DE102021214825A1 - Method for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component, component assembly and machine for producing a component assembly - Google Patents

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Pierre Eckold
Arne Stephen Fischer
Benjamin Zillmann
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement (32) und wenigstens einem elektronischen Bauelement (36) mittels eines Lots, wobei das Lot auf dem Trägerelement (32) und/oder dem elektronischen Bauelement (36) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteilverbund (30) aufweisend ein Trägerelement (32) und wenigstens ein elektronisches Bauelement (36), wobei das Trägerelement (32) und das elektronische Bauelement (36) mittels einer Lotschicht (34) verbunden sind, wobei die Lotschicht (34) eine auf dem Trägerelement (32) und/oder auf dem elektronischen Bauelement (36) additiv hergestellte Lotschicht (34) ist. Zudem betrifft die Erfindung eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds (30) eines Trägerelements (32) mit wenigstens einem elektronischen Bauelement (36) über eine Lotschicht (34), wobei die Maschine ausgebildet ist, die Lotschicht (34) auf das Trägerelement (32) und/oder das elektronischen Bauelement (36) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken.The invention relates to a method for producing a soldered connection between a carrier element (32) and at least one electronic component (36) using a solder, the solder being printed on the carrier element (32) and/or the electronic component (36) using an additive manufacturing method becomes. The invention also relates to a composite component (30) having a carrier element (32) and at least one electronic component (36), the carrier element (32) and the electronic component (36) being connected by means of a solder layer (34), the solder layer ( 34) is a solder layer (34) additively produced on the carrier element (32) and/or on the electronic component (36). The invention also relates to a machine for producing a composite component (30) of a carrier element (32) with at least one electronic component (36) via a solder layer (34), the machine being designed to apply the solder layer (34) to the carrier element (32) and/or to print the electronic component (36) by means of an additive manufacturing process.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement, einen Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement und eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds.The invention relates to a method for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component, a component assembly having a carrier element and at least one electronic component, and a machine for producing a component assembly.

Aus der DE 10 2014 220 204 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem Bauelement bekannt, wobei das Trägerelement mit dem Bauelement über in Form einer Paste aufgebrachte Schichten verbunden wird.From the DE 10 2014 220 204 A1 a method for producing a soldered connection between a carrier element and at least one component is known, the carrier element being connected to the component via layers applied in the form of a paste.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots, wobei das Lot auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird, hat demgegenüber den Vorteil, dass Lot auch auf glatten Oberflächen aufgebracht werden kann. Aufdrucken umfasst dabei auch das Aufbringen und/oder das Beschichten des Lots auf das Trägerelement und/oder auf das elektronische Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens mit oder ohne eine stoffschlüssige Verbindung des Lots mit dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement durch das additive Herstellungsverfahren. Die Haftung auf glatten Oberflächen wird durch ein Aufschmelzen des Lotes mit der Oberfläche des Trägerelements erreicht. Ferner trägt das Verfahren dazu bei, kleine Strukturen aus Lotmaterial auf dem Trägerelement zu generieren, um das elektronische Bauelement zu platzieren und zu fixieren. Dies trägt dazu bei, dass ein Verrutschen bei einem Transport zum Nachfolgeprozess unterbunden wird. Weiterhin ist eine Reinigung nach dem Lötprozess nicht notwendig, da das Lotmaterial nur selektiv an den Stellen aufgebracht wird, wo es auf dem Trägerelement benötigt wird. Auch das Aufdrucken des Lots auf das elektronische Bauelement ist vorteilhaft, da hierdurch das Lot unmittelbar stoffschlüssig mit dem elektronischen Bauelement verbunden wird und es möglich ist, vorgegebene Lötstrukturen auf elektrische Anschlusskontakte des elektronischen Bauelements aufzudrucken. Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn das Lot sowohl auf dem Trägerelement als auch auf dem elektronischen Bauelement aufgedruckt wird, da es dadurch möglich ist, auf jeden der zu verbindenden Elementen korrespondierende Lötstrukturen aufzudrucken. Es ist vorteilhaft, dass das Lot durch das Aufdrucken mit dem additiven Herstellungsverfahren auf der zu lötenden Oberfläche fixiert wird, indem eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, so dass das Lot auch auf glatten Flächen aufgebracht werden kann. Dies trägt zu einer zuverlässigen Vorfixierung der zu lötenden elektronischen Bauelement bei. Zusammenfassend hat das Verfahren den Vorteil, dass das Lot auf dem Trägerelement fixiert wird und eine Weiterverarbeitung in Nachfolgeprozessen möglich ist. Insbesondere ist es möglich, nur Bereiche mit Lot zu versehen, wo auch elektronische Bauelemente sitzen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass Strukturen aus Lotmaterial generiert werden, womit die zu fügenden elektronischen Bauelement präzise positioniert werden können und während des Transports zu Folgeprozessen ausreichend gegen ein Verschieben gesichert sind. Das Lot ist insbesondere ein Weichlot. Vorzugsweise ist das Weichlot ein Zinnlot, insbesondere ein bleifreies Zinnlot. Das Zinnlot weist insbesondere einen Schmelzpunkt von kleiner als 330 °C auf. Alternativ oder zusätzlich ist das Lot ein Hartlot.The method according to the invention for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component by means of a solder, with the solder being printed on the carrier element and/or the electronic component by means of an additive manufacturing process, has the advantage that solder can also be applied to smooth surfaces can be. Imprinting also includes applying and/or coating the solder onto the carrier element and/or onto the electronic component by means of an additive manufacturing process with or without an integral connection of the solder to the carrier element and/or the electronic component through the additive manufacturing process. Adhesion to smooth surfaces is achieved by melting the solder with the surface of the carrier element. The method also contributes to generating small structures made of solder material on the carrier element in order to place and fix the electronic component. This helps to prevent slippage during transport to the subsequent process. Furthermore, cleaning after the soldering process is not necessary, since the solder material is only selectively applied to the points where it is required on the carrier element. Printing the solder onto the electronic component is also advantageous, since this causes the solder to be directly connected to the electronic component in a cohesive manner and it is possible to print predetermined soldering structures onto electrical connection contacts of the electronic component. It is particularly advantageous if the solder is printed both on the carrier element and on the electronic component, since this makes it possible to print corresponding solder structures on each of the elements to be connected. It is advantageous that the solder is fixed on the surface to be soldered by printing with the additive manufacturing process, in that a bonded connection is produced, so that the solder can also be applied to smooth surfaces. This contributes to reliable pre-fixing of the electronic component to be soldered. In summary, the method has the advantage that the solder is fixed on the carrier element and further processing in subsequent processes is possible. In particular, it is possible to only apply solder to areas where electronic components are also located. It is particularly advantageous that structures are generated from solder material, with which the electronic components to be joined can be positioned precisely and are adequately secured against displacement during transport to subsequent processes. The solder is in particular a soft solder. The soft solder is preferably a tin solder, in particular a lead-free tin solder. In particular, the tin solder has a melting point of less than 330.degree. Alternatively or additionally, the solder is a hard solder.

