DE69019089T2

DE69019089T2 - Verbinden der Gegenstände.

Info

Publication number: DE69019089T2
Application number: DE69019089T
Authority: DE
Inventors: Sheila Hamilton
Original assignee: CLYDE PROD TECH Ltd
Current assignee: CLYDE PROD TECH Ltd
Priority date: 1989-08-26
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2010-08-29
Also published as: ATE122127T1; GB8919459D0; EP0415692A3; EP0415692B1; DE69019089D1; EP0415692A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Materialien zum Verbinden von Gegenständen, insbesondere doch nicht ausschließlich das Verbinden von Komponenten mit einem Komponententräger, wie bspw. von Kühl- bzw. Abstrahlblechen mit PCB's (gedruckten Schalttafeln).
Bezüglich des Verfahrens zum Verbinden von Ku..hl- bzw. Abstrahlblechen mit PCB's werden gegenwartig zwei Verfahren verwendet, nämlich das "Prepreg"-Verfahren und das "Bindemittel-Film"-Verfahren.
Ein Prepreg besteht aus einem Glastuch, das mit einem teilweise gehärteten Harz imprägniert ist, um ein dünnes Sheet zu bilden, das auf dieselbe Form wie das Kühl- bzw. Abstrahlblech bearbeitet wird. Das bearbeitete Prepreg wird zwischen das Kühl- bzw. Abstrahlblech und das PCB angeordnet, und es wird Warme und Druck angelegt, um das wärmehärtende Harz zu härten und so das Kühl- bzw. Abstrahlblech mit dem PCB zu verbinden. Das Verbinden findet jedoch bei etwa 175ºC statt-und wegen des Unterschiedes zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten des Kühl- bzw. Abstrahlbleches und dem PCB krümmt sich die verbundene Baugruppe beim Kühlen auf Raumtemperatur. Dies erschwert die Montage.
Bindemittel-Filme werden manchmal für ein kaltes Verbinden von einfach geformten Teilen verwendet, siehe hierzu bspw. die FR-A-2 507 196, jedoch ist die Anwendung des Bindemittel- Film-Verfahrens auf das Verbinden begrenzt durch die Schwierigkeit und die Kosten des Schneidens des Bindemittelfilms für eine Ubereinstimmung mit komplexen Formen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und Material zum Verbinden von Gegenständen bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Gegenstandes mit einem zweiten Gegenstand bereitgestellt, wobei das Verfahren besteht aus den Stufen der Bereitstellung eines Trägersheets bzw. einer Trägerbahn, das oder die eine Vielzahl eng beabstandeter einzelner Knöllchen eines Bindemittels lösbar trägt, der Anbringung eines profilierten Oberflächenbereichs des ersten Gegenstandes auf dem Trägersheet, sodaß der Oberflächenbereich des ersten Gegenstandes mit den damit verbundenen Knöllchen des Bindemittels im wesentlichen bedeckt wird, einem Entfernen des ersten Gegenstandes von dem Trägersheet zusammen mit den auf den ersten Gegenstand übertragenen Knöllchen des Bindemittels und dadurch einem Ablösen dieser Knöllchen von dem Trägersheet und einem Anbringen des mit dem Bindemittel bedeckten, profilierten Oberflächenbereichs des ersten Gegenstandes an einem Oberflächenbereich des zweiten Gegenstandes, damit das Bindemittel zwischen beiden den ersten Gegenstand mit dem zweiten Gegenstand verbindet; dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Bindemittels bei jedem Knöllchen in Bezug auf den Abstand zwischen benachbarten Knöllchen so ist, daß bei der fertigen Verbindung zwischen den Gegenständen die Abstände zwischen den Knöllchen durch ein seitliches Fließen des Bindemittels im wesentlichen eliminiert sind.
Vorzugsweise sind die Oberflächenbereiche der ersten und zweiten Gegenstände jeweils im wesentlichen eben.
Der erste Gegenstand kann eine elektronische Komponente, wie bspw. ein Kühl bzw. Abstrahlblech, sein, und der zweite Gegenstand eine Komponente, wie bpsw. eine gedruckte Schalttafel, auf welcher diese Komponente zu befestigen ist.
Das Verfahren schließt weiterhin vorzugsweise eine vorhergehende Stufe ein, bei welcher wenigstens die Oberflächenbereiche der ersten und zweiten Gegenstände sauber und trocken gemacht werden, sodaß sie im wesentlichen frei von Feuchtigkeit, Staub und Kohlenwasserstoffen sind.
Das Bindemittel ist vorzugsweise ungehärtet oder es ist ein unvollständig gehärtetes druckempfindliches Bindemittel, und die ersten und zweiten Gegenstände werden gegeneinander angedrückt, damit das druckempfindliche Bindemittel die Gegenstände miteinander verbindet.
