DE10331008A1

DE10331008A1 - Reflowlötbarer Bauelementeträger

Info

Publication number: DE10331008A1
Application number: DE10331008A
Authority: DE
Inventors: Steffen Nahm
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03
Also published as: DE112004001679D2; WO2005011346A1

Abstract

Es wird ein reflowlötbarer Bauelementeträger mit einem Trägersubstrat (1) vorgestellt, auf dem Bauelemente mittels Reflowlötens befestigbar sind und auf der Oberfläche des Trägersubstrats dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche (4a) ausgebildet ist, wobei auf das Trägersubstrat eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche (4) vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstrats (1) aufweist (A3 > A4). Die lötbare Fläche (4) weist zumindest eine partielle Verlängerung (4b) auf, welche die Grundfläche (4a) vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert und so beim Reflowlöten der Lotsubstanz eine Ansammlung des Lots im Lotzentrum sicherstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bauelementeträger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Bauelementeträger weist ein Trägersubstrat, bspw. ein Leiterplatten- oder Folienträger- oder Keramiksubstrat auf, auf welchem Bauelemente mittels Reflowlötens befestigbar sind. Auf der Oberfläche des Trägersubstrats ist dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche ausgebildet, wobei die lötbare Fläche durch eine Metallisierung und/oder Lötstoplack begrenzt wird. Alternativ sind auch Trägersubstrate mit einer organischen Schutzschicht bekannt, wobei diese Schutzschicht über der lötbaren Fläche passiviert ist.
Auf der lötbaren Fläche wird eine Lotsubstanz aufgebracht, nachfolgend das Bauelement aufgesetzt und die Lotsubstanz danach reflowgelötet.
Die reflowlötfähige Lotsubstanz wird dabei derart aufgebracht, dass sie die lötbare Fläche vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstats aufweist. Die Überlappung ist zum einen zum Ausgleich produktionstechnischer Toleranzen erforderlich und dient zudem dazu, eine ausreichende Menge Lotsubstanz bereitzustellen, was insbesondere für die Durchsteckkontaktierungen wichtig ist, bei denen die Lotsubstanz beim Erhitzen durch den Kapillareffekt in die Bohrung der Durchsteckkontaktierung gezogen werden soll.
Die lötbare Fläche ist um das Lotzentrum herum meist kreisförmig oder rechteckig ausgebildet und wird dann durch einen Streifen des Lotsubstrats überdeckt. Wird Fläche des Auftrags der Lotsubstanz dabei im Verhältnis zur Grundfläche der lötbaren Fläche groß gewählt, kann es beim Reflowlöten zu einer unerwünschten Ansammlung des Lots in einem Bereich außerhalb der lötbaren Fläche kommen. Wird bei gleich großer Fläche und damit Menge des Auftrags der Lotsubstanz andererseits die Grundfläche der lötbaren Fläche bis annähernd auf die Größe der Fläche des Auftrags der Lotsubstanz ausgedehnt, liegt zwar die Ansammlung des Lots immer im Bereich der lötbaren Fläche, jedoch dennoch zