WO2005011346A1 - Reflowlötbarer bauelementeträger - Google Patents

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    • H05K3/3485—Application of solder paste, slurry or powder

Definitions

  • the invention relates to a component carrier according to the preamble of claim 1.
  • the component carrier has a carrier substrate, for example a circuit board or foil carrier or ceramic substrate, on which components can be fastened by means of reflow soldering.
  • a carrier substrate for example a circuit board or foil carrier or ceramic substrate, on which components can be fastened by means of reflow soldering.
  • a solderable surface with a base area surrounding the solder center is formed on the surface of the carrier substrate around a predetermined solder center, the solderable surface being delimited by a metallization and / or solder resist.
  • carrier substrates with an organic protective layer are also known, this protective layer being passivated over the solderable area.
  • solder substance is applied to the solderable area, then the component is placed on it and the solder substance is then reflow soldered.
  • the reflow-solderable solder substance is applied in such a way that it completely covers the solderable surface and has overlap regions over regions of the surface of the carrier substrate which adjoin the solderable surface.
  • the overlap is necessary on the one hand to compensate for tolerances in production technology and also serves to provide a sufficient amount of solder substance, which is particularly important for the plug-in contacts in which the solder substance is to be drawn into the bore of the plug-in contact when heated by the capillary effect.
  • the solderable area around the solder center is usually circular or rectangular and is then covered by a strip of the solder substrate.
  • the area of the application of the solder substance is chosen to be large in relation to the base area of the solderable area, undesired accumulation of the solder in an area outside the solderable area can occur during reflow soldering.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved component carrier and a
  • Fig. 2 top view of the circuit board according to Fig. after application of the solder substance before placing the component
  • FIG. 4 section through a soldered connection according to the prior art with a solderable area corresponding to the area of the solder substance;
  • FIG. 5 top view of the printed circuit board according to FIG.
  • Fig. 7 section through a solder joint according to the invention before soldering with a solderable surface with partial extension in the area overlapped by the solder substance
  • FIG. 8 top view of the circuit board according to Fig. 7 after the solder substance has been applied before the component is placed - the partial extension of the can be clearly seen.
  • solderable area Fig. 9 solder connection according to Fig. 7 after reflow soldering, one solder connection between each electrical component
  • FIG. 1 shows a section through a soldered connection of a component 2 on a printed circuit board 1 according to the prior art with a small solderable area 4 and one
  • solder paste is also applied outside the area to be soldered to the solder resist or the base material in order to provide a sufficient amount of solder substance, in particular for filling the bore 12, in which a connection pin 21 of the component 2 is inserted. Since the solder tries to form a ball when it melts, it can be clamped in as soon as the ball diameter exceeds the distance between the circuit board and the component. This leads to the solder tearing off and an unwanted solder ball 3a remaining under the component. This solder volume is missing in the area to be soldered in order to form a reliable solder joint 3b in comparison to a proper solder joint, cf. 3c.
  • the component carrier consisting of a carrier substrate 1 and a solderable surface 4, which in turn consists of a base area 4a around the solder center and at least a partial, i.e. local extension from the solder center to the outside in the area , which is subsequently overlapped over a large area by the solder substance, cf. 8 in plan view of the carrier substrate, here as printed circuit board 1, two solder connection points being planned, of which one solderable surface is already covered with the solder substance and the solderable surface has been indicated below, while the right surface is still free and the here circular base area A4a and in the direction of the later strip-shaped
  • the solder substrate 3 is applied as an approximately rectangular surface A3 on the solderable surface, the surface of the solder substrate A3 being at least in one direction significantly larger than the base surface 4a of the solderable surface and a partial extension 4b being arranged at least in this direction ,
  • the direction of the overlap region is generally determined in terms of production technology by the position of other solder contacts, as is shown here in the figures by the two solder contacts, and is also preferably aligned with the directions of movement of the devices for applying the solder substance parallel to the outer edges of the carrier substrate.
  • the overprinted solderable surface is thus partially lengthened into the areas in which accumulations or solder beads form when the solder is melted.
  • the solder thus flows over the extended area into the solder point.
  • the solder remaining on the solderable area can be removed via the
  • the geometry and size of the extension are set so that there is no relevant negative influence on the formation of the solder joint.
  • the geometry and shape of the partial extension can be varied depending on the application (e.g. angular, pointed, square, hemispherical, etc.).

