DE4204882A1 - Vorrichtung und verfahren zum loeten von oberflaechenmontierbaren bauelementen mit kleinen kontaktabstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Löten von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauele­ menten mit sehr kleinen Kontaktabständen (Fine-Pitch-SMD- Bauelementen) Bauelemente.

Derartige Bauelemente, z. B. Flachgehäuse-Bauelemente (Flat- Packs), weisen eine Vielzahl von Kontakten (Anschlußbein­ chen) auf, die untereinander einen sehr kleinen Abstand (bis zu 0,42 mm) haben. Diese Kontakte werden auf entsprechende Anschlußkontakte von Leiterplatten gelötet.

Gebräuchliche Verfahren zum Löten von Fine-Pitch-SMD-Bauele­ menten sind das Bügel-Löten, das Laser-Löten und das Hand- Löten. Alle diese Verfahren sind Einzellötverfahren und re­ lativ arbeits- und kostenaufwendig.

Vor allem dem Bügel-Löten kommt dabei eine größere industri­ elle Bedeutung zu, da sich mit diesem Verfahren am ehesten gute Lötstellen in wirtschaftlich vernünftigen Zeiträumen erzeugen lassen.

Das Bügel-Löten soll im folgenden näher beschrieben werden.

Aufgrund der engen Kontaktabstände läßt sich das Lot in der Regel nicht mehr mit den üblichen Lotpasten und Verfahren auf die Anschlußkontakte der Leiterplatte bringen. Daher wird es üblicherweise bereits bei der Leiterplattenherstel­ lung ausgetragen. Das erforderliche Flußmittel zur Aktivie­ rung der Lötstellen wird üblicherweise von Hand mit einem Pinsel aufgetragen, bevor das Bauelement aufgesetzt wird. Danach erfolgt die Positionierung des Bauelements auf der Leiterplatte. Wegen der erwähnten geringen Kontaktabstände bestehen enge Toleranzen für die Positionierung, die daher schwierig zu erreichen ist. Sie erfolgt in der Regel mit Mikroskopsystemen und mittels einer Vakuumpipette von Hand. Da die Anschlußbeinchen des Bauelements nicht, wie sonst in der SMD-Technik üblich, in Lotpaste gesetzt werden, haften sie nicht stabil in der beabsichtigten Position. Daher wird das von der Vakuumpipette gehaltene Bauelement mittels eines Metallbügels, der auf den Enden der Einschlußbeinchen auf­ liegt, auf die Leiterplatte gepreßt. Danach wird ein ge­ eigneter elektrischer Strom durch den Metallbügel geleitet, wobei dieser widerstandsgeheizt wird und die für das Löten erforderliche Wärme zur Verfügung stellt. Eine Regelung für die Temperatur und die Lötzeit soll reproduzierbare Löter­ gebnisse liefern.

Die erwähnten Verfahrensschritte erfordern relativ teuere Anlagen. Außerdem ist dieses Einzellötverfahren bei hohen Stückzahlen der zu lötenden Bauelemente ohne eine unwirt­ schaftliche Kostenerhöhung ungeeignet.

Es wurde vorgeschlagen, vor dem Löten mehrere Bauelemente gemeinsam durch einen Rahmen auf einer Leiterplatte zu posi­ tionieren. Dabei sitzen die Bauelemente lose auf den ent­ sprechenden Kontakten der Leiterplatte. Der sich über die gesamte Leiterplatte erstreckende Rahmen ist vor dem Aufset­ zen auf die Leiterplatte nicht mit den Bauelementen verbind­ bar und bietet keine Möglichkeit, Unebenheiten auf der Lei­ terplatte und Ungenauigkeiten der Positionierung bzw. Kon­ taktlücken auszugleichen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Löten von Fine-Pitch-SMD- Bauelementen zur Verfügung zu stellen, wobei große Stückzah­ len von Bauelementen mittels eines Massenlötverfahrens ein­ fach, kostengünstig und sehr genau auf Leiterplatten gelötet werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, die zu lötenden Bauelemente mit Hilfe einer Haltevorrich­ tung, in der sie lösbar befestigbar sind, auf einer Leiter­ platte zu positionieren und zu fixieren und anschließend gleichzeitig auf die Leiterplatte zu löten.

