EP4018463A1 - Smd-lötbares bauelement und verfahren zum herstellen eines smd-lötbaren bauelements - Google Patents

Smd-lötbares bauelement und verfahren zum herstellen eines smd-lötbaren bauelements

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EP4018463A1
EP4018463A1 EP20754683.9A EP20754683A EP4018463A1 EP 4018463 A1 EP4018463 A1 EP 4018463A1 EP 20754683 A EP20754683 A EP 20754683A EP 4018463 A1 EP4018463 A1 EP 4018463A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solder
contact element
end section
smd
preformed
Prior art date
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Pending
Application number
EP20754683.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Strütt
Dietmar Birgel
Silke CZAJA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4018463A1 publication Critical patent/EP4018463A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/041—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges characterised by the type
    • H01H85/046—Fuses formed as printed circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K3/00—Tools, devices or special appurtenances for soldering, e.g. brazing, or unsoldering, not specially adapted for particular methods
    • B23K3/08—Auxiliary devices therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K3/00—Tools, devices or special appurtenances for soldering, e.g. brazing, or unsoldering, not specially adapted for particular methods
    • B23K3/08—Auxiliary devices therefor
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    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H01C1/144—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors the terminals or tapping points being welded or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01C1/00—Details
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    • H01C1/148—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors the terminals embracing or surrounding the resistive element
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    • H01C3/00—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids
    • H01C3/14—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding
    • H01C3/20—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding wound on cylindrical or prismatic base
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/58—Electric connections to or between contacts; Terminals
    • H01H2001/5888—Terminals of surface mounted devices [SMD]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to an SMD-solderable component and a method for producing an SMD-solderable component, comprising:
  • the invention also relates to a method for producing an SMD-solderable component, an electronics unit with an SMD-solderable component and a field device in automation technology with an electronics unit.
  • solder connections are classified according to the liquidus temperature of the solder.
  • a liquidus temperature of below 450 ° C is a so-called soft solder connection.
  • a hard solder connection as the latter generally have a higher mechanical strength.
  • the invention relates in particular to an SMD-solderable component in which the first and second solder connections are designed as soft solder connections.
  • the SMD-solderable component is intended to be soldered onto a printed circuit board of an electronics unit.
  • SMD-solderable components short for 'Surface Mounted Devices', i.e. surface-mountable components
  • the SMD components are automatically placed on the contacts provided with solder paste on the circuit board with automatic placement machines and soldered together using a so-called reflow soldering process in a reflow soldering oven. This means that a large number of SMD-solderable components can be soldered onto the circuit board at the same time.
  • field devices for determining and / or monitoring process variables are often used.
  • field devices all devices that are used close to the process and deliver or process process-relevant information are referred to as field devices. These are, for example, level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value and conductivity.
  • Field devices often have one, in particular at least temporarily and / or at least in sections with one Process medium in contact sensor unit, which is used to generate a signal dependent on the process variable.
  • these often have an electronics unit arranged in a housing, the electronics unit serving to process and / or forward signals generated by the sensor unit, in particular electrical and / or electronic signals.
  • the electronics unit serving to process and / or forward signals generated by the sensor unit, in particular electrical and / or electronic signals.
  • the electronics unit serving to process and / or forward signals generated by the sensor unit, in particular electrical and / or electronic signals.
  • the electronics unit
  • Electronics unit at least one circuit board with components arranged on it.
  • the electronics unit is an electronics unit of a field device in automation technology.
  • SMD-solderable components with a lead-containing (soft) solder connection are known from the prior art, which are provided for soldering onto a printed circuit board of an electronics unit, in particular a field device of automation technology.
  • the first and / or the second solder connection must also be of a correspondingly high quality to ensure that the SMD-solderable component meets the specifications specified transition resistances are actually reliably fulfilled.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a lead-free SMD-solderable component which has a predetermined contact resistance between its contact elements with sufficiently high reliability.
  • the object is achieved by an SMD-solderable component and a method for producing an SMD-solderable component.
  • the object is achieved by an SMD-solderable component for soldering onto a printed circuit board of an electronics unit, having:
  • the first and the second contact element being provided for soldering onto contact surfaces provided for this purpose on the circuit board, the first contact element with a first end portion of the resistance element by means of a first solder connection and the second contact element with a second end portion of the resistance element is connected by means of a second solder connection, characterized in that at least one of the first and / or the second solder connection is a lead-free solder connection which is produced with a lead-free solder preform.
  • solder part ensures, on the one hand, that the first and / or second solder connection conforms to the aforementioned ROHS standards.
  • solder parts are much easier to handle in the manufacture of the SMD-solderable component compared to solder pastes and / or solder wires.
  • the first and / or second soldered connection reliably has a sufficiently high quality, and accordingly the SMD-solderable component has a sufficiently high reliability that specified for it
  • the resistance element is in particular an elongate resistance element.
  • the SMD-solderable component is an overcurrent protection device, especially a fuse, with a tripping current, the tripping current of the overcurrent protection device being between 0.02 and 1 A (ampere).
  • the SMD-solderable component has a dimension of a maximum of 20 mm (millimeters), in particular one
  • the “distance” between the contact elements relates in particular to a distance between boundary surfaces of the contact elements to which their respective soldered connection is adjacent.
  • the advantage of easier handling of a preformed solder part compared to solder pastes and / or solder wires is particularly evident in the case of such small components, since in this case the components to be connected to one another by means of the first and / or second solder connection (namely the first and / or second contact element and the resistance element) have correspondingly small dimensions.
  • the object is achieved by a method for producing an SMD-solderable component, comprising:
  • the SMD-solderable component is intended to be soldered onto a printed circuit board of an electronics unit.
  • the preformed solder part is coated with a flux.
  • the process step of coating with flux is typically carried out before the respective first or second solder connection is produced.
  • it is a so-called drum coating in which the preformed solder part is completely coated with flux.
  • a preformed solder part is used, the melting temperature of which is lower than the melting temperature of a coating of the resistance element, in particular a tinning.
  • a lead-free preformed solder part with a low melting temperature is used. This prevents the components of the SMD-solderable component, in particular the resistance element, from being pre-aged when the first and / or second solder connection is produced. In particular, a coating of the resistance element is prevented from melting, as a result of which the transition resistance between the contact elements and / or the tripping current of the aforementioned
  • Overcurrent protection device are adversely affected. Pre-aging caused by the melting of the coating is thus effectively prevented.
  • a preformed solder part is used, the melting temperature of which is less than 230 ° C, in particular less than 150 ° C.
  • a lead-free preformed solder part with such a low melting temperature (also: liquidity temperature or soldering temperature) is described in the prior art by the scientific article “Preform-based diffusion soldering for use under conventional soldering process parameters” by HM Daoud et al. (European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition, DOI 10.23919 / EMPC.2017.8346889).
  • the preformed solder part presented therein is manufactured and sold by Victoria under the name PFDS400®.
  • the preformed solder part is made from a composite material which has a first composite component made from a solder alloy, which is arranged in a metallic matrix which forms the second composite component.
  • the second composite component is in particular a metal with a comparatively high melting temperature, such as copper or silver.
  • the solder alloy is arranged in layers in the metallic matrix.
  • the preformed solder part is preferably oriented in such a way that the layers or plies are arranged essentially parallel to the two solderable surfaces of the components to be connected.
