WO2021032455A1

WO2021032455A1 - Smd-lötbares bauelement und verfahren zum herstellen eines smd-lötbaren bauelements

Info

Publication number: WO2021032455A1
Application number: PCT/EP2020/071818
Authority: WO
Inventors: Bernd Strütt; Dietmar Birgel; Silke CZAJA
Original assignee: Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2021-02-25
Also published as: US20220301802A1; EP4018463A1; CN114245763A; US11901149B2; DE102019122611A1

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.