KR102679566B1 - 실장 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판 실장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납땜된 적어도 하나의 전력 반도체 및, 온도 퓨즈로서의 스프링(3)을 갖고, 상기 스프링(3)은 납땜 연결부에 의해 인쇄회로기판(1)의 땜납 패드(4a)에 고정되는 2개의 접촉 암을 가지며, 상기 스프링(3)이 기계적 응력하에 있어, 납땜 연결부가 과열로 인해 강성을 잃는 순간 상기 2개의 접촉 암 중 적어도 하나가 스프링 력에 의해 인쇄회로기판의 땜납 패드(4a) 중 하나로부터 떨어져 이동하게 되는 인쇄회로기판에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 접촉 암들 중 적어도 하나의 납땜 연결부는 저온에서 강성을 잃고, 전력 반도체를 인쇄회로기판(1)에 연결하는 납땜 연결부와 상이한 합금을 포함한다. 인쇄회로기판을 실장하는 방법이 또한 설명된다.

Description

실장 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판 실장 방법{Populated printed circuit board and method for populating a printed circuit board}

본 발명은 실장 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판 실장 방법에 관한 것이다.

스프링의 2개의 접촉 암을 통해 프리스트레스 방식(prestressed manner)으로 인쇄회로기판에 납땜되는 스프링으로 형성된 온도 퓨즈(thermal fuses)를 구비한 인쇄회로기판을 제공하는 것이 DE 10 2014 111 772호로부터 공지되어 있다. 땜납(solder)이 과열로 인해 강성을 잃을 경우, 적어도 하나의 접촉 암이 프리스트레스 때문에 인쇄회로기판의 관련 땜납 패드(solder pad)로부터 분리된다. 이 방식으로, 회로가 과열시 파괴된다.

본 발명의 목적은 인쇄회로기판 상의 전기회로를 온도 퓨즈에 의해 보다 잘 보호하기 위한 방법을 찾아내는데 있다.

이 목적은 청구항 1에 따른 인쇄회로기판과, 그리고 청구항 4에 따른 방법에 의해 달성되며, 여기서 인쇄회로기판은 그 기판상에 납땜된 전력 반도체 및 온도 퓨즈로서의 스프링을 갖는다. 본 발명의 유리한 개선들은 종속항들의 주제이다.

본 발명에 따른 인쇄회로기판은 전기 회로 및, 온도 퓨즈로서의 프리스트레스 스프링을 가진다. 전기 회로는 그 위에 납땜된 적어도 하나의 전력 반도체, 예를 들면 MOSFET 트랜지스터를 포함하며, 임의의 수의 다른 회로소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 회로는 예열 플러그 제어장치의 제어 회로 또는 자동차 난방 시스템용 제어 회로일 수 있다.

온도 퓨즈는 접촉 브리지 형태의 스프링이다. 스프링은 납땜 연결부에 의해 인쇄회로기판에 고정되는 2개의 접촉 암을 갖는다. 스프링은, 납땜 연결부가 과열로 인해 강성을 잃는 순간 2개의 접촉 암들 중 적어도 하나가 스프링력에 의해 인쇄회로기판의 해당 접촉 영역으로부터 떨어져 이동하도록 기계적 응력하에 있다. 본 발명에 따르면, 접촉 암들 중 적어도 하나의 납땜 연결부는 다른 회로 소자들의 납땜 연결부와는 다른 소재, 특히 적어도 하나의 납땜된 전력 반도체의 납땜 연결부와는 다른 소재를 포함한다. 구체적으로, 적어도 하나의 접촉 암들의 납땜 연결부는, 적어도 하나의 전력 반도체를 인쇄회로기판 및 다른 회로 소자들에 연결하는 납땜 연결부보다 낮은 온도에서 그 강성을 잃고 용융된다. 이 방식으로, 온도 퓨즈는 과열의 경우에 일찍 응답하여 회로의 추가의 구성요소들의 분리가 방지된다.

본 발명의 유리한 개선에서, 적어도 하나의 접촉 암들의 납땜 연결부는 전력 반도체를 인쇄회로기판에 연결하는 납땜 연결부보다 적어도 10K 낮은 온도에서 그 강성을 잃고 용융된다. 적어도 하나의 접촉 암들의 납땜 연결부는 바람직하게는 전력 반도체를 인쇄회로기판에 연결하는 납땜 연결부보다 적어도 20K 낮은 온도에서 그 강성을 잃고 용융된다.

