DE10104414A1 - Elektrotechnisches Bauteil, Verfahren zum Verlöten dieses Bauteils mit einem weiteren elektrotechnischen Bauteil sowie Anordnung dieser miteinander verlöteten Bauteile - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrotechnisches Bauteil (1) mit einer Kontaktfläche (5) zum Anschließen des Bauteils (1) über eine Lötverbindung an ein zweites Bauteil (20). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lötverbindung zwischen diesem ersten Bauteil (1) und dem zweiten elektrotechnischen Bauteil (20), sowie eine dadurch entstehende Anordnung zumindest zweier elektrotechnischer Bauteile (1, 20). DOLLAR A Aufgabe ist es, ein erstes Bauteil (1) vorzuschlagen, dass so ausgebildet ist, dass eine großflächige Lötverbindung mit geringem ohmschen Widerstand hergestellt werden kann, deren Herstellung einfach ist und keine Gefahr durch verspritzendes Lot mit sich bringt. Ferner soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, bei dem zwei elektrotechnische Bauteile (1, 20) miteinander verlötet werden können, ohne dass es zu einem Verspritzen des in dem Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen (5, 23) befindlichen Lotes kommt. DOLLAR A Dieses wird dadurch erreicht, dass dazu das erste Bauteil (1) im Bereich der Kontaktfläche (5) mit Bohrungen (6) versehen wird, dass auf die Kontaktfläche (23) des zweiten Bauteils (20) eine Lötpaste aufgetragen wird, dass dann die Kontaktfläche (5) des ersten Bauteils (1) auf die Kontaktfläche (23) des zweiten Bauteils (20) aufgesetzt wird und dann die Lötpaste solange erhitzt wird, bis die verflüssigte Lötpaste in den Bohrungen (6) des ersten Bauteils (1) aufsteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrotechnisches Bauteil mit einer Kontaktfläche zum Anschließen des Bauteils über eine Lötverbindung an ein zweites Bauteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu Herstellung einer solchen Lötverbindung zwischen diesem ersten Bauteil und einem zweiten elektrotechnische Bauteil, sowie eine dadurch entstehende Anordnung zumindest zweier elektrotechnischer Bauteile.

Die aus dem Stand der Technik bekannten ersten Bauteile habe eine Kontaktfläche zum Anschließen des ersten Bauteils an das zweite Bauteil und werden in ebenfalls bekannten Anordnungen mit dem zweiten elektrotechnischen Bauteil eingesetzt. Das zweite Bauteil ist dabei in der Regel eine Leiterplatte mit Leistungshalbleitern oder anderen hohe Ströme und Spannungen führenden Bauelementen. Das erste Bauteil ist dann ein an der Leiterplatte angelötetes Kontaktelement, über das die Leiterplatte mit einer äußeren Beschaltung verbunden wird. Dabei muss das Kontaktelement sowie die Lötverbindung zu der Leiterplatte und die Verbindung mit der äußeren Beschaltung so beschaffen sein, dass die hohen Ströme ohne Sicherheitsrisiko von der Leiterplatte zur äußeren Beschaltung und umgekehrt geleitet werden können. Die Verbindung über dass Kontaktelement soll dabei einen möglichst geringen ohmschen Widerstand aufweisen, um das Entstehen von Verlustwärme und so ein Erhitzen der Lötverbindungen zwischen Kontaktelement und Leiterplatte zu vermeiden. Außerdem soll die Verbindung mechanisch belastbar sein, um z. B. durch Temperaturunterschiede zwischen Leiterplatte und Kontaktelement entstehende mechanische Spannungen aufnehmen zu können.