Das Bindemittel härtet vorzugsweise bei der Umgebungstemperatur. Das Bindemittel kann ein vernetztes Acrylmaterial sein.
Das Trägersheet kann aus einem Abziehpapier bestehen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr als Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Materials zum Verbinden eines ersten Gegenstandes mit einem zweiten Gegenstand ist, hergestellt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Materials der Fig. 1 ist in der Richtung der Pfeile II-II der Fig. 1; und
Fig. 3a, 3b und 3c das Verfahren des Verbindens eines ersten Gegenstandes mit einem zweiten Gegenstand in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen besteht ein Material zum Verbinden eines ersten Gegenstandes mit einem zweiten Gegenstand aus einem Trägersheet 10 in der Form eines Abziehpapiers, auf dessen einer Seite eine Vielzahl von eng benachbarten, einzelnen Knöllchen 11 des Bindemittels angebracht sind. Die Knöllchen können jede beliebige Form haben, jedoch sind sie bevorzugt in der Form einer regelmäßigen Reihe von eng benachbarten einzelnen Tupfen.
Es wird bevorzugt, daß die Menge des Bindemittels bei jedem Knöllchen in Bezug auf den Abstand zwischen benachbarten Knöllchen derart ist, daß bei der fertigen Verbindung zwischen den Gegenständen die Abstände zwischen den Knöllchen durch das seitliche Fließen des Bindemittels im wesentlichen eliminiert sind. Ein geeigneter Bereich der Abdeckung der Knöllchen 11 des Trägersheets 10 ist eine Abdeckung von 30 % - 90 %, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 67 % und 90 % liegt und spezielles Ausführungsbeispiel eine Abdeckung von 77 % als angemessen befunden wurde.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wurde gefunden, daß ein Tupfendurchmesser d zwischen 0.5 mm und 2.5 mm und spezieller zwischen 0.7 mm und 1.5 mm geeignet ist, wobei für ein spezielles Ausführungsbeispiel ein Tupfendurchmesser von 1.1 mm verwendet wurde. Die Tupfen werden angebracht, um eine Beschichtungsdicke t zwischen 50 und 150 Mikrons zu ergeben, wobei ein Bereich von 80 bis 150 Mikrons bevorzugt wird und spezieller eine Dicke von 100 Mikrons verwendet wird.
Eine Anzahl von Bindemittel-Formulierungen ist anwendbar, wie bspw. ein Acryl-, Expoxy-, Silikon- oder Polyurethan- Polymer, dispergiert in Wasser oder einem Lösungsmittel. Druckempfindliche Bindemittel auf der Basis von Acryl werden bevorzugt.
Damit das Verbindungsverfahren bei Anwendungen verwendet werden kann, wo Wärme an die Gegenstände nach dem Verbinden angelegt wird, wie bspw. dann, wenn eine Komponente mit einer bedruckten Schalttafel verbunden wird und danach ein Schwall-Löten bewirkt wird, ist es erforderlich, daß die Bindemittel-Zusammensetzung eine gewisse Temperaturfestigkeit entwickelt. Während ein Bereich zwischen 20ºC und 260ºC verwendet werden kann, wird bevorzugt, daß das Bindemittel eine Temperaturfestigkeit von wenigstens 80ºC entwickelt und in einem speziellen Beispiel wenigstens 100ºC. Bei der Entwicklung dieser Temperaturfestigkeit kann das Verbindungsverfahren der Erfindung bei einer Anzahl von Umständen angewendet werden, die bisher nicht vorgeschlagen wurden.
Um eine Verwendung des Verfahrens der Erfindung bei dem Verbinden von Komponenten mit Komponententrägern zu erlauben, ist es erforderlich, daß das Bindemittel auch ein hohes Maß an statischer Scherfestigkeit und ein hohes Maß an Abziehfestigkeit entwickelt. In Bezug auf die statische Festigkeit ist ein Bereich von 5 - 150 Stunden bei 100ºC und 250 g anwendbar, jedoch ist ein bevorzugter Bereich 50 - 110 Stunden und spezieller 100 Stunden. In Bezug auf die Abziehfestigkeit ist ein Bereich von 5 - 20 N/25 mm verwendbar, wobei ein Bereich von 10 - 20 N/25 mm bevorzugt wird sowie bei einem speziellen Beispiel 11N/25 mm.
Wenn die Erfindung auf das Verbinden von elektrischen Komponenten mit PCB's angewendet wird, wird bevorzugt, daß das Bindemittel eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit entwickelt. Eine thermische Leitfähigkeit zwischen 50 und 450 W/mºc ist anwendbar, jedoch liegt ein bevorzugter Bereich zwischen 140 und 450 W/m&sup0;c und spezieller können 360 W/mºc verwendet werden. Bei bestimmten Anwendungen werden weiterhin bevorzugt, daß das Bindemittel eine elektrische Leitfähigkeit zwischen 0.01 und 0.5 Ω/Quadrateinheit entwickelt. Bei anderen Anwendungen sollte das Bindemittel einer Durchschlagspannung zwischen 50 und 600 V widerstehen können.
