WO2019166232A1 - Elektronische schaltung zum erzeugen, aufbereiten und/oder verarbeiten von hochfrequenten signalen - Google Patents

Elektronische schaltung zum erzeugen, aufbereiten und/oder verarbeiten von hochfrequenten signalen Download PDF

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Dietmar Birgel
Bernhard Michalski
Mario Leonhardt
Alexander Bannwarth
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    • H05K3/3494—Heating processes for reflow soldering

Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit for generating, processing and / or processing of frequencies greater than or equal to 20 GHz, high-frequency signals, with
  • circuit board RF components soldered on the circuit board RF components whose RF component connections each by means of a first soldering with an associated on the circuit board
  • Circuits of the type mentioned in the introduction are e.g. used in measuring devices that are used, for example, in industrial measurement and control technology.
  • fill level measuring devices operating according to the transit time principle for measuring a filling level of a filling material located in a container. These gauges generate high-frequency signals that are transmitted through an antenna or along a
  • Waveguide are sent in the direction of the medium and their reflected on a surface of the product echo signals are received after a dependent on the level of the filling material term as received signals, based on which then the duration or the level is determined.
  • the duration or the level is determined.
  • it will be very high-frequency
  • Transmit signals such as Microwave signals with frequencies greater than or equal to 20 GHz, used.
  • these measuring devices are electronic circuits of the type mentioned for generating the transmission signals, as well as for the preparation and / or processing of
  • circuits of the type mentioned above it applies through the circuit, esp. Their transmission behavior and / or their dynamics, in terms of the function of
  • the frequency-dependent attenuation of high-frequency signals which is caused by the dynamics of the circuit, plays an important role in the measuring devices mentioned above as an application example, since the attenuation directly affects the achievable
  • PCB materials used are PCB materials used. Additionally, the circuit layout is optimized to minimize circuit-related unwanted signal variations. The latter, however, is the more difficult the higher frequency the signals are.
  • This object is achieved by an electronic circuit for generating, processing and / or processing frequencies of equal to 20 GHz, high-frequency signals, with
  • circuit board RF components soldered on the circuit board RF components whose RF component connections each by means of a first soldering with an associated on the circuit board
  • the first solders are each formed as a first soldering produced by means of a reflow soldering method, namely a bismuth component of greater than or equal to 50%, by means of a reflow soldering method, namely by vacuum soldering or by vapor phase soldering.
  • Circuits according to the invention have the advantage that, due to the high proportion of bismuth in the first solder and the reflow soldering method used to produce them, their first solderings transmit only a relatively small amount of attenuation over the respective soldering in a comparatively large frequency range
  • a first development is characterized in that the first solders are formed as first solders produced by means of an indium portion of greater than or equal to 2% and / or an indium portion of 2% to 10% comprising the first solder.
  • a second development is characterized in that the circuit comprises at least one further component, the terminals of which are each connected by means of a soldering process carried out by means of a lead-free second solder soldering process with an associated arranged on the circuit board PCB connection, wherein the second Lot has a melting temperature that is greater than one
  • An embodiment of the second development is characterized in that the further components comprise at least one soldered by means of a reflow soldering and / or designed as an SMD component component.
  • An embodiment of the second development is characterized in that the second solderings are formed as second solderings produced by means of a tin, silver and copper SAC solder.
  • a refinement of the second development is characterized in that its HF components are arranged on a front side of the printed circuit board and its further components on a rear side of the printed circuit board opposite the front side of the printed circuit board.
  • Another embodiment is characterized in that the circuit is formed as part of a working according to the transit time principle level gauge.
  • the invention comprises a method for producing a
  • the first solderings are produced by:
  • the printed circuit board connections provided on the printed circuit board for the HF components are each printed with the first solder provided as solder paste,
  • the circuit board is equipped with the RF components of the circuit
  • the first solderings are produced by means of a reflow soldering method, namely by vacuum soldering or by vapor phase soldering.
  • a second development of the method for producing a circuit according to the second embodiment is characterized in that the other components are soldered to the circuit board before the RF components are soldered onto the circuit board.
  • a further development of the last-mentioned further development is characterized in that printed circuit board connections provided on the back side of the printed circuit board for additional components of the circuit to be soldered on the back side are each printed with the second solder provided as solder paste, the rear side of the printed circuit board with the soldering on it further components is fitted and the associated second soldering is produced by means of a reflow soldering process,
  • Fig. 1 shows: a section of an electronic circuit.
  • the invention relates to an electronic circuit for generating, processing and / or processing of frequencies greater than or equal to 20 GHz, high-frequency signals comprising a printed circuit board 1 and at least one designed for a frequency range greater than 20 GHz RF component 3.
  • FIG. 1 shows by way of example a section of such an electronic circuit, which shows a printed circuit board region of a printed circuit board 1, on which at least one HF component 3 is arranged.
  • the circuit may comprise further arranged on the circuit board 1 RF components 3.