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Abstract

Es wird ein reflowlötbarer Bauelementeträger mit einem Trägersubstrat (1) vorgestellt, auf dem Bauelemente mittels Reflowlötens befestigbar sind und auf der Oberfläche des Trägersubstrats dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche (4a) ausgebildet ist, wobei auf das Trägersubstrat eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche (4) vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstats (1) aufweist (A3>A4). Die lötbare Fläche (4) weist zumindest eine partielle Verlängerung (4b) auf, welche die Grundfläche (4a) vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert und so beim Reflowlöten der Lotsubstanz eine Ansammlung des Lots im Lotzentrum sicherstellt.

Description

Reflowlötbarer Bauelementeträger
Die Erfindung betrifft einen Bauelementeträger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Bauelementeträger weist ein Trägersubstrat, bspw. ein Leiterplatten- oder Folien- träger- oder Keramiksubstrat auf, auf welchem Bauelemente mittels Reflowlötens befestigbar sind. Auf der Oberfläche des Trägersubstrats ist dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche ausgebildet, wobei die lötbare Fläche durch eine Metallisierung und/oder Lötstoplack begrenzt wird. Alternativ sind auch Trägersubstrate mit einer organischen Schutzschicht bekannt, wobei diese Schutzschicht über der lötbaren Fläche passiviert ist.
Auf der lötbaren Fläche wird eine Lotsubstanz aufgebracht, nachfolgend das Bauelement aufgesetzt und die Lotsubstanz danach reflowgelötet.
Die reflowlötfähige Lotsubstanz wird dabei derart aufgebracht, dass sie die lötbare Fläche vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstats aufweist. Die Überlappung ist zum einen zum Ausgleich produktionstechnischer Toleranzen erforderlich und dient zudem dazu, eine ausreichende Menge Lotsubstanz bereitzustellen, was insbesondere für die Durch- steckkontaktierungen wichtig ist, bei denen die Lotsubstanz beim Erhitzen durch den Kapillareffekt in die Bohrung der Durchsteckkontaktierung gezogen werden soll. Die lötbare Fläche ist um das Lotzentrum herum meist kreisförmig oder rechteckig ausgebildet und wird dann durch einen Streifen des Lotsubstrats überdeckt. Wird Fläche des Auftrags der Lotsubstanz dabei im Verhältnis zur Grundfläche der lötbaren Fläche groß gewählt, kann es beim Reflowlöten zu einer unerwünschten Ansammlung des Lots in einem Bereich außerhalb der lötbaren Fläche kommen. Wird bei gleich großer Fläche und damit Menge des Auftrags der Lotsubstanz andererseits die Grundfläche der lötbaren
Fläche bis annähernd auf die Größe der Fläche des Auftrags der Lotsubstanz ausgedehnt, liegt zwar die Ansammlung des Lots immer im Bereich der lötbaren Fläche, jedoch dennoch zum Teil nicht im Lotzentrum. Dies ist aber ebenfalls für die elektrische oder mechanische Belastbarkeit der Lötstelle negativ. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Bauelementeträger sowie ein
Verfahren zum Reflowlöten vorzustellen, welcher eine Ansammlung der Lotsubstanz im Lotzentrum sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Kurze Beschreibung der Figuren: FigJ Schnitt durch eine Lötverbindung nach dem Stand der Technik mit einer kleinen lötbaren Fläche und einer Überlappung der Lotsubstanz in den nicht lötbaren Bereich vor dem Löten
Fig.2 Draufsicht auf die Leiterplatte nach Fig. . nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements
Fig.3 Lötverbindung nach Fig. . nach dem Reflowlöten mit Ansammlung von Lot im nicht lötbaren Bereich
Fig.4 Schnitt durch eine Lötverbindung nach dem Stand der Technik mit einer der Fläche Lotsubstanz entsprechend großen lötbaren Fläche Fig.5 Draufsicht auf die Leiterplatte nach Fig.4 nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements
Fig.6 Lötverbindung nach Fig.4 nach dem Reflowlöten mit Ansammlung von Lot außerhalb des Lotzentrums
Fig.7 Schnitt durch eine erfindungsgemäße Lötverbindung vor dem Löten mit einer lötbaren Fläche mit partieller Verlängerung in den von der Lotsubstanz überlappten Bereich
Fig.8 Draufsicht auf die Leiterplatte nach Fig.7 nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements - deutlich erkennbar die partielle Verlängerung der. lötbaren Fläche Fig.9 Lötverbindung nach Fig.7 nach dem Reflowlöten jeweils eine Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauelement
Die Fig.1 bis 3 und 4 bis 6 zeigen im Stand der Technik bisher realisierte Lösungen, an denen das technische Problem kurz beschrieben werden soll.
So zeigt Fig.1 einen Schnitt durch eine Lötverbindung eines Bauelements 2 auf einer Leiterplatte 1 nach dem Stand der Technik mit einer kleinen lötbaren Fläche 4 und einer
Überlappung der Lotsubstanz 3 in den nicht lötbaren Bereich vor dem Löten. Hierbei wird die Lotpaste auch außerhalb des zu lötenden Bereichs auf den Lötstopplack oder das Basismaterial aufgetragen, um eine ausreichende Menge Lotsubstanz bereitzustellen, insbesondere für das Auffüllen der Bohrung 12, in der ein Anschlusspin 21 des Bauelements 2 eingeführt ist. Da das Lot beim Aufschmelzen versucht eine Kugel zu bilden, kann es, sobald der Kugeldurchmesser den Abstand zwischen Leiterplatte und Bauelement übersteigt, eingeklemmt werden. Das führt zum Lotabriss und Verbleiben einer ungewollten Lotkugel 3a unter dem Bauteil. Dieses Lotvolumen fehlt im zu lötenden Bereich zur Ausbildung einer zuverlässigen Lötstelle 3b im Vergleich zu einer ordnungsgemäßen Lotstelle, vgl. 3c.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen die Ausführung, bei der die Leiterplatte 1 mit einer lötbaren Fläche A4 unter der gesamten Lotpastenfläche A3 « A4, wobei die Größe der Fläche der Lotsubstanz 3 und damit das Lotmengenvolumen im vergleich zu den FigJ bis 3 annähernd gleich bleibt. Hierdurch wird zwar die Separation des Lotes zu einer nicht an die zu lötende Fläche angebundenen Kugel vermieden, jedoch ist hierbei keine gezielte Lotführung gewährleistet. Das bedeutet, der Anteil des in die Durchkontaktierung/ Lötstelle abfließenden Lotes kann stark variieren. Somit kann eine gleichmäßige und zuverlässige Ausbildung der Lötstelle nicht gewährleistet werden. Es können größere Lötmengen außerhalb des Lotzentrum erstarren, vgl. 3d, so dass die Lotmenge 3b im Lotzentrum unzureichend ist, um das Bauelement mechanisch stabil mit der Leiterplatte 1 zu verbinden. Auch die Stromleitfähigkeit insbesondere bei höheren Lastströmen ist herabgesetzt und insbesondere die Baugruppe ausfallträchtig.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen nun den erfindungsgemäßen Bauelementeträger, bestehend aus einer Trägersubstrat 1 und einer lötbaren Fläche 4, die wiederum bestehend aus einer Grundfläche 4a um das Lotzentrum herum sowie zumindest einer partiellen, also lokalen Verlängerung vom Lotzentrum nach außen gerichtet in den Bereich, der nachfolgend von der Lotsubstanz großflächig überlappt wird, vgl. insbesondere Fig. 8 in der Draufsicht auf das Trägersubstrat, hier als Leiterplatte 1 , wobei zwei Lötverbindungspunkte geplant sind, von denen eine lötbare Fläche bereits mit der Lotsubstanz abgedeckt ist und die lötbare Fläche darunter angedeutet wurde, während die rechte Fläche noch frei ist und die hier kreisförmige Grundfläche A4a und die in Richtung des späteren streifenförmigen
Überlappungsbereichs die hier gepunktet hervorgehobene partielle Verlängerung erkennbar ist.
Bei diesem Bauelementeträger wird das Lotsubstrat 3 als eine näherungsweise rechteckige Fläche A3 auf der lötbaren Fläche aufgebracht, wobei die Fläche des Lotsubstrats A3 zumindest in eine Richtung deutlich größer als die Grundfläche 4a der lötbaren Fläche ist und zumindest in diese Richtung eine partielle Verlängerung 4b angeordnet ist. Die Richtung des Überlappungsbereichs ist dabei in der Regel fertigungstechnisch durch die Position anderer Lötkoπtakte bestimmt, wie hier in den Figuren durch die zwei Lötkontakte deutlich wird, und zudem an den Bewegungsrichtungen der Vorrichtungen zum Aufbringen der Lotsubstanz vorzugsweise parallel zu den Außenkanten des Trägersubstrats ausgerichtet.
Es erfolgt also ein partielles Verlängern der überdruckten lötbaren Fläche in die Bereiche, in denen sich beim Umschmelzen des Lotes Anhäufungen oder Lotperlen bilden. Somit fließt das Lot über den verlängerten Bereich in die Lotstelle ab. Das auf der lötbaren Fläche verbleibende Lot kann über die
Geometrie und Größe der Verlängerung so eingestellt werden, dass kein relevant negativer Einfluss auf die Ausbildung der Lötstelle entsteht. Die Geometrie und Form der partiellen Verlängerung kann je nach Anwendungsfall variiert werden (z.B. eckig, spitz, quadratisch, halbkugelförmig etc.).