Vorteilhaft ist, dass das Lot durch Aufschmelzen von auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement aufgebrachten Lotpulver aufgedruckt wird, wobei als additives Herstellungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen verwendet wird. Sowohl das selektive Laserschmelzen als auch das selektive Elektronenstrahlschmelzen haben den Vorteil, dass auch kleine Strukturen genau herstellbar sind, da diese Strahlen einfach und exakt über den Aufbaubereich gescannt werden können. Beim selektiven Laserschmelzen wird in einer dünnen Schicht aufgetragenes Lotpulver mittels Laserstrahlung lokal umgeschmolzen und bildet nach dem Umschmelzen und Erstarren eine feste Lotschicht. Durch Auftragen weiterer dünner Schichten von Lotpulver mit anschließendem lokalen umschmelzen werden dreidimensionalen Lotstrukturen erzeugt. Beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen ist der Verfahrensablauf ähnlich wie beim selektiven Laserschmelzen, wobei abweichend vom selektiven Laserschmelzen ein Elektronenstrahl zum Aufschmelzen verwendet wird. Der mittels einer Elektronenstrahlkanone erzeugte Elektronenstrahl wird dabei mittels Spulenpaaren zweidimensional abgelenkt.It is advantageous that the solder is printed on by melting solder powder applied to the carrier element and/or the electronic component, selective laser melting and/or selective electron beam melting being used as the additive manufacturing method. Both selective laser melting and selective electron beam melting have the advantage that even small structures can be produced precisely, since these beams can be scanned easily and precisely over the build-up area. In selective laser melting, a thin layer of solder powder applied is remelted locally using laser radiation and forms a solid layer of solder after remelting and solidification. Three-dimensional solder structures are created by applying further thin layers of solder powder with subsequent local remelting. In the case of selective electron beam melting, the process sequence is similar to that of selective laser melting, although, unlike selective laser melting, an electron beam is used for melting. The electron beam generated by an electron beam gun is deflected in two dimensions by means of pairs of coils.

Besonders vorteilhaft ist, dass Verfahrensparameter des additiven Herstellungsverfahrens zum Aufdrucken des Lots derart gewählt sind, dass das Lot beim Aufdrucken stoffschlüssige mit dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement verbunden wird. Die Verfahrensparameter beim selektiven Laserschmelzen sind eine Wellenlänge des Lasers und/oder eine Leistung des Lasers und/oder eine Scangeschwindigkeit des Lasers und/oder eine Lotpulverschichtdicke und/oder eine Scanstrategie. Aus diesen Verfahrensparametern wird eine Energiedichte berechnet. Die Verfahrensparameter beeinflussen sich dabei wechselseitig. Dabei werden die Verfahrensparameter derart gewählt, dass das Lot derart erwärmt wird, dass es schmilzt, ohne dass das Grundmaterial des Trägerelements und/oder das Grundmaterial des elektronischen Bauelements überhaupt und/oder großflächig aufgeschmolzen wird. Vorzugsweise wird das Lot auf eine Temperatur von kleiner als 330 °C erwärmt. Das Grundmaterial ist dabei das Material auf den die Lotschicht auftragen wird.It is particularly advantageous that the process parameters of the additive manufacturing process for printing the solder are selected in such a way that the solder is bonded to the carrier element and/or the electronic component during printing. The process parameters in selective laser melting are a wavelength of the laser and/or a power of the laser and/or a scanning speed of the laser and/or a solder powder layer thickness and/or a scanning strategy. An energy density is calculated from these process parameters. The process parameters influence each other reciprocally. The process parameters are selected such that the solder is heated in such a way that it melts without the base material of the carrier element and/or the base material of the electronic component being melted at all and/or over a large area. The solder is preferably heated to a temperature of less than 330°C. The base material is the material on which the solder layer is applied.