본 발명의 추가의 유리한 개발에서, 스프링은 유지 요소들에 의해 인쇄회로기판에 고정되는 지지체에 고정된다. 지지체의 유지 요소들은, 예를 들어 핀(pin)들 또는 스트립(strip)들의 형상일 수 있고, 예를 들어 인쇄회로기판에 끼워지거나(plugged into) 및/또는 인쇄회로기판에 납땜될 수 있으며, 대응하는 납땜 연결부는 적어도 하나의 접촉 암들의 납땜 연결부보다 높은 온도에서 그 강성을 잃게 된다. 퓨즈가 트립(trip)될 경우, 즉 접촉 암들 중 하나가 인쇄회로기판의 해당 접촉 영역으로부터 분리되면, 스프링은 여전히 지지체에 의해 유지된다. 이는 유리하게는 인쇄회로기판 상에 느슨하게 놓여진 스프링이 제어되지 않은 방식으로 이동하여 단락(short circuit)을 일으키는 것을 방지한다.

지지체는, 예를 들면 스프링에 의해 가교되는 하부 및 상기 하부에 고정되는 상부를 가질 수 있다. 그 다음, 스프링은 지지체의 하부와 상부 사이에 유지된다. 상기 하부는, 바람직하게는 접촉 암들의 납땜된 단부들이 배열되는 컷 아웃(cut-outs)를 갖는다. 예를 들어, 상기 하부는 H 형상의 주 면(main face)을 가질 수 있다. 대안적으로, 단일 부품 지지체가 스프링을 인쇄회로기판에 고정하는데 사용될 수 있다(예를 들면, 스냅 클립).

서로 다른 온도에서 그 강성을 잃어버린 납땜 연결부들은 스프링의 두 접촉 암 중 적어도 하나 및 인쇄회로기판의 다른 납땜 연결부들에 대해, 서로 다른 땜납 소재 또는 합금을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 인쇄회로기판의 대응 땜납 패드는 기능에 따라 고 융점(higher-melting) 땜납 또는 저 융점(lower-melting) 땜납으로 인쇄될 수 있다. 또 하나의 가능성은 인쇄회로기판의 모든 땜납 패드에 고 융점 땜납 소재를 도포한 다음 땜납 패드들#에 저 융점 땜납 소재를 추가로 도포하는 것에 있으며, 이 땜납 패드들의 납땜 연결부는 저온에서 그 강성을 잃게 된다. 이 방식으로 생성된 납땜 연결부에서, 서로 다른 땜납 소재의 2개의 층은 하나가 다른 한 땜납 소재의 위에 놓일 수 있거나, 또는 2개의 땜납 소재들의 혼합이 납땜 공정 동안, 예를 들면 리플로우 납땜(reflow soldering)에 의해 이루어질 수 있으므로, 이 혼합물은 고 융점 땜납 소재보다 낮은 온도에서 그 강성을 잃는다.

제1 땜납 소재로서, 고 융점 땜납 소재가, 예를 들어 인쇄에 의해, 특히 페이스트 스텐실(paste stencil)을 사용하는 닥터 방법(doctor method)에 의해 인쇄회로기판에 도포될 수 있다. 제2 저 융점 땜납 소재는, 예를 들어 제트 페이스트 프린팅(jet paste printing) 방법 또는 니들 디스펜싱(needle dispensing) 방법과 같은 스텐실이 없는 방법에 의해 똑같이 인쇄될 수 있다.

추가의 세부사항들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시형태를 사용하여 설명된다. 도면들에서:
도 1은 온도 퓨즈로서의 스프링을 갖는 인쇄회로기판을 도시한다;
도 2는 지지 및 고정 요소들을 구비한 온도 퓨즈로서의 스프링을 도시한다;
도 3은 인쇄회로기판과 마주하는 밑면을 도시하는 도 2의 추가 도면을 도시한다;
도 4는 지지체의 상부가 제거된 상태의 도 2의 도면을 도시한다;
도 5는 스프링 및 유지 요소들을 도시한다; 그리고,
도 6은 땜납으로 덮인 인쇄회로기판의 필드(fields)를 도시한다.

도 1은 온도 퓨즈(2)를 갖는 인쇄회로기판(1)을 개략적으로 도시하며, 온도 퓨즈는 도 2 내지 도 5에서 보다 상세하게 도시된다. 인쇄회로기판은 때로는 또한 회로기판으로 지칭된다. 온도 퓨즈(2)에 더하여, 인쇄회로기판(1)은 전기 회로의 추가의 소자들, 특히 단순화를 위해 도시되지 않은 적어도 하나의 전력 반도체, 예를 들면 MOSFET를 가진다.

온도 퓨즈(2)의 필수 요소는 스프링(3)이며, 이 스프링은 프리스트레스 방식으로 인쇄회로기판(1)에 고정되는 2개의 접촉 암을 갖는다. 구체적으로, 스프링(3)의 2개의 접촉 암은 도 6에 도시된 인쇄회로기판(1)의 땜납 패드(4a)상에 납땜된다. 과열 시, 이 납땜 연결부는 강성을 잃게 되어, 스프링(3)의 두 접촉 암들 중 적어도 하나가 인쇄회로기판(1)의 해당 땜납 패드(4a)로부터 분리되는데, 예를 들어 그 점에서 접촉 브리지(contact bridge)를 형성하는 스프링(3)은 상기 스프링의 두 접촉 암들 중 적어도 하나가 더 이상 땜납 패드(4a) 중 하나에 놓이지 않도록 연장한다.

스프링(3)은 인쇄회로기판(1)의 땜납 패드(4a)로부터 분리된 후 제어되지 않은 방식으로 움직일 수 없기 때문에, 스프링(3)은 유지 요소들(6)에 의해 인쇄회로기판(1)에 고정되는 지지체(5)에 고정된다. 유지 요소(6)는, 예를 들어 인쇄회로기판(1)에 끼워지거나 납땜 연결부에 의해 인쇄회로기판에 고정될 수 있으며, 스프링(3)의 접촉 암들을 땜납 패드(4a)에 연결하는 납땜 연결부보다 높은 온도에서 강성을 잃는다.

지지체(5)는 하나 이상의 부품들, 예를 들어 스프링(3)에 의해 가교되는 하부(5a) 및 상기 하부(5a)상에 놓이고 상기 스프링(3)을 덮는 상부(5b)로 구성될 수 있다. 스프링(3)은 상부(5b)와 하부(5a) 사이에 유지된다. 하부(5a)는, 스프링(3)의 접촉 암들의 납땜된 단부들에 대한 컷-아웃들(cut-outs)을 가질 수 있는데, 예를 들면 H-형상의 주 면(main face)을 가질 수 있다. 상부(5b)는, 예를 들어 접착제 또는 스냅 연결부에 의해 하부(5a)에 고정된다. 스프링(3)의 양 접촉 암들이 인쇄회로기판(1)의 땜납 패드(4a)로부터 분리되더라도, 스프링(3)은 유지 요소들(6)에 의해 인쇄회로기판(1)에 고정되는 지지체(5)에 고정된 상태를 유지한다.

온도 퓨즈(2)와 함께 도시된 인쇄회로기판(1)의 중요한 특징은 스프링(3)이 납땜되는 2개의 땜납 패드 중 적어도 하나(4a)가 인쇄회로기판(1)의 다른 땜납 패드(4b)와 상이한 땜납 소재를 갖는다는 점에 있으며, 상기 인쇄회로기판의 다른 땜납 패드는 다른 회로 소자들, 특히 전력 반도체(도시되지 않음) 또는 지지체(5)의 유지 요소들(6)에 납땜된다. 따라서, 스프링(3)의 접촉 암들 중 하나를 인쇄회로기판(1)에 연결하는 납땜 연결부는 인쇄회로기판(1)의 다른 땜납 패드(4b)상의 땜납 소재보다 낮은 온도, 예를 들면 10K 낮은 온도에서 그 강성을 잃는다.

예를 들어, 대략 218~220℃의 용융 범위를 갖는 Sn96.5Au3Cu0.5는 고 융점 땜납으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 139℃에서 강성을 잃는 Bi58Sn, 또는 Sn96.5Au3Cu0.5와 Bi58Sn의 혼합물은 저 융점 납땜 연결부들로 사용될 수 있다. Sn96.5Au3Cu0.5와 Bi58Sn의 혼합물은 188~192℃의 용융 범위를 갖는다.

땜납 소재는 인쇄회로기판(1)상에 상기 땜납 소재용으로 제공된 필드(fields) 위로 인쇄될 수 있다. 예를 들어, 고 융점 땜납 소재, 예를 들면 Sn96.5Au3Cu0.5는 페이스트 스텐실을 사용하는 닥터 방법을 이용하여 도포될 수 있다. 저 융점 땜납 소재, 예를 들면 Bi58Sn은, 예를 들어 스텐실이 없는 방법, 특히 제트 페이스트 인쇄 방법 또는 디스펜싱 방법에 의해 도포될 수 있다.

