DE10204959A1

DE10204959A1 - Leiterplatte mit einem Bauteil

Info

Publication number: DE10204959A1
Application number: DE10204959A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Birgel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-14
Also published as: WO2003067945A1; EP1380195A1; AU2003210179A1

Abstract

Es ist eine Leiterplatte (1) mit mindestens einem auf der Leiterplatte (1) angeordneten Bauteil (3, 9, 17, 23, 35) vorgesehen, bei dem eine sehr genaue Positionierung des Bauteils (3, 9, 17, 23, 35) auf der Leiterplatte (1) vorliegt, mit einem zwischen dem Bauteil (3, 9, 17, 23, 35) und der Leiterplatte (1) aufgebrachten Kleber (5), der Partikel (7, 29, 37) enthält, die eine Feineinstellung einer Position des Bauteils (3, 9, 17, 23, 35) auf der Leiterplatte (1) bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leiterplatte auf der mindestens ein Bauteil angeordnet ist.
Moderne elektrische Geräte, insb. Meßgerät, weisen in der Regel mindestens eine Leiterplatte auf, auf der elektronische Sauteile angeordnet sind. Diese Bauteile müssen mechanisch auf der Leiterplatte befestigt werden und elektrisch an in oder auf der Leiterplatte Verlaufenden Leitungen angeschlossen werden.
Es wird dabei immer wichtiger, die Bauteile sehr genau zu positionieren. Moderne Bestückungsautomaten sind heute in der Lage jeden gewünschten Zielort auf der Leiterplatte sehr genau anzusteuern und die Bauteile dort abzusetzen.
Häufig ist es jedoch nicht nur erforderlich, den Zielort genau anzusteuern, sondern auch einen vorgegebenen Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil einzuhalten. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn Bauteil und Leiterplatte unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufweisen und verhindert werden soll, daß die elektrischen Verbindungen zwischen Kontakten der Bauteile und Kontakten der Leiterplatte bei großen Temperaturschwankungen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.
Hierzu werden bisher eigens hierfür konzipierte Abstandshalter auf die Leiterplatte aufgebracht, und die Bauteile werden auf den Abstandshaltern positioniert. Das Aufbringen der Abstandshalter erfolgt z. B. durch elektrochemische Abscheidungsprozesse und ist in der Regel sehr aufwendig.
Ebenso gilt es zu verhindern, daß ein auf der Leiterplatte abgesetztes Bauteil sich schräg stellt oder sogar umkippt.
Dies ist z. B. bei ausladenden Bauteilen mit ungleichmäßiger Massenverteilung der Fall.
Derartige Bauteile weisen derzeit in der Regel Schnappmechanismen auf, die auf der Leiterplatte auf- bzw. eingerastet werden. Diese Schnappmechanismen machen eine automatische Bestückung unmöglich, da zum auf- bzw. einrasten der Schnappmechanismen größere Kräfte erforderlich sind, als durch übliche Bestückungsautomaten aufgebotene Kräfte im Bereich von Millinewton.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplatte mit mindestens einem auf der Leiterplatte angeordneten Bauteil anzugeben, bei dem eine sehr genaue Positionierung des Bauteils auf der Leiterplatte vorliegt.
Hierzu besteht die Erfindung in einer Leiterplatte mit

- einem auf der Leiterplatte angeordneten Bauteil,
- einem zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte aufgebrachten Kleber,
- der Partikel enthält, die eine Feineinstellung einer Position des Bauteils auf der Leiterplatte bewirken.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Position ein vorgegebener Mindestabstand zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil, der durch eine Größe der Partikel bewirkt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung besteht zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil mindestens eine Lotverbindung, deren Dicke gleich der Größe der Partikel ist.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Bauteil einen in eine Bohrung in der Leiterplatte hinein ragenden Zentrierstift auf, der Kleber ist in die Bohrung eingebracht, und die Partikel bewirken eine Fixierung des Zentrierstifts in aufrechter Position in der Bohrung.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Partikel des Klebers Ausdehnungspartikel, die sich während des Klebevorgangs ausdehnen und dabei einen Abstand zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte vergrößern.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein bedrahtetes Bauteil, das in Bohrungen in der Leiterplatte hinein ragende Kontaktstifte aufweist.
Gemäß ein er Weiterbildung sind die Partikel des Klebers Schrumpfpartikel, die während des Klebevorgangs schrumpfen und dabei einen Abstand zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte Verkleinern.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Kleber in eine Ausnehmung in der Leiterplatte eingebracht und das Bauteil ist durch das Schrumpfen der Partikel zur engen Auflage auf der Leiterplatte gebracht.
Weiter besteht die Erfindung in einer Elektrode