Vorteilhaft ist ferner, dass das Verfahren die Verfahrensschritte

  1. (a) Beschichten des Trägerelements und/oder des elektronischen Bauelements mit dem Lotpulver,
  2. (b) selektives Aufschmelzen des Lotpulvers, und
  3. (c) Entfernen des überschüssigen Lotpulvers
aufweist, wobei die Verfahrensschritte (a) und (b) vorzugsweise iterativ wiederholt werden. Diese Verfahrensschritte tragen dazu bei, dass eine dreidimensionale Lotstruktur einfach und mit hoher Genauigkeit aufgebaut werden kann.It is also advantageous that the method includes the method steps
  1. (a) coating the carrier element and/or the electronic component with the solder powder,
  2. (b) selectively reflowing the solder powder, and
  3. (c) Removing excess solder powder
has, the process steps (a) and (b) preferably being repeated iteratively. These process steps contribute to the fact that a three-dimensional solder structure can be built up easily and with a high level of accuracy.

Besonders vorteilhaft ist, dass das Lot auf dem Trägerelement im Wesentlichen in einer Negativform des elektronischen Bauelements aufgedruckt wird, da hierdurch ein Fixieren des aufgelegten elektronischen Bauelements vor dem eigentlichen Lötvorgang gewährleistet ist. Das Fixieren des aufgelegten elektronischen Bauelements bzw. das Verhindern eines Verrutschens werden durch das Design des aufgedruckten Lots gewährleistet. Das Lot wird hierfür in Form einer Tasche auf dem Trägerelement aufgedruckt. In diese Tasche wird das elektronischen Bauelement eingelegt und ist damit in x- und in y-Richtung fixiert.It is particularly advantageous that the solder is printed on the carrier element essentially in a negative form of the electronic component, since this ensures that the electronic component placed there is fixed before the actual soldering process. The design of the printed solder ensures that the electronic component placed on it is fixed in place and that it is prevented from slipping. For this purpose, the solder is printed in the form of a pocket on the carrier element. The electronic component is placed in this pocket and is thus fixed in the x and y directions.

Vorteilhaft ist ferner, dass nach dem Aufdrucken des Lots das elektronische Bauelement positionsrichtig und/oder lagerichtig auf dem Trägerelement platziert wird. Das Platzieren wird vorzugsweise mittels eines Roboters, insbesondere mittels eines Pick-and-Place-Roboters, durchgeführt. Dabei nimmt ein Bestückkopf des Roboters das elektronische Bauelement auf und platziert dies positionsrichtig und/oder lagerichtig auf der aufgedruckten Lotschicht, insbesondere in Form einer Negativform des elektronischen Bauelements, des Trägerelements.It is also advantageous that after the solder has been printed on, the electronic component is placed in the correct position and/or in the correct position on the carrier element. The placing is preferably carried out by means of a robot, in particular by means of a pick-and-place robot. An assembly head of the robot picks up the electronic component and places it in the correct position and/or in the correct position on the printed solder layer, in particular in the form of a negative mold of the electronic component, the carrier element.

Besonders vorteilhaft ist ferner, dass die Lötverbindung zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Bauelement durch Aufschmelzen des aufgedruckten Lots in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre hergestellt wird. Dabei wird das aufgedruckte Lot, nachdem das elektronischen Bauelement auf dem Trägerelement aufliegt, durch eine Heizeinrichtung erwärmt. Die Erwärmung findet dabei in der flussmittelhaltigen Atmosphäre statt. Als flussmittelhaltige Atmosphäre wird beispielsweise ein mit Ameisensäure gesättigtes Trägergas, beispielsweise Stickstoff, verwendet. Dabei ist bevorzugt, dass das Lot flussmittelfrei ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein flussmittelfreies Lot einfach selektiv aufgedruckt werden kann. Durch die Verwendung einer flussmittelhaltigen Atmosphäre wiederum wird eine gute und zuverlässige Lötverbindung zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Bauelement hergestellt.Furthermore, it is particularly advantageous that the soldered connection between the carrier element and the electronic component is produced by melting the printed solder in an atmosphere containing flux. In this case, the printed solder is heated by a heating device after the electronic component rests on the carrier element. The heating takes place in the flux-containing atmosphere. For example, a carrier gas saturated with formic acid, for example nitrogen, is used as the flux-containing atmosphere. It is preferred that the solder is flux-free. This procedure has the advantage that a flux-free solder can simply be selectively printed on. The use of an atmosphere containing flux in turn produces a good and reliable soldered connection between the carrier element and the electronic component.

