DE102007014337A1

DE102007014337A1 - Verfahren zum Bestücken eines Kontaktierungselementes mit einem elektrischen Bauelement sowie ein Kontaktierungselement mit einem elektrischen Bauelement

Info

Publication number: DE102007014337A1
Application number: DE102007014337A
Authority: DE
Inventors: Georg Schulze-Icking-Konert; Thomas Mohr; Stefan Stampfer; Stefan Kotthaus; Norbert Knab; Nikolas Haberl; Michael Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP4848045B2; JP2010522439A; CN101642004A; EP2130419A1; US20100084166A1; CN101642004B; DE102007014337B4; WO2008116677A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestücken eines Kontaktierungselementes (1), insbesondere eines Stanzgitters mit einem SMD-Bauelement (4); mit den Schritten des Bereitstellens des Kontaktierungselementes (1) mit einer Ummantelung, bei dem eine Anschlussstelle (3) in einer Ausnehmung (7) der Ummantelung (5) vorgesehen ist; des Aufsetzens des SMD-Bauelementes (4) auf die Anschlussstelle (3) und des Erwärmens eines Wärmeleitelementes, um die Anschlussstelle (3) zu erwärmen, so dass das SMD-Bauelement (4) an die Anschlussstelle (3) angeschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestücken von Kontaktierungselementen mit elektrischen Bauelementen sowie Kontaktierungselemente mit aufgebrachten elektrischen Bauelementen.
Kontaktierungselemente, wie insbesondere Stanzgitter oder Leiterplatten, dienen in der Regel dazu, elektrische Zuleitungen in einem Modul zur Verfügung zu stellen. Die Stanzgitter umfassen Leitungsstrukturen mit Leiterbahnen, die mit einem Kunststoffmaterial umspritzt sind, um eine Formstabilität zu gewährleisten. Je nach Anwendungsgebiet kann es notwendig sein, das Stanzgitter mit elektrischen Bauelementen zu versehen, die dazu beispielsweise durch Löten mit den Leiterbahnen verbunden werden müssen. Bei derartigen Stanzgittern ist zwar das partielle Löten von verdrahteten Bauelementen bzw. Leiterplatten möglich, nicht jedoch das Löten von SMD-Bauelementen (SMD: Surface Mounted Device, oberflächenmontierte Bauelemente) auf das Stanzgitter. Der Grund hierfür besteht darin, dass z. B. die Temperaturbeständigkeit des für die Umspritzung des Stanzgitters verwendeten Kunststoffs nicht ausreichend ist, um das üblicherweise durch flächiges Erwärmen (z. B. in einem Reflow-Ofen) stattfindende Löten der SMD-Bauelemente auf das Stanzgitter durchzuführen. Ein Löten der SMD-Bauelemente vor dem Umspritzen des Stanzgitters mit dem Kunststoff scheidet als mögliche Alternative ebenfalls aus, da die Temperatur des Kunststoffs, der um das Stanzgitter gespritzt wird, üblicherweise größer ist als die Schmelztemperatur des für das Löten von SMD-Bauelementen auf das Stanzgitter verwendeten Lots. Zudem treten beim Spritzprozess aufgrund des hohen Einspritzdrucks und der hohen Viskosität des flüssigen Kunststoff bzw. möglicherweise aufgrund der hohen Temperatur des flüssigen Kunststoffs mechanische Verformungen des Stanzgitters (Kontaktierungselementes) auf, die zu einer Zerstörung oder einer Zerrüttung von bereits bestehenden Lötverbindungen zwischen Stanzgitter und SMD-Bauelementen führen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines mit elektrischen Bauelementen bestückten Kontaktierungselements zur Verfügung zu stellen, das die Bestückung eines bereits mit einem Kunststoffmaterial und dgl. umspritzten Kontaktierungselements mit SMD-Bauelementen erlaubt. Weiterhin soll das Verfahren mechanische Spannungen vermeiden, die auf die SMD-Bauelemente insbesondere auf deren Kontaktierung wirken. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktierungselement, das mit SMD-Bauelementen bestückt ist, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch das Kontaktierungselement gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zum Bestücken eines Kontaktierungselementes, insbesondere eines Stanzgitters, mit einem SMD-Bauelement vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens des Kontaktierungselementes mit einer Ummantelung, bei dem eine Anschlussstelle in einer Ausnehmung der Ummantelung vorgesehen ist; des Aufsetzens des SMD-Bauelements auf die Anschlussstelle; und des lokalen Erwärmens eines Wärmeleitelements, um die Anschlussstelle zu erwärmen, so dass das SMD-Bauelement an die Anschlussstelle angeschlossen wird.
