DE4039787A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer metallischen verbindung und dadurch hergestellte leiterplatte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen metallischer Verbindungen einander gegenüberliegender metallischer Flächen von im wesentlichen derselben Größe und Form in Lotaufschmelz-Technik und auf eine durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung hergestellte Leiter- oder Verdrahtungsplatte.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf metallische, unlösbare Verbindungen von elektrischen Kontakten, bspw. kalottenförmigen Kontakten mit genau positionierten metallischen Kontaktanschlußflächen an gedruckten Schaltkreisen oder Verdrahtungsplatten zum Einsetzen in einen elektrischen Kantenverbinder anwendbar, so daß die elektrischen Kontakte durch Federkontakte des Kantenverbinders ergriffen sind. Gedruckte Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten dieser Art sind bspw. in den britischen Anmeldungen 89 19 167, 89 23 548 und 89 23 547 beschrieben.

Bei der genannten britischen Patentanmeldung 89 19 167 sind die bspw. kalottenförmigen elektrischen Kontakte mit an der Platte vorgesehenen metallischen Anschlußflächen metallisch verbunden. Diese Anschlußflächen können Kupferfolien- Anschlußflächen derselben Form und Abmessungen wie die Basis der Kontakte (bspw. rund oder rechteckig) sein und zum Zwecke der metallischen Verbindung der elektrischen Kontakte mit den Folienanschlußflächen kann Lötpaste verwendet werden; nachdem die elektrischen Kontakte an den Anschlußflächen angeordnet sind, so daß sie im wesentlichen in ihren richtigen Positionen sind, wird das Lot in der Lötpaste geschmolzen, wodurch die Kontakte durch die Oberflächenspannung in genaue vertikale Flucht mit den Anschlußflächen verschoben werden, wonach das geschmolzene Lot zum Verbinden der genau positionierten Kontakte mit den Anschlußflächen der gedruckten Leiterplatte aushärten bzw. fest werden kann.

Es hat sich herausgestellt, daß bei diesem Lotaufschmelz- bzw. Reflow-Verfahren zum Verbinden von elektrischen Kontakten mit genau positionierten Kontaktanschlußflächen an gedruckten Leiterplatten oder Verdrahtungsplatten in einigen Fällen, wenn die Basis mancher Kontakte mängelbehaftet ist, die Tendenz besteht, daß auch die Lötverbindung fehlerhaft ist und/oder daß das In-Flucht-Bringen aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes an den Kontakten mangelhaft ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. eine Leiter- oder Verdrahtungsplatte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem diese Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. Vorrichtung der genannten Art durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine entsprechende Leiter- oder Verdrahtungsplatte ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 9.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Konfiguration bzw. das Profil der mit Hilfe einer selbstausrichtenden Lotaufschmelz- bzw. Reflowtechnik miteinander zu verbindenden Metallflächen bedeutsam ist; demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum metallischen Verbinden metallischer Flächen von zumindest im wesentlichen derselben Form und Abmessungen durch eine selbstausrichtende Lotaufschmelztechnik, bei der zumindest eine der gegenüberliegenden Metallflächen konvex gekrümmt verläuft oder zur anderen gegenüberliegenden Metallfläche hin vorsteht.

Die konvexe Krümmung der metallischen Oberfläche verhindert, daß das Gas, das von dem Flußmittel des Lotes erzeugt wird, wenn das Lot schmilzt, unter den Kontakten eingeschlossen wird und eine Störung des Oberflächen-Spannungseffektes bewirkt, was zu einer mangelhaften Zentrierung oder Ausrichtung der gegenüberliegenden Metallflächen und/oder einer fehlerhaften Verbindung zwischen ihnen führt.

Beim Ausführen vorliegender Erfindung, wonach eine Lötverbindung von gedruckten Leiterplattenkontakten mit metallischen (bspw. aus Kupferfolie) Anschlußflächen an gedruckten Leiterplatten besteht, können die Kontakte kalottenförmig mit einer oberen und unteren Fläche konvexer Figuration sein. Die Plattenanschlußflächen jedoch können flach sein, aber die konvexe Ausführung der Unterseite der kalottenförmigen Kontakte vermeiden das Problem, daß das Gas aus dem Flußmittel der Lötpaste, wie vorstehend ausgeführt ist, eingeschlossen wird. Dieses Problem des Einschlusses von Gas scheint insbesondere dann störend, wenn die Unterseite der Plattenkontakte, wie bisher, konkav ausgebildet sind, was davon herrührt, daß die Kontakte durch Stanzen oder Prägen aus einem Metallblech hergestellt werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen vorliegender Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 in vergrößerter Darstellung jeweils einen Teil einer gedruckten Leiterplatte mit einem jeweils unterschiedlich geformten Kontakt, der mit einer Kontaktanschlußfläche an der gedruckten Leiterplatte metallisch verbunden sind, gemäß einem ersten bzw. einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist eine gedruckte Leiterplatte 1 nahe eines Randes mit einer Vielzahl von kalottenförmigen Warzen- bzw. Knopfkontakten 2, von denen nur einer dargestellt ist, versehen. Wie daraus ersichtlich ist, ist der Knopf- bzw. Warzenkontakt zu einer horizontalen Mittellinie CL symmetrisch. Gedruckte Leiterplatten, die erhabene, bspw. kugelkalottenförmige Warzenkontakte besitzen, sind in der parallelen britischen Patentanmeldung 89 19 167 beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der (doppelt) kugelkalottenförmige Kontakt 2 mit einer Kontaktanschlußfläche 3 aus Kupferfolie verbunden, die als kleiner integraler Bestandteil eines gesamten Leitermusters, das auf der Plattenoberfläche durch einen Ätzvorgang geschaffen ist, gebildet ist. Die Anschlußfläche 3 besitzt beim vorliegenden Beispiel eine Kreisform und denselben Durchmesser wie der Kontakt 2.