  • the preformed solder part is characterized in that, during soldering, intermetallic phases are formed which run along the layers of the solder alloy. As a result of the layered structure of the preformed solder part, the intermetallic phases are arranged distributed essentially uniformly over the entire preformed solder joint, as a result of which the soldered connections produced with the preformed solder part have excellent mechanical resistance.
  • a solder connection with continuous intermetallic phases extending over the entire solder connection is otherwise only known in connection with the hard solder connections mentioned at the beginning.
  • soldered connection made with the PFDS400® preformed solder part is resistant to significantly higher working temperatures despite the comparatively low liquidity temperature of the preformed solder part, especially with regard to remelting of the soldered joint.
  • a PFDS400® preformed solder part with a tin-containing solder alloy has a liquidity temperature of about 225 ° C, with a solder connection made with it being stable at working temperatures of at least 400 ° C.
  • a PFDS400® preformed solder part with an indium-containing solder alloy has an even lower liquidity temperature of approx. 125 ° C, whereby a solder connection made with it is stable at working temperatures of at least 325 ° C.
  • Another, general advantage of using preformed solder parts is that their shape can essentially be adapted to the special configuration of the components to be soldered, in particular their shape (ie in this case to the shape of the resistance element and the contact elements). This means that with the Method according to the invention can be produced in a particularly simple manner in terms of production engineering of high quality solder connections. Such an adaptation of the preformed solder part is explained in more detail in the further developments mentioned below.
  • a preformed solder part which has an end face facing the first end section or the second end section and in which a guide extending to a predetermined depth is introduced into the preformed solder part to accommodate the first or second end section , and wherein the method comprises the following step: introducing the respective first or second end section into the guide of the respective solder preform before producing the first or second solder connection.
  • a preformed solder part is used, the guide of which tapers conically.
  • a preformed solder part which essentially has the shape of a full torus, the interior of the full torus forming the guide. In a further embodiment of the method, it is the
  • Resistance element around a wire wound in turns around an electrically insulating core with a predetermined minimum number of turns of the wire being inserted into the guide of the respective preformed solder part when the first or second end section is inserted.
  • At least 10 turns of the wire are introduced into the guide of the respective preformed solder part.
  • the diameter of the guide is 1.1 times the diameter of the insulating core.
  • the first contact element and / or the second contact element are / is cup-shaped, the respective preformed solder part being placed in the respective cup-shaped contact element before the respective solder connection is made, and then the respective one End portion of the resistance element is introduced into the guide, and wherein a solder preform is used, the shape of which is adapted to the contour of the interior of the cup-shaped contact element.
  • a solder preform is used, the shape of which is adapted to the contour of the interior of the cup-shaped contact element.
  • Such cup-shaped contact elements are used, for example, in the manufacture of SMD-solderable overcurrent protection devices, the overcurrent protection devices being characterized on the basis of the tripping current and the contact resistance between the contact elements.
  • the invention also relates in particular to the use of a lead-free preformed solder part in the production of the first solder connection and / or the second solder connection.
  • the invention also relates to an electronics unit with a printed circuit board, the SMD-solderable component according to the invention being soldered to the respective contact areas provided for this purpose on the surface of the printed circuit board, which component in particular is produced by the method according to the invention.
  • the electronics unit is designed for use in potentially explosive areas.
  • Such electronic units have to meet very high safety requirements with regard to explosion protection.
  • Explosion protection is particularly about avoiding the formation of sparks or at least ensuring that a spark that occurs in the event of a fault has no effect on the environment.
  • a number of associated protection classes are defined in the relevant standards, in particular in the European standard IEC 600079-11 and / or EN60079-11
  • Explosion protection is achieved by the fact that the spatial distances between two different electrical potentials are so large that spark formation cannot occur due to the distance, even in the event of a fault.
  • additional protection class called “Flameproof Enclosure” (Ex-d)
  • electronic units designed according to this protection class must have sufficient mechanical strength or stability.
  • Comparable protection classes are in the American standard FM3610 and / or the ANSI / UL60079-11 and / or the Canadian standard CAN / CAS C22.2 No. 60079-11 defined.
  • Overcurrent protection device is therefore used in an electronic unit designed for use in potentially explosive areas.
  • the electronics unit is therefore designed in accordance with a protection class of the aforementioned standards.
  • the reliability of the overcurrent protection device according to the invention which is achieved by the high quality of the first and / or second solder connection, is of particularly great importance.
  • the invention also relates to a field device in automation technology with an electronic unit according to the invention.
  • Fig. 1 An SMD-solderable component according to the prior art
  • FIG. 3a A perspective view of an embodiment of the preformed solder part which is used in the production of the SMD-solderable component according to the invention
  • FIG. 1 shows an SMD-solderable component according to the prior art.
  • This has two contact elements 12a, 12b which are provided for soldering onto contact surfaces provided for this purpose on a printed circuit board of an electronics unit.
  • a resistor element 14 is arranged between the contact elements 12a, 12b and is connected to the contact elements 12a, 12b in a materially bonded manner at its end sections by means of a lead-containing solder connection 13a, 13b.
  • the solder connections 13a, 13b are produced by means of a lead-containing solder wire.
  • the demanding handling of the solder wire leads to the fact that an optimal alignment of the resistance element 14 in relation to the contact elements is not always achieved when the solder connection is made. This applies in particular to the case that it is a particularly small SMD-solderable component, ie with a maximum size of 1 cm.
  • the resistance element 14 is a wire 15 wound around an insulating core.
  • the applicant's investigations further show that in some cases there is an undesired formation of solder balls 16 (also: solder bridges) between adjacent turns of the wound wire 15. This is shown as an example in the detail identified by the dashed circle.
  • the solder beads 16 are created in that a high soldering temperature causes an at least partial melting of the wire 15 when the solder connection 13a, 13b is made.
  • the solder balls 16 short-circuit adjacent turns of the wire 15, so that the effective length and thus the resistance of the resistance element 14 are influenced.
  • solder connections 13a; 13b are lead-containing solder connections 13a; 13b.
  • the invention now specifies an improved SMD-solderable component 5 or an improved method for producing an SMD-solderable component 5, which overcomes the disadvantages observed in the prior art.
  • the preformed solder part 4a; 4b is each arranged between a respective first or second end section 1a, 1b of a resistor element 1 and a respective contact element 2a, 2b.
  • the preformed solder part 4a, 4b consists of a composite material in which a Sn or In-containing solder alloy is used as the first composite component VK1 (shown here as dotted areas) essentially in layers in a copper or copper alloy forming the second composite component VK2 (shown here as white areas) Silver matrix is embedded.
  • the solder preform 4a, 3b is applied to the solderable surface of the respective contact element 2a, 2b in such a way that the layers or plies of the first
  • Composite component VK1 with the solder alloy are arranged essentially parallel to the solderable surface of the contact element 2a, 2b.
  • a major advantage of the preformed solder part 4a, 4b is its comparatively low soldering temperature, namely with a liquidity temperature Tlot of the preformed solder part 4a, 4b (also: soldering temperature) of below 230 ° C. In this way, pre-aging of the resistance element 1 caused by a high soldering temperature when the solder connections 3a, 3b are made can be prevented.
  • Solder connections 3a, 3b are achieved, for example, by a reflow process with a vaporous heat transfer medium, or by a selective soldering process.
  • the latter include soldering with a soldering iron, light soldering processes, for example with a laser or infrared radiation, induction soldering or soldering by means of microwaves, as well as the bracket selective soldering process, in which a bracket is pressed onto the solder joint and the
  • Soldering temperature is reached by means of an electric current flowing through the bracket.