Das Verfahren bietet den Vorteil, dass elektrische Bauelemente auf ein Stanzgitter aufgebracht werden können, obwohl dieses bereits mit einer nicht wärmebeständigen Ummantelung versehen ist. Durch das lokale Erwärmen eines Wärmeleitelementes des Stanzgitters kann die Wärme direkt an die Anschlussstelle gebracht werden, so dass die Ummantelung nicht unmittelbar von der Erwärmung betroffen ist.
Weiterhin wird vor dem Erwärmen zwischen die Anschlussstelle und das SMD-Bauelement ein Lotmaterial vorgesehen.
Das lokale Erwärmen kann durch Eintauchen des Wärmeleitelements in ein Lotbad, durch Induktion, durch Widerstandsheizen, durch Beaufschlagen mit Heißluft, durch Wärmeleitung mit Hilfe eines aufgesetzten Stempels oder durch Beaufschlagen mit einem Laser durchgeführt werden.
Alternativ kann vor dem Erwärmen eine Schutzplatte auf das Kontaktierungselement aufgesetzt werden, so dass das Wärmeleitelement durch eine Öffnung der Schutzplatte reicht, und wobei das mit der Schutzplatte versehenen Kontaktierungselement in einen Reflow-Ofen eingebracht wird.
Weiterhin kann die Anschlussstelle auf einem Kontaktsteg in der Ausnehmung der Ummantelung vorgesehen sein, wobei das Er wärmen des Wärmeleitelements nur maximal für eine Zeitdauer durchgeführt wird, bis der Kontaktsteg am Rand der Ausnehmung eine Grenztemperatur des Materials der Ummantelung erreicht hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kontaktierungselement, insbesondere ein Stanzgitter, zum Aufbringen eines SMD-Bauelements vorgesehen. Das Kontaktierungselement umfasst eine Leitungsstruktur; eine Ummantelung, die die Leitungsstruktur zumindest teilweise umgibt; eine Ausnehmung in der Ummantelung, um einen nicht ummantelten Leiterbereich der Leitungsstruktur mit einer Anschlussstelle bereitzustellen; sowie ein Wärmeleitelement, das an dem Leiterbereich ausgebildet ist, um eine Wärme der Anschlussstelle zuzuführen.
Weiterhin kann das Wärmeleitelement von dem Leiterbereich abstehend ausgebildet sein und als integraler Teil des Leiterbereichs vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeleitelement an dem Leiterbereich angeordnet, dass eine bessere Wärmeleitung zu der Anschlussstelle als zu der Position des Leiterbereichs am Rand der Ausnehmung besteht.
Es kann ein Wärmeableiteinrichtung an dem Leiterbereich und/oder eine wärmeableitende Strukturierung des Leiterbereichs zwischen der Stelle des Leiterbereichs an dem Rand der Ausnehmung und der Stelle, an der das Wärmeleitelement und der Leiterbereich miteinander in Kontakt stehen, vorgesehen sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Stanzgitter, das mit einem SMD-Bauelement bestückt ist;
2 ein Verfahrensstand während des Aufbringens des SMD-Bauelements auf das Stanzgitter gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 ein Verfahrensstand des Aufbringens des SMD-Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Draufsicht auf ein Stanzgitter, das mit einem SMD-Bauelement bestückt ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
5 ein Stanzgitter, das mit einem SMD-Bauelement bestückt ist und das mit einer Schutzplatte versehen ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Stanzgitter 1 dargestellt, das zwei Kontaktstege 2 aufweist, die an ihren jeweiligen Enden eine Anschlussstelle 3 aufweisen. Die Anschlussstellen 3 dienen dazu, ein SMD-Bauelement 4 aufzubringen und dort zu kontaktieren, sodass es über die Kontaktstege 2 elektrisch angeschlossen ist.
