DE19610586A1 - Leiterplatte und Verfahren zum lagegenauen Bestücken und Löten von elektronischen Bauelementen auf der Oberfläche der Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte und ein Ver­ fahren zum lagegenauen Bestücken derselben mit elek­ tronischen Bauelementen auf der Oberfläche der Lei­ terplatte, wobei die elektronischen Bauelemente mit einer Reflow-Löttechnik elektrisch leitend und stabil verbunden werden sollen. Insbesondere soll die erfin­ dungsgemäß ausgebildete Leiterplatte für den Einsatz in Überspannungsschutz-Baugruppen eingesetzt werden, wobei als elektronische Bauelemente Überspannungslei­ ter, PTC′s, Varistoren und Dioden eingesetzt werden sollen.

Es ist bekannt, die Überspannungsleiter durch ein Reflow-Lötverfahren auf der Leiterplatte aufzubringen und die anderen elektronischen Bauteile, wie PTC′s, Varistoren und Dioden als Chipbauelemente, mit Hilfe der herkömmlichen Klemmtechnik zu kontaktieren. Dabei treten Probleme bei der lagegenauen Ausrichtung des Überspannungsleiters auf, wenn dieser bei der Be­ stückung bzw. während des Lötvorganges nicht in der gewünschten Position gehalten wird und es so gegebe­ nenfalls zu Kontaktproblemen kommen kann oder bei der weiteren Bearbeitung oder Montage der Leiterplatte Schwierigkeiten auftreten können.

Durch die unterschiedlichen Verfahren, mit denen die verschiedenen Bauelemente auf die Leiterplatte ge­ bracht werden, sind zur Kontaktierung mehrere Ar­ beitsgänge erforderlich. Außerdem sind zusätzliche Kontaktbleche für die Bestückung der Leiterplatte mit den anderen Bauelementen (PTC′s und Varistoren) er­ forderlich, die den Material- und Fertigungsaufwand ebenfalls erhöhen.

Beim Reflow-Löten ist es üblich, auf den Leiterplat­ ten an Stellen, die ein Elektronikbauteil aufnehmen sollen, entsprechend Lotmaterial aufzutragen. Im An­ schluß daran wird auf das noch im pastösen Zustand befindliche Lot das jeweilige Bauteil aufgesetzt und im Anschluß daran die vollständig bestückte Leiter­ platte erwärmt, bis das Lot schmilzt und nach Abküh­ lung durch das wiedererstarrte Lotmaterial auf der Leiterplatte festgehalten wird und elektrisch kontak­ tiert wird.

Solange das Lotmaterial noch keine innige Verbindung des elektronischen Bauteils mit der Leiterplatte, also direkt nach dem Aufsetzen der Bauteile, bewirkt, kann das jeweilige elektronische Bauteil verrutschen und so die gewünschte Position werden. Da das Reflow- Lötverfahren in der Regel in Durchlauföfen, wie sie beispielsweise aus der DE 40 16 366 C2 bekannt sind, durchgeführt wird, müssen insbesondere beim Transport der vorab bestückten Leiterplatte Vorkehrungen ge­ troffen werden, die verhindern, daß durch die Bewe­ gung bzw. Erschütterungen ein Verrutschen der Bauele­ mente aus der gewünschten Position erfolgt.

Um ein solches Verrutschen zu verhindern, ist bei­ spielsweise aus der EP 0 540 497 A2 das Verwenden einer Matrize bekannt, die jedoch lediglich die Ober­ flächenform des Lotes, das auf Lötpunkte aufgebracht wird, vorgeben kann. Eine Fixierung des Bauteiles zumindest in einem gewissen Maß ist jedoch mit dieser Lösung nicht möglich. Das Positionieren soll dadurch erleichtert werden, daß die erzeugten Lötstellen eine ebene Oberfläche aufweisen.

Die Verwendung eines Klebstoffes, mit dem Bauelemente auf einer Leiterplatte befestigt werden sollen, geht aus der DE 41 26 913 A1 hervor. Hierbei wird die Ver­ bindung des jeweiligen Bauelementes mit einem Klebstoff auf der Leiterplatte hergestellt. Im An­ schluß daran wird der eigentliche Lötvorgang durchgeführt und die vollständige Verbindung letzt­ endlich hergestellt. Neben dem zusätzlich erforderli­ chen Klebstoff, dessen Zuführung einen entsprechenden erhöhten Aufwand bei der Leiterplattenbestückung er­ fordert, sind hohe Anforderungen an den zu verwenden­ den Klebstoff zu stellen. Da dieser während des Löt­ vorganges einem erhöhten Temperatureinfluß ausgesetzt wird, kann es zu Gefährdungen durch eventuell im Klebstoff verwendete Lösungsmittel kommen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplatte und ein Verfahren zur Bestückung einer solchen Lei­ terplatte vorzugeben, bei dem in einfacher Weise die auf die Oberfläche der Leiterplatte aufzusetzenden elektronischen Bauteile lagegenau positioniert und im Anschluß in dieser Lage verlötet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 für die erfindungsgemäß ausgebildete Leiterplatte und die Merkmale des Anspruchs 8 für das Verfahren zur Bestückung einer solchen Leiterplatte gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