Damit die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil - dem Kontaktelement - und dem zweiten Bauteil - der Leiterplatte - einen möglichst geringen ohmschen Widerstand hat, wird für die Verbindung ein möglichst großer Querschnitt gewählt. Die technische Umsetzung des großen Querschnitts der Lötverbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kontaktelement wurde dabei durch die Kontaktflächen der Leiterplatte bzw. des Kontaktelementes gefunden, welche miteinander großflächig verlötet wurden. Die Größe der Kontaktflächen wird dabei entsprechend der zu leitenden Stromstärken gewählt. Für hohe Stromstärken haben die Kontaktflächen eine Größe, die das Verlöten der beiden Bauteile mitunter problematisch macht. Das Problem kann dabei in dem Verlöten selbst liegen, da der gesamte Raum zwischen den zu verlötenden Kontaktflächen mit Lot ausgefüllt sein muss, um einen großflächigen Kontakt zu erreichen. Dazu wird die Kontaktfläche der Leiterplatte mit einer Lötpaste bestrichen und das Kontaktelement mit seiner Kontaktfläche auf der mit der Lötpaste bestrichenen Kontaktfläche der Leiterplatte aufgesetzt. Daraufhin wird die so entstandene Anordnung erhitzt, bis das Lot schmilzt und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kontaktelement hergestellt ist, welche die Bauelemente sowohl mechanisch als auch elektrisch in dem geforderten Maße verbindet. Bei dem Erhitzen des Lotes verdampft jedoch das in der Lötpaste enthaltene Flussmittel und bildet dabei Gasblasen in dem flüssigen Lot. In diesen Blasen kann sich dabei ein solcher Druck aufbauen, dass sich dieser, um das Gas aus dem Raum zwischen der Leiterplatte und dem Kontaktelement herauszubringen, in kleinen Explosionen entlädt und dabei flüssiges Lot aus dem Raum zwischen den Kontaktflächen herausspritzt. Das herausspritzende Lot kann sich dabei auf der Leiterplatte niederschlagen, was die Leiterplatte und damit die gesamte Anordnung durch Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen unbrauchbar machen kann.

Ein weiteres Problem der bisher gängigen Lötverbindungen liegt darin, dass der ohmsche Widerstand der Lötverbindung und damit die Schichtdicke der Lotschicht zwischen den Kontaktflächen gering sein muss, da die Erwärmung der Lötstelle vermieden werden soll. Dieses erfordert bei der Herstellung der Lötverbindung eine genaue und aufwendige Dosierung und Verteilung der Lötpaste.

Der Erfindung liegt daher die Rufgabe zu Grunde, ein erstes Bauteil vorzuschlagen, dass so ausgebildet ist, dass eine großflächige Lötverbindung mit geringem ohmschem Widerstand hergestellt werden kann, deren Herstellung einfach ist und keine Gefahr durch verspritzendes Lot mit sich bringt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem zwei elektrotechnische Bauteile miteinander verlötet werden können, ohne dass es zu einem Verspritzen des in dem Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen befindlichen Lotes kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst dadurch gelöst, dass das erste Bauteil im Bereich der Kontaktfläche Bohrungen aufweist. Diese Bohrungen nehmen während des Verlötens des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil überschüssiges, flüssiges Lot auf, so dass dieses Lot nicht beim Aufeinandersetzen der Bauteile aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Bauteilen herausspritzen kann und auch Gaseinschlüsse in dem Zwischenraum durch die Bohrungen austreten können. Damit kann eine durchgehende, gleichförmige Lotschicht zwischen den beiden Bauteilen erreicht werden. Diese Lotschicht kann dabei durch Gegeneinanderpressen der Bauteile so weit reduziert werde, dass nahezu eine unmittelbarer Übergang zwischen den Kontaktflächen der Bauteile erreicht und der elektrische Widerstand der Lotschicht minimiert wird. Dadurch, dass das überschüssige Lot in den Bohrungen des ersten Bauteils aufgenommen wird, ist eine aufwendige exakte Dosierung der Lötpaste nicht mehr in dem Maße erforderlich, wie es bisher notwendig war. Die Bohrungen in dem ersten Bauteil können dabei sowohl durch Bohren als auch durch Stanzen oder andere Verfahren hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil einer mit einem solchem ersten Bauteil hergestellten Verbindung besteht darin, dass das erkaltete Lot in den Bohrungen eine Verankerung bildet, welche zu einer höheren mechanischen Belastbarkeit der Lötverbindung führt.

Gemäß der Erfindung können die Bohrungen gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche des ersten Bauteils angeordnet sein. Damit wird gewährleistet, dass überschüssiges Lot und Gasblasen aus allen Bereichen des Zwischenraumes zwischen den Kontaktflächen abgeführt werden. Vorteilhaft sind die Bohrungen dazu in einem Raster angeordnet.

