DE10201209B4

DE10201209B4 - Lotformteil und Verfahren zur Bestückung desselben

Info

Publication number: DE10201209B4
Application number: DE10201209A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Birgel; Karl-Peter Hauptvogel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: DE10201209A1; WO2003059032A1; AU2002358776A1

Abstract

Lotformteil mit
– einem Steg (1) und
– einer Scheibe (3),
– die fest mit einer Stirnfläche (5) des Stegs (1) verbunden ist, und
– die bei einer maschinellen Bestückung einer Leiterplatte (11) mit dem Lotformteil als Ansaugfläche dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lotformteil und ein Verfahren zur Aufbringung eines elektronischen Bauteils auf einer Leiterplatte mittels mindestens eines Lotformteils.

Moderne elektrische Geräte, insb. Meßgerät, weisen in der Regel mindestens eine Leiterplatte auf, auf der elektronische Bauteile angeordnet sind. Diese Bauteile müssen mechanisch auf der Leiterplatte befestigt werden und elektrisch an in oder auf der Leiterplatte verlaufenden Leitungen angeschlossen werden.

Zur Reduktion von Herstellungskosten werden vorzugsweise oberflächenmontierbare Bauteile, sogenannte 'Surface Mounted Devices' – kurz SMD Bauteile eingesetzt. SMD Bauteile benötigen für deren Montage keine Leiterplattenlöcher, sondern werden mit ihren Kontakten direkt an vorgesehenen Kontaktflächen angelötet. SMD-Bauteile können mit Bestückungsautomaten maschinell auf der Leiterplatte planiert werden.

Typischerweise wird in einem ersten Schritt an allen Orten, an denen nachfolgend Bauteile positioniert werden, im Siebdruckverfahren eine Lotpaste auf die Leiterplatte aufgebracht. Ein Ort an dem Lot aufgebracht ist bzw. an dem nach Beendigung des Fertigungsprozesses eine Lötverbindung besteht ist nachfolgend als Lötstelle bezeichnet.

In einem nächsten Schritt werden die Leiterplatten maschinell mit den Bauteilen bestückt. Die bestückten Leiterplatten werden in einen Ofen eingebracht. Der Lötvorgang wird in einem Ofen, z.B. in einer Schutzgasatmosphäre, vorgenommen, indem ein lotspezifischer Temperaturzyklus durchlaufen wird.

Die Anzahl der als SMD-Bauteil erhältlichen Bauelemente nimmt ständig zu. Auch sind inzwischen eine wachsende Zahl von bedrahteten Bauteilen einer automatischen Bestückung zugänglich.

Es gibt jedoch Bauteile bei denen die üblicherweise maschinell aufgebrachte Menge an Lotpaste nicht zu einer ausreichenden Befestigung dieser Bauteile ausreicht. Beispiele hierfür sind elektrische Steckverbinder, z.B. in Form von flexiblen Leiterplatten, die von einer starren Leiterplatte zu einer weiteren starren Leiterplatte führen, und Anschlußdrähte für Steckverbinder größerer Transformatoren.

Zur Bestückung von Leiterplatten mit diesen Bauteilen ist es erforderlich nach der maschinellen Aufbringung der Lotpaste in einem weiteren Arbeitsgang an den für diese Bauteile vorgesehenen Orten zusätzliches Lot aufzubringen.

Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß an diesen Orten vorgefertigte Lotformteile plaziert werden, die das gewünschte größere Lotvolumen zur Verfügung stellen.

Nicht alle erhältlichen Lotformteile sind jedoch zur maschinellen Bestückung geeignet. Wie auch bei der automatischen Bestückung von SMD-Bauteilen benötigen die Lotformteile eine glatte ausreichend große Fläche, an der sie von einem Bestückungsautomaten angesaugt werden können.

In der Druckschrift DE 295 19 294 U1 ist ein blockartiges Lotformteil beschrieben, das auf einer dafür vergrößerten Anschlußfläche seitlich von einem Anschlußpin eines bedrahteten Bauteils plaziert wird. Dieses Lotformteil dient als Lotdepot für den betrachteten Anschlußpin. Eine automatische Bestückung des Lotformteils wird in der DE 295 19 294 U1 nicht beschrieben.

Die Druckschrift US 61 79 631 A beschreibt hülsenförmige Lotformteile die auf Anschlußpins eines bedrahteten Bauteils geschoben werden, bevor dieses Bauteil auf die Leiterplatte bestückt wird. Ein solches Lotformteil allein kann nicht von einem Bestückungsautomaten auf die Leiterplatte bestückt werden.

Die Druckschrift JP 2000 068 636 A beschreibt ein becherförmiges Lotformteil, das als ganzes in eine Anschlußbohrung für ein bedrahtetes Bauteil eingepreßt werden muß, bevor der entsprechende Anschlußpin in die Anschlußbohrung eingesetzt wird. Ein üblicher Bestückungsautomat kann dieses becherförmige Lotformteil weder in die Leiterplatte pressen noch zusammen mit anderen Bauteilen, wie z.B. SMD-Bauteilen, auf die Leiterplatte bestücken.

Maschinell bestückbare Lotformteile sind daher sehr häufig scheibenförmig. Bei scheibenförmigen Lotformteilen tritt jedoch das Problem auf, daß sich das Lot an der Lötstelle nicht gleichmäßig verteilt. Es bilden sich unter Umständen linsenartige Ansammlungen von Lot aus, die zu einer erheblichen Verschlechterung der Qualität der Lotverbindung führen.

Ringscheibenförmige Lotformteile liefern eine sehr gleichmäßige Verteilung des Lotes an der Lotstelle, sie sind jedoch mangels einer ausreichend großen glatten Fläche nicht für eine maschinelle Bestückung geeignet.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, für eine maschinelle Bestückung geeignete Lotformteile, die eine gleichmäßige Verteilung des Lots an der Lötstelle bewirken, sowie ein Verfahren zu deren Beshickung anzugeben.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Lotformteil mit

– einem Steg und
– einer Scheibe,
– die fest mit einer Stirnfläche des Stegs verbunden ist, und
– die bei einer maschinellen Bestückung einer Leiterplatte mit dem Lotformteil als Ansaugfläche dient.

Gemäß einer Ausgestaltung bildet der Steg eine geschlossene Umrandung eines Innenraumes.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Scheibe eine im Vergleich zu einer Höhe des Stegs geringe Dicke auf.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Dicke der Scheibe ungefähr gleich einem Zehntel der Höhe des Stegs.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Bestückung eines Lotformteils nach der Erfindung auf einer Leiterplatte,