Diese Haltevorrichtung weist einen Rahmen zum Halten eines Bauelements und eine Positioniereinrichtung auf, um das Bau­ element zu positionieren und die Kontakte des Bauelements gegen die entsprechenden Kontakte der Leiterplatte zu pres­ sen.

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer einfachen Kon­ struktion der Vorrichtung, einer hohen Positioniergenauig­ keit und einem einfachen, kostengünstigen und automatisier­ baren Verfahren für große Stückzahlen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Fine-Pitch-SMD-Bauelement,

Fig. 1b eine Seitenansicht des Bauelements gemäß Fig. 1a,

Fig. 2a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rahmen,

Fig. 2b einen Querschnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 2a,

Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Leiterplattenausschnitt mit erfindungsgemäßen Bohrungen für die erfindungs­ gemäße Positioniereinrichtung,

Fig. 3b einen Querschnitt längs der Linie B-B′ in Fig. 3a,

Fig. 4a eine Draufsicht auf eine auf einem Fine-Pitch-SMD- Bauelement und einer Leiterplatte montierten erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4b einen Querschnitt längs der Linie C-C′ in Fig. 4a (im Vordergrund Seitenansicht des Bauelements), und

Fig. 5 eine Seitenansicht einer angeschnittenen Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Rahmens auf einem Bauelement gemäß Fig. 1a.

Die Fig. 1a und 1b zeigen eine übliche Ausführungsform eines Flat-Pack-Bauelements 1. Das Bauelement 1 weist an seinen Seiten eine Vielzahl von Kontakten 4 auf, die vonein­ ander sehr gering beabstandet sind. Die Kontakte 4 sind stu­ fenförmig ausgebildet und bilden mit ihrem unteren Absatz und einem entsprechenden Anschlußkontakt auf einer Leiter­ platte die Lötstelle aus.

In den Fig. 2a und 2b wird ein Rahmen 3 der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung dargestellt. Er enthält Bohrungen 7 für seine Arretierung in der Leiterplatte. Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer lösbaren Befestigung des Bauelements 1 im Rahmen 3. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 3 sind Stifte 12 in Bohrungen 11 angeord­ net. Die Stifte 12 sind durch Spiralfedern 13 mit dem Rahmen 3 verbunden, werden lösbar durch die im Rahmen gehalterten Klemmfedern 14 und abgefedert durch die Spiralfedern 13 ge­ gen das Bauelement 1 gedrückt und halten so das Bauelement 1 im Rahmen 3. Der Rahmen 3 kann aus Metall, Keramik oder Kunststoff bestehen. Er kann auch als Transportbehälter ver­ wendet werden, um die empfindlichen Bauelemente in üblicher Weise zu schützen.

Das entsprechende Gegenstück für den Rahmen 3 und das Bau­ element 1 auf der Leiterplatte 2 ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Die Kontakte 5 bilden mit den entsprechenden Kontakten 4 des Bauelements die Lötstellen aus. Bohrungen 8 dienen zur Aufnahme der Positioniereinrichtung durch den Rahmen 3.

