten Niedrigtemperaturlötpastenbeschichtung (30) auf eine Temperatur, die oberhalb ihrer Schmelztemperatur liegt, und des Abkühlens der genannten Niedrigtemperaturlötpaste auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur, um so die genannte Klemme (40) elektrisch und mechanisch mit dem genannten Hochtemperaturlötkegel zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte erste vorbestimmte Temperaturwert über 300ºC liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die genannte Schmelztemperatur der genannten Lötpaste unterhalb von 200ºC liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das genannte Hochtemperaturlötmaterial eine Zusammensetzung aufweist, bei der Zinn im Bereich von 5 bis 10%, Blei im entsprechenden Bereich von 95 bis 88% und Silber im entsprechenden Bereich von 0 bis 2% vorliegt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte Niedrigtemperaturlötpastenmaterial eine Zusammensetzung aufweist, die etwa 60% Zinn und 40% Blei enthält.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannten Hochtemperaturlötkegel ein Tal bilden, das die genannten Kegel von einem Abschnitt der dielektrischen Oberfläche des genannten Trägers trennt, und wobei der genannte Schritt des Auflegens der genannten Beschichtung aus Niedrigtemperaturlötpaste dazu führt