– bei dem ein bedrahtetes Bauteils auf einer ersten Seite der Leiterplatte mittels eines Klebers fixiert wird;
– bei dem auf die zweite Seite der Leiterplatte Lotpaste aufgebracht wird an einem Rand jeder Bohrung, in die drahtförmige Kontakte des bedrahteten Bauteils ragen; und
– bei dem das Lotformteil an seiner Scheibe von einem Bestückungsautomaten angesaugt, gehalten und in die Lotpaste eingesetzt wird, so daß das Lotformteil über den Bohrungen plaziert wird.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lotformteil im Schnitt;
2 zeigt eine mit einem bedrahteten Bauteil und mehreren SMD-Bauteilen bestückte Leiterplatte; und
3 zeigt einen mit einem Lotformteil eingelöteten Kontakt eines bedrahteten Bauteils.
In 1 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lotformteil dargestellt. Das Lotformteil besteht vollständig aus einem Lot. Dabei kann ein beiliebiges Lot verwendet werden, z.B. ein bleifreies Zinn-Silber-Lot oder ein Zinn-Blei-Lot. Es weist einen Steg 1 und eine Scheibe 3 auf. Die Scheibe 3 ist fest mit einer Stirnfläche 5 des Stegs 1 verbunden. 2.
Die Scheibe 3 weist eine im Vergleich zu einer Höhe H des Stegs 1 geringe Dicke d auf. Die Höhe H und eine Form des Stegs 1 richten sich dabei danach, an welchen Orten für eine Anwendung wieviel Lot benötigt wird.
Durch die Scheibe 3 ist es möglich die erfindungsgemäßen Lotformteile maschinell auf eine Leiterplatte aufzusetzten. Die Scheibe 3 dient dabei als Ansaugfläche für einen Bestückungsautomaten. Die Dicke d der Scheibe 3 ist vorzugsweise so gering, daß sie gerade ausreichende mechanische Stabilität liefert, um das Lotformteil durch Ansaugen der Scheibe 3 aufzunehmen und auf die Leiterplatte aufzusetzen. Die Dicke d der Scheibe 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr gleich einem Zehntel der Höhe des Stegs 1.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Steg 1 eine geschlossene Umrandung eines Innenraumes 7 und ist zylindrisch. Diese Form wird bevorzugt für die Verlötung von bedrahteten Bauteilen eingesetzt. Die zylindrische Form bewirkt eine gleichmäßige Verteilung des Lotes um einen Anschlußdraht eines bedrahteten Bauteils herum.
Die Scheibe 3 enthält verglichen mit dem Steg 1 nur ein sehr geringes Lotvolumen, daß sich problemlos verteilt. Lotblasen und ungewünschte Lotanhäufungen, z.B. in Form von einer asymetrischen Benetzung oder durch Kugelbildung, treten daher nicht auf.
Die Erfindung besteht weiter in einem Verfahren zur Aufbringung eines bedrahteten Bauteils 9 auf einer Leiterplatte 11 mittels erfindungsgemäßen Lotformteilen 13. 2 zeigt die Leiterplatte 11, die mit einigen SMD-Bauteilen 10 und mit dem bedrahteten Bauteil 9 bestückt ist.
Die Leiterplatte 11 ist z.B. eine handelsübliche starre Leiterplatte, z.B. aus einem Isolierstoff auf Epoxidharzbasis, oder eine flexible Leiterplatte, z.B. aus Polyimid. Leiterbahnen der Leiterplatte 11 bestehen üblicherweise aus Kupfer und weisen dort, wo ein Anschluß erfolgen soll auf der Leiterplatte 11 angeordnete freiliegende, üblicherweise als Kupferpads bezeichnete, Kontaktflächen 14 auf.
Das bedrahtete Bauteil 9 wird auf einer ersten Seite 15 der Leiterplatte 11 mittels eines Klebers 17 derart fixiert, daß dessen drahtförmige Kontakte 19 in die Leiterplatte 11 vollständig durchdringende durchgehende Bohrungen 21 hineinragen. Dabei können die drahtförmigen Kontakte 19 im Inneren der Bohrung 21 enden oder sogar aus der Bohrung 21 herausragen. Dabei ist lediglich zu beachten, daß sie nicht so weit herausragen, daß sie die Scheibe 3 der Lotformteile 13 berühren. Als Kleber eignen sich besonders solche Kleber, die in Verbindung mit SMD-Bauteilen üblicherweise verwendet werden.
Die Kontaktflächen 14, die für das bedrahtete Bauteil 9 vorgesehen sind, grenzen unmittelbar an die Bohrungen 21 an.
An einem Rand der Bohrungen 21 auf einer der ersten Seite 15 gegenüberliegenden zweiten Seite 23 der Leiterplatte 11 wird Lotpaste 25 auf die für das bedrahtete Bauteil 9 vorgesehenen Kontaktflächen 14 aufgebracht. In einem nächsten Arbeitsgang werden die Lotformteile 13 auf die Lotpaste aufgesetzt und die Leiterplatte 11 wird in einen Ofen, vorzugsweise einem Reflow-Lötofen, eingebracht und durchläuft dort einen Temperaturzyklus, bei dem eine Lötung erfolgt.
Bei der Lötung bildet das Lot eine elektrische Verbindung zu mindestens einer an die jeweilige Bohrung 21 angrenzenden Kontaktfläche 14. Bei der Lötung wird das Lot aufgeschmolzen und fließt zumindest zum Teil in Bohrungen 21 hinein. Am Ende der Lötung umgibt das Lot einen in der Bohrung 21 befindlichen Abschnitt der Kontakte 19 und benetzt die Kontaktflächen 14. Zur Vergrößerung der effektiven Kontaktfläche ist vorzugsweise eine innere Mantelfläche der Bohrung mit einer Metallisierung 27 versehen. Dieser Endzustand ist in 3 anhand einer einzigen Lötstelle eine bedrahteten Bauteils 9 dargestellt.
Die großen Vorteile der maschinellen Bestückbarkeit der Leiterplatte 11 mit Lotformteilen 13 machen sich besonders bemerkbar, wenn die Leiterplatte 13 mit vielen verschiedenen Bauteilen bestückt wird. 2 zeigt dies exemplarisch anhand des bedrahteten Bauteils 9 und von zu beiden Seiten der Leiterplatte 15 und 23 aufgebrachten SMD-Bauteilen 10.
Die Bestückung dieser Leiterplatte 11 erfolgt vorzugsweise vollständig maschinell. Es wird zunächst auf der ersten Seite 15 an einem ersten Satz Lötstellen der Leiterplatte 11 Lotpaste 25 maschinell aufgebracht. Hierzu eignet sich z.B. ein Siebdruckverfahren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der erste Satz Lötstellen ausschließlich Anschlußstellen für SMD-Bauteile 10. Selbstverständlich können auch andere Lötstellen vorgesehen sein.
Anschließend wird auf der ersten Seite 15 der Leiterplatte 11 der Kleber 17 maschinell, z.B. mit einem Dispenser, aufgebracht, und es wird die erste Seite 15 mit SMD-Bauteilen 10 und bedrahteten Bauteilen 9 bestückt.
Die Leiterplatte 11 wird in einem Ofen, vorzugsweise einem Reflow-Lötofen, eingebracht und durchläuft dort einen einen Temperaturzyklus, durch den an dem ersten Satz Lötstellen eine Lötung erfolgt und der Kleber 17 aushärtet.
Durch den ausgehärteten Kleber 17 sind die bedrahteten Bauteile 9 fixiert und die Leiterplatte 11 kann zur Bestückung von deren zweiten Seite 23 umgedreht werden.
Auf der zweiten Seite 23 wird an einem zweiten Satz Lötstellen der Leiterplatte 11 ebenfalls maschinell Lotpaste 25 aufgebracht. Die Lötstellen des zweiten Satzes umfassen neben den Kontaktstellen 14 für die SMD-Bauteile 10 auch die Kontaktstellen 14 für die bedrahteten Bauteile 9.
Anschließend wird die zweite Seite 23 je nach Bedarf mit Lotformteilen 13 oder mit Lotformteilen 13 und SMD-Bauteilen 10 bestückt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Lotformteile 13 können diese genauso wie die SMD-Bauteile 10 von einem Bestückungsautomaten angesaugt werden und auf der Leiterplatte 11 positioniert werden. Es ist also kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich.
Abschließend wird die Leiterplatte 11 erneut in den Ofen eingebracht und durchläuft einen Temperaturzyklus, durch den an dem zweiten Satz Lötstellen und den Lotformteilen 13 eine Lötung erfolgt.
Zum Schutz der bedrahteten Bauteile 9 kann die erste Seite 15 der Leiterplatte 11 bei dem letztgenannten Lötvorgang gekühlt werden.