Das Stanzgitter 1 ist mit einer Ummantelung 5 aus einem Kunststoffmaterial versehen, die im Bereich der Kontaktbrücken und des SMD-Bauelementes 4 ausgespart ist, um das Aufbringen des SMD-Bauelementes 4 zu ermöglichen. Das Kunststoffmaterial dient dazu, Leiterbahnen des Stanzgitters 1 vor unbeabsichtigter Kontaktierung zu schützen und bietet darüber hinaus einen Korrosionsschutz für die Leiterbahnen. Anstelle des Kunststoffmaterials kann auch ein anderes für die Verkap selung der Leiterbahnen des Stanzgitters 1 geeignetes nicht-leitendes Material verwendet werden. Üblicherweise wird das Kunststoffmaterial auf das Stanzgitter 1 mithilfe eines Spritzgussprozesses aufgebracht, bei dem das Kunststoffmaterial durch Wärmezufuhr verflüssigt wird und mit Hilfe einer geeigneten Gussform um das Stanzgitter gespritzt wird.
Die Ausnehmungen in dem Stanzgitter für das Auflöten des SMD-Bauelementes 4 auf die Kontaktstege 2 werden entweder nach dem Spritzvorgang in das Stanzgitter 1 eingebracht oder der Spritzvorgang erfolgt so, dass die Kontaktstege 2 nicht von dem Kunststoffmaterial bedeckt werden.
Die SMD-Bauelemente 4 werden üblicherweise in einem Reflow-Prozess auf Leiterplatten und dgl. aufgelötet, um diese zu kontaktieren. Ein Reflow-Prozess bedeutet eine großflächige Erhitzung der Leiterplatte, um eine Lotpaste, die zwischen den Anschlussstellen 3 und den Kontakten des SMD-Bauelements 4 angeordnet ist, aufzuschmelzen. Ein solcher Reflow-Prozess hat jedoch den Nachteil, dass dabei auch das Kunststoffmaterial der Ummantelung 5 schmilzt bzw. degradiert, und dadurch zerstört wird bzw. sich verformt. Ein Reflow-Prozess zum Aufbringen von SMD-Bauelementen auf ein Stanzgitter mit einer Kunststoffummantelung ist daher nicht geeignet.
Auch ist die Möglichkeit ausgeschlossen, die Ummantelung 5 nach dem Aufbringen des SMD-Bauelementes 4 auf die Anschlussstellen 3 der Kontaktstege 2 aufzubringen, d. h. bevor das Kunststoffmaterial um die Leiterbahn des Stanzgitters gespritzt wird. Dies hat nämlich zur Folge, dass aufgrund der hohen Temperatur, die zum Verflüssigen des Kunststoffmaterials benötigt wird, das Lot zwischen den Kontakten des SMD-Bauelementes 4 und den Anschlussstellen 3 ebenfalls auf schmilzt und es während des Spritzprozesses zu einem Ablösen des SMD-Bauelements von den Anschlussstellen, zur Zerrüttung der Lötstellen zwischen den Anschlussstellen 3 und den Kontakten des SMD-Bauelements 4 und ähnlichem kommen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, das SMD-Bauelement 4 nach dem Ummanteln der Leitungsstrukturen mit dem Kunststoffmaterial an den Kontaktstegen 2 anzubringen. Dazu wird, wie aus den 1 und 2 deutlich wird, jeweils ein Teil des Kontaktstegs 2 von einer Ebene des Kontaktstegs 2 weggebogen. Dieses wird als Wärmezuführelement 10 verwendet und dazu mit einer Wärmequelle in Kontakt gebracht, um über das Wärmezuführelement 10 Wärme über den Kontaktsteg 2 zu der Anschlussstelle 3 zu leiten. An der Anschlussstelle 3 ist eine Lotpaste 11 aufgebracht, auf die das SMD-Bauelement 4 aufgesetzt ist.
Das Wärmeleitelement 10 ist, wie in 1 ersichtlich, vorzugsweise als Steg aus dem Inneren des Kontaktsteges 2 ausgestanzt und quer, vorzugsweise senkrecht, zur Ebene der Kontaktstege 2 abgebogen, sodass das Wärmeleitelement 10 senkrecht von dem Kontaktsteg 2 absteht. Das Wärmeleitelement 10 ist an einer Position des Kontaktsteges 2 abgebogen, die näher an dem Anschlussbereich 3 ist als zu dem Rand der Ausnehmung 7, in der kein Kunststoffmaterial sich auf dem Stanzgitter 1 befindet, und so die Kontaktstege 2 freigelegt sind.