Der Kontakt 2 ist mit der Metallfolien-Anschlußfläche 3 mittels eines Lotes 4 metallisch verbunden.

Um die metallische Verbindung zwischen dem Kontakt 2 und der Kontaktanschlußfläche 3 zu bewirken, wird Lötpaste zwischen den Kontakt 2 und die Anschlußfläche 3 eingebracht. Die auf die Kontaktanschlußfläche 3 gebrachte Lötpaste kann dazu verwendet werden, den Kontakt 2 an Ort und Stelle auf der Anschlußfläche zu halten, nachdem bspw. vor dem Lot-Aufschmelzschritt (Reflowlöten) der Kontakt auf der Anschlußfläche durch einen Aufnahme- und Absetzmechanismus positioniert worden ist.

Ist die Lötpaste geschmolzen, wirkt die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes dahingehend, den Kontakt 2 mit der Kontakt-Anschlußfläche 3 zu zentrieren bzw. mit dieser vertikal auszurichten. Um diese selbstausrichtende Wirkung während der Lotaufschmelzung (Reflowlöten) zu verbessern, besitzt die Unterseite des Kontaktes 2, wie dargestellt, eine konvexe Konfiguration. Diese konvexe Ausbildung der Kontaktunterseite, die sehr genau symmetrisch sein sollte, dient dazu, das Problem zu vermeiden, daß aus dem Fluß der Lötpaste Gas unter den Kontakt gebracht und dadurch die Oberflächenspannungswirkung der geschmolzenen Lötpaste zerstört werden kann, was zu Mängeln in der Kontaktausrichtung und/oder zu Fehlern in der Verbindung führt.

Es sei erwähnt, daß, da die Kupferfolien-Kontaktanschlußfläche 3 auf der gedruckten Leiterplatte 1 an einer genauen Position auf der Platte angeordnet ist, es notwendig ist, den Kontakt 2 relativ zur Anschlußfläche 3 in genauer Weise anzuordnen, wenn der Kontakt von einem Federkontakt eines Kantenverbinders, mit dem die Platte verwendet werden soll, in geeigneter Weise in Verbindung gebracht werden soll.

In Fig. 2 ist eine gedruckte Leiterplatten-Kontaktanordnung dargestellt, die als eine verbesserte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten kalottenförmigen Kontaktanordnung betrachtet wird.

Wie sich aus dieser Figur ergibt, ist ein Knopf- bzw. Warzenkontakt 5 bei 6 mit einer kreisförmigen Kontaktanschlußfläche 7 auf einer gedruckten Leiterplatte 8 mit Hilfe der Reflow- bzw. Lotaufschmelztechnik metallisch verbunden, wobei, wie bereits anhand der Fig. 1 beschrieben, eine Lötpaste verwendet wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch besitzt der Kontakt 5, der zu seiner horizontalen Mittellinie symmetrisch ist, eine obere und eine untere mittig flache bzw. ebene Oberfläche 9 und 10, die jedoch an den Rändern 11 und 12 derart mit einem Radius versehen ist, daß ein teils ebenes und teils konvexes Kontaktprofil zur Kontaktanschlußfläche 7 auf der Platte 8 hin gegeben ist. Dieses Kontaktprofil dient dazu, zu verhindern, daß das Gas, das aus dem Lotfluß der Lötpaste dann freikommt, wenn das Lot schmilzt, zwischen der unteren Fläche des Kontaktes 5 und der Kontaktanschlußfläche 7 eingeschlossen wird und dadurch zu Mängeln in der Kontaktausrichtung und/oder zu Verbindungsfehlern führen würde.

Abgesehen von der besseren Lötverbindung besitzt die Kontaktfiguration gemäß Fig. 2 auch den Vorteil, daß dann, wenn die Kontakte längs Zuführbahnen einer Montagemaschine, die einen Aufnahme- und Absetzmechanismus zum Positionieren der Kontakte auf den Kontaktanschlußflächen der gedruckten Leiterplatte enthalten kann, geführt werden, die Kontakte weniger schräg geneigt sind, um nicht übereinander zu gelangen, wenn sie längs der Zuführbahnen wandern.