Vorteilhaft ist, dass das Trägerelement eine Platine, insbesondere eine Leiterplatte, ist. Eine Leiterplatte ist ein Träger für elektronische Bauelemente zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung der elektronischen Bauelemente auf der Leiterplatte. Die Leiterplatte besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material auf dem leitende Verbindungen in Form von Leiterbahnen aufgebracht und/oder eingebracht sind. In einer Variante ist das Trägerelement alternativ oder zusätzlich ein Stanzgitter.It is advantageous that the carrier element is a circuit board, in particular a printed circuit board. A printed circuit board is a carrier for electronic components for fastening and electrical contacting of the electronic components on the printed circuit board. The printed circuit board preferably consists of an electrically insulating material on which conductive connections in the form of conductor tracks are applied and/or introduced. In one variant, the carrier element is alternatively or additionally a pressed screen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement, wobei das Trägerelement und das elektronische Bauelement mittels einer Lotschicht verbunden sind, wobei die Lotschicht eine auf dem Trägerelement und/oder auf dem elektronischen Bauelement additiv hergestellte Lotschicht ist. Vorzugsweise ist die Lotschicht im Wesentlichen als eine Negativform des elektronischen Bauelements ausgebildet. Ferner wird der Bauteilverbund vorzugsweise mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt.The invention also relates to a composite component having a carrier element and at least one electronic component, the carrier element and the electronic component being connected by means of a solder layer, the solder layer being a solder layer additively produced on the carrier element and/or on the electronic component. The solder layer is preferably formed essentially as a negative form of the electronic component. Furthermore, the composite component is preferably produced by means of the method described above.

Die Erfindung betrifft ferner eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds eines Trägerelements mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht, insbesondere zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Bauteilverbunds, wobei die Maschine ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement und/oder das elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken. Vorzugsweise ist die Maschine ausgebildet, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Maschine umfasst insbesondere einen Beschichter zum Aufbringen von Lotpulver und/oder eine Schmelzeinrichtung zum selektiven Aufschmelzen des Lotpulvers und/oder eine Entpulverungseinrichtung zum Entfernen des überschüssigen und nicht aufgeschmolzenen Lotpulvers und/oder eine Bestückungseinrichtung zum positionsrichtigen und/oder lagerichtigen Auflegen des elektronischen Bauelements und/oder eine Löteinrichtung zum Verlöten des elektronischen Bauelements mit dem Trägerelement.The invention also relates to a machine for producing a composite component of a carrier element with at least one electronic component via a layer of solder, in particular for producing the composite component described above, the machine being designed to apply the solder layer to the carrier element and/or the electronic component by means of an additive manufacturing process to print. The machine is preferably designed to carry out the method described above. In particular, the machine comprises a coater for applying solder powder and/or a melting device for selectively melting the solder powder and/or a de-powdering device for removing the excess and unmelted solder powder and/or a bestü Covering device for placing the electronic component in the correct position and/or in the correct position and/or a soldering device for soldering the electronic component to the carrier element.

Die für das Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für den Bauteilverbund und die Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds.The advantages mentioned for the method apply correspondingly to the composite component and the machine for producing a composite component.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments with reference to the figures and from the dependent claims.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings using several figures and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung,
  • 2 einen Bauteilverbund, und
  • 3 eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds.
Show it:
  • 1 a flowchart of a method for producing a soldered joint,
  • 2 a component assembly, and
  • 3 a machine for producing a composite component.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots beschrieben, wobei das Lot auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird. Ferner wird ein Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement beschrieben, wobei das elektronische Bauelement und das Trägerelement mittels einer Lotschicht verbunden sind, wobei die Lotschicht eine auf dem elektronischen Bauelement und/oder dem Trägerelement additiv hergestellte Lotschicht ist. Zudem wird eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds eines Trägerelements mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht beschrieben, wobei die Maschine ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement und/oder das elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken.A method for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component by means of a solder is described below, the solder being printed on the carrier element and/or the electronic component by means of an additive manufacturing method. Furthermore, a composite component comprising a carrier element and at least one electronic component is described, the electronic component and the carrier element being connected by means of a solder layer, the solder layer being a solder layer additively produced on the electronic component and/or the carrier element. In addition, a machine for producing a composite component of a carrier element with at least one electronic component via a solder layer is described, the machine being designed to print the solder layer onto the carrier element and/or the electronic component using an additive manufacturing method.