Die Fig. 4a und 4b zeigen die erfindungsgemäße Vorrich­ tung mit dem Rahmen 3 und der Positioniereinrichtung 6a, 6b auf dem Bauelement 1 und der Leiterplatte 2. Der Rahmen 3 kann teilweise auf den Kontakten 4 des Bauelements 1 aufsit­ zen, um diese gegen die Kontakte 5 der Leiterplatte zu pres­ sen. Durch die Positioniereinrichtung 6a, 6b wird eine ge­ naue, nicht verrutschende Ausrichtung der Kontakte 4 und 5 gewährleistet. Der entsprechende Anpreßdruck kann durch das Gewicht des Rahmens 3 ausgeübt werden, dann erfolgt die Po­ sitionierung vorzugsweise durch mindestens zwei Zylinder­ stifte 6a in den Bohrungen 7 und 8. Eine andere Möglichkeit zum Erreichen eines ausreichenden Anpreßdruckes ist das Klemmen des Rahmens 3 vorzugsweise durch ein Federelement 6b in den Bohrungen 7 und 8 auf der Leiterplatte 2, wobei der Rahmen 3 zusätzlich durch ein oder zwei Zylinderstifte 6a ausgerichtet wird.

Darüber hinaus sind auch noch andere Ausführungsformen für die Positioniereinrichtung möglich. So kann z. B. Positionie­ rung mittels Nuten in der Leiterplatte 2, die mit entspre­ chenden Vorsprüngen im Rahmen 3 in Eingriff stehen, und die Fixierung über Federklemmen, die auf der Leiterplatte 2 be­ festigt sind und auf den Rahmen 3 drücken, erfolgen.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der der Rahmen 3 mittels Bügeln 9 auf den Kontakten 4 des Bau­ elements 1 aufsitzt. Die Bügel 9 sind durch je zwei Teles­ kopfedern 10 mit dem Rahmen 3 verbunden und befinden sich an jeder Seite des Rahmens 3. Durch diese voneinander unabhän­ gige Federung der Bügel 9 pressen die Federn 10 nach dem Po­ sitionieren und Fixieren über die Bügel 9 die Kontakte 4 ge­ gen die entsprechenden Kontakte der Leiterplatte, können so Unebenheiten auf der Leiterplatte ausgleichen und gewähr­ leisten eine genaue und sichere Lötverbindung der Kontakte.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vor dem Löten und ge­ gebenenfalls bereits beim Bauelementhersteller zum Trans­ portschutz an den Bauelementen 1 befestigt werden. Mehrere Bauelemente mit diesen Vorrichtungen können dann zur Vorbe­ reitung des Lötvorganges erfindungsgemäß auf der Leiter­ platte positioniert und fixiert werden. Dies ermöglicht das gleichzeitige Löten mehrerer Bauelemente (Massen-Lötverfah­ ren), z. B. durch ein Reflow-Lötverfahren oder durch Dampf­ phasenlöten.

Ein mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführtes bevorzugtes Lötverfahren weist somit die folgenden Schritte auf:

• a) Positionieren des Bauelements 1 mit dem Rahmen 3 auf der Leiterplatte 2, wobei das Bauelement 1 schon vorher im Rahmen 3 angeordnet und befestigt oder erst auf den Kon­ takten 5 der Leiterplatte positioniert und dann der Rah­ men aufgesetzt und befestigt werden kann,
• b) Arretieren des Rahmens 3, wobei die Kontakte 4 des Bau­ elements 1 gegen die Kontakte 5 der Leiterplatte 2 ge­ preßt werden,
• c) Löten der Kontaktstellen 4 und 5 und
• d) Abnehmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (gegebenen­ falls zur Wiederverwendung).

Das Löten kann vorzugsweise mittels Dampfphasen-Löten erfol­ gen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist automatisierbar und er­ möglicht hohe Stückzahlen mit guter Reproduzierbarkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei einem TAB (Tape automated bonded)-Verfahren einsetzbar, wobei am Bestüc­ kungsautomaten nach der Zufuhr und Aufsetzen des Bauelements auf der Leiterplatte die erfindungsgemäße Haltevorrichtung auf das Bauelement aufgesetzt und an diesem befestigt und danach die eigentliche Positionierung in der oben beschrie­ benen Weise vorgenommen wird.