  • signals which comprise frequencies of greater than or equal to 20 GHz are referred to as high-frequency signals.
  • These high-frequency signals can, for example, frequencies in a frequency range of
  • HF components 3 high-frequency components designed for a frequency range greater than or equal to 20 GHz are referred to as HF components 3. These include e.g. for the production,
  • the RF components 3 of the circuit are each formed as soldered onto the circuit board 1 components whose RF component terminals 5 are each connected by means of a first soldering 7 with an associated on the circuit board 1 PCB connection 9.
  • the first solders 7 are each in the form of first soldering 7 produced by means of a lead-free first bismuth component of greater than or equal to 50% by means of a reflow soldering method, namely by vacuum soldering or by vapor phase soldering.
  • the first solder used is a lead-free solder which has a bismuth content of greater than or equal to 50%
  • the first solderings 7 produced by means of the first solder also have a correspondingly high proportion of bismuth.
  • the circuit has the aforementioned advantage.
  • the first solderings can be formed, for example, as solderings produced by means of a tin, bismuth, and silver, lead-free, first solder.
  • the signal transmission characteristics of circuits according to the invention for frequencies greater than or equal to 20 GHz can be further improved by providing the first solders 7 as lead-free first by means of an indium content greater than or equal to 2% and / or from 2% to 10% Lots produced first Lötungen 7 are formed.
  • first solders 7 produced by means of tin, bismuth and indium-comprising, lead-free, first solder.
  • the HF components 3 of the circuit are preferably each formed as SMD components.
  • SMD components The well-known under the English name 'Surface Mounted Devices' SMD components offer over wired components the advantage that through their
  • the RF components 3 of the circuit are preferably all arranged on a front side of the printed circuit board 1.
  • this offers the advantage that the first solderings 7 of the circuit can all be soldered in a single reflow soldering process.
  • the HF components 3 of circuits which have at least one on the front side and / or at least one on the front side opposite the rear side of the
  • Circuit board 1 arranged RF component 3 comprehensive, to solder selectively.
  • the circuit according to the invention may comprise at least one further component 11 in addition to its at least one HF component 3.
  • FIG. 1 shows, by way of example, three further components 1 1 soldered onto the printed circuit board 1.
  • the other components 1 1 each include terminals 13, which are each connected by means of a second solder produced by means of a second solder 15 with an associated circuit board connection 17.
  • a lead-free solder is used as the second solder, which has a higher melting temperature than the first solder used to produce the first solder 7.
  • the melting point is less than or equal to 140 ° C for the first lot due to the contained therein, the melting point, high bismuth proportion of greater than or equal to 50%.
  • suitable solders comprising tin, silver and copper are suitable as the second solder, for example under the abbreviation SAC-Lot.
  • Circuits which, in addition to their at least one HF component 3, comprise at least one further component 1 1, are preferably designed such that their RF components 3 are each arranged on a front side of the printed circuit board, and their further components 1 1 each on one of Front of the circuit board 1 opposite the back of the circuit board 1 are arranged.
  • the other components 1 1 are preferably formed as soldered onto the circuit board 1 SMD components.
  • Circuitries according to the invention are preferably produced by printing the printed circuit board connections 9 provided on the printed circuit board 1 for which their HF components 3 are each printed with the first solder provided as solder paste. Subsequently, the circuit board 1 is equipped with the RF components 3 of the circuit and the first solder 7 produced by means of a reflow soldering.
  • a vapor-phase soldering method or a vacuum soldering method is preferably used.
  • the printed circuit board is exposed to an initially gaseous medium which condenses on the surface of the printed circuit board 1, where its heat of condensation contributes to the heating of the solder joint.
  • the assembled printed circuit board is placed in a vacuum soldering furnace, where the solder joints are heated by radiant heat.
  • the comparatively low melting temperature of the first solder offers the advantage that the reflow soldering process is correspondingly lower
  • Process temperatures can be performed.
  • the latter offers the advantage that during the solidification of the first solderings 7 less defects, such as e.g. Voids or
  • an indium-containing first solders offer the additional advantage that indium the ductility of the first solder and / or the first Soldering increased. Higher ductility promotes the formation of smoother surfaces and counteracts the formation of shrinkage cracks.
  • lower process temperatures offer the advantage that the HF components 3 are subjected to lower thermal and, if appropriate, lower thermomechanical loads both during soldering and during the subsequent solidification of the solder joint.
  • a temperature profile is passed through in which the first solder is melted and subsequently held at temperatures above its liquidus temperature for a period of time.
  • a comparatively long period of time e.g. a period of greater than or equal
  • 100 seconds e.g. a period of 100 seconds to 150 seconds.
  • first solder is maintained above its liquidus temperature promotes the formation of more homogeneous first solders 7 and reduces the formation of voids trapped in the first solders 7.
  • Step further, the other components 1 1 are soldered to the back of the circuit board 1.
  • the other components 1 1 are soldered to the back of the circuit board 1.