Es wird ein Verfahrensablauf eines additiven Fertigungsverfahren beschrieben, um Lotpulver auf einer Oberfläche zu fixieren und/oder eine vorbestimmte Geometrie aus Lotpulver zu generieren, um elektrische Bauelemente zu fixieren. Vorzugsweise wird der Prozessablauf des selektiven Laserschmelzens (SLM) verwendet. Mittels des additiven Fertigungsverfahrens wird Lotpulver verarbeitet, das mittels eines Laserstrahls und/oder mittels eines anderen selektiv aufschmelzenden Strahls schichtweise aufgeschmolzen wird. Durch Summierung der Schichten wird ein Strukturbauteil als Lotschicht in die Höhe aufgebaut. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Platine, beispielsweise eine gedruckte Platine (Printed Circuit Board (PCB)), auf einer Grundplatte einer Maschine zum selektiven Laserschmelzen positioniert. Im zweiten Verfahrensschritt wird eine erste Lotpulverschicht mit Hilfe eines Beschichters aufgetragen. In einem dritten Verfahrensschritt wird das aufgetragenen Lotpulver selektiv in den gewünschten Bereichen unter Verwendung einer Laserquelle aufgeschmolzen, wobei die Prozessparameter so gewählt werden, dass eine Haftung zwischen Platine und Lotpulver gewährleistet ist. Die zweiten und dritten Verfahrensschritte werden in einem vierten Verfahrensschritt wiederholt, bis eine gewünschte Menge, insbesondere eine gewünschte Aufbauhöhe, an Pulver und/oder eine vorbestimmte Struktur zur Fixierung der elektronischen Komponenten gegeben ist. In einem fünften Verfahrensschritt wird das überflüssiges Pulver entfernt. In einem sechsten Schritt werden die zu verlötenden elektrischen Bauelementen, insbesondere mittels Pick and Place, auf der Platine bzw. dem Lot positioniert. Der siebte Verfahrensschritt betrifft das Aufschmelzen des Lots und damit die Herstellung der Lötverbindung zwischen den elektronischen Bauelementen und der Platine.A method sequence of an additive manufacturing method is described in order to fix solder powder on a surface and/or to generate a predetermined geometry from solder powder in order to fix electrical components. Preferably, the selective laser melting (SLM) process flow is used. Using the additive manufacturing method, solder powder is processed, which is melted in layers by means of a laser beam and/or by means of another selectively melting beam. By summing up the layers, a structural component is built up as a solder layer. In a first method step, a circuit board, for example a printed circuit board (PCB), is positioned on a base plate of a machine for selective laser melting. In the second process step, a first solder powder layer is applied using a coater. In a third process step, the applied solder powder is selectively melted in the desired areas using a laser source, with the process parameters being selected in such a way that adhesion between the circuit board and the solder powder is ensured. The second and third method steps are repeated in a fourth method step until a desired amount, in particular a desired structural height, of powder and/or a predetermined structure for fixing the electronic components is given. In a fifth process step, the superfluous powder is removed. In a sixth step, the electrical components to be soldered are positioned on the circuit board or the solder, in particular by means of pick and place. The seventh method step relates to the melting of the solder and thus the production of the soldered connection between the electronic components and the circuit board.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird ein Trägerelement, vorzugsweise in Form einer Platine, bereitgestellt. Das Trägerelement wird in einem zweiten Verfahrensschritt 12 in eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds, die mit Bezug auf die 3 näher beschrieben ist, positionsrichtig und lagerichtig auf eine Grundplatte eingelegt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es eine Maschine zum selektiven Laserschmelzen. In einem dritten Verfahrensschritt 14 wird mittels eines Beschichters eine erste Schicht Lotpulver auf das Trägerelement aufgetragen. In dem daran anschließenden vierten Verfahrensschritt 16 wird mittels eines energiereichen Strahls, im bevorzugten Ausführungsbeispiels mittels eines Laserstrahles, selektiv und an vorbestimmten Positionen das Lotpulver aufgeschmolzen und damit das Lot stoffschlüssig mit dem Trägerelement verbunden. Falls der Lotaufbau noch unfertig 18 ist, wird der fünfte Verfahrensschritt 20 durchgeführt. In dem fünften Verfahrensschritt 20 wird mittels des Beschichters eine weitere Schicht Lotpulver auf das Trägerelement aufgetragen. Daran anschließend wird der vierter Verfahrensschritt 16 erneut durchgeführt. In dem vierten Verfahrensschritt 16 wird mittels eines energiereichen Strahls, im bevorzugten Ausführungsbeispiels mittels eines Laserstrahles, selektiv und an vorbestimmten Positionen das Lotpulver aufgeschmolzen und damit das Lotpulver mit der darunterliegenden, bereits nach dem aufschmelzen wieder verfestigten Lotschicht stoffschlüssig verbunden. Der vierte Verfahrensschritt 16 und der fünfte Verfahrensschritt 20 werden iterativ solange wiederholt bis der Lotaufbau fertig 22 ist. Dabei wird das aufgeschmolzene Lot in einer vorbestimmten Form aufgeschmolzen derart, dass das Lot im Wesentlichen eine Negativform des elektronischen Bauelements ist, derart, dass das in das nach dem aufschmelzen wieder verfestigte Lot eingelegte elektronischen Bauelement formschlüssig durch das Lot fixiert ist. Daran anschließend wird in einem sechsten Verfahrensschritt 24 das überschüssige, nicht aufgeschmolzene Lotpulver mittels einer Entpulverungseinrichtung entfernt. Zurück bleibt eine an vorbestimmten Positionen des Trägerelements befindliche Lotschicht. In einem siebten Verfahrensschritt 26 wird das elektronische Bauelement mittels einer Bestückungseinrichtung positionsrichtig und lagerichtig in die Negativform der hergestellten Lotschicht eingelegt. Dabei ist vorgesehen, dass mehrere elektronische Bauelemente an verschiedenen Positionen auf die Lotschicht, insbesondere in eine Negativform der Lotschicht, eingelegt werden. In einem daran anschließenden achten Verfahrensschritt 28 werden das oder die elektronischen Bauelemente mittels einer Löteinrichtung über die Lotschicht mit dem Trägerelement verlötet und somit eine Lötverbindung hergestellt. Dabei ist vorgesehen, dass das Lot flussmittelfrei ist. Die Lötverbindung wird durch die Löteinrichtung durch Aufschmelzen des Lots in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre hergestellt. Die flussmittelhaltige Atmosphäre wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gebildet, dass ein Trägergas, beispielsweise Stickstoff, mit Ameisensäure gesättigt wird und das mit Ameisensäure gesättigte Trägergas in den Bereich der herzustellenden Lötverbindung eingeleitet wird. 1 shows a flow chart of a method for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component by means of a solder. In a first method step 10, a carrier element, preferably in the form of a circuit board, is provided. The carrier element is in a second step 12 in a machine for producing a composite component, with respect to the 3 is described in more detail, inserted correctly and correctly positioned on a base plate. In the preferred embodiment, it is a selective laser melting machine. In a third method step 14, a first layer of solder powder is applied to the carrier element by means of a coater. In the subsequent fourth method step 16, the solder powder is melted selectively and at predetermined positions by means of a high-energy beam, in the preferred exemplary embodiment by means of a laser beam, and the solder is thus firmly bonded to the carrier element. If the solder structure is not yet finished 18, the fifth method step 20 is carried out. In the fifth method step 20, a further layer of solder powder is applied to the carrier element by means of the coater. The fourth method step 16 is then repeated leads. In the fourth method step 16, the solder powder is selectively melted at predetermined positions by means of a high-energy beam, in the preferred exemplary embodiment by means of a laser beam, and the solder powder is thus bonded to the solder layer underneath, which has already solidified again after melting. The fourth method step 16 and the fifth method step 20 are repeated iteratively until the solder structure is complete 22 . The melted solder is melted in a predetermined shape such that the solder is essentially a negative form of the electronic component, such that the electronic component inserted into the solder that has solidified again after melting is positively fixed by the solder. Then, in a sixth method step 24, the excess solder powder that has not melted is removed by means of a powder removal device. What remains is a layer of solder located at predetermined positions on the carrier element. In a seventh method step 26, the electronic component is inserted in the correct position and in the correct position into the negative mold of the solder layer produced by means of an assembly device. It is provided that several electronic components are placed at different positions on the solder layer, in particular in a negative form of the solder layer. In a subsequent eighth method step 28, the electronic component or components are soldered to the carrier element via the solder layer by means of a soldering device and a soldered connection is thus produced. It is provided that the solder is flux-free. The soldered joint is produced by the soldering device by melting the solder in an atmosphere containing flux. In the preferred exemplary embodiment, the flux-containing atmosphere is formed in that a carrier gas, for example nitrogen, is saturated with formic acid and the carrier gas, saturated with formic acid, is introduced into the region of the soldered joint to be produced.