Es sei hierbei erwähnt, daß die Kontaktanschlußflächengröße derart ist, daß der Durchmesser x der Anschlußfläche 7 idealerweise größer sein sollte als der Durchmesser d¹ der flachen Bereiche 9 und 10, jedoch nicht größer als der Durchmesser d², der den gesamten Durchmesser des Kontaktes 5 darstellt.

Obwohl das Verfahren vorliegender Erfindung in Verbindung mit dem metallischen Verbinden von Knopf- bzw. Warzenkontakten mit einer gedruckten Leiterplatte oder einer Verdrahtungsplatte beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung weitere Anwendungsformen beinhalten kann. Bspw. kann die Erfindung beim metallischen Befestigen von Knopf- bzw. Warzenkontakten auf Wafern eines Wafer-Drehschalters angewendet werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann es erforderlich sein, eine elektrooptische Vorrichtung mit einer Platte oder einem Substrat zu verbinden, so daß ein lichterzeugendes bzw. -aussendendes oder lichtaufnehmendes Element der Vorrichtung in genau positionierter Weise mit einem anderen damit zusammenwirkenden Vorrichtungselement angeordnet ist. Zu diesem Zwecke kann die elektrooptische Vorrichtung und die Platte oder das Stubstrat jeweils mit einer Anzahl von in entsprechendem Abstand angeordneten und entsprechend dimensionierten Metallanschlußflächen versehen sein, die miteinander durch Löten verbunden werden sollen, wobei Lötpaste und die Reflow- bzw. Lotaufschmelzungs-Technik verwendet werden. In diesem Falle können die metallischen Anschlußflächen an der elektrooptischen Vorrichtung und/oder der Platte oder dem Substrat nach außen konvexe oder vorstehende Flächenprofile besitzen, um die sich selbst ausrichtende Verbindung der Anschlußflächen miteinander während des Lotaufschmelzschrittes zu verbessern.

Obwohl bei beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen die Unterseite der Plattenkontakte 2 oder 5 zumindest teilweise zu den Kontaktanschlußflächen hin konvex gekrümmt ist, sei zugestanden, daß zumindest manche der Vorteile dadurch erreicht werden könnten, daß die Unterseite des Kontaktes mit anderen als konvexen Konfigurationen versehen wird, welche zu den Kontaktanschlußflächen hin vorstehen, und die dazu dienen, das Einschließen von Gas zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.

Obwohl beim beschriebenen Verfahren Lötpaste verwendet wird, um die metallische Verbindung zwischen den Knopf- bzw. Warzenkontakten und den Kontaktanschlußflächen vorzusehen, kann auch Lot mit einem Flußmittel alternativ verwendet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum metallischen Verbinden einander gegenüberliegender metallischer Flächen von im wesentlichen derselben Größe und Form in Lotaufschmelz-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der gegenüberliegenden metallischen Flächen konvex gekrümmt ist oder zur anderen gegenüberliegenden Fläche vorsteht und so die Selbstausrichtung der gegenüberliegenden Flächen während des Lotaufschmelzvorganges verbessert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden metallischen Flächen durch Kontaktanschlußflächen einer gedruckten Leiterplatte oder einer Verdrahtungsplatte bzw. durch Flächen elektrischer Kontakte gebildet sind, und daß die Unterseite des Kontaktes ein konvexes Profil besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden metallischen Flächen durch Kontaktanschlußflächen einer gedruckten Leiterplatte oder einer Verdrahtungsplatte bzw. durch Flächen elektrischer Kontakte gebildet sind, und daß die Unterseite des Kontaktes einen flachen mittigen Bereich und mindestens einen mit einem Radius versehenen Endbereich besitzt, der ein konvexes Teilprofil zur Kontaktanschlußfläche hin schafft.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere und der obere Teil des elektrischen Kontaktes mit demselben Profil versehen ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanschlußfläche mit einem Lot überzogen ist, und daß das Flußmittel vor oder während des Lotaufschmelzvorganges eingebracht wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Lötpaste an der Kontaktanschlußfläche oder dem Kontakt vor dem Positionieren des Kontaktes angewendet wird, und daß danach der Lotaufschmelzvorgang durchgeführt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von einander gegenüberliegenden metallischen Flächen gleichzeitig miteinander metallisch verbunden werden.

8. Vorrichtung zum metallischen Verbinden einander gegenüberliegender metallischer Flächen von im wesentlichen derselben Größe und Form in Lotaufschmelz-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der gegenüberliegenden metallischen Flächen konvex gekrümmt ist oder zur anderen gegenüberliegenden Fläche vorsteht und so die Selbstausrichtung der gegenüberliegenden Flächen während des Lotaufschmelzvorganges verbessert ist.

9. Gedruckte Leiter- oder Verdrahtungsplatte mit einer nahe ihres Randes angeordneten Vielzahl von vorstehenden Knopf­ bzw. Warzenkontakten zur Wirkungsverbindung durch Federkontakte eines elektrischen Kantenverbinders, dadurch gekennzeichnet, daß die Knopf- bzw. Warzenkontakte mit Kontaktanschlußflächen durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden werden.