- einem auf der Elektrode angeordneten Bauteil, und
- einem zwischen dem Bauteil und der Elektrode aufgebrachten Kleber,
- der Partikel enthält, die eine Feineinstellung einer Position des Bauteils auf der Elektrode bewirken.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Aufbringen eines Bauteils auf eine Leiterplatte oder eine Elektrode, bei dem

- auf der Leiterplatte oder der Elektrode an vorgesehenen Lötstellen Lot aufgebracht wird,
- auf der Leiterplatte oder der Elektrode an vorgesehenen Klebestellen Kleber aufgebracht wird,
- die Leiterplatte oder die Elektrode mit Bauteilen bestückt wird, und
- die Leiterplatte oder die Elektrode in einem Ofen einen Temperaturzyklus durchläuft, bei dem an den Lötstellen eine Lötung erfolgt und
- der Kleber an den Klebestellen durch Aushärten, Ausdehnen und Aushärten oder durch Schrumpfen und Aushärten eine Feineinstellung der Positionierung der Bauteile bewirkt.

Durch die Verwendung von einem Kleber mit Partikeln kann z. B. ein Abstand zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte sehr genau auf die Größe der Partikel eingestellt werden.
Bei der maschinellen Bestückung von Leiterplatten wird ohnehin regelmäßig Lot, z. B. im Siebdruckverfahren, und Kleber, z. B. mit einem Dispenser, aufgebracht. Der Kleber wird z. B. dazu verwendet oberflächenmontierbare Bauteile, sogenannte "Surface Mounted Devices" - kurz SMD Bauteile, auf der Leiterplatte zu fixieren. In dem gleichen Arbeitsgang kann anstelle eines üblicher Weise verwendeten partikelfreien Klebers ein Partikel enthaltender Kleber eingesetzt werden.
Fig. 1 zeigt ein auf einer Leiterplatte aufgeklebtes Bauteil;
Fig. 2 zeigt ein auf eine Leiterplatte aufgelötetes und aufgeklebtes Bauteil;
Fig. 3 zeigt eine Leiterplatte mit einem ausladenden Bauteil mit ungleichmäßiger Massenverteilung;
Fig. 4 zeigt eine Leiterplatte mit einem bedrahteten Bauteil;
Fig. 5 zeigt eine Elektrode mit einer darauf befestigten Keramik;
Fig. 6 zeigt eine Elektrode mit einem aufgeklebten Bauteil, wobei der Kleber in eine Ausnehmung in der Elektrode eingebracht ist; und
Fig. 7 zeigt eine Elektrode mit einem aufgeklebten Bauteil, wobei der Kleber auf die Elektrode aufgebracht ist.
Fig. 1 zeigt eine Leiterplatte 1 auf der ein Bauteil 3 angeordnet ist. Zwischen dem Bauteil 3 und der Leiterplatte 1 ist ein Kleber 5 aufgebracht, der Partikel 7 enthält. Der Kleber 5 ist z. B. ein herkömmlicher handelsüblicher Kleber, wie er zur Fixierung von SMD-Bauteilen eingesetzt wird, der mit den Partikeln 7 versetzt ist. Als Partikel 7 eignen sich z. B. kleine Kügelchen aus Glas, Keramik oder Silizium.
Die Partikel 7 bewirken eine Feineinstellung einer Position des Bauteils 3 auf der Leiterplatte 1. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bewirken die Partikel 7 eine Feineinstellung eines vorgegebenen Mindestabstands zwischen der Leiterplatte 1 und dem Bauteil 3. Wird das Bauteil am 3 am Zielort mittels eines Bestückungsautomaten aufgesetzt, so nimmt der Kleber 5 durch die auf ihn einwirkende Anpreßkraft automatisch eine Schichtdicke ein, die gleich der Größe der Partikel 7 ist.
Die Partikel 7 sind vorzugsweise kugelförmig. In dem Fall ist die Größe der Partikel, die den Abstand bestimmt, gleich einem mittleren Durchmesser der Partikel 7. Bei ungleichmäßiger geformten Partikeln ist eine mittlere Partikelhöhe maßgebend.
Ein typischer Mindestabstand, wie er z. B. zur Reduktion von auf das Bauteil 3 einwirkenden, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Leiterplatte 1 und des Bauteils 3 bedingter mechanische Spannungen eingesetzt wird, beträgt z. B. ca. 50 µm bis 100 µm.