Vorzugsweise ist der Steg des Wärmeleitelementes 10 so in den Kontaktsteg 2 gestanzt, dass das Wärmeleitelement 10 in unmittelbarer Nähe, insbesondere angrenzend an die Anschlussstelle 3, von dem Kontaktsteg 2 abgebogen wird. Das Wärmeleitelement 10 dient dazu, Wärmeenergie über das Wärmeleitelement 10 auf den Kontaktsteg 2 und zu der Anschlussstelle 3 zuzuführen, sodass dort die Lotpaste 11 aufgeschmolzen wird, um das SMD-Bauelement 4 mit den Kontaktstegen 2 zu verbinden. Die Wärme wird über den Kontaktsteg 2 auch in Richtung des Rands der Ausnehmung 7, d. h. zu dem Kunststoffmaterial der Ummantelung 5 am Rand der Ausnehmung 7 geleitet. Die Wärmezufuhr hat deshalb so zu erfolgen, dass zwar die Lotpaste 11 aufgeschmolzen wird, die Wärmezufuhr jedoch, sobald der Lötvorgang des Lötens des SMD-Bauelementes 4 auf die Kontaktstege 2 abgeschlossen ist, die Wärmezufuhr weggenommen bzw. abgeschaltet wird, um zu vermeiden, dass die Temperatur des Kontaktsteges 2 am Rande der Ausnehmung 7 eine Grenztemperatur des Kunststoffmaterials erreicht, bei das Kunststoffmaterial schmilzt oder degradiert.
Wie in 2 gezeigt ist, kann die Wärmezufuhr durch Eintauchen der Wärmeleitelemente 10 in ein Lotbad 15 erfolgen, in dem sich geschmolzenes Lot bei einer Temperatur befindet, die über dem Schmelzpunkt des Lots liegt. Durch Eintauchen der Wärmeleitelemente 10 wird die Temperatur nach kurzer Zeit zu den Anschlussstellen 3 geleitet, sodass dort die Temperatur über den Schmelzpunkt des Lots der Lotpaste 11 steigt, diese verflüssigt und somit das SMD-Bauelement an den Anschlussstellen 3 anlötet. Im Wesentlichen gleichzeitig beginnt auch die Temperatur der Kontaktstege am Rand der Ausnehmung, an dem die Ummantelung des Kunststoffmaterials beginnt, zu steigen. Die Temperatur des Lotmaterials im Lotbad 15 ist so gewählt, dass die Temperatur an der Anschlussstelle 3 schnellstmöglich die Schmelztemperatur der Lotpaste übersteigt, um den Lötvorgang abzuschließen, jedoch die Temperatur am Rand der Ausnehmung bis zum Abschluss des Lötvorgangs nicht die Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials erreicht.
In der Ausführungsform der 3 ist ein Verfahrensstand gezeigt, bei dem die Wärmezufuhr durch Einbringen der Wärme in die Wärmeleitelemente 10 mithilfe von Induktionsspulen 16 erfolgt.
In den 4 und 5 ist ein Stanzgitter mit einem aufgebrachten SMD-Bauelement gezeigt, bei dem das Stanzgitter mit einer Schutzplatte 20 versehen ist, die Öffnungen 21 aufweist, durch die die Wärmeleitelemente 10 reichen. Damit lässt sich das Stanzgitter auch in einen Reflow-Ofen einbringen, bei dem die Wärme der erwärmten Luft aus dem Ofen über die Wärmeleitelemente 10 zugeführt wird, die die Wärme zu den Anschlussstellen 3 leiten. In den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Wärmeleitelemente 10 nicht wie in den Ausführungsformen der 1 bis 3 in Richtung einer Seite der Kontaktstege 2 abgebogen, die der Seite, auf der das SMD-Bauelement 4 aufgebracht ist, gegenüberliegt, sondern in Richtung der gleichen Seite wie das SMD-Bauelement 4.
Anstelle eines Stanzgitters kann die Erfindung auch mit einer Leiterplatte oder einem sonstigen Kontaktierungselement realisiert werden.
Um zu vermeiden, dass die Temperaturerhöhung am Rande der Ausnehmung an den Kontaktstegen zu hoch wird, können entlang eines oder mehrerer Kontaktstege 2 Wärmeableiteinrichtungen vorgesehen werden, die Wärme von dem entsprechenden Kontaktsteg 2 in die Umgebung ableiten. Insbesondere kann der Kontaktsteg 2 im Bereich zwischen dem Rand der Ausnehmung 7 und der Verbindung zwischen dem Wärmeleitelement 10 und der Anschlussstelle 3 verbreitert sein, um somit eine größere Fläche für das Ableiten der Wärme zu erreichen. Solche Maßnahmen verlängern die Zeitdauer, während der eine Wärmezufuhr über das Wärmeleitelement 10 angelegt sein darf, um das SMD-Bauelement 4 aufzulöten, ohne dass die Temperatur am Rande der Ausnehmung 7 eine Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials der Ummantelung 5 erreicht bzw. eine Temperatur erreicht, bei der eine permanente Verformung des Kunststoffmaterials hergerufen werden kann.