Die Bohrungen können erfindungsgemäß einen Durchmesser haben, der zwischen 0,5 und 2 mm beträgt, wobei der Durchmesser der Bohrung in Abhängigkeit von dem Abstand der Bohrungen gewählt werden kann. Das bedeutet, dass bei einer feineren Rasterung der Durchmesser der Bohrungen kleiner ist als bei einer gröberen Rasterung.

Der Bereich des ersten Bauteils in dem die Bohrungen vorgesehen sind, kann gemäß der Erfindung aus einem massiven elektrischen Leiter, zum Beispiel aus einem Kupferblech bestehen. Bei einem solchem massiven Leiter ist nämlich gewährleistet, dass auch zwischen den Wandungen der Bohrungen und dem Lot eine stoffschlüssige Verbindung eingegangen werden kann. Dieses führt zu einer besseren mechanischen und auch zu einer besseren elektrischen Verbindung der Bauteile.

Erfindungsgemäß kann an dem ersten Bauteil ein Kontaktstück vorgesehen sein, an welchem mit einer Schraub-, Steckverbindung oder ähnlichem ein Leitung oder eine Stromschiene angeschlossen werden kann.

Die verfahrentechnische Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dazu das erste Bauteil im Bereich der Kontaktfläche mit Bohrungen versehen wird, dass auf die Kontaktfläche des zweiten Bauteils eine Lötpaste aufgetragen wird, dass dann die Kontaktfläche des ersten Bauteils auf die Kontaktfläche des zweiten Bauteils aufgesetzt wird und dann die Lötpaste solange erhitzt wird, bis die verflüssigte Lötpaste in den Bohrungen des ersten Bauteils aufsteigt. Vorteilhaft werden die beiden Bauteile während des Erhitzens gegeneinander gedrückt, um dass überschüssige Lot und auch die Blasen des verdampften Flussmittels aus dem Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen heraus in die Bohrungen zu pressen.

Mit einem solchem Verfahren kann eine erfindungsgemäße Anordnung aus zumindest zwei elektrotechnischen Bauteilen hergestellt werden, wobei die Bauteile jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, über welche die beiden Bauteile mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind, und die Verbindung eine Lötverbindung ist. Eine derartige Anordnung ist dann erfindungsgemäß so ausgebildet, dass das erste Bauteil im Bereich der Kontaktfläche Bohrungen aufweist, dass die Kontaktfläche beider Bauteile aufeinanderliegen und dass sich zwischen den Kontaktflächen und in den Bohrungen des ersten Bauteils Lot befindet.

Gemäß der Erfindung können die Bohrungen in dem ersten Bauteil gleichmäßig im gesamten Bereich der Kontaktfläche ausgebildet sein, um eine gleichmäßige Entgasung des flüssigen Lotes und ein umfassendes Abführen überschüssigen Lotes zu gewährleisten.

Die Bohrungen können, vorteilhaft in Abhängigkeit vom Abstand der Bohrungen voneinander, einen Durchmesser von 0,5 bis 2 mm haben. Das erste Bauteil besteht im Bereich der Bohrungen vorteilhaft aus einem Metallblech, insbesondere aus einem Kupferblech, während das zweite Bauteil eine mit einem elektrischen Leiter beschichtete Leiterplatte sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Bauteils und einer erfindungsgemäßen Anordnung ist anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 ein erstes Bauteil in perspektivischer Darstellung und

Fig. 2 eine Anordnung in perspektivischer Darstellung.

Das erste Bauteil gemäß Fig. 1 ist ein Kontaktelement 1, über welches eine Hochstromverbindung einer Leiterplatte mit einer äußeren Beschaltung verwirklicht werden kann. Das Kontaktelement 1 hat zwei Anschlussfahnen 2, 3, welche durch zwei parallele Abwinkelungen eines Kupferbleches gebildet werden und die über einen zu den Anschlussfahnen 2, 3 senkrecht liegenden Steg 4 verbunden sind.

Die Unterseite der einen Anschlussfahne 3 ist als Kontaktfläche 5 für die großflächige Verlötung des Kontaktelementes 1 mit der Leiterplatte ausgestaltet. Die Kontaktfläche 5 ist mit einem regelmäßigen Raster aus Bohrungen 6 versehen, welches sich über die gesamte Kontaktfläche 5 erstreckt und deren Bohrungen 6 die Anschlussfahne 3 durchdringen. Diese Bohrungen 6 nehmen beim Verlöten des Kontaktelementes 1 mit der Leiterplatte überschüssiges Lot auf und ermöglichen eine Entgasung von in dem flüssigen Lot enthaltenen Gaseinschlüssen. Näheres hierzu wird später anhand der Fig. 2 erläutert.