In einer Variante des vorstehend mit Bezug auf die 1 beschriebenen Verfahrens wird das Lot bzw. das Lotpulver auf das elektronische Bauelement mittels des beschriebenen additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt. Nach Fertigstellung der Lotschicht durch den zweiten Verfahrensschritt 12, den dritten Verfahrensschritt 14, den vierten Verfahrensschritt 16, den fünften Verfahrensschritt 20 und den sechsten Verfahrensschritt 24 wird das elektronische Bauelement in dem siebten Verfahrensschritt 26 mittels einer Bestückungseinrichtung positionsrichtig und lagerichtig auf das Trägerelement aufgelegt und in dem achten Verfahrensschritts 28 mit dem Trägerelement verlötet.In a variant of the above with reference to the 1 described method, the solder or the solder powder is printed onto the electronic component by means of the additive manufacturing method described. After completion of the solder layer by the second method step 12, the third method step 14, the fourth method step 16, the fifth method step 20 and the sixth method step 24, the electronic component is placed in the seventh method step 26 by means of a placement device in the correct position and in the correct position on the carrier element and the eighth method step 28 soldered to the carrier element.

In einer weiteren Variante des vorstehend mit Bezug auf die 1 beschriebenen Verfahrens wird das Lot bzw. das Lotpulver parallel oder sequentiell auf das Trägerelement und das elektronische Bauelement mittels des beschriebenen additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt, so dass sich sowohl auf dem elektronischen Bauelement als auch auf dem Trägerelement eine Lotschicht befindet. Dabei ist die Lotschicht des Trägerelements vorzugsweise im Wesentlichen als Negativform des elektronischen Bauelements und/oder als Negativform der Lotschicht des elektronischen Bauelements ausgebildet.In a further variant of the above with reference to the 1 described method, the solder or the solder powder is printed in parallel or sequentially onto the carrier element and the electronic component by means of the additive manufacturing method described, so that there is a layer of solder on both the electronic component and on the carrier element. In this case, the solder layer of the carrier element is preferably formed essentially as a negative mold of the electronic component and/or as a negative mold of the solder layer of the electronic component.