In der Oberfläche einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leiterplatte sind Bereiche vorhanden, die so ausge­ bildet sind, daß sie Einbuchtungen vorgeben, die in ihrer Kontur zumindest teilweise der flächigen Außen­ kontur der jeweiligen elektronischen Bauelemente, mit denen die Leiterplatte zu bestücken ist, angepaßt sind. Dabei werden bevorzugt Nute oder Schlitzkontu­ ren in die Oberfläche der Leiterplatte eingearbeitet, in die die zu bestückenden elektronischen Bauelemente eingepaßt werden können. Dabei werden die Konturen der Nuten oder Schlitze so ausgebildet, daß sie in die Lage versetzt sind, die jeweiligen elektronischen Bauelemente, mit denen die Leiterplatte bestückt wer­ den soll, durch ihre entsprechend angepaßte Form in der gewünschten Position zu halten.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Leiterplatte ist es so möglich, alle Bauelemente in einem Ferti­ gungsschritt in einem Arbeitsgang gemeinsam aufzuset­ zen und die dann letztendlich bereits bestückte Lei­ terplatte mittels Reflow-Löttechnik fertig zu stellen und die Fixierung der elektronischen Bauelemente und die geforderte elektrische Verbindung herzustellen.

Durch die in die Oberfläche der Leiterplatte einge­ arbeiteten Bereiche, in die die elektronischen Bau­ elemente eingesetzt werden, ist es durch die versenk­ te Anordnung möglich, die gesamte erforderliche Bau­ höhe zu reduzieren oder bei Verwendung von dickeren Leiterplatten eine Vergrößerung der erforderlichen Bauhöhe zu vermeiden. Die Verwendung von in ihrer gesamten Höhe größeren Leiterplatten wirkt sich auch durch die höhere Wärmebelastbarkeit während des Löt­ prozesses positiv aus. Werden beispielsweise die er­ findungsgemäß ausgebildeten Leiterplatten mit Über­ spannungsableitern bestückt, bestimmen diese im we­ sentlichen die insgesamt erforderliche Bauhöhe, die, wie bereits ausgeführt, nicht erhöht oder gar verrin­ gert werden kann. Es sind Anschlußleisten bzw. Trenn­ leisten mit zwei Reihen von Schneidklemmkontakten bekannt. An den Schneidklemmkontakten sind Kabeladern angeschlossen. Wird die bestückte Leiterplatte als Schutzstecker verwendet und in eine Trennleiste ein­ gesteckt, so sind die mindestens zwei Schneidklemm­ kontakte der ersten Reihe durch den Schutzstecker abgedeckt. Aufgrund der geringen Bauhöhe des Schutz­ steckers ist gewährleistet, daß die zweite Reihe von Schneidklemmkontakten bei gestecktem Schutzstecker frei zugänglich und beschaltbar ist.

Auf der Oberfläche der Leiterplatte sind Anschlüsse vorhanden, die mit den Elektroden des Überspannungs­ ableiters verbindbar und mit dem gesamten Layout der Leiterplatte in Verbindung stehen können.

Als elektronische Bauelemente (PTC′s, Varistoren) können kostengünstige Bauelemente in Chipform verwen­ det werden, die zumindest über eine lötbare Oberflä­ che verfügen, wobei die Kontaktierung der jeweiligen Bauelemente innerhalb der Leiterplatte über eine be­ vorzugt für diese Elemente zu verwendende Schlitzkontur ausgeführt wird. Die Lageorientierung der Bauelemente soll günstigerweise senkrecht zur Leiterplatte bei der Bestückung erfolgen, wobei die eigentliche Lötverbindung über die Stirnseiten der jeweiligen Bauelemente hin zu den Anschlußflächen (PAD′s), die neben der Schlitzkontur oder der Nut angeordnet sind, erfolgt.

Die zur Aufnahme der jeweiligen Bauelemente ausgebil­ deten, in die Leiterplatte eingearbeiteten Bereiche sind so dimensioniert, daß die Tiefe der Leiterplatte weitestgehend ausnutzbar und dadurch eine möglichst große Lötfläche erreichbar ist.