Die zweite Anschlussfahne 2 ist ein Kontaktstück 7 für den Anschluss des Kontaktelementes 1 an eine weitere Beschaltung. Dazu weist das Kontaktstück 7 drei Bohrungen auf, an denen Kabel oder massive Leiterstücke angeschraubt werden können.

Im Bereich der Kante zwischen der zweiten Anschlussfahne 2 und dem Steg 4 weist das Kontaktelement 1 zwei senkrecht zu der Kante und beiderseits der Kante in den Steg 4 bzw. die zweite Anschlussfahne 2 eingeschnittene Schlitze 8 auf. Diese Schlitze 8 dienen dazu, die zum Beispiel bei der Erwärmung im Kontaktelement 1 entstehende Spannungen aufzunehmen.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung aus zwei Bauteilen 1, 20. Bei dem ersten Bauteil 1 handelt es sich um ein erfindungsgemäßes Kontaktelement 1 ähnlich dem aus der Fig. 1 bekannten ersten Bauteil. Das zweite Bauteil 20 ist eine Leiterplatte 20 welche jedoch nur zum Teil dargestellt ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Kontaktelement 1 entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten. Einander entsprechende Merkmale sind daher mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Kontaktelement 1 unterscheidet sich von dem aus der Fig. 1 bekannten durch einen zusätzlichen Schlitz 9. Dieser zusätzliche Schlitz 9 ist senkrecht zu der Kante zwischen dem Steg 4 und der Anschlussfahne 2 in das Kontaktelement 1 eingeschnitten. Der Schlitz 9 dient - wie schon die beiden Schlitze 8 im Bereich der der Kante zwischen dem Steg 4 und dem Kontaktstück 7 - dazu, Spannungen aufzunehmen, insbesondere Druck- und/oder Biegespannungen.

Die Leiterplatte 20 umfasst einen Schaltungsträger 21 aus einem Keramiksubstrat auf den die Schaltung, d. h. die Bauelemente und die sie verbindenden Leiterbahnen 22 aufgedruckt sind. Bei der Keramik kann es sich um DCB-Al₂O₃ oder eine andere geeignete Keramik handeln. Die Leiterplatte 20 weist für die Verbindung mit dem Kontaktelement 1 eine Kontaktfläche 23 auf. Im Bereich dieser Kontaktfläche 23 ist der Schaltungsträger großflächig mit einem elektrischen Leiter beschichtet. Im vorliegenden Fall handelt es sich dabei um eine Kupferbeschichtung 24, wie sie auch für die die Bauelemente verbindenden Leiterbahnen 22 verwendet wird.

Für die Herstellung der Lötverbindung zwischen dem Kontaktelement 1 und der Leiterplatte 20 wird zunächst auf die Kontaktfläche 23 der Leiterplatte 20 eine Schicht einer Lötpaste aufgetragen. Dazu wird eine Schablone verwendet, welche einen Ausschnitt aufweist, der die Ausmaße der Kontaktfläche 23 hat. Diese Schablone wird auf die Kontaktfläche 23 der Leiterplatte 20 aufgelegt und der von dem Ausschnitt der Schablone freigegebene Bereich der Kontaktfläche 23 wird mit der Lötpaste bestrichen. Darauf wird dann die Kontaktfläche 5 des Kontaktelementes 1 aufgesetzt. Zwischen den Kontaktflächen 5, 23 des Kontaktelementes 1 und der Leiterplatte 20 befindet sich somit nur noch die Schicht der Lötpaste. Diese Lötpaste wird nun erhitzt, so dass sie schmilzt. Dabei verdampft das in der Lötpaste enthaltene Flussmittel und es entstehen Gasbläschen, in denen sich das verdampfte Flussmittel sammelt. Durch einen leichten Druck auf die beiden Bauteile 1, 20 werden diese Gasbläschen durch die Bohrungen 6 aus dem flüssigen Lot herausgedrückt. Damit wird eine plötzliche Explosion der Bläschen verhindert, welche in der Vergangenheit zum Verspritzen des flüssigen Lotes über die Schaltung der Leiterplatte 20 geführt hat. Ferner kann überschüssiges Lot in die Bohrungen 6 eindringen, so dass dieses nicht seitlich aus dem Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen 5, 23 herausgepresst wird und so wohlmöglich auf die Schaltung der Leiterplatte 20 gelangt. Außerdem wird erreicht, dass die Lotschicht zwischen den Kontaktflächen 5, 23 der Bauteile 1, 20 eine möglichst geringe Schichtdicke hat, wodurch der elektrische Widerstand der Lötverbindung minimiert wird.