  • solder connections 3a, 3b produced therewith and consequently also the SMD-solderable component 5 are advantageously lead-free.
  • the use of the lead-free preformed solder part 4a, 4b when producing the soldered connections 3a, 3b can also be seen on the SMD-solderable component 5 that the intermetallic phases formed during soldering are arranged essentially evenly distributed over the entire thickness of the soldered connection 3a, 3b.
  • solder connection 13a; 13b In the case of a lead-containing solder connection 13a; 13b produced by soft soldering, however, the intermetallic phases are essentially on a first boundary layer between the solder connection 13a; 13b and the contact element 12a; 12b and a second interface between the solder connection 13a; 13b and the first end section 1a (or second end section 1b).
  • the preformed solder part 4a, 4b is advantageously adapted to the contact elements 2a, 2b and the resistance element 1. This is shown in more detail in FIGS. 3a-3c, in each case in connection with the first solder connection 3a or a solder preform 4a used in its production.
  • all the exemplary embodiments and explanations shown in connection with FIGS. 3a-3c also apply equally to the second solder connection 3b or a solder preform 4b used in its production.
  • the preformed solder part 4a is advantageously very simple over its entire circumference, i.e. it can be coated with a flux on all of its surfaces, for example as part of a drum coating.
  • FIG 3a shows a perspective view of a preformed solder part 4a which is used when producing the solder connection 3a between an elongated, in particular essentially fully cylindrical, resistance element 1 and a contact element 2a.
  • the shape of the preformed solder part 4a is adapted to the resistance element 1 and the contact element 3a.
  • FIG. 3b shows a sectional view of a detail of the components 2a, 1a to be connected when the solder connection 3a is produced.
  • the contact element 2a is a cup-shaped end cap with a rectangular bottom surface, in which the preformed solder part 4a is placed before the soldered connection 3a is made.
  • the preformed solder part 4a is therefore designed here as essentially cuboid.
  • the shape of the preformed solder part 4a in particular its outer contour, is therefore adapted to the inner contour of the contact element 2a designed as a cup-shaped end cap.
  • the preformed solder part 4a essentially has the shape of a full torus. This is advantageous, for example, for the most uniform possible distribution of the liquefied solder when the solder preform 4a is melted and / or in the case of a hollow cylindrical contact element 2a, i.e. a cup-shaped end cap with a round bottom surface.
  • the preformed solder part 4a has a guide 7 configured, for example, as a blind hole or else a continuous guide.
  • the guide 7 is introduced into that end face SF of the preformed solder part 4a which faces the first end section 1a of the elongated resistor element 1 during soldering.
  • the guide 7 is used to introduce the first end section 1a into the preformed solder part 4a. It enables a particularly simple alignment of the resistance element 1 in relation to the preformed solder part 4a and the contact element 2a before the contact element 2a is soldered to the first end section 1a.
  • the first end section 1 a is at least introduced into the solder preform 4a up to a predetermined depth h. As shown in FIG.
  • the elongate resistance element 1 is a conductive wire 8 which is wound around an insulating core 9 in turns.
  • the predetermined depth h ensures that a minimum number of turns of the wire 8 required for a sufficiently good conductive contact between the resistance element 1 and the contact element 2a is inserted into the preformed solder part 4a.
  • the manufacture of the SMD-solderable component 5 is ultimately also simplified.
  • An SMD-solderable component 5 is thus produced in which the soldered connection 3a is of a reliably high quality. This is shown in Fig. 3c.
  • the risk of the formation of solder balls is particularly great if the SMD-solderable component 5 is particularly small or if a distance between mutually adjacent turns of the wound wire 8 is particularly small. This is the case, for example, for overcurrent protection devices that have a tripping current between 0.02 and 1 A and a dimension of less than 2 cm.
  • the invention is therefore particularly suitable for such SMD-solderable components.
  • the SMD-solderable component 5 is used in an electronics unit 10 of a field device 11 of automation technology.
  • a field device 11 of automation technology is shown in more detail in FIG.
  • the field device 11 has a sensor unit 17, in particular at least temporarily and / or at least partially in contact with a process medium, which serves to generate a measurement signal, for example electrical and / or electronic, which represents the process variable.
  • the electronics unit 10 arranged in a transmitter housing 19 of the field device 11 is used for processing and / or forwarding the measurement signals generated by the sensor unit 17.
  • the electronics unit 10 typically comprises at least one circuit board 18 with components arranged thereon.
  • the SMD-solderable component 5 according to the invention is soldered onto the printed circuit board 18.
  • the field device 11 has a further electronics unit 20 configured as a display / input unit, with a (touch) display mounted thereon.
  • the SMD-solderable component s according to the invention can of course also be soldered onto a printed circuit board of the electronics unit 20 configured as a display / input unit.
  • the SMD-solderable component 5 is the aforementioned overcurrent protection device (ie with the aforementioned dimension or the aforementioned tripping current), which is used in a field device 11 that is designed for use in potentially explosive areas .
  • VK1 first composite component

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein SMD-lötbares Bauelement (5) aufweisend: -ein Widerstandselement (1) -ein erstes Kontaktelement (2a) und ein zweites Kontaktelement (2b), wobei das erste Kontaktelement (2a) mit einem ersten Endabschnitt (1a) des Widerstandselements (1) mittels einer ersten Lotverbindung (3a) und das zweite Kontaktelement (2b) mit einem zweiten Endabschnitt (1b) des Widerstandselements (1) mittels einer zweiten Lotverbindung (3b) verbunden ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer der ersten Lotverbindung (3a) und/oder der zweiten Lotverbindung (3b) um eine bleifreie Lotverbindung handelt, die mit einem bleifreien Lotformteil (4a;4b) hergestellt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements (5).

Description

SMD-lötbares Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren
Bauelements
Die Erfindung betrifft ein SMD-lötbares Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements, aufweisend:
-ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement, wobei das erste und das zweite Kontaktelement zum Auflöten auf dafür vorgesehene Kontaktflächen auf der Leiterplatte vorgesehen sind, wobei das erste Kontaktelement mit einem ersten Endabschnitt des Widerstandselements mittels einer ersten Lotverbindung und das zweite Kontaktelement mit einem zweiten Endabschnitt des Wderstandselements mittels einer zweiten Lotverbindung verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements, eine Elektronikeinheit mit einem SMD- lötbares Bauelement und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Elektronikeinheit.
Im Stand der Technik erfolgt eine Klassifizierung von Lotverbindungen nach der Liquidustemperatur des Lotes. Bei einer Liquidustemperatur von unter 450°C handelt es sich definitionsgemäß um eine sogenannte Weichlotverbindung. Ab 450 °C spricht man von einer Hartlotverbindung, da letztere im Allgemeinen eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein SMD-lötbares Bauelement, bei dem die erste und zweite Lotverbindung als eine Weichlotverbindung ausgestaltet ist.
Das SMD-lötbare Bauelement ist zum Auflöten auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit vorgesehen. SMD-lötbare Bauelemente (kurz für 'Surface Mounted Devices' d.h. oberflächen-montierbare Bauelemente) werden mit ihren Kontaktelementen direkt an für sie vorgesehene Anschlüsse aufgelötet. Hierzu werden die SMD- Bauelemente mit Bestückungsautomaten maschinell auf die mit Lotpaste versehene Kontakte auf der Leiterplatte platziert und gemeinsam mit einem sogenannten Reflow- Lötprozess in einem Reflow-Lötofen aufgelötet. Damit kann gleichzeitig eine Vielzahl von SMD-lötbaren Bauelemente auf der Leiterplatte aufgelötet werden.