Fig. 2 zeigt ein weiteres auf der Leiterplatte 1 angeordnetes Bauteil 9, z. B. einen Microchip. Das Bauteil 9 ist ebenso wie das in Fig. 1 dargestellte Bauteil 3 mittels eines Partikel 7 enthaltenden Klebers 5 mit der Leiterplatte 1 verbunden. Zusätzlich weist das Bauteil 9 zwei metallische Kontakte 11 auf, die mittels einer Lotverbindung 13 mit auf eine Leiterplatte 1 angeordneten metallischen Kontaktflächen 15 verbunden sind.
Eine Dicke der Lotverbindung 13, d. h. ein Mindestabstand zwischen den Kontaktflächen 15 und den jeweils gegenüber liegenden Kontakten 11 ist gleich der Größe der Partikel 7. Kleber 5 und Partikel 7 bewirken eine sehr genaue Einstellung der Dicke der Lotverbindung 13 und damit eine sehr hochwertige Lötung. Außerdem ist die Verbindung auch bei sehr hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen zuverlässig stabil. Grund hierfür ist der durch die Partikel 7 genau eingehaltene Mindestabstand zwischen dem Bauteil 9 und der Leiterplatte 1. Thermospannungen verteilen sich über den Mindestabstand gleichmäßig und verhindern lokale Spannungsspitzen, die zu einer Beschädigung der Lotverbindung 13 und der Klebung führen könnten.
Fig. 3 zeigt eine Leiterplatte mit einem ausladenden Bauteil 17, z. B. einem Anschlußstecker, mit ungleichmäßiger Massenverteilung. Das Bauteil 17 weist einen in eine Bohrung 19 in der Leiterplatte 1 hinein ragenden Zentrierstift 21 auf. Aufgrund von Herstellungstoleranzen sowohl der Bohrung 19 als auch des Zentrierstifts 21 besteht zwischen Zentrierstift 21 und Bohrung 19 ein Spalt. Der Spalt ist in der Regel groß genug um ein unerwünschtes Kippen des Bauteils 17 zu erlauben.
Erfindungsgemäß wird dieses Kippen und auch andere Auslenkungen des Bauteils 17 aus dessen aufrechter Sollposition verhindert, indem ein Partikel 22 enthaltender Kleber 5 in die Bohrung 19 eingebracht ist. Die Partikel 22 bewirken eine Fixierung des Zentrierstifts 21 in aufrechter Position in der Bohrung 19. Entsprechend ist hierdurch das Bauteil 17 als Ganzes in dessen aufrechter Sollposition gehalten.
Diese Wirkung läßt sich verstärken, indem die Partikel 22 aus einem Material mit einer sehr großen Oberflächenrauhigkeit, z. B. aus Aluminiumoxid, bestehen. Die Oberflächenrauhigkeit der Partikel 22 bewirkt bei einem Zentrierstift 21 aus einem weichen Material, wie z. B. Kunststoff, daß die Partikel 22 wie kleine Widerhaken in den Zentrierstift 21 einschneiden.
Fig. 4 zeigt eine Leiterplatte 1 auf der ein bedrahtetes Bauteil 23 angeordnet ist. Die Leiterplatte 1 weist zwei durchgehende Bohrungen 25 auf, in die jeweils ein Kontaktstift 27 des Bauteils 23 hinein ragt.
Zwischen dem Bauteil 23 und der Leiterplatte 1 ist auch hier wieder ein Partikel 29 enthaltender Kleber 5 angeordnet. Der Kleber 5 dient unter anderem z. B. der Fixierung des Bauteils 23 auf der Leiterplatte 1. Eine solche Fixierung ist z. B. dann erforderlich, wenn das Bauteil 23 von einer ersten Seite her auf die Leiterplatte 1 aufgebracht wird, eine Verlötung der Kontaktstifte 27 an den Bohrungen 25 jedoch von einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterplatte 1 her erfolgen soll.
Ein gewünschter Abstand zwischen dem bedrahteten Bauteil 23 und der Leiterplatte 1 hängt dabei je nach Bauteiltyp sowohl von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Bauteil 23 und Leiterplatte 1 als auch der Länge der Kontaktstifte 27 in Bezug auf eine Dicke der Leiterplatte 1 ab.
Um einen möglichst großen Abstand erzielen zu können, sind die Partikel 29 vorzugsweise Ausdehnungspartikel.