Claims (19)

1. Vorrichtung zum Löten von oberflächenmontierbaren Bau­ elementen (1), insbesondere mit kleinen Kontaktabstän­ den, auf einer Leiterplatte (2), mit

• a) einem Rahmen (3) zum Haltern des Bauelements (1) und
• b) einer Positioniereinrichtung (6a, 6b), die mit dem Rahmen (3) und der Leiterplatte (2) in Eingriff bringbar ist, um den das Bauelement (1) haltenden Rahmen (3) in der Sollposition auf der Leiterplatte (2) zu fixieren,

dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1) durch eine lösbare Verbindung (12, 13, 14) im Rahmen (3) befe­ stigbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Verbindung aus mindestens zwei auf gegen­ überliegenden Seiten des Rahmens (3) in Bohrungen (11) angeordneten Stiften (12) oder Klemmbacken besteht, die über Spiralfeldern (13) mit dem Rahmen (3) verbunden sind und durch im Rahmen (3) gehalterte lösbare Klemm­ federn (14) gegen das Bauelement (1) abgefedert drückbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rahmen (3) aus Metall, Keramik, Glas oder Kunststoff besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Positioniereinrichtung mindestens zwei Positionierstifte (6a) aufweist, die in Bohrungen (7 und 8) des Rahmens (3) bzw. der Leiterplatte (2) einpaßbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Positioniereinrichtung eine Nut-Feder- Verbindung zwischen dem Rahmen (3) und der Leiterplatte (2) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Rahmens (3) zur Er­ zeugung eines ausreichenden Anpreßdrucks der Bauelement­ kontakte (4) an die Leiterplatte bemessen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung ein Fe­ derelement (6b) zum Erzeugen eines Anpreßdrucks der Bau­ elementkontakte (4) an die Leiterplatte (2) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (6b) als mindestens eine Federklemme ausgebildet ist, die auf der Leiterplatte (2) oder dem Rahmen (3) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) auf die Bauelement­ kontakte (4) aufsetzbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) abgefedert auf der Leiterplatte (2) fixierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) Bügel (9) aufweist, die über Federn (10) mit dem Rahmen (3) verbunden sind, wobei die Bügel (9) die Bauelementkontakte (4) in der fixierten Sollpo­ sition an die Leiterplatte (2) pressen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Bügel (9) an je einer Seite des Rahmens (3) angeordnet ist und an zwei Ecken des Rahmens (3) über je eine Teleskopfeder (10) mit dem Rahmen verbunden ist.

13. Verfahren zum Löten von oberflächenmontierbaren Bauele­ menten (1), insbesondere mit kleinen Kontaktabständen, auf eine Leiterplatte (2) mit den folgenden Verfahrens­ schritten:

• a) Befestigen des Bauelements (1) in der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
• b) Aufsetzen der Vorrichtung mit dem Bauelement (1) auf die Kontakte (5) der Leiterplatte (2),
• c) Positionieren und Arretieren des Bauelements (1),
• d) Verlöten der Bauelementkontakte (4) mit den Leiter­ plattenkontakten (5), und
• e) gegebenenfalls Abnehmen der Vorrichtung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) als Transportbehälter für das Bauelement (1) dient.

15. Verfahren zum Löten von oberflächenmontierbaren Bauele­ menten (1), insbesondere mit kleinen Kontaktabständen, auf eine Leiterplatte (2) mit den folgenden Verfahrens­ schritten:

• a) Aufsetzen des Bauelements (1) auf die Kontakte (5) der Leiterplatte 2,
• b) Aufsetzen der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf das Bauelement (1),
• c) Befestigen des Bauelements (1) in dem Rahmen (3) der Vorrichtung,
• d) Positionieren und Arretieren des Bauelements (1),
• e) Verlöten der Bauelementkontakte (4) mit den Leiter­ plattenkontakten (5), und
• f) gegebenenfalls Abnehmen der Vorrichtung.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bauelemente (1) auf einer Leiterplatte (2) positioniert, arretiert und gleichzei­ tig gelötet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung vorzugsweise mittels einer Federeinrichtung an die Leiterplatte bzw. an das Bauelement angedrückt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten mittels Dampfphasenlöten erfolgt.