Das in die Bohrungen 6 des Kontaktelementes 1 eingedrungene und dort erkaltete Lot, ist stoffschlüssig mit den Wandungen der Bohrungen 6 verbunden. Dieses führt dazu, dass die Verbindung nicht nur über die beiden Kontaktflächen 5, 23 erfolgt - wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist - sondern eine Verzahnung zwischen den Bauteilen 1, 20 besteht, was eine wesentlich höhere mechanische Belastbarkeit der Verbindung der beiden Bauteile 1, 20 erlaubt.

Wie auch schon bei dem Kontaktelement 1 sind auch bei der Leiterplatte 20 konstruktive Maßnahmen ergriffen worden, um das Entstehen von Druck- und/oder Biegespannungen in der Anordnung aus der Leiterplatte 20 und dem Kontaktelement 1 zu vermeiden. Dazu sind zum einen in der die Kontaktfläche 23 bildenden Kupferbeschichtung 24 Unterbrechungen 25 vorgesehen und zum anderen ist auf die Kontaktfläche 23 ein Lötstoppfilm 26 aufgetragen. Dieser Lötstoppfilm 26 verhindert eine stoffschlüssige Verbindung des erhitzten Lotes mit der Kupferbeschichtung 24. Dadurch können Biege- und/oder Druckspannungen aufgenommen werden, ohne dass die Spannungen die Verbindung mechanisch derart beanspruchen, dass es zu einer Auflösung der Verbindung kommt.

Claims (10)

1. Elektrotechnisches Bauteil mit einer Kontaktfläche (5) zum Anschließen des Bauteils (1) an ein weiteres Bauteil (20) über eine Lötverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) im Bereich der Kontaktfläche (5) Bohrungen (6) aufweist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (6) gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche (5) verteilt angeordnet sind.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (6) in einem Raster angeordnet sind.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (6) einen Durchmesser von 0,5 bis 2 mm haben.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) im Bereich der Bohrungen (6) aus einem massiven elektrischen Leiter, vorteilhaft aus einem Kupferblech besteht.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kontaktstück (7) zum Anschließen einer Leitung aufweist.

7. Verfahren zum Verlöten von Kontaktflächen (5, 23) eines ersten elektrotechnischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem zweiten elektrotechnischen Bauteil (20), dadurch gekennzeichnet, dass dazu das erste Bauteil (1) im Bereich der Kontaktfläche (5) mit Bohrungen (6) versehen wird, dass daran anschließend die Kontaktfläche (5) des ersten Bauteils (1) auf die Kontaktfläche (23) des zweiten Bauteils (20) aufgesetzt wird und danach die Lötpaste solange erhitzt wird bis die verflüssigte Lötpaste in den Bohrungen (6) des ersten Bauteils (1) aufsteigt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 20) während des Erhitzens gegeneinander gedrückt werden.

9. Anordnung zumindest eines ersten elektrotechnischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mindestens eines zweiten elektrotechnischen Bauteils, wobei die Bauteile (1, 20) jeweils eine Kontaktfläche (5, 23) aufweisen, über die die beiden Bauteile (1, 20) mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind, und die Verbindung eine Lötverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) im Bereich der Kontaktfläche (5) Bohrungen (6) aufweist, dass die Kontaktflächen (5, 23) beider Bauteile (1, 20) aufeinanderliegen und dass zwischen den Kontaktflächen (5, 23) und in den Bohrungen (6) des ersten Bauteils (1) Lot ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (20) im Bereich der Kontaktfläche (23) eine mit einem elektrischen Leiter, vorteilhaft mit einem Kupferleiter (24), beschichtete Leiterplatte (20) ist.