  • PCB connectors 17 are each printed with the solder provided as a second solder.
  • the back of the circuit board 1 is equipped with the other components 1 1 of the circuit and generates the second solder 7 by means of a reflow soldering.
  • such a method is preferably carried out such that a temperature profile is run through, in which the second solder is melted and then kept at temperatures above its liquidus temperature for a period of time.
  • a comparatively short period of time such as a period of less than or equal to 50 seconds, eg a period of 10 seconds to 50 seconds, is preferably used.
  • the circuit board 1 is turned and soldered in a second process step, the RF components 3 in the manner described above on the front of the circuit board 1.
  • the higher melting temperature of the second solder prevents the previously produced second solderings 15 from being damaged.
  • Front arranged RF components 3 and arranged on the back of further component 1 1 can not or only incomplete can be made, single or all RF components 3 following the soldering of the other components 1 1 as needed selectively to the appropriate positions the front and / or the back of the circuit board 1 are soldered.
  • Circuits according to the invention can e.g. as part of a after the
  • Runtime operating level gauge such. the in the
  • the level gauges described in the introduction which comprise one or more circuits according to the invention, offer the advantage that they have the signal transmission characteristics improved therein due to the first solders 7

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Abstract

Es ist eine verbesserte Signalübertragungseigenschaften aufweisende elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen, mit einer Leiterplatte (1) und einem oder mehreren jeweils für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegten, auf der Leiterplatte (1) aufgelöteten HF-Bauteilen (3), deren HF-Bauteil-Anschlüsse (5) jeweils mittels einer ersten Lötung (7) mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte (1) angeordneten Leiterplatten-Anschluss (9) verbunden sind, beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass die ersten Lötungen (7) jeweils als mittels eines bleifreien, einen Wismut-Anteil von größer gleich 50 % aufweisenden ersten Lots mittels eines Reflow- Lötverfahrens, nämlich durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugte erste Lötung (7) ausgebildet sind.

Description

Elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von hochfrequenten Signalen
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen, mit
einer Leiterplatte, und
einem oder mehreren jeweils für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegten, auf der Leiterplatte aufgelöteten HF-Bauteilen, deren HF-Bauteil-Anschlüsse jeweils mittels einer ersten Lötung mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte
angeordneten Leiterplatten-Anschluss verbunden sind.
Schaltungen der eingangs genannten Art werden z.B. in Messgeräten eingesetzt, die beispielsweise in der in der industriellen Mess- und Regeltechnik verwendet werden.
Ein Beispiel hierfür sind nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Füllstandsmessgeräte zur Messung eines Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllguts. Diese Messgeräte erzeugen hochfrequente Signale, die mittels einer Antenne oder entlang eines
Wellenleiters in Richtung des Füllguts gesendet werden und deren an einer Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale nach einer vom Füllstand des Füllguts abhängigen Laufzeit als Empfangssignale empfangen werden, anhand derer dann die Laufzeit bzw. der Füllstand ermittelt wird. Dabei werden je nach Messgerättyp sehr hochfrequente
Sendesignale, wie z.B. Mikrowellensignale mit Frequenzen von größer gleich 20 GHz, verwendet.
In diesen Messgeräten werden elektronische Schaltungen der eingangs genannten Art zur Erzeugung der Sendesignale, sowie zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung der
Empfangssignale eingesetzt.
Bei Schaltungen der eingangs genannten Art gilt es durch die Schaltung, insb. deren Übertragungsverhalten und/oder deren Dynamik, im Hinblick auf die Funktion der
Schaltung unerwünschte Veränderungen der mittels der Schaltung erzeugten,
aufbereiteten und/oder verarbeiteten hochfrequenten Signalen möglichst gering zu halten.
Insoweit spielt bei den zuvor als Anwendungsbeispiel genannten Messgeräten insb. die durch die Dynamik der Schaltung bedingte frequenzabhängige Dämpfung hochfrequenter Signale eine wichtige Rolle, da sich die Dämpfung unmittelbar auf die erzielbare
Messgenauigkeit auswirkt. Zur Verbesserung der Signalübertragungseigenschaften werden in diesen Schaltungen heute für den Einsatz in der Hochfrequenztechnik besonders geeignete
Leiterplattenmaterialien eingesetzt. Zusätzlich wird das Schaltungs-Layout dahingehend optimiert, dass schaltungs-bedingte unerwünschte Signalveränderungen minimiert werden. Letzteres ist jedoch umso schwieriger, je hochfrequenter die Signale sind.
Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass nicht nur das verwendete Leiterplattenmaterial und das Schaltungs-Layout, sondern zusätzlich auch die auf der Leiterplatte vorgesehenen, den elektrischen Anschluss der einzelnen Bauteile bewirkenden Lötungen auf das Übertragungsverhalten der Schaltung auswirken. Dabei hat sich unter anderem gezeigt, dass Schaltungen, deren Bauteile unter Verwendung eines heute üblicher Weise eingesetzten bleifreien Lots, wie z.B. eines unter der Bezeichnung SAC-Lot bekannten Zinn-Silber-Kupfer Lots, aufgelötet worden sind, eine deutlich größere frequenzabhängige Dämpfung von über die Lötungen übertragenen hochfrequenten Signalen bewirken als identisch aufgebaute Schaltungen, deren Bauteile unter
Verwendung eines bleihaltigen Lots aufgelötet worden sind.
Zum Schutz der Umwelt und von Personen gilt es den Einsatz von Schwermetallen, wie z.B. Blei oder Quecksilber, in elektronischen Schaltungen 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. Entsprechend werden alle in Schaltungen der eingangs genannten Art eingesetzten Bauteile heute unter Verwendung eines bleifreien Lots aufgelötet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen anzugeben, die verbesserte Signalübertragungseigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen, mit
einer Leiterplatte, und
einem oder mehreren jeweils für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegten, auf der Leiterplatte aufgelöteten HF-Bauteilen, deren HF-Bauteil-Anschlüsse jeweils mittels einer ersten Lötung mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte
angeordneten Leiterplatten-Anschluss verbunden sind,
gelöst, die sich dadurch auszeichnet, dass die ersten Lötungen jeweils als mittels eines bleifreien, einen Wismut-Anteil von größer gleich 50 % aufweisenden ersten Lots mittels eines Reflow-Lötverfahrens, nämlich durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugte erste Lötung ausgebildet sind.
Erfindungsgemäße Schaltungen bieten den Vorteil, dass deren erste Lötungen aufgrund des hohen Wismut-Anteils des ersten Lots und des zu deren Herstellung verwendeten Reflow-Lötverfahrens in einem vergleichsweise großen Frequenzbereich nur eine verhältnismäßig geringe Dämpfung von über die jeweilige Lötung übertragenen
hochfrequenten Signalen verursachen.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Lötungen als mittels eines einen Indium-Anteil von größer gleich 2 % und/oder einen Indium-Anteil von 2 % bis 10 % umfassenden ersten Lots hergestellte erste Lötungen ausgebildet sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass die ersten Lötungen
als mittels eines Zinn, Wismut und Silber umfassenden bleifreien, ersten Lots hergestellte erste Lötungen ausgebildet sind, oder
als mittels eines Zinn, Wismut und Indium umfassenden bleifreien, ersten Lots hergestellte erste Lötungen ausgebildet sind.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltung mindestens ein weiteres Bauteil umfasst, dessen Anschlüsse jeweils mittels einer durch ein mittels eines bleifreien zweiten Lots ausgeführten Lötverfahrens erzeugten zweiten Lötung mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte angeordneten Leiterplatten-Anschluss verbunden sind, wobei das zweite Lot eine Schmelztemperatur aufweist, die größer als eine
Schmelztemperatur des ersten Lots ist.
Eine Ausgestaltung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die weitere Bauteilen mindestens ein mittels eines Reflow-Lötverfahrens aufgelötetes und/oder als SMD-Bauteil ausgebildetes Bauteil umfassen.
Eine Ausgestaltung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweiten Lötungen als mittels eines Zinn, Silber und Kupfer umfassenden SAC-Lots hergestellte zweite Lötungen ausgebildet sind.
Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass deren HF- Bauteile auf einer Vorderseite der Leiterplatte und deren weitere Bauteile auf einer der Vorderseite der Leiterplatte gegenüberliegenden Rückseite der Leiterplatte angeordnet sind. Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltung als Bestandteil eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts ausgebildet ist.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung, das sich dadurch auszeichnet, dass die ersten Lötungen erzeugt werden, indem:
die auf der Leiterplatte für die HF-Bauteile vorgesehenen Leiterplatten-Anschlüsse jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten ersten Lot bedruckt werden,
die Leiterplatte mit den HF-Bauteilen der Schaltung bestückt wird, und
die ersten Lötungen mittels eines Reflow-Lötverfahrens, nämlich durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugt werden.
Eine erste Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das
aufgeschmolzene erste Lot während des Reflow-Lötverfahrens über einen Zeitraum von größer gleich 100 Sekunden oder einen Zeitraum von
100 Sekunden bis 150 Sekunden hinweg auf oberhalb von dessen Liquidus-Temperatur liegenden Temperaturen gehalten wird.
Eine zweite Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung einer Schaltung gemäß der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die weiteren Bauteile auf der Leiterplatte verlötet werden bevor die HF-Bauteile auf der Leiterplatte verlötet werden.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Rückseite der Leiterplatte angeordnete, für auf der Rückseite aufzulötende weitere Bauteile der Schaltung vorgesehene Leiterplatten-Anschlüsse jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten zweiten Lot bedruckt werden, die Rückseite der Leiterplatte mit den darauf aufzulötenden weiteren Bauteilen bestückt wird und die zugehörigen zweiten Lötungen mittels eines Reflow-Lötverfahrens erzeugt werden,
die Leiterplatte gewendet wird, und
auf der Vorderseite der Leiterplatte angeordnete, für auf der Vorderseite
aufzulötende HF-Bauteile der Schaltung vorgesehene Leiterplatten-Anschlüsse jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten ersten Lot bedruckt werden, die Vorderseite der Leiterplatte mit den darauf aufzulötenden HF-Bauteilen bestückt wird und die zugehörigen ersten Lötungen durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten erzeugt werden.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figur der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt: einen Ausschnitt einer elektronische Schaltung. Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen, die eine Leiterplatte 1 und mindestens ein für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegtes HF-Bauteil 3 umfasst.