In der Automatisierungstechnik, insb. in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen eingesetzt. Als Feldgeräte werden dabei im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Dabei handelt es sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit auf, welche der Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals dient. Ferner weisen diese oftmals eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf, wobei die Elektronikeinheit der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von von der Sensoreinheit erzeugten Signalen, insbesondere elektrischen und/oder elektronischen Signalen, dient. Typischerweise umfasst die
Elektronikeinheit zumindest eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Bauelementen. Insbesondere handelt es sich bei der Elektronikeinheit um eine Elektronikeinheit eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik. Aus dem Stand der Technik sind SMD-lötbare Bauelemente mit einer bleihaltigen (Weich-)Lotverbindung bekannt, die zum Auflöten auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit, insb. eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, vorgesehen sind.
Zum Schutz der Umwelt und von Personen ist man heute bemüht, den Einsatz von Schwermetallen, wie z.B. Blei oder Quecksilber, zu vermeiden. In diese Richtung zielt auch die RoHS-Richtlinie (Restriction of Certain Hazardous Substances) der Europäischen Union, die den Einsatz bestimmter gefährlicher Stoffe, wie z.B. Blei, in der Elektroindustrie verbietet. Dies bedeutet, dass letztendlich auch alle Komponenten des SMD-lötbaren Bauelements, insb. auch die bei seiner Herstellungen hergestellten Lotverbindungen, möglichst bleifrei sein sollten.
Da die Eigenschaften des SMD-lötbaren Bauelements unter anderem durch einen Übergangswiderstand zwischen seinen Kontaktelementen bestimmt wird, muss zudem die erste und/oder die zweite Lotverbindung von einer entsprechend hohen Qualität sein, damit sichergestellt ist, dass das SMD-lötbare Bauelement die in seiner Spezifikation angegebenen Übergangs-widerstände tatsächlich auch zuverlässig erfüllt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein bleifreies SMD-lötbares Bauelement anzugeben, das mit einer ausreichend hohen Zuverlässigkeit einen vorgegebenen Übergangswiderstand zwischen seinen Kontaktelementen aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein SMD-lötbares Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements. Bezüglich des SMD-lötbaren Bauelements wird die Aufgabe gelöst durch ein SMD- lötbares Bauelement zum Auflöten auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit, aufweisend:
- ein Widerstandselement -ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement, wobei das erste und das zweite Kontaktelement zum Auflöten auf dafür vorgesehene Kontaktflächen auf der Leiterplatte vorgesehen sind, wobei das erste Kontaktelement mit einem ersten Endabschnitt des Widerstandselements mittels einer ersten Lotverbindung und das zweite Kontaktelement mit einem zweiten Endabschnitt des Widerstandselements mittels einer zweiten Lotverbindung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer der ersten und/oder der zweiten Lotverbindung um eine bleifreie Lotverbindung handelt, die mit einem bleifreien Lotformteil hergestellt ist.
Durch die Verwendung eines bleifreien Lotformteils ist zum einen sichergestellt, dass die erste und/oder zweite Lotverbindung konform zu den vorstehend genannten ROHS- Normen ist.
Zum anderen sind Lotformteile in der Fertigung des SMD-lötbaren Bauelements wesentlich einfacher handhabbar im Vergleich zu Lotpasten und/oder Lotdrähten. Durch diesen fertigungstechnischen Vorteil weist die erste und/oder zweite Lotverbindung zuverlässig eine ausreichend hohe Qualität, und entsprechend das SMD-lötbare Bauelement mit einer ausreichenden hohen Zuverlässigkeit den dafür spezifizierten
Übergangswiderstand auf. Bei dem Widerstandselement handelt es sich insb. um einen längliches Widerstandselement.
In einer Ausgestaltung des SMD-lötbaren Bauelements handelt es sich bei dem SMD- lötbaren Bauelement um eine Überstromschutzeinrichtung, insb. eine Schmelzsicherung, mit einem Auslösestrom, wobei der Auslösestrom der Überstromschutzeinrichtung insb. zwischen 0,02 und 1 A (Ampere) ist.
In einer Ausgestaltung des SMD-lötbaren Bauelements weist das SMD-lötbare Bauelement eine Abmessung von maximal 20 mm (Millimeter) auf, wobei insb. ein
Abstand zwischen den Kontaktelementen kleiner als 15 mm ist. Der „Abstand“ zwischen den Kontaktelementen bezieht sich insbesondere auf einen Abstand zwischen Grenzflächen der Kontaktelemente, an die deren jeweilige Lotverbindung angrenzt. Der Vorteil der einfacheren Handhabung eines Lotformteils im Vergleich zu Lotpasten und/oder Lotdrähten zeigt sich insbesondere bei derartig kleinen Bauelementen, da in diesem Fall die miteinander mittels der ersten und/oder zweiten Lotverbindung stoffschlüssig zu verbindenden Komponenten (nämlich das erste und/oder zweite Kontaktelement und das Widerstandselement) entsprechend kleine Abmessungen aufweisen. Bezüglich des Verfahrens zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements, aufweisend:
- ein Widerstandselement -ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement, umfassend die Schritte:
- Herstellen einer ersten Lotverbindung, mittels derer ein erster Endabschnitt des Wderstandselements mit dem ersten Kontaktelement verbunden wird,
- Herstellen einer zweiten Lotverbindung, mittels derer ein zweiter Endabschnitt des Wderstandselements mit dem zweiten Kontaktelement verbunden wird, wobei bei dem Herstellen mindestens einer der ersten und/oder der zweiten Lotverbindung ein bleifreies Lotformteil verwendet wird, das zwischen dem ersten Endabschnitt und dem ersten Kontaktelement oder dem zweiten Endabschnitt und dem zweiten Kontaktelement angeordnet wird.
Insbesondere ist das SMD-lötbare Bauelement zum Auflöten auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit vorgesehen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Lotformteil mit einem Flussmittel beschichtet. Der Verfahrensschritt der Beschichtung mit Flussmittel wird typischerweise vor dem Herstellen der jeweiligen ersten oder zweiten Lotverbindung vorgenommen. Beispielsweise handelt es sich um eine sogenannte Trommelbeschichtung, bei der das Lotformteil vollumfänglich mit Flussmittel beschichtet wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Lotformteil verwendet dessen Schmelztemperatur kleiner als die Schmelztemperatur einer Beschichtung des Wderstandselements, insb. einer Verzinnung, ist.