Alternativ können die Wärmeleitelemente 10 auch mit einem Laser oder durch gezieltes Beaufschlagen mit Heißluft erwärmt werden, um das Auflöten des SMD-Bauelementes an der Anschlussstelle 3 zu erreichen.

Claims

Verfahren zum Bestücken eines Kontaktierungselementes (1), insbesondere eines Stanzgitters mit einem SMD-Bauelement (4); mit folgenden Schritten: – Bereitstellen des Kontaktierungselements (1) mit einer Ummantelung, bei dem eine Anschlussstelle (3) in einer Ausnehmung (7) der Ummantelung (5) vorgesehen ist; – Aufsetzen des SMD-Bauelements (4) auf die Anschlussstelle (3); – Lokales Erwärmen eines Wärmeleitelements, um die Anschlussstelle (3) zu erwärmen, so dass das SMD-Bauelement (4) an die Anschlussstelle (3) angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Erwärmen zwischen die Anschlussstelle (3) und das SMD-Bauelement ein Lotmaterial vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erwärmen durch Eintauchen des Wärmeleitelements (10) in ein Lotbad (15), durch Induktion, durch Beaufschlagen mit Heißluft, oder durch Beaufschlagen mit einem Laser durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei vor dem Erwärmen eine Schutzplatte (20) auf das Kontaktierungselement (1) aufgesetzt wird, so dass das Wärmeleitelement (10) durch eine Öffnung (21) der Schutzplatte reicht, und wobei das mit der Schutzplatte versehenen Kontaktierungselement (1) in einen Reflow-Ofen eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anschlussstelle (3) auf einem Leiterbereich (2) in der Ausnehmung (7) der Ummantelung (5) vorgesehen ist, wobei das Erwärmen des Wärmeleitelements (10) nur maximal für eine Zeitdauer durchgeführt wird, bis der Leiterbereich (2) am Rand der Ausnehmung eine Grenztemperatur des Materials der Ummantelung (5) erreicht hat.
Kontaktierungselement (1), insbesondere ein Stanzgitter, zum Aufbringen eines SMD-Bauelements (4), umfassend: – eine Leitungsstruktur; – eine Ummantelung (5), die die Leitungsstruktur zumindest teilweise umgibt; – eine Ausnehmung (7) in der Ummantelung (5), um einen nicht ummantelten Leiterbereich (2) der Leitungsstruktur mit einer Anschlussstelle (3) bereitzustellen; – ein Wärmeleitelement (10), das an dem Leiterbereich (2) ausgebildet ist, um eine Wärme der Anschlussstelle (3) zuzuführen.
Kontaktierungselement (1) nach Anspruch 6, wobei das Wärmeleitelement (10) von dem Leiterbereich (2) abstehend ausgebildet ist und als integraler Teil des Leiterbereichs (2) vorgesehen ist.
Kontaktierungselement (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Wärmeleitelement (10) an dem Leiterbereich (2) angeordnet ist, so dass eine bessere Wärmeleitung zu der Anschlussstelle (3) als zu der Position des Leiterbereichs (2) am Rand der Ausnehmung (7) besteht.
Kontaktierungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Wärmeableiteinrichtung an dem Leiterbereich (2) und/oder eine wärmeableitende Strukturierung des Leiterbereichs (2) zwischen der Stelle des Leiterbereichs (2) an dem Rand der Ausnehmung (7) und der Stelle, an der das Wärmeleitelement (10) und der Leiterbereich (2) miteinander in Kontakt stehen, vorgesehen ist.
Kontaktierungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit einem an der Anschlussstelle (3) angebrachten SMD-Bauelement (4).
Kontaktierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das SMD-Bauelement (4) als Lotformkörper ausgebildet ist, der bei einer bestimmten Umgebungstemperatur aufschmilzt und sich aufgrund seiner Oberflächenspannung an der Anschlussstelle (3) sammelt und dabei einen Stromfluss unterbricht.