Fig. 1 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt einer solchen elektronischen Schaltung, der einen Leiterplattenbereich einer Leiterplatte 1 zeigt, auf der mindestens ein HF-Bauteil 3 angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Schaltung weitere auf der Leiterplatte 1 angeordnete HF-Bauteile 3 umfassen.
Als hochfrequente Signale werden vorliegend Signale bezeichnet, die Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassen. Diese hochfrequenten Signale können beispielsweise Frequenzen in einem Frequenzbereich von
20 GHz bis 100 GHz umfassen.
Als HF-Bauteile 3 werden vorliegend für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegte Hochfrequenz-Bauteile bezeichnet. Hierzu zählen z.B. zur Erzeugung,
Übertragung, Modulation, Filterung und/oder Verarbeitung von hochfrequenten Signalen dienende Bauteile, wie z.B. für diesen Frequenzbereich ausgelegte und/oder in diesem Frequenzbereich arbeitende Oszillatoren, Mischer, Verstärker, Filter und/oder Duplexer.
Die HF-Bauteile 3 der Schaltung sind jeweils als auf die Leiterplatte 1 aufgelötete Bauteile ausgebildet, deren HF-Bauteil-Anschlüsse 5 jeweils mittels einer ersten Lötung 7 mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte 1 angeordneten Leiterplatten-Anschluss 9 verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die ersten Lötungen 7 jeweils als mittels eines bleifreien, einen Wismut-Anteil von größer gleich 50 % aufweisenden ersten Lots mittels eines Reflow- Lötverfahrens, nämlich durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugte erste Lötung 7 ausgebildet.
Da als erstes Lot ein bleifreies Lot eingesetzt, das einen Wismut-Anteil von größer gleich 50 % aufweist, weisen auch die mittels des ersten Lots hergestellten ersten Lötungen 7 einen entsprechend hohen Wismut-Anteil auf.
Die vorliegend zur Quantifizierung von Anteilen einzelner in einem Lot enthaltener Lot- Komponenten verwendeten Prozentzahlen bezeichnen jeweils den Gewichtsanteil der jeweiligen Komponente am Gesamtgewicht des Lots.
Die Schaltung weist die zuvor genannten Vorteil auf. Dabei können die ersten Lötungen z.B. als mittels eines Zinn, Wismut, und Silber umfassenden, bleifreien, ersten Lots hergestellte Lötungen ausgebildet sein.
Optional können die Signalübertragungseigenschaften erfindungsgemäßer Schaltungen für Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassende Signale noch weiter verbessert werden, indem die ersten Lötungen 7 als mittels eines einen Indium-Anteil von größer gleich 2% und/oder von 2 % bis 10% enthaltenden, bleifreien ersten Lots hergestellte erste Lötungen 7 ausgebildet sind. Ein Beispiel hierfür sind mittels eines Zinn, Wismut und Indium umfassenden, bleifreien, ersten Lots hergestellte erste Lötungen 7.
Die HF-Bauteile 3 der Schaltung sind vorzugsweise jeweils als SMD-Bauteile ausgebildet. Die unter der englischsprachigen Bezeichnung 'Surface Mounted Devices' bekannten SMD Bauteile bieten gegenüber bedrahteten Bauteilen den Vorteil, dass durch deren
Verwendung die hochfrequenten Signale unter Umständen verändernde Induktivitäten, wie sie z.B. durch Anschlussdrähte von bedrahteten Bauteilen entstehen können, reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die HF-Bauteile 3 der Schaltung vorzugsweise alle auf einer Vorderseite der Leiterplatte 1 angeordnet. Das bietet in fertigungstechnischer Hinsicht den Vorteil, dass die ersten Lötungen 7 der Schaltung alle in einem einzigen Reflow-Lötverfahren verlötet werden können. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit die HF-Bauteile 3 von Schaltungen, die mindestens ein auf der Vorderseite und/oder mindestens ein auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden der Rückseite der
Leiterplatte 1 angeordnetes HF-Bauteil 3 umfassenden, selektiv zu verlöten.