In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung wird also ein bleifreies Lotformteil mit einer niedrigen Schmelztemperatur verwendet. Dadurch wird verhindert, dass beim Herstellen der ersten und/oder zweiten Lotverbindung eine Voralterung der Bestandteile des SMD-lötbaren Bauelements, insb. des Wderstandselements, stattfindet. Insbesondere wird verhindert, dass eine Beschichtung des Wderstandselements aufschmilzt, wodurch der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen und/oder der Auslösestrom der vorstehend genannten
Überstromschutzeinrichtung ungünstig beeinflusst werden. Eine durch das Aufschmelzen der Beschichtung bedingte Voralterung wird also wirksam verhindert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Lotformteil verwendet, dessen Schmelztemperatur kleiner als 230°C , insb. kleiner als 150°C ist. Ein bleifreies Lotformteil mit einer derartig niedrigen Schmelztemperatur (auch: Liquiditätstemperatur oder Löttemperatur) ist im Stand der Technik durch den wissenschaftlichen Artikel „Preform-based diffusion soldering for use under conventional soldering process Parameters“ von H. M. Daoud et al. (European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition, DOI 10.23919/EMPC.2017.8346889) bekannt geworden. Das darin vorgestellte Lotformteil wird von der Fa. Pfarr unter dem Namen PFDS400® hergestellt und vertrieben. Das Lotformteil ist aus einem Verbundwerkstoff, das eine erste Verbundkomponente aus einer Lotlegierung aufweist, die in einer die zweite Verbundkomponente bildenden metallischen Matrix angeordnet ist. Bei der zweiten Verbundkomponente handelt es sich insb. um ein Metall mit einer vergleichsweise hohen Schmelztemperatur, wie etwa Kupfer oder Silber. Die Lotlegierung ist dabei in Schichten bzw. Lagen in der metallischen Matrix angeordnet. Das Lotformteil wird beim Löten vorzugsweise derart orientiert, dass die Schichten bzw. Lagen im Wesentlichen parallel zu den beiden lötfähigen Oberfläche der zu verbindenden Komponenten angeordnet sind.
Das Lotformteil zeichnet sich dadurch aus, dass bei Löten intermetallische Phasen gebildet werden, die entlang der Schichten der Lotlegierung verlaufen. Durch den lagenförmigen Aufbau des Lotformteils sind die intermetallischen Phasen über die ganze Lotverbindung im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet, wodurch die mit dem Lotformteil erzeugten Lotverbindungen eine ausgezeichnete mechanische Beständigkeit aufweisen. Eine Lotverbindung mit durchgängigen, sich über die ganze Lotverbindung erstreckenden intermetallischen Phasen ist ansonsten nur im Zusammenhang mit den eingangs erwähnten Hartlotverbindungen bekannt.
Ein weiterer Vorteil des Lotformteils ist darin zu sehen, dass mit dem PFDS400® Lotformteil hergestellte Lotverbindung trotzt der vergleichsweise niedrigen Liquiditätstemperatur des Lotformteils unter wesentlich höheren Arbeitstemperaturen beständig ist, insb. in Bezug auf ein Wiederaufschmelzen der Lotverbindung. Bspw. weist ein PFDS400® Lotformteil mit einer Zinn-haltigen Lotlegierung eine Liquiditätstemperatur von etwa 225°C auf, wobei eine damit hergestellte Lotverbindung unter Arbeitstemperaturen von mind. 400°C beständig ist. Ein PFDS400® Lotformteil mit einer Indium-haltigen Lotlegierung weist sogar eine noch kleinere Liquiditätstemperatur von ca. 125°C auf, wobei eine damit hergestellte Lotverbindung unter Arbeitstemperaturen von mind. 325°C beständig ist.
Ein weiterer, allgemeiner Vorteil bei der Verwendung von Lotformteilen besteht darin, dass ihre Form im Wesentlichen an die spezielle Ausgestaltung der zu verlötenden Komponenten, insbesondere deren Form anpassbar ist (d.h. in diesem Fall an die Form des Widerstandselements und der Kontaktelemente). Dadurch sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fertigungstechnisch besonders einfach Lotverbindungen von hoher Qualität herstellbar. Eine derartige Anpassung des Lotformteils ist in den nachstehend genannten Weiterbildungen näher erläutert. In einer ersten Weiterbildung des Verfahrens wird ein Lotformteil verwendet, das eine jeweils dem ersten Endabschnitt oder dem zweiten Endabschnitt zugewandte Stirnfläche aufweist, in der eine sich mit einer vorgegebenen Tiefe in das Lotformteil erstreckende Führung eingebracht ist, zur Aufnahme für den jeweils ersten oder zweiten Endabschnitt, und wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: - Einführen des jeweils ersten oder zweiten Endabschnitts in die Führung des jeweiligen Lotformteils vor dem Herstellen der ersten oder zweiten Lotverbindung.
In einer zweiten Weiterbildung des Verfahrens wird wobei ein Lotformteil verwendet wird, dessen Führung sich konisch verjüngt.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung wird ein Lotformteil verwendet, das im Wesentlichen die Form eines Volltorus aufweist, wobei das Innere des Volltorus die Führung bildet. In einerweiteren Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem
Widerstandselement um ein in Windungen um einen elektrisch isolierenden Kern gewickelten Draht, wobei beim Einführen des ersten oder zweiten Endabschnitts jeweils eine vorgegebene Mindestanzahl von Windungen des Drahts in die Führung des jeweiligen Lotformteils eingeführt werden.
Dadurch ist ein ausreichender guter Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Draht und den Lotformteil sichergestellt. Dies führt zu einer besonders hohen Qualität der mit dem Lotformteil hergestellten Lotverbindung zwischen dem jeweiligen Kontaktelement und dem Lotformteil.
Beispielsweise werden zumindest 10 Windungen des Drahts in die Führung des jeweiligen Lotformteils eingeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens beträgt der Durchmesser der Führung das 1 ,1 fache eines Durchmessers des isolierenden Kerns.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind/ist das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelemente becherförmig, wobei das jeweilige Lotformteil vor dem Herstellen der jeweiligen Lotverbindung in dem jeweiligen becherförmigen Kontaktelement platziert wird, und anschließend der jeweilige Endabschnitt des Widerstandselements in die Führung eingeführt wird, und wobei ein Lotformteil verwendet wird, dessen Form an die Kontur des Inneren des becherförmigen Kontaktelements angepasst ist. Derartige becherförmige Kontaktelemente werden bspw. bei der Herstellung von SMD- lötbaren Überstromschutzeinrichtungen verwendet, wobei die Überstromschutzeinrichtungen anhand des Auslösestroms und des Übergangswiderstands zwischen den Kontaktelementen charakterisiert sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch die Verwendung eines bleifreien Lotformteils bei der Herstellung der ersten Lotverbindung und/oder zweiten Lotverbindung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Elektronikeinheit mit einer Leiterplatte, wobei auf jeweils dafür vorgesehene Kontaktflächen auf der Oberfläche der Leiterplatte das erfindungsgemäße SMD-lötbaren Bauelement aufgelötet ist, das insb. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
In einer Ausgestaltung der Elektronikeinheit ist die Elektronikeinheit für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestaltet. Derartige Elektronikeinheiten müssen sehr hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügen. Beim Explosionsschutz geht es insb. darum, die Bildung von Funken sicher zu vermeiden oder zumindest sicherzustellen, dass ein im Fehlerfall entstandener Funke keine Auswirkungen auf die Umgebung hat. Hierfür sind in entsprechende Normen eine Reihe von dazugehörigen Schutzklassen definiert, insbesondere in der europäischen Norm IEC 600079-11 und/oder EN60079-11
Bspw. wird in der Schutzklasse mit dem Namen „Eigensicherheit“ (Ex-i) der Explosionsschutz dadurch erzielt, dass die Werte für eine elektrische Größe (Strom, Spannung, Leistung) zu jeder Zeit jeweils unterhalb eines jeweils vorgegebenen Grenzwertes liegen, damit auch im Fehlerfall kein Zündfunken erzeugt wird. In der weiteren Schutzklasse mit dem Namen „Erhöhte Sicherheit“ (Ex-e) wird der
Explosionsschutz dadurch erzielt, dass die räumlichen Abstände zwischen zwei verschiedenen elektrischen Potentialen so groß sind, dass eine Funkenbildung auch im Fehlerfall aufgrund der Distanz nicht auftreten kann. In der weiteren Schutzklasse mit dem Namen „Druckfeste Kapselung“ (Ex-d) müssen Elektronikeinheiten, die gemäß dieser Schutzklasse ausgebildet sind, eine ausreichende mechanische Festigkeit bzw. Stabilität aufweisen.