Das Verbindungsverfahren der Erfindung kann auch auf das Verbinden von elektronischen Komponenten mit bedruckten Schalttafeln angewendet werden, während eine elektrische Verbindung hergestellt wird. In solchen Fällen wird ein anisotropisches Bindemittel verwendet. Dies erlaubt alle Vorteile des Verbindungsverfahrens wie vorbeschrieben, während das Erfordernis zum Bewirken einer elektrischen Verbindung eliminiert wird. Als ein Ausführungsbeispiel ware eine Beschichtungsdicke t zwischen 10 und 25 Mikrons geeignet, sofern das anisotropische Material eine Leitfähigkeit zwischen 0.02 und 0.07 Ω/Quadrateinheit hat.
Die Tupfen 11 können auf dem Trägersheet 10 durch jedes geeignete Verfahren angebracht werden. Es wurde gefunden, daß zum Erreichen der notwendigen Beschichtungsdicke und der definierten Tupfenbeschichtung die Verwendung einer Schablone geeignet ist. Es kann jedoch auch die Anbringung der Tupfen durch ein Gravurverfahren verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3a - 3c wird nun eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung beschrieben.
Eine im Umriß unregelmäßige elektrische Komponente wie bpsw. ein Kühl- bzw. Abstrahlblech 30 soll mit einem PCB 31 verbunden werden, welches eine Schaltung aufweist, mit welcher andere elektronische Komponenten 32, 33 verbunden sind. Die Verbindung wird ohne ein Anlegen von Wärme beendet. Das folgende Verfahren wird angewendet:
Sowohl die flache Unterseite des Kühl- bzw. Abstrahlbleches 30 wie auch der Bereich 36 des PCB 31, mit welchem das Kühl bzw. Abstrahlblech 30 zu verbinden ist, werden intensiv gesäubert und getrocknet, um frei von Feuchtigkeit, Staub, Öl und Fett zu sein. Ein Abziehpapier 34, das mit einer regelmäßige Reihe von eng benachbarten, jedoch einzeln getrennten Tupfen oder Knöllchen 35 eines druckempfindlichen Acryl-Bindemittels beschichtet ist, wird auf einer Arbeitsfläche angeordnet, wobei das Bindemittel oben liegt. Wie in Fig. 3a gezeigt ist, wird das Kühl- bzw. Abstrahlblech 30 auf das Papier 34 aufgebracht, wobei seine flache Unterseite voll über der Reihe der Bindemittel-Tupfen 35 angeordnet ist, und wird momentan nach unten gedrückt. Dieser Druck bewirkt, daß die Tupfen 35 des Bindemittels an der gesamten Fläche der flachen Unterseite des Kühl- bzw. Abstrahlbleches 30 anhaften, welches dann nach oben weg von dem Abziehpapier angehoben wird, wie in Fig. 3b gezeigt. Das Bindemittel 35, das an der Unterseite des Kühl- bzw. Abstrahlbleches 30 anhaftet, hebt sich von dem Abziehpapier ab zusammen mit dem Kühl bzw. Abstrahlblech. Wegen der vollständigen Trennung jedes Tupfens 35 von seinen Nachbarn, werden diejenigen Tupfen, die an dem Kühl- bzw. Abstrahlblech 30 befestigt sind, sauber von dem Abziehpapier 34 abgehoben, ohne diejenigen Tupfen zu stören, die nicht von dem Kühlbzw. Abstrahlblech 30 abgedeckt sind, und zwar selbst dort, wo sie sich unmittelbar neben der Kante des Kühl- bzw. Abstrahlbleches befinden. Die gegenseitige Trennung der einzelnen Bindemittel-Knöllchen erlaubt so eine automatische "Umrißbildung" des Bereichs des Bindemittels, welches an dem Kühl bzw. Abstrahlblech angebracht ist, unabhängig von der Komplexität des Umrisses. Eine Übereinstimmung der Bindemittelbeschichtung mit dem Umriß des Kühl- bzw. Abstrahlbleches wird verbessert, wenn der ebene Bereich der einzelnen Knöllchen sehr klein gemacht wird relativ zu der Berührungsf läche des Kühl- bzw. Abstrahlbleches und wenn wie vorbeschrieben ein minimaler Abstand zwischen den Knöllchen eingehalten wird.
Als nächstes wird wie in Fig. 3c gezeigt das mit Bindemittel beschichtete Kühl- bzw. Abstrahlblech 30 auf das PCB 31 in die beabsichtigte fertige Position 36 des Kühl- bzw. Abstrahlbleches abgesenkt und gegen das PCB angedrückt. Dieser Druck aktiviert das druckempfindliche Bindemittel, welches dann das Kühl bzw. Abstrahlblech mit dem PCB kalt verbindet.