Optional können erfindungsgemäße Schaltung zusätzlich zu deren mindestens einem HF- Bauteil 3 mindestens ein weiteres Bauteil 1 1 umfassen. Fig. 1 zeigt als ein Beispiel hierzu exemplarisch drei auf der Leiterplatte 1 aufgelötete weitere Bauteile 1 1 .
Bei diesen Schaltungen umfassen auch die weiteren Bauteile 1 1 jeweils Anschlüsse 13, die jeweils mittels einer mittels eines zweiten Lots erzeugten zweiten Lötung 15 mit einem zugehörigen Leiterplatten-Anschluss 17 verbunden sind. Dabei wird zur Erzeugung der zweiten Lötungen 15 als zweites Lot vorzugsweise ein bleifreies Lot eingesetzt, dass eine höhere Schmelztemperatur aufweist, als das zur Herstellung der ersten Lötungen 7 verwendete erste Lot. Dabei ist für das erste Lots aufgrund des darin enthaltenen, den Schmelzpunkt senkenden, hohen Wismut-Anteils von größer gleich 50 % von einen Schmelzpunkt von kleiner gleich 140°C auszugehen. Entsprechend eignen sich als zweites Lot z.B. unter der Abkürzung SAC-Lot bekannte Zinn, Silber und Kupfer umfassende Lote. Schaltungen, die zusätzlich zu deren mindestens einem HF-Bauteil 3 mindestens ein weiteres Bauteil 1 1 umfassen, sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass deren HF- Bauteile 3 jeweils auf einer Vorderseite der Leiterplatte angeordnet sind, und deren weitere Bauteile 1 1 jeweils auf einer der Vorderseite der Leiterplatte 1 gegenüberliegenden Rückseite der Leiterplatte 1 angeordnet sind. Dabei sind auch die weiteren Bauteile 1 1 vorzugsweise als auf die Leiterplatte 1 aufgelötete SMD-Bauteile ausgebildet.
Erfindungsgemäße Schaltungen werden vorzugsweise hergestellt, indem die auf der Leiterplatte 1 angeordneten, för deren HF-Bauteile 3 vorgesehenen Leiterplatten- Anschlüsse 9 jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten ersten Lot bedruckt werden. Anschließend wird die Leiterplatte 1 mit den HF-Bauteilen 3 der Schaltung bestückt und die ersten Lötungen 7 mittels eines Reflow-Lötverfahrens erzeugt.
Als Reflow-Lötverfahren wird vorzugsweise ein Dampfphasen-Lötverfahren oder ein Vakuum-Lötverfahren eingesetzt. Beim Dampfphasen-Löten wird die bestückte Leiterplatte einem zunächst gasförmigen Medium ausgesetzt, das auf der Oberfläche der bestückten Leiterplatte 1 kondensiert, wo dessen Kondensationswärme zur Erwärmung der Lötstelle beiträgt.
Beim Vakuum-Lötverfahren wird die bestückte Leiterplatte in einen Vakuumlötofen eingebracht, wo die Lötstellen durch Strahlungswärme erhitzt werden.
Diese Verfahren bieten gegenüber anderen Lötverfahren, wie z.B. dem Konvektionslöten, den Vorteil dass sich hierdurch vergleichsweise homogenere erste Lötungen 7 mit glatteren Oberflächen erzeugen lassen, die homogenere Übergänge zu den Fügepartnern ausbilden. Beides führt für Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassende Signale zu einer Verbesserung der Signalübertragungseigenschaften der ersten Lötungen 7, insb. zu einer Reduktion der durch die ersten Lötungen 7 verursachten frequenzabhängigen Dämpfung von über die ersten Lötungen 7 übertragenen Signalen.
Zusätzlich bietet die vergleichsweise geringe Schmelztemperatur des ersten Lots den Vorteil, dass das Reflow-Lötverfahren bei entsprechend geringeren
Verfahrenstemperaturen ausgeführt werden kann. Letzteres bietet den Vorteil, dass sich beim Erstarren der ersten Lötungen 7 weniger Fehlstellen, wie z.B. Voids oder
Schrumpfrisse, ausbilden, als das bei höheren Verfahrenstemperaturen der Fall wäre.
Auch das trägt wiederum zur Ausbildung von für die Signalübertragungseigenschaften der Schaltung vorteilhaften glatten Oberflächen der ersten Lötungen 7 bei.
In diesem Zusammenhang bieten einen Indium-Anteil enthaltende erste Lote den zusätzlichen Vorteil, dass Indium die Duktilität des ersten Lots und/oder der ersten Lötungen erhöht. Eine höhere Duktilität fördert die Ausbildung glatterer Oberflächen und wirkt der Ausbildung von Schrumpfrissen entgegen.