Claims

Lotformteil mit – einem Steg (1) und – einer Scheibe (3), – die fest mit einer Stirnfläche (5) des Stegs (1) verbunden ist, und – die bei einer maschinellen Bestückung einer Leiterplatte (11) mit dem Lotformteil als Ansaugfläche dient.
Lotformteil nach Anspruch 1, bei dem der Steg (1) eine geschlossene Umrandung eines Innenraumes (7) bildet.
Lotformteil nach Anspruch 1, bei dem die Scheibe (3) eine im Vergleich zu einer Höhe (H) des Stegs (1) geringe Dicke (d) aufweist.
Lotformteil nach Anspruch 1, bei dem die Dicke (d) der Scheibe (3) ungefähr gleich einem Zehntel der Höhe (H) des Stegs (1) ist.
Verfahren zur Bestückung eines Lotformteils (13) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auf einer Leiterplatte (11), – bei dem ein bedrahtetes Bauteils (9) auf einer ersten Seite (15) der Leiterplatte (11) mittels eines Klebers (17) fixiert wird; – bei dem auf die zweite Seite (23) der Leiterplatte (11) Lotpaste (25) aufgebracht wird an einem Rand jeder Bohrung (21), in die drahtförmige Kontakte (19) des bedrahteten Bauteils (9) ragen; und – bei dem das Lotformteil (13) an seiner Scheibe (3) von einem Bestückungsautomaten angesaugt, gehalten und in die Lotpaste (25) eingesetzt wird, so daß das Lotformteil (13) über den Bohrungen (21) plaziert wird.