Ausdehnungspartikel dehnen sich während des Klebevorgangs aus. Hierzu eignen sich z. B. in Granulatform in den Kleber 5 eingebrachte Duroplaste, die beim Erwärmen aufschäumen und dadurch ihr Volumen vergrößern. Diese Partikel 29 vergrößern durch das Ausdehnen einen Abstand zwischen dem Bauteil 23 und der Leiterplatte 1. Auf diese Weise lassen sich auch Abstände realisieren, die größer sind als eine maximale Schichtdicke, in der der Kleber 5 aufgebracht werden kann.
Umgekehrt läßt sich ein gewünschter Abstand zwischen Leiterplatte 1 und einem Bauteil 35 Verkleinern, indem in den Kleber 5 Schrumpfpartikel 37 eingebracht werden. Schrumpfpartikel 37 sind Partikel, die während des Klebevorgangs schrumpfen und dabei ein Volumen des Klebers 5 und damit den Abstand zwischen dem Bauteil 35 und der Leiterplatte 1 verkleinern. Dies ist z. B. dann von Vorteil, wenn das Bauteil 35 möglichst unmittelbar auf der Leiterplatte 1 angeordnet sein soll. Als Schrumpfpartikel 37 eignen sich z. B. Materialien wie Polyethylen, Polyolefine oder Polyvinylchlorid, wie sie auch zur Herstellung von handelsüblichen Schrumpfschläuchen eingesetzt werden.
Schrumpfpartikel 37 bieten den großen Vorteil, daß sie eine ausreichende Benetzung der zu verbindenden Oberflächen gewährleisten, ohne daß die Gefahr besteht, daß Kleber 5 überquillt und dadurch der Abstand zwischen den zu verbindenen Teilen vergrößert. Die Leiterplatte weist hierzu vorzugsweise eine Ausnehmung 39 auf, in die der Kleber 5 eingebracht wird. Durch das Schrumpfen der Schrumpfpartikel 37 beim Aushärten des Klebers 5 wird das Bauteil 35 dann zur engen Auflage auf der Leiterplatte 1 gebracht.
Fig. 5 zeigt dies am Beispiel einer in die Leiterplatte 1 eingelassenen Elektrode 33 auf der eine Keramik, z. B. ein piezoelektrisches Element, befestigt ist.
Selbstverständlich bedarf es nicht der Leiterplatte 1, um das Bauteil 35 mit der Elektrode 33 zu verbinden. Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen eine einzelne nicht in eine Leiterplatte integrierte Elektrode 33 mit dem auf der Elektrode 33 angeordneten Bauteil 35 verbunden ist, wobei zwischen dem Bauteil 35 und der Elektrode 33 Kleber 5 aufgebracht ist, der Partikel enthält, die eine Feineinstellung einer Postion des Bauteils 35 auf der Elektrode 33 bewirken.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kleber 5 in die Ausnehmung 39 in der Elektrode 33 eingebracht. Er weist vorzugsweise Schrumpfpartikel 37 auf, die ein enges Anliegen des Bauteils 35 auf der Elektrode 33 bewirken.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kleber 5 auf die Elektrode 33 aufgebracht. Er weist Partikel 7 einer fest vorgegebenen Größe auf, die einen definierten Abstand des Bauteils 35 von der Elektrode 33 bewirken. Gewünscht ist ein solcher definierter Abstand z. B. wenn eine kapazitive Wechselwirkung zwischen der Elektrode 33 und dem Bauteil 35 besteht.
Ein großer Vorteil der Verwendung von mit Partikeln versetzten Klebern ist, daß dieser maschinell aufbringbar ist, und somit ohne zusätzlichen Aufwand in moderne voll- oder teilweise automatisierte Herstellungsverfahren integriert werden kann.
Vorzugsweise werden die entsprechenden Bauteile 3, 9, 17, 23, 35 auf die Leiterplatte 1 oder die Elektrode 33 aufgebracht, indem an Vorgesehenen Lötstellen Lot 13 aufgebracht wird, auf der Leiterplatte 1 oder der Elektrode 33 an vorgesehenen Klebestellen Kleber 5 aufgebracht wird, die Leiterplatte 1 oder die Elektrode 33 mit Bauteilen 3, 9, 17, 23, 35 bestückt wird, und die Leiterplatte 1 oder die Elektrode 33 in einem Ofen einen Temperaturzyklus durchläuft, bei dem an den Lötstellen eine Lötung erfolgt und der Kleber 5 an den Klebestellen durch Aushärten, durch Ausdehnen und Aushärten oder durch Schrumpfen und Aushärten eine Feineinstellung der Positionierung der Bauteile 3, 9, 17, 23, 35 bewirkt.