한 가지 가능성은 스프링(3)의 접촉 암들에 제공되는 땜납 패드(4a) 중 하나 또는 둘 다에 저-융점 땜납을 인쇄하고 인쇄회로기판(1)의 나머지 땜납 패드 상에 고-융점 땜납을 인쇄하는 것에 있다. 그러나, 인쇄회로기판(1)의 모든 땜납 패드(4a,4b)에 고-융점 땜납, 예를 들면 Sn96.5Au3Cu0.5를 인쇄한 후, 인쇄회로기판(1)상에 스프링(3)의 접촉 암들을 고정하기 위해 제공된 땜납 패드(4a) 중 하나 또는 둘 다에 추가로 저-융점 땜납, 예를 들면 Bi58Sn을 인쇄하는 것, 즉 저-융점 땜납 소재의 층을 고-융점 땜납 소재에 도포하는 것이 가능하다. 이들 두 층은, 특히 납땜이 리플로우 납땜을 이용하여 수행될 경우 납땜 중에 혼합될 수 있다.

1 : 인쇄회로기판
2 : 온도 퓨즈
3 : 스프링
4a : 땜납 패드
4b : 땜납 패드
5 : 지지체
5a : 하부 지지부
5b : 상부 지지부
6 : 유지 요소

Claims (10)

1. 납땜된 적어도 하나의 전력 반도체 및, 온도 퓨즈로서의 스프링(3)을 갖고,
   스프링(3)은 납땜 연결부에 의해 인쇄회로기판(1)의 땜납 패드(4a)에 고정되는 2개의 접촉 암을 가지며,
   납땜 연결부가 과열로 인해 강성을 잃자마자 2개의 접촉 암들 중 적어도 하나가 스프링 력에 의해 인쇄회로기판의 땜납 패드(4a) 중 하나로부터 떨어져 이동하도록 스프링(3)이 기계적 응력하에 있는 인쇄회로기판에 있어서,
   상기 접촉 암들 중 적어도 하나의 납땜 연결부는 저온에서 강성을 잃고, 전력 반도체를 인쇄회로기판(1)에 연결하는 납땜 연결부와 상이한 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
2. 제 1항에 있어서,
   스프링(3)은 유지 요소(6)에 의해 인쇄회로기판(1)에 고정되는 지지체(5)에 고정되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
3. 제 2항에 있어서,
   지지체(5)는 스프링(3)에 의해 가교되는 하부(5a) 및 상기 하부(5a)에 고정 되고 스프링(3)을 덮는 상부(5b)을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
4. 다음의 단계들을 갖는, 인쇄회로기판(1)을 실장하는 방법으로서,
   인쇄회로기판(1)의 제1 땜납 패드(4b)에 제1 땜납 소재를 도포(applying)하는 단계;
   인쇄회로기판(1)의 적어도 하나의 제2 땜납 패드(4a)에 제2 땜납 소재를 도포하는 단계;
   제1 땜납 패드(4b)에 적어도 하나의 파워 트랜지스터를 부착하는 단계;
   접촉 암들 중 하나가 제2 땜납 패드(4a)와 접촉하고 다른 접촉 암이 제1 또는 제2 땜납 패드와 접촉하도록 2개의 접촉 암을 갖는 기계적으로 프리스트레스된 스프링(3)을 인쇄회로기판(1)에 부착하는 단계;
   스프링(3) 및 적어도 하나의 전력 반도체를 인쇄회로기판(1)에 납땜하는 단계를 포함하고,
   상기 제2 땜납 소재는 상기 제1 땜납 소재보다 낮은 온도에서 강성을 잃는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1 땜납 소재는 또한 제2 땜납 패드(들)(4a)에 도포되고, 상기 제2 땜납 소재는 상기 제1 땜납 소재 위에 배치됨으로써 제2 땜납 패드(들)(4a)에 도포되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
   상기 제1 땜납 소재는, 페이스트 스텐실을 사용하는 닥터 방법에 의해 인쇄되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
   상기 제2 땜납 소재는, 스텐실이 없는 방법에 의해 인쇄되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제2 땜납 소재는 제트 페이스트 인쇄 방법으로 도포되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
9. 제 4항에 있어서, 상기 납땜은 리플로우 납땜을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.
10. 제 5항 또는 제 9항에 있어서, 상기 제1 땜납 소재 및 제2 땜납 소재는 상기 제2 땜납 패드에서의 리플로우 납땜 동안 혼합되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 실장 방법.