Claims

Patentansprüche
1) Bauelementeträger mit einem Trägersubstrat (1 ), auf dem Bauelemente (2) mittels Reflowlötens befestigbar sind und auf der Oberfläche des Trägersubstrats dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche (4a) ausgebildet ist, wobei auf das Trägersubstrat eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche (4) vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstrats (1) aufweist (A3>A4), dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Fläche (4) zumindest eine partielle Verlängerung (4b) aufweist, welche die Grundfläche (4a) vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert.
2) Bauelementeträger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) zumindest eine Bohrung (12) zur Durchkontaktierung des Bauelements (2) aufweist und um die Bohrung (12) konzentrisch eine Grundfläche (4a) der lötbaren Fläche angeordnet ist und die lötbare Fläche zumindest eine radial von der Grundfläche (4a) nach außen in den Überlappungsbereich gerichtete partielle Verlängerung (4b) aufweist.
3) Bauelementeträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotsubstrat (3) als Fläche (A3) auf der lötbaren Fläche aufgebracht wird, die Fläche des Lotsubstrats (A3) zumindest in eine Richtung deutlich größer als die Grundfläche (4a) der lötbaren Fläche ist und zumindest in diese Richtung eine partielle Verlängerung (4b) angeordnet ist.
4) Bauelementeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Fläche (4) metallisiert und das Trägersubstrat in den an die lötbare Fläche angrenzenden Bereichen mit einem Lötstoplack versehen ist.
5) Bauelementeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) mit einer organischen Schutzschicht überzogen ist und diese Schutzschicht über der lötbaren Fläche (4) passiviert ist. ) Verfahren zum Reflowlöten von Bauelementen (2) auf einem Bauelementeträger, wobei auf der Oberfläche des Trägersubstrats (1 ) dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche ausgebildet wird und auf das Trägersubstrat (1) eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstrats (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (4a) der lötbare Fläche vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert (4b) wird.
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