Darüber hinaus bieten niedrigere Verfahrenstemperaturen den Vorteil, dass die HF- Bauteile 3 sowohl beim Löten als auch beim nachfolgenden Erstarren der Lötstelle geringeren thermischen, sowie ggfs auch geringeren thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Bei der Ausführung des Reflow-Lötverfahrens wird vorzugsweise derart Verfahren, dass ein Temperaturprofil durchlaufen wird, bei dem das erste Lot aufgeschmolzen und anschließend über einen Zeitraum hinweg auf oberhalb von dessen Liquidus-Temperatur liegenden Temperaturen gehalten wird. Dabei wird in Verbindung mit hoch-wismuthaltigen Loten vorzugsweise ein vergleichsweise langer Zeitraum, wie z.B. ein Zeitraum von größer gleich
100 Sekunden, z.B. ein Zeitraum von 100 Sekunden bis 150 Sekunden, angesetzt.
Dieser vergleichsweise lange Zeitraum bietet den Vorteil, dass dem aufgeschmolzenen ersten Lot vergleichsweise viel Zeit zur Benetzung der HF-Bauteil-Anschlüsse 5 und der zugehörigen Leiterplatten-Anschlüsse 9 zur Verfügung steht. Das führt zu einer im
Wesentlichen vollständigen oder zumindest nahezu vollständigen Benetzung der
Oberflächen dieser Anschlüsse. Hierdurch werden nach Abschluss des Lötverfahrens frei liegende und somit die Signalübertragungseigenschaften der Schaltung nachteilig beeinflussende Anschlussflächen weitgehend vermieden.
Darüber hinaus fördert ein längerer Zeitraum, über den das erste Lot oberhalb dessen Liquidus-Temperatur gehalten wird, die Ausbildung homogenerer erster Lötungen 7 und reduziert die Ausbildung von in den ersten Lötungen 7 eingeschlossenen Voids.
Bei der Herstellung von mindestens ein HF-Bauteil 3 und mindestens ein weiteres Bauteil 1 1 umfassenden Schaltung wird vorzugsweise derart verfahren, in einem ersten
Verfahrensschritt die weiteren Bauteile 1 1 auf der Rückseite der Leiterplatte 1 verlötet werden. Hierzu werden die auf der Rückseite der Leiterplatte 1 angeordneten, für die weiteren Bauteile 1 1 vorgesehenen Leiterplatten-Anschlüsse 17 jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten zweiten Lot bedruckt. Anschließend wird die Rückseite der Leiterplatte 1 mit den weiteren Bauteilen 1 1 der Schaltung bestückt und die zweiten Lötungen 7 mittels eines Reflow-Lötverfahrens erzeugt.
Auch hier wird vorzugsweise derart Verfahren, dass ein Temperaturprofil durchlaufen wird, bei dem das zweite Lot aufgeschmolzen und anschließend über einen Zeitraum hinweg auf oberhalb von dessen Liquidus-Temperatur liegenden Temperaturen gehalten wird. Dabei wird in Verbindung mit den zuvor genannten SAC-Loten vorzugsweise ein vergleichsweise kurzer Zeitraum, wie z.B. ein Zeitraum von kleiner gleich 50 Sekunden, z.B. ein Zeitraum von 10 Sekunden bis 50 Sekunden, angesetzt. Anschließend wird die Leiterplatte 1 gewendet und in einem zweiten Verfahrensschritt die HF-Bauteile 3 auf die oben beschriebene Weise auf die Vorderseite der Leiterplatte 1 aufgelötet. Dabei verhindert die höhere Schmelztemperatur des zweiten Lots, das die zuvor hergestellten zweiten Lötungen 15 beschädigt werden.
Wo eine Aufteilung der auf der Leiterplatte 1 anzuordnenden Bauteile in auf der
Vorderseite angeordnete HF-Bauteile 3 und auf der Rückseite angeordnete weitere Bauteil 1 1 nicht oder nur unvollständig vorgenommen werden kann, können einzelne oder alle HF- Bauteile 3 im Anschluss an die Verlötung der weiteren Bauteile 1 1 bei Bedarf selektiv an den dafür vorgesehenen Positionen auf der Vorderseite und/oder der Rückseite der Leiterplatte 1 verlötet werden.
Erfindungsgemäße Schaltungen können z.B. als Bestandteil eines nach dem
Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts ausgebildet sein. Nach dem
Laufzeitprinzip arbeitende Füllstandsmessgeräts, wie z.B. die in der
Beschreibungseinleitung beschriebenen Füllstandsmessgeräte, die eine oder mehrere erfindungsgemäße Schaltungen umfassen, bieten den Vorteil, dass sie aufgrund der durch die ersten Lötungen 7 verbesserten Signalübertragungseigenschaften der darin
eingesetzten Schaltung bzw. der darin eingesetzten Schaltungen und/oder die
vergleichsweise geringe Dämpfung von über deren erste Lötungen 7 übertragenen
Signalen eine verbesserte Messgenauigkeit aufweisen.