Vergleichbare Schutzklassen sind in der amerikanischen Norm FM3610 und/oder der ANSI/UL60079-11 und/oder der kanadischen Norm CAN/CAS C22.2 No. 60079-11 definiert. Das SMD-lötbare Bauelement, insbesondere die SMD-lötbare
Überstromschutzeinrichtung, wird also bei einer für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestalteten Elektronikeinheit verwendet. Insb. ist also die Elektronikeinheit gemäß einer Schutzklasse der vorstehend genannten Normen ausgestaltet ist. Hierbei ist die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung, welche durch die hohe Qualität der ersten und/oder zweiten Lotverbindung erreicht wird, von besonders großer Bedeutung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
Es zeigen:
Fig. 1 : Ein SMD-lötbares Bauelement nach dem Stand der Technik
Fig. 2: Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen SMD-lötbaren Bauelements;
Fig. 3a: Ein perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des Lotformteils, das beim Herstellen des erfindungsgemäßen SMD-lötbaren Bauelements verwendet wird;
Fig 3b, c: Eine Schnittansicht eines Details beim Herstellen der ersten Lotverbindung in einer Ausgestaltung der Erfindung.
Fig. 4: Eine Ausgestaltung eines Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Elektronikeinheit, die eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen SMD-lötbaren Bauelements aufweist.
Fig. 1 zeigt ein SMD-lötbares Bauelement nach dem Stand der Technik. Dieses weist zwei Kontaktelemente 12a, 12b auf, die zum Auflöten auf dafür vorgesehenen Kontaktflächen einer Leiterplatte einer Elektronikeinheit vorgesehen sind. Zwischen den Kontaktelementen 12a, 12b ist ein Widerstandselement 14 angeordnet, das an seinen Endabschnitten mittels jeweils einer bleihaltigen Lotverbindung 13a, 13b mit den Kontaktelementen 12a, 12b stoffschlüssig verbunden ist. Bei dem SMD-lötbaren Bauelement aus dem Stand der Technik werden die Lotverbindungen 13a, 13b mittels eines bleihaltigen Lotdrahts hergestellt. Die anspruchsvolle Handhabung des Lotdrahts führt dazu, dass eine optimale Ausrichtung des Widerstandselements 14 in Bezug zu den Kontaktelementen beim Herstellen der Lotverbindung nicht immer erreicht wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass es sich um eine besonders kleines SMD-lötbares Bauelement d.h. mit einer Abmessungen von maximal 1 cm aufweist.
Untersuchungen der Anmelderin an einer Reihe von in gleicher weise hergestellter SMD- lötbarer Bauelemente nach dem Stand der Technik zeigen, dass bei einigen der SMD- lötbaren Bauelemente die Lotverbindung 13b erst wie in Fig. 1 dargestellt am Rand des Kontaktelements 12b vorliegt, und ferner das Widerstandselement 14 zwischen den beiden Kontaktelementen 12a, 12b leicht schräg verläuft.
Bei dem Wderstandselement 14 handelt es sich um einen um einen isolierenden Kern gewickelten Draht 15. Die Untersuchungen der Anmelderin zeigen weiter, dass in einigen Fällen eine ungewünschte Bildung von Lotperlen 16 (auch: Lotbrücken) zwischen zueinander benachbarten Wndungen des gewickelten Drahts 15 vorliegt. Dies ist in dem durch den gestrichelten Kreis gekennzeichneten Detail exemplarisch dargestellt. Die Lotperlen 16 entstehen dadurch, dass eine hohe Löttemperatur beim Herstellen der Lotverbindung 13a, 13b ein zumindest teilweises Aufschmelzen des Drahts 15 bewirkt. Durch die Lotperlen 16 werden zueinander benachbarte Wndungen des Drahts 15 kurzgeschlossen, so dass die effektive Länge und damit der Widerstand des Wderstandselements 14 beeinflusst wird.
Die Kombination der in Fig. 1 gezeigten und in der Fertigung des SMD-lötbaren Bauelements beim Herstellen der Lotverbindungen 13a, 13b hervorgerufenen, ungewünschten Eigenschaften (schräger Verlauf des Wderstandselements 1 ;
Lotverbindung 13b am Rand des Kontaktelements 12b; Bildung der Lotperle 16) können im ungünstigsten Fall dazu führen, dass das SMD-lötbare Bauelement nicht mehr die dafür angegebenen Spezifikationen erfüllt. Bspw. kann ein vorgegebener Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen 12a, 12b und/oder ein vorgegebener Auslösestrom eines als Überstromschutzeinrichtung ausgebildeten SMD- lötbaren Bauelements nicht erreicht werden.
Ein weiterer großer Nachteil ist, dass es sich bei der untersuchten Lotverbindungen 13a;13b um bleihaltige Lotverbindungen 13a;13b handelt.
Die Erfindung gibt nun ein verbessertes SMD-lötbares Bauelement 5 bzw. eine verbessertes Verfahern zur Herstellung eines SMD-lötbaren Bauelements 5 an, welches die im Stand der Technik beobachteten Nachteile überwindet.
Dies ist in Fig. 2 näher dargestellt. Bei der Herstellung jeweils einer ersten und zweiten Lotverbindung 3a, 3b wird das als
PFDS400® bezeichnete bleifreie Lotformteil 4a, 4b verwendet. Das Lotformteil 4a;4b wird jeweils zwischen einem jeweiligen ersten oder zweiten Endabschnitt 1a, 1b eines Widerstandselements 1 und einem jeweiligen Kontaktelement 2a, 2b angeordnet. Das Lotformteil 4a, 4b besteht aus einem Verbundwerkstoff, bei dem eine Sn oder ln-haltige Lotlegierung als erste Verbundkomponente VK1 (hier als gepunktete Flächen dargestellt) im Wesentlichen schichtförmig in einer die zweite Verbundkomponente VK2 (hier als weiße Flächen dargestellt) bildenden Kupfer- oder Silbermatrix eingebettet ist. Das Lotformteil 4a, 3b ist dabei derart auf die lotfähige Oberfläche des jeweiligen Kontaktelements 2a, 2b aufgebracht, dass die Schichten bzw. Lagen der ersten
Verbundkomponente VK1 mit der Lotlegierung im Wesentlichen parallel zu der lotfähigen Oberfläche des Kontaktelements 2a, 2b angeordnet sind.
Ein großer Vorteil des Lotformteils 4a, 4b ist seine vergleichsweise niedrige Löttemperatur, nämlich mit einer Liquiditätstemperatur Tlot des Lotformteils 4a, 4b (auch: Löttemperatur) von unter 230°C. Dadurch kann eine durch eine hohe Löttemperatur bedingte Voralterung des Widerstandselements 1 beim Herstellen der Lotverbindungen 3a, 3b verhindert werden. Die Liquiditätstemperatur Tlot des Lotformteils 4a, 4b beim Herstellen der
Lotverbindungen 3a, 3b wird bspw. durch einen Reflow-Prozess mit einem dampfförmigen Wärmeübertragungsmedium erreicht, oder aber durch ein Selektiv-Lötverfahren. Letztere umfassen das Löten mit einem Lötkolben, Lichtlötverfahren, etwa mit einem Laser oder Infrarot-Strahlung, das Induktionslöten oder Löten mittels Mikrowellen, sowie das Bügel- Selektivlötverfahren, bei dem ein Bügel auf die Lötstelle gepresst wird und die
Löttemperatur mittels eines den Bügel durchfließenden elektrischen Stroms erreicht wird.