2 zeigt einen Bauteilverbund 30, der mittels des vorstehend mit Bezug auf die 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Der Bauteilverbund 30 weist ein Trägerelement 32 und wenigstens ein elektronisches Bauelement 36 auf, wobei das Trägerelement 32 und das elektronische Bauelement 36 mittels einer Lotschicht 34 verbunden sind. Die Lotschicht 34 ist eine auf dem Trägerelement 32 und/oder auf dem elektronischen Bauelement 36 hergestellte Lotschicht 34. Die Lotschicht 34 ist in Form einer Negativform 38 des elektronischen Bauelements 36 ausgebildet. 2 shows a component composite 30 by means of the above with reference to 1 described method was prepared. The component assembly 30 has a carrier element 32 and at least one electronic component 36 , the carrier element 32 and the electronic component 36 being connected by means of a solder layer 34 . The solder layer 34 is a solder layer 34 produced on the carrier element 32 and/or on the electronic component 36. The solder layer 34 is in the form of a negative mold 38 of the electronic component 36.

3 zeigt eine Maschine 40 zur Herstellung eines mit Bezug auf die 2 beschriebenen Bauteilverbunds. Die Maschine 40 ist ausgebildet, den Bauteilverbund eines Trägerelements 32 mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht herzustellen. Ferner ist die Maschine 40 ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement 32 und/oder auf das elektronische Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken. Dabei ist die Maschine 40 insbesondere ausgebildet, das vorstehend mit Bezug auf die 1 beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Maschine 40 umfasst einen Beschichter 42 zum Aufbringen von Lotpulver auf das Trägerelement und/oder auf das elektronische Bauelement. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Schmelzeinrichtung 44 zum Aufschmelzen und selektiven Zusammenschmelzens des Lotpulvers mittels eines energiereichen Strahls. Im bevorzugten Ausführungsspiel ist der energiereiche Strahl ein Laserstrahl und die Schmelzeinrichtung 44 ein selektiver Laserschmelzer. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Entpulverungseinrichtung 46 zum Entfernen des überschüssigen und nicht aufgeschmolzenen Lotpulvers. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Entpulverungseinrichtung 46 als Staubsauger zum Aufsaugen des Lotpulvers ausgebildet. Die Maschine 40 umfasst ferner eine Bestückungseinrichtung 48 zum positionsrichtigen und lagerichtigen Auflegen des elektronischen Bauelements auf das Trägerelement. Vorzugsweise ist die Bestückungseinrichtung 48 ein Pick-and-Place-Roboter. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Löteinrichtung 50 zum Aufschmelzen des Lots und zur Herstellung der Lötverbindung. Die Löteinrichtung 50 ist ausgebildet, durch Wärmezufuhr die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Trägerelement über die Lotschicht herzustellen. Dabei die ist die Löteinrichtung 50 ausgebildet, den Lötvorgang in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre durchzuführen. Die Löteinrichtung 50 ist insbesondere ausgebildet, zur Herstellung einer flussmittelhaltigen Atmosphäre ein Trägergas, beispielsweise Stickstoff, mit Ameisensäure zu sättigen und das mit Ameisensäure gesättigte Trägergas in den Bereich der herzustellenden Lötverbindung einzuleiten. 3 FIG. 1 shows a machine 40 for manufacturing a device referred to in FIG 2 component assembly described. The machine 40 is designed to produce the composite component of a carrier element 32 with at least one electronic component via a layer of solder. Furthermore, the machine 40 is designed to print the solder layer onto the carrier element 32 and/or onto the electronic component by means of an additive manufacturing method. In this case, the machine 40 is designed in particular, the above with reference to the 1 carry out the procedures described. The machine 40 includes a coater 42 for applying solder powder to the carrier element and/or to the electronic component. The machine 40 also includes a melting device 44 for melting and selectively fusing the solder powder together by means of a high-energy jet. In the preferred embodiment, the high energy beam is a laser beam and the fuser 44 is a selective laser fuser. Furthermore, the machine 40 includes a de-powdering device 46 for removing the excess and unmelted solder powder. In the preferred exemplary embodiment, the depowdering device 46 is designed as a vacuum cleaner for sucking up the solder powder. The machine 40 also includes an assembly device 48 for placing the electronic component in the correct position and position on the carrier element. The placement device 48 is preferably a pick-and-place robot. The machine 40 also includes a soldering device 50 for melting zen of the solder and for making the soldered joint. The soldering device 50 is designed to produce the soldered connection between the electronic component and the carrier element via the solder layer by supplying heat. The soldering device 50 is designed to carry out the soldering process in an atmosphere containing flux. The soldering device 50 is designed in particular to saturate a carrier gas, for example nitrogen, with formic acid in order to produce an atmosphere containing flux and to introduce the carrier gas saturated with formic acid into the region of the soldered joint to be produced.