Bezugszeichenliste
I Leiterplatte
3 HF-Bauteil
5 HF-Bauteil-Anschluss
7 erste Lötung
9 Leiterplatten-Anschluss
I I weiteres Bauteil
13 Anschluss
15 zweite Lötung
17 Leiterplatten-Anschluss

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Schaltung zum Erzeugen, Aufbereiten und/oder Verarbeiten von
Frequenzen von größer gleich 20 GHz umfassenden, hochfrequenten Signalen, mit
einer Leiterplatte (1 ), und
einem oder mehreren jeweils für einen Frequenzbereich von größer gleich 20 GHz ausgelegten, auf der Leiterplatte (1 ) aufgelöteten HF-Bauteilen (3), deren HF-Bauteil- Anschlüsse (5) jeweils mittels einer ersten Lötung (7) mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte (1 ) angeordneten Leiterplatten-Anschluss (9) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Lötungen (7) jeweils als mittels eines bleifreien, einen Wismut-Anteil von größer gleich 50 % aufweisenden ersten Lots mittels eines Reflow-Lötverfahrens, nämlich durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugte erste Lötung (7) ausgebildet sind.
2. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Lötungen (7) als mittels eines einen Indium-Anteil von größer gleich 2 % und/oder einen Indium-Anteil von 2 % bis 10 % umfassenden ersten Lots hergestellte erste Lötungen (7) ausgebildet sind.
3. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das die ersten Lötungen (7)
als mittels eines Zinn, Wismut und Silber umfassenden bleifreien, ersten Lots hergestellte erste Lötungen (7) ausgebildet sind, oder
als mittels eines Zinn, Wismut und Indium umfassenden bleifreien, ersten Lots hergestellte erste Lötungen (7) ausgebildet sind.
4. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mindestens ein weiteres Bauteil (1 1 ) umfasst, dessen Anschlüsse (13) jeweils mittels einer durch ein mittels eines bleifreien zweiten Lots ausgeführten Lötverfahrens erzeugten zweiten Lötung (15) mit einem zugehörigen auf der Leiterplatte (1 ) angeordneten Leiterplatten-Anschluss (17) verbunden sind, wobei das zweite Lot eine
Schmelztemperatur aufweist, die größer als eine Schmelztemperatur des ersten Lots ist.
5. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Bauteilen (1 1 ) mindestens ein mittels eines Reflow-Lötverfahrens aufgelötetes und/oder als SMD-Bauteil ausgebildetes Bauteil umfassen.
6. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Lötungen (15) als mittels eines Zinn, Silber und Kupfer umfassenden SAC-Lots hergestellte zweite Lötungen (15) ausgebildet sind.
7. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 4 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass deren HF-Bauteile (3) auf einer Vorderseite der Leiterplatte (1 ) und deren weitere Bauteile (1 1 ) auf einer der Vorderseite der Leiterplatte (1 ) gegenüberliegenden Rückseite der Leiterplatte (1 ) angeordnet sind.
8. Elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als Bestandteil eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden
Füllstandsmessgeräts ausgebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltung gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Lötungen (7) erzeugt werden, indem:
die auf der Leiterplatte (1 ) für die HF-Bauteile (3) vorgesehenen Leiterplatten- Anschlüsse (9) jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten ersten Lot bedruckt werden, die Leiterplatte (1 ) mit den HF-Bauteilen (3) der Schaltung bestückt wird, und die ersten Lötungen (7) mittels eines Reflow-Lötverfahrens, nämlich durch
Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten, erzeugt werden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschmolzene erste Lot während des Reflow-Lötverfahrens über einen Zeitraum von größer gleich 100 Sekunden oder einen Zeitraum von
100 Sekunden bis 150 Sekunden hinweg auf oberhalb von dessen Liquidus-Temperatur liegenden Temperaturen gehalten wird.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 9 bis 10 zur Herstellung einer Schaltung gemäß Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Bauteile (1 1 ) auf der Leiterplatte (1 ) verlötet werden bevor die HF-Bauteile (3) auf der Leiterplatte (1 ) verlötet werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Rückseite der Leiterplatte (1 ) angeordnete, für auf der Rückseite
aufzulötende weitere Bauteile (1 1 ) der Schaltung vorgesehene Leiterplatten-Anschlüsse (17) jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten zweiten Lot bedruckt werden, die Rückseite der Leiterplatte (1 ) mit den darauf aufzulötenden weiteren Bauteilen (1 1 ) bestückt wird und die zugehörigen zweiten Lötungen (15) mittels eines Reflow- Lötverfahrens erzeugt werden,
die Leiterplatte (1 ) gewendet wird, und auf der Vorderseite der Leiterplatte (1 ) angeordnete, für auf der Vorderseite aufzulötende HF-Bauteile (3) der Schaltung vorgesehene Leiterplatten-Anschlüsse (17) jeweils mit dem als Lotpaste bereitgestellten ersten Lot bedruckt werden, die Vorderseite der Leiterplatte (1 ) mit den darauf aufzulötenden HF-Bauteilen (3) bestückt wird und die zugehörigen ersten Lötungen (7) durch Vakuumlöten oder durch Dampfphasenlöten erzeugt werden.
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