Da es sich um ein bleifreies Lotformteil 4a, 4b handelt, sind vorteilhaft die damit hergestellten Lotverbindungen 3a, 3b und folglich auch das SMD-lötbare Bauelement 5 bleifrei. Das Verwenden des bleifreien Lotformteils 4a, 4b beim Herstellen der Lotverbindungen 3a, 3b ist zudem dadurch an dem SMD-lötbaren Bauelement 5 erkennbar, dass die beim Löten gebildeten intermetallischen Phasen über die ganze Dicke der Lotverbindung 3a, 3b im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Bei einer in einem Weichlöten hergestellten bleihaltigen Lotverbindung 13a;13b sind die intermetallischen Phasen dagegen im Wesentlichen auf eine erste Grenzschicht zwischen der Lotverbindung 13a; 13b und dem Kontaktelement 12a; 12b und eine zweite Grenzschicht zwischen der Lotverbindung 13a; 13b und dem ersten Endabschnitt 1a (bzw. zweiten Endabschnitt 1b) begrenzt. Das Lotformteil 4a, 4b ist vorteilhaft an die Kontaktelemente 2a, 2b und das Widerstandselement 1 angepasst. Dies ist in den Fig. 3a-3c näher dargestellt, jeweils im Zusammenhang mit der ersten Lotverbindung 3a bzw. einem bei deren Herstellung verwendeten Lotformteil 4a. Selbstverständlich gelten alle im Zusammenhang mit Fig. 3a- 3c gezeigten Ausführungsbeispiele und Erläuterungen gleichermaßen auch für die zweite Lotverbindung 3b bzw. einem bei deren Herstellung verwendeten Lotformteil 4b.
Das Lotformteil 4a ist vorteilhaft sehr einfach vollumfänglich d.h. auf allen seiner Oberflächen, mit einem Flussmittel beschichtbar ist, bspw. im Rahmen einer Trommelbeschichtung.
Fig. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lotformteils 4a, das beim Herstellen der Lotverbindung 3a zwischen einem länglichen, insb. im Wesentlichen vollzylinderförmigen, Wderstandselement 1 und einem Kontaktelement 2a verwendet wird. Das Lotformteil 4a ist in seiner Form an das Wderstandelement 1 und das Kontaktelement 3a angepasst.
Dies ist in Fig. 3b näher dargestellt, die eine Schnittansicht eines Details der beim Herstellen der Lotverbindung 3a zu verbindenden Komponenten 2a, 1a zeigt. Bei dem Kontaktelement 2a handelt es sich hier um eine becherförmige Endkappe mit einer rechteckigen Bodenfläche, in der das Lotformteil 4a vor dem Herstellen der Lotverbindung 3a platziert wird. Daher ist das Lotformteil 4a hier als im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Die Form des Lotformteils 4a, insb. dessen Außenkontur, ist also an die Innenkontur des als becherförmigen Endkappe ausgebildeten Kontaktelements 2a angepasst.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Lotformteil 4a im Wesentlichen die Form eines Volltorus aufweist. Dies ist bspw. vorteilhaft für eine möglichst gleichmäßige Verteilung des verflüssigten Lots beim Aufschmelzen des Lotformteils 4a und/oder im Falle eines hohlzylinderförmigen Kontaktelements 2a d.h. einer becherförmigen Endkappe mit einer runden Bodenfläche.
Das Lotformteil 4a weist eine z.B. als Sackloch ausgestaltete, oder aber auch durchgängige Führung 7 auf. Die Führung 7 ist dabei in diejenige Stirnfläche SF des Lotformteils 4a eingebracht, welche beim Löten dem ersten Endabschnitt 1a des länglichen Widerstandelements 1 zugewandt ist. Die Führung 7 dient dem Einführen des ersten Endabschnitts 1a in das Lotformteil 4a. Sie ermöglicht eine besonders einfache Ausrichtung des Wderstandselements 1 in Bezug auf das Lotformteil 4a und das Kontaktelement 2a vor dem Verlöten des Kontaktelements 2a mit dem ersten Endabschnitt 1a. Dabei wird mittels der Führung 7 der erste Endabschnitt 1a zumindest bis zu einer vorgegebenen Tiefe h in das Lotformteil 4a eingeführt. Bevorzugt handelt es sich wie in Fig. 3b gezeigt um eine sich konisch verjüngende Führung 7, die bspw. kegelförmig ist. Wie in Fig. 3b dargestellt, handelt es sich bei dem länglichen Widerstandselement 1 um einen leitenden Draht 8, der in Windungen um einen isolierenden Kern 9 gewickelt ist. Durch die vorgegebene Tiefe h ist sichergestellt, dass eine für einen ausreichend guten leitenden Kontakt zwischen Widerstandselement 1 und Kontaktelement 2a benötigte Mindestanzahl von Windungen des Drahts 8 in das Lotformteil 4a eingeführt ist.
Mittels der Führung 7 und/oder der angepassten Form des Lotformteils 4a vereinfacht sich letztendlich auch die Herstellung des SMD-lötbaren Bauelements 5. Es ist also ein SMD-lötbares Bauelement 5 hergestellt, bei dem die Lotverbindung 3a von einer verlässlich hohen Qualität ist. Dies ist in Fig. 3c dargestellt.
Ferner ist aufgrund der beim Herstellen der Lotverbindung 3a verwendeten Temperaturen von unter 230°C eine Voralterung des Drahts 8, insb. auch ein Aufschmelzen einer Beschichtung 6 des Drahts 8 und ein dadurch bedingte Bildung von Lotperlen zwischen bspw. benachbarten Windungen, wirksam verhindert.
Das Risiko der Bildung von Lotperlen ist besonders groß, falls das SMD-lötbare Bauelement 5 besonders klein ist bzw. falls ein Abstand von zueinander benachbarten Windungen des gewickelten Drahts 8 besonders klein ist. Dieser ist z.B. der Fall für Überstromschutzeinrichtungen, die einen Auslösestrom zwischen 0,02 bis 1 A und eine Abmessung von kleiner als 2cm aufweisen. Die Erfindung eignet sich also insbesondere für derartige SMD-lötbare Bauelemente.
Das SMD-lötbare Bauelement 5 wird in einer Elektronikeinheit 10 eines Feldgeräts 11 der Automatisierungtechnik eingesetzt. Ein derartiges Feldgerät 11 der Automatisierungstechnik ist in Fig. 4 näher dargestellt. Das Feldgerät 11 weist eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit 17 auf, welche der Erzeugung eines die Prozessgröße repräsentierenden, bspw. elektrischen und/oder elektronischen, Messsignals, dient.