Claims

1. Leiterplatte mit
einem auf der Leiterplatte (1) angeordneten Bauteil (3, 9, 17, 23, 35),
einem zwischen dem Bauteil (3, 9, 17, 23, 35) und der Leiterplatte (1) aufgebrachten Kleber (5),
der Partikel (7, 29, 37) enthält, die eine Feineinstellung einer Position des Bauteils (3, 9, 17, 23, 35) auf der Leiterplatte (1) bewirken.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei dem die Position ein vorgegebener Mindestabstand zwischen der Leiterplatte (1) und dem Bauteil (3, 9, 35) ist, der durch eine Größe der Partikel (7) bewirkt wird.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Leiterplatte (1) und dem Bauteil (9) mindestens eine Lotverbindung (13) besteht, deren Dicke gleich der Größe der Partikel (7) ist.

4. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei dem
das Bauteil (17) einen in eine Bohrung (19) in der Leiterplatte (1) hinein ragenden Zentrierstift (21) aufweist,
der Kleber (5) in die Bohrung (19) eingebracht ist, und
die Partikel (7) eine Fixierung des Zentrierstifts (21) in aufrechter Position in der Bohrung (19) bewirken,

5. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei dem
die Partikel des Klebers Ausdehnungspartikel (29) sind,
die sich während des Klebevorgangs ausdehnen und dabei einen Abstand zwischen dem Bauteil (23) und der Leiterplatte (1) vergrößern.

6. Leiterplatte nach Anspruch 5, bei dem
das Bauteil ein bedrahtetes Bauteil (23) ist,
das in Bohrungen (25) in der Leiterplatte (1) hineinragende Kontaktstifte (27) aufweist.

7. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei dem
die Partikel des Klebers (5) Schrumpfpartikel (37) sind,
die während des Klebevorgangs schrumpfen und dabei einen Abstand zwischen dem Bauteil (35) und der Leiterplatte (1) verkleinern.

8. Leiterplatte nach Anspruch 7, bei dem der Kleber in eine Ausnehmung (39) in der Leiterplatte (1) eingebracht ist und das Bauteil (35) durch das Schrumpfen der Partikel zur engen Auflage auf der Leiterplatte (1) gebracht ist.

9. Elektrode mit
einem auf der Elektrode (33) angeordneten Bauteil (35), und
einem zwischen dem Bauteil (35) und der Elektrode (33) aufgebrachten Kleber (5),
der Partikel (7, 37) enthält, die eine Feineinstellung einer Position des Bauteils (35) auf der Elektrode (33) bewirken.

10. Verfahren zum Aufbringen eines Bauteils (3, 9, 17, 23, 35) auf einer Leiterplatte (1) oder eine Elektrode (33), bei dem
auf der Leiterplatte (1) oder der Elektrode (33) an vorgesehenen Lötstellen Lot (13) aufgebracht wird,
auf der Leiterplatte (1) oder der Elektrode (33) an vorgesehenen Klebestellen Kleber (5) aufgebracht wird,
die Leiterplatte (1) oder die Elektrode (33) mit Bauteilen (3, 9, 17, 23, 35) bestückt wird, und
die Leiterplatte (1) oder die Elektrode (33) in einem Ofen einen Temperaturzyklus durchläuft, bei dem an den Lötstellen eine Lötung erfolgt und
der Kleber (5) an den Klebestellen durch Aushärten, Ausdehnen und Aushärten oder durch Schrumpfen und Aushärten eine Feineinstellung der Positionierung der Bauteile (3, 9, 17, 23, 35) bewirkt.