Die Verwendung des beschriebenen Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement kann an dem hergestellten Bauteilverbund durch eine Mikrostrukturanalyse der Lötverbindung nachgewiesen werden.The use of the method described for producing a soldered connection between a carrier element and at least one electronic component can be verified on the composite component produced by a microstructural analysis of the soldered connection.

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Claims (15)

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement (32) und wenigstens einem elektronischen Bauelement (36) mittels eines Lots, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot auf dem Trägerelement (32) und/oder dem elektronischen Bauelement (36) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird.Method for producing a soldered connection between a carrier element (32) and at least one electronic component (36) by means of a solder, characterized in that the solder is printed on the carrier element (32) and/or the electronic component (36) by means of an additive manufacturing process . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot durch Aufschmelzen von auf dem Trägerelement (32) und/oder dem elektronischen Bauelement (36) aufgebrachten Lotpulver aufgedruckt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the solder is printed by melting on the carrier element (32) and / or the electronic component (36) applied solder powder. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als additives Herstellungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that selective laser melting and/or selective electron beam melting is used as the additive manufacturing method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensparameter des additiven Herstellungsverfahrens derart gewählt sind, dass das Lot beim Aufdrucken stoffschlüssige mit dem Trägerelement (32) und/oder dem elektronischen Bauelement (36) verbunden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the process parameters of the additive manufacturing process are selected in such a way that the solder is bonded to the carrier element (32) and/or the electronic component (36) during printing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte (a) Beschichten des Trägerelements (32) und/oder des elektronischen Bauelements (36) mit dem Lotpulver, (b) selektives Aufschmelzen des Lotpulvers, und (c) Entfernen des überschüssigen Lotpulvers.Method according to one of the preceding claims, characterized by the method steps (a) coating the carrier element (32) and/or the electronic component (36) with the solder powder, (b) selectively melting the solder powder, and (c) removing the excess solder powder. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (a) und (b) iterativ wiederholt werden.procedure after claim 5 , characterized in that method steps (a) and (b) are repeated iteratively. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot auf dem Trägerelement (32) im Wesentlichen in einer Negativform (38) des elektronischen Bauelements (36) aufgedruckt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the solder is printed onto the carrier element (32) essentially in a negative mold (38) of the electronic component (36). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufdrucken des Lots das elektronische Bauelement (36) positionsrichtig und/oder lagerichtig auf dem Trägerelement (32) platziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the solder has been printed on, the electronic component (36) is placed on the carrier element (32) in the correct position and/or in the correct position. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung zwischen dem Trägerelement (32) und dem elektronischen Bauelement (36) durch Aufschmelzen des aufgedruckten Lots in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre hergestellt wird und/oder das Lot flussmittelfrei ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the soldered connection between the carrier element (32) and the electronic component (36) is produced by melting the printed solder in an atmosphere containing flux and/or the solder is flux-free. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (32) eine Platine und/oder ein Stanzgitter ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element (32) is a circuit board and/or a pressed screen. Bauteilverbund (30) aufweisend ein Trägerelement (32) und wenigstens ein elektronisches Bauelement (36), wobei das Trägerelement (32) und das elektronische Bauelement (36) mittels einer Lotschicht (34) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (34) eine auf dem Trägerelement (32) und/oder auf dem elektronischen Bauelement (36) additiv hergestellte Lotschicht (34) ist.Composite component (30) having a carrier element (32) and at least one electronic component (36), the carrier element (32) and the electronic component (36) being connected by means of a solder layer (34), characterized in that the solder layer (34) a solder layer (34) additively produced on the carrier element (32) and/or on the electronic component (36). Bauteilverbund (30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (34) im Wesentlichen als eine Negativform (38) des elektronischen Bauelements (36) ausgebildet ist.Component composite (30) after claim 11 , characterized in that the solder layer (34) is formed essentially as a negative mold (38) of the electronic component (36). Bauteilverbund (30) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilverbund (30) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.Composite component (30) according to one of Claims 11 or 12 , characterized in that the component assembly (30) by a method according to any one of Claims 1 until 10 is made. Maschine (40) zur Herstellung eines Bauteilverbunds (30) eines Trägerelements (32) mit wenigstens einem elektronischen Bauelement (36) über eine Lotschicht (34), insbesondere zur Herstellung eines Bauteilverbunds (30) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (40) ausgebildet ist, die Lotschicht (34) auf das Trägerelement (32) und/oder das elektronischen Bauelement (36) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken.Machine (40) for producing a composite component (30) of a carrier element (32) with at least one electronic component (36) via a layer of solder (34), in particular for producing a composite component (30) according to one of Claims 11 until 13 , characterized in that the machine (40) is designed to print the solder layer (34) onto the carrier element (32) and/or the electronic component (36) by means of an additive manufacturing process. Maschine (40) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (40) ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.machine (40) after Claim 14 , characterized in that the machine (40) is designed, the method according to any one of Claims 1 until 10 to perform.
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