Die in einem Transmittergehäuse 19 des Feldgeräts 11 angeordnete Elektronikeinheit 10 dient der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von der von der Sensoreinheit 17 erzeugten Messsignale. Typischerweise umfasst die Elektronikeinheit 10 zumindest eine Leiterplatte 18 mit darauf angeordneten Bauelementen. Auf der Leiterplatte 18 ist das erfindungsgemäße SMD-lötbare Bauelement 5 aufgelötet. In der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung weist das Feldgerät 11 eine weitere, als Anzeige- /Eingabeeinheit ausgestaltete Elektronikeinheit 20 auf, mit einem darauf montierten (Touch-)Display. Das erfindungsgemäße SMD-lötbare Bauelement s kann selbstverständlich auch auf einer Leiterplatte der als Anzeige-/Eingabeeinheit ausgestalteten Elektronikeinheit 20 aufgelötet sein kann.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem SMD-lötbaren Bauelement 5 um die vorstehend genannten Überstromschutzeinrichtung (d.h. mit der vorstehend genannten Abmessung bzw. dem vorstehend genannten Auslösestrom), welche bei einem Feldgerät 11 eingesetzt wird, das für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestaltet ist.
Bezugszeichen und Symbole
1 Widerstandselement
1a, 1b erster, zweiter Endabschnitt 2a, 2b erstes, zweites Kontaktelement 3a, 3b erste, zweite Lotverbindung 4a, 4b Lotformteil
5 SMD-lötbares Bauelement
6 Beschichtung 7 Führung
8 Draht
9 isolierender Kern
10 Elektronikeinheit 11 Feldgerät 12a, 12b Kontaktelement
13a, 13b Lotverbindung
14 Wderstandselement
15 Draht
16 Lotperle 17 Sensoreinheit
18 Leiterplatte
19 T ransmittergehäuse
20 Anzeige-/Eingabeeinheit
Tlot Schmelztemperatur
VK1 erste Verbundkomponente
VK2 zweite Verbundkomponente
SF Stirnfläche h vorgegebene Tiefe

Claims

Patentansprüche
1. SMD-lötbares Bauelement (5) zum Auflöten auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit, aufweisend:
-ein Widerstandselement (1)
-ein erstes Kontaktelement (2a) und ein zweites Kontaktelement (2b), wobei das erste Kontaktelement (2a) und das zweite Kontaktelement (2b) zum Auflöten auf dafür vorgesehene Kontaktflächen auf der Leiterplatte vorgesehen sind, wobei das erste Kontaktelement (2a) mit einem ersten Endabschnitt (1a) des Widerstandselements (1) mittels einer ersten Lotverbindung (3a) und das zweite Kontaktelement (2b) mit einem zweiten Endabschnitt (1 b) des Widerstandselements (1) mittels einer zweiten Lotverbindung (3b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einer der ersten Lotverbindung (3a) und/oder der zweiten Lotverbindung (3b) um eine bleifreie Lotverbindung handelt, die mit einem bleifreien Lotformteil (4a;4b) hergestellt ist.
2. SMD-lötbares Bauelement (5) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem SMD-lötbaren Bauelement (5) um eine Überstromschutzeinrichtung, insb. eine Schmelzsicherung, mit einem Auslösestrom handelt, und wobei der Auslösestrom der Überstromschutzeinrichtung insb. zwischen 0,02 und 1 A ist.
3. SMD-lötbares Bauelement (5) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das SMD-lötbare Bauelement (5) eine Abmessung von maximal 20 mm aufweist, und wobei insb. ein Abstand zwischen den Kontaktelementen (2a, 2b) kleiner als 15 mm ist.
4. Verfahren zum Herstellen eines SMD-lötbaren Bauelements (5), aufweisend:
-ein Widerstandselement (1);
-ein erstes Kontaktelement (2a) und ein zweites Kontaktelement (2b); umfassend die Schritte:
- Herstellen einer ersten Lotverbindung (3a), mittels derer ein erster Endabschnitt (1a) des Widerstandselements (1) mit dem ersten Kontaktelement (2a) verbunden wird,
- Herstellen einer zweiten Lotverbindung (3b), mittels derer ein zweiter Endabschnitt (1 b) des Widerstandselements (1) mit dem zweiten Kontaktelement (2a) verbunden wird, wobei bei dem Herstellen mindestens einer der ersten Lotverbindung (3a) und/oder der zweiten Lotverbindung (3b) ein bleifreies Lotformteil (4a, 4b) verwendet wird, das zwischen dem ersten Endabschnitt (1a) und dem ersten Kontaktelement (2a) oder dem zweiten Endabschnitt (1 b) und dem zweiten Kontaktelement (2b) angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Lotformteil (4a;4b) mit einem Flussmittel beschichtet wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, dessen Schmelztemperatur (Tlot) kleiner als die Schmelztemperatur einer Beschichtung (6) des Widerstandselements (1), insb. einer Verzinnung, ist.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, dessen Schmelztemperatur kleiner als 230°C, insb. kleiner als 150°C ist.
8. Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, das eine jeweils dem ersten Endabschnitt (1a) oder dem zweiten Endabschnitt (1b) zugewandte Stirnfläche (SF) aufweist, in der eine sich mit einer vorgegebenen Tiefe (h) in das Lotformteil (4a;4b) erstreckende Führung (7) eingebracht ist, zur Aufnahme für den jeweils ersten Endabschnitt (1a) oder zweiten Endabschnitt (1 b), und wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Einführen des jeweils ersten Endabschnitts (1 a) oder des zweiten Endabschnitts (1b) in die Führung (7) des jeweiligen Lotformteils (4a;4b) vor dem Herstellen der ersten Lotverbindung (3a) oder der zweiten Lotverbindung (3b) .
9. Verfahren nach Anspruch 8 wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, dessen Führung (7) sich konisch verjüngt.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, das im Wesentlichen die Form eines Volltorus aufweist, wobei das Innere des Volltorus die Führung (7) bildet.
11 . Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei es sich bei dem Wderstandselement (1) um ein in Windungen um einen elektrisch isolierenden Kern (9) gewickelten Draht (8) handelt, und wobei beim Einführen des ersten Endabschnitts (1a) oder zweiten Endabschnitts (1 b) jeweils eine vorgegebene Mindestanzahl von Wndungen des Drahts (8) in die Führung (7) des jeweiligen Lotformteils (4a;4b) eingeführt werden.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei ein Durchmesser der Führung (7) das 1 ,1 fache eines Durchmessers des isolierenden Kerns (9) beträgt.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das erste Kontaktelement (2a) und/oder das zweite Kontaktelemente becherförmig (2b) sind/ist, wobei das jeweilige Lotformteil (4a;4b) vor dem Herstellen der jeweiligen Lotverbindung (3a;3b) in dem jeweiligen Kontaktelement (2a.2b) platziert wird und anschließend der jeweilige Endabschnitt (1a; 1 b) des Widerstandselements (1) in die Führung (7) eingeführt wird, und wobei ein Lotformteil (4a;4b) verwendet wird, dessen Form an die Kontur des Inneren des jeweiligen becherförmigen Kontaktelements (2a;2b) angepasst ist.
14. Elektronikeinheit (10) mit einer Leiterplatte (11), wobei auf jeweils dafür vorgesehene
Kontaktflächen auf der Oberfläche der Leiterplatte (11) das SMD-lötbare Bauelement (5) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, das insb. hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13 ist, aufgelötet ist.
15. Elektronikeinheit (10) nach Anspruch 14, wobei die Elektronikeinheit (10) für einen
Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestaltet ist.
16. Feldgerät (11) der Automatisierungstechnik mit einer Elektronikeinheit (10) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 15.
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