Zur Erhöhung der Benetzungsfähigkeit der Bauelemente können die Schlitzkonturen oder die als Nut ausgebil­ deten Bereiche zumindest teilweise randmetallisiert sein. Dabei ist der metallisierte Teil der für die Aufnahme der Bauelemente ausgebildeten Bereiche be­ vorzugt an den Längsflächen metallisiert ausgebildet. Das Metallisieren kann, wie dies beispielsweise für durchkontaktierte Bohrungen bekannt ist, durch galva­ nisches Aufmetallisieren erfolgen.

Vor der eigentlichen Bestückung der Leiterplatte mit den elektronischen Bauelementen wird die zu verwen­ dende Lötpaste für alle Bauelemente bevorzugt in ei­ nem Arbeitsgang entweder mittels Schablonendruck oder in Form eines Dispensverfahrens aufgebracht. Dadurch kann erreicht werden, daß nur die Bereiche, die unbe­ dingt für die Herstellung der Verbindung erforderlich sind, mit Lötpaste versehen werden und dadurch trotz einer sicheren Herstellung der geforderten Verbindung zwischen Leiterplatte und Bauelementen keine zusätz­ liche Nachbearbeitung erforderlich wird.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Leiterplatte und das Verfahren nach der Erfindung haben gegenüber den ein­ gangs beschriebenen bekannten Lösungen weiter den Vorteil, daß die Anzahl der erforderlichen Einzeltei­ le reduziert wird und insbesondere keine zusätzlichen Kontaktflächen mehr erforderlich sind.

Eine auf der Unterseite der Leiterplatte anzubringen­ de Folie deckt die Leiterplatte in dieser Richtung ab und bei Verwendung eines geeigneten Folienmaterials ist eine spannungsfeste Ausführung (Berührungsschutz) der gesamten Baugruppe von dieser Seite möglich. Auf der Unterseite der Leiterplatte kann auch mittels eines Dispensverfahrens ein Isolator aufgebracht sein, der ebenfalls eine spannungsfeste Ausführung ermöglicht. Bei der Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leiterplatte mit der ebenfalls entspre­ chend vorgeschlagenen Verfahrensweise kann die Ferti­ gung in bezug auf die Kosten positiv beeinflußt wer­ den, da der Aufwand insbesondere auch durch die Mög­ lichkeit der Automatisierung verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Ausschuß­ quote senkbar ist, da die Positioniergenauigkeit ebenfalls durch einfache Maßnahmen verbessert und demzufolge entsprechende Fehler vermieden werden kön­ nen.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher beschrieben werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Lei­ terplatte vor der Bestückung, und

Fig. 2 eine mit Bauelementen bestückte Lei­ terplatte nach Fig. 1.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Leiterplatte 1 dargestellt, die über verschiedene Bereiche 23 verfügt, die in das Material der Leiter­ platte 1 eingearbeitet sind. Dabei ist einmal eine Quernut 2 in die Oberfläche 12 der Leiterplatte 1 eingearbeitet, die zur Aufnahme eines in dieser Figur nicht dargestellten Überspannungsableiters vorgesehen ist. Die verwendete Leiterplatte 1 hat dabei im Ge­ gensatz zu bisher verwendeten Leiterplatten mit einer Dicke von 0,8 mm eine Gesamtstärke von 1,2 mm, so daß in die Leiterplatte 1 eine Nut 2 mit einer ausrei­ chenden Tiefe eingearbeitet werden kann. Die Breite der Nut 2 sollte unter Berücksichtigung ihrer Tiefe und der äußeren Abmessungen des Überspannungsablei­ ters gewählt werden, so daß der eingesetzte Überspan­ nungsableiter allein durch die Form der Nut 2 in der gewünschten Position gehalten und auch bei der Bewe­ gung durch einen Durchlaufofen ein Verschieben oder Verrücken vermieden wird.

Zusätzlich zur Nut 2 sind Schlitzkonturen 3 in die Oberfläche der Leiterplatte 1 eingearbeitet, in denen andere elektronische Bauelemente, die bei dieser Dar­ stellung ebenfalls nicht erkennbar sind, aufgenommen werden können.

Die eingearbeiteten Bereiche (Nut 2, Schlitzkonturen 3) können beispielsweise durch Fräsen oder Stanzen beim Herstellen der Leiterplatte 1 ausgebildet wer­ den.

Die Schlitzkonturen 3 sind bevorzugt nur an den In­ nenflächen (9) metallisiert, die mit Anschlußflächen (7) elektrisch versehen sind, wobei beispielsweise Kupfer galvanisch abgeschieden werden kann.