Die Verbindung wird verbessert, wenn das Volumen des Bindemittels bei jedem Knöllchen groß genug gewählt wird und der Abstand zwischen den Knöllchen ausreichend klein, sodaß bei der fertigen Installation des Kühl- bzw. Abstrahlbleches auf dem PCB und der Anwendung von Druck zu diesem Zeitpunkt das Bindemittel in den Knöllchen seitwärts fließt, um die Spalte zwischen den Knöllchen auszufüllen und eine Schicht des Bindemittels zwischen den Kühl- bzw. Abstrahlblech und dem PCB zu erzeugen, die im wesentlichen porenfrei ist und eine angemessene Dicke hat.
Komponenten und Gegenstände anders als Kühl- bzw. Abstrahlbleche können durch dieses Verfahren mit PCB's verbunden werden oder mit Gegenständen anders als PCB's.
Die Erfindung ist besonders bei solchen Fällen anwendbar, wo eine mechanisch feste Verbindung der Gegenstände durch ein nicht fließendes Bindemittel gefordert wird, jedoch ohne die Verwendung von Wärme (wodurch ein thermisch gehärtetes Prepreg eliminiert wird) , insbesondere in Bezug auf Gegenstände, deren gegenseitige Berührungsfläche einen schwierigen oder unregelmäßigen Umriß hat, der es schwer und/oder unwirtschaftlich machen würde, genau profilierte Bindemittelfilme bereitzustellen (die auch eine präzise Handhabung erfordern, um eine fehlende Übereinstimmung zu vermeiden)
Während bestimmte Modifikationen und Veränderungen vorstehend beschrieben wurden, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und es können andere Modifizierungen und Abänderungen angenommen werden, ohne daß von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Gegenstandes (30) mit einem zweiten Gegenstand (31) , wobei das Verfahren besteht aus den Stufen der Bereitstellung eines Trägersheets bzw. einer Trägerbahn (34) , das oder die eine Vielzahl eng beabstandeter einzelner Knöllchen (35) eines Bindemittels lösbar trägt, der Anbringung eines profilierten Oberflächenbereichs des ersten Gegenstandes (30) auf dem Trägersheet (34), sodaß der Oberflächenbereich des ersten Gegenstandes (30) mit den damit verbundenen Knöllchen (35) des Bindemittels im wesentlichen bedeckt wird, einem Entfernen des ersten Gegenstandes (30) von dem Trägersheet (34) zusammen mit den auf den ersten Gegenstand (30) übertragenen Knöllchen (35) des Bindemittels und dadurch einem Ablösen dieser Knöllchen (35) von dem Trägersheet (34) und einem Anbringen des mit dem Bindemittel bedeckten, profilierten Oberflächenbereichs des ersten Gegenstandes (30) an einem Oberflächenbereich des zweiten Gegenstandes (31) , damit das Bindemittel zwischen beiden den ersten Gegenstand (30) mit dem zweiten Gegenstand (31) verbindet; dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Bindemittels bei jedem Knöllchen (35) in Bezug auf den Abstand zwischen benachbarten Knöllchen (35) so ist, daß bei der fertigen Verbindung zwischen den Gegenständen die Abstände zwischen den Knöllchen durch ein seitliches Fließen des Bindemittels im wesentlichen eliminiert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der erste Gegenstand (30) eine elektrische Komponente und der zweite Gegenstand (31) ein Komponententräger ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Komponente (30) ein Kühl- bzw. Abstrahlblech und der Komponententräger (31) eine bedruckte Schalttafel ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Knöllchen (35) des Bindemittels auf das Trägersheet (34) derart aufgebracht werden, daß eine Abdeckung in dem Bereich von 30 % - 90 % bereitgestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Bereich 67 % -90 % beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Knöllchen (35) als Tupfen mit einem Durchmesser (d) zwischen 0.5 mm und 2.5 mm ausgebildet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Tupfendurchmesser (d) zwischen 0.7 mm und 1.5 mm beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel als eine Beschichtung mit einer Dicke (t) zwischen 50 und 150 Mikrons aufgetragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Dicke (t) zwischen 80 und 150 Mikrons beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel ein drucksensitives Acrylbindemittel ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel einen Temperaturwiderstand zwischen 20 und 260ºC ergibt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Bindemittel einen Temperaturwiderstand von wenigstens 80ºC ergibt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Bindemittel eine Scherfestigkeit zwischen 5 und 150 Stunden bei 100ºC und bei 250 g ergibt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel eine Abschälfestigkeit zwischen 5 und 20 N/25 mm ergibt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 50 und 450 W/mºC ergibt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel ein anisotropisches Bindemittel ist.