Nachdem Lötpaste an den entsprechenden Stellen im Bereich der eingearbeiteten Strukturen durch geeigne­ te Verfahren aufgetragen worden ist, kann die Be­ stückung mit den verschiedenen elektronischen Bauele­ menten in automatisierter Form und einem Arbeitsgang durchgeführt werden.

Die in der Fig. 2 dargestellte Leiterplatte 1 ist mit einem Überspannungsableiter 4, der in die Nut 2 eingesetzt ist, und zwei Varistoren 5 sowie zwei PTC′s 6, die in Schlitzkonturen 3 eingesetzt sind, bestückt. Dabei ist erkennbar, daß die verwendeten Bauelemente 4, 5 und 6 in ihren Abmessungen mit den als Nut 2 bzw. Schlitzkonturen 3 ausgebildeten Berei­ chen in ihrer Dimensionierung so aufeinander abge­ stimmt sind, daß allein die Form der Bereiche 2 und 3 ein Verschieben verhindert und die elektronischen Bauelemente 4, 5 und 6 in der gewünschten Position lagegenau gehalten werden. Werden zumindest einzelne der Flächen, die die eingearbeiteten Bereiche 2 und 3 einfassen, abgeschrägt, wirkt sich dieses beim Vor­ gang der Bestückung der Leiterplatte 1 positiv aus, da das Einfädeln der Bauelemente 4, 5 und 6 erleich­ tert wird.

Die gemäß Fig. 2 bestückte Leiterplatte 1 kann nun einem Reflow-Lötprozeß zugeführt werden, um eine sta­ bile Verbindung der Bauelemente 4, 5 und 6 mit der Leiterplatte 1 herzustellen, und es kann auch während der hierfür erforderlichen Bewegung der bestückten Leiterplatte 1 ein Verschieben der Bauelemente 4, 5 und 6 verhindert werden.

Die in die Leiterplatte 1 eingearbeiteten Nuten 2 und Schlitzkonturen 3 erhöhen zusätzlich die Festigkeit der mit dem Lötprozeß hergestellten Verbindung, da durch die Anpassung der jeweiligen Konturen unter Berücksichtigung der Außenkonturen des jeweils ver­ wendeten Bauelementes auch die verwendete Form einen Einfluß auf die letztendlich erreichbare Festigkeit der Verbindung hat.

Bezugszeichenliste

1 Leiterplatte
2 Quernut
3 Schlitzkontur
4 Überspannungsableiter
5 Varistoren
6 PTC′s
7 Anschlußflächen
8 Ränder
9 Innenflächen
10 Unterseite
11 Oberfläche
12 Oberfläche

Claims (11)

1. Leiterplatte zur lagegenauen Bestückung mit elektronischen Bauelementen, die insbesondere mittels Reflow-Löttechnik auf der Oberfläche der Leiterplatte angelötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche (12) der Leiterplatte (1) der Außenkontur der jeweiligen Bauelemente (4, 5, 6) zumindest teilweise angepaßte Bereiche (2, 3) zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente (4, 5, 6) eingearbeitet sind.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingearbeiteten Bereiche in Form einer Nut (2) ausgebildet sind.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingearbeiteten Bereiche als Schlitzkontur (3) ausgebildet sind.

4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben den eingear­ beiteten Bereichen (2, 3) Anschlüsse oder An­ schlußflächen (7) angeordnet sind.

5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse oder Anschlußflächen (7) an den Rändern (8) der einge­ arbeiteten Bereiche (2, 3) angeordnet sind.

6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (9) der eingearbeiteten Bereiche (2, 3) zumindest teilweise randmetallisiert sind.

7. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Unterseite (10) der Leiterplatte (1) eine isolierende Abdeckung aufbringbar ist.

8. Verfahren zum lagegenauen Bestücken und Löten von elektronischen Bauelementen auf der Oberflä­ che von Leiterplatten mittels Reflow-Löttechnik, bei dem Lötpaste dosiert auf zu verlötende An­ schlußflächen (7) der Leiterplatte (1), die sich in in die Oberfläche (12) der Leiterplatte (1) eingearbeiteten, der Außenkontur der jeweiligen Bauelemente (4, 5, 6) angepaßten Bereichen (2, 3) befinden aufgebracht wird, die elektronischen Bauelemente (4, 5, 6) in die eingearbeiteten Bereiche (2, 3) lagegenau einge­ setzt werden, und dann die Lötpaste auf eine Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunktes erwärmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektronischen Bauelemente (4, 5, 6) mit ihren lötbaren Oberflächen (11) senkrecht zur Leiterplatte (1) ausgerichtet und in die eingearbeiteten Bereiche (2, 3) eingesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötpaste mittels Schablonendruck dosiert aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötpaste mit einem Dispensverfahren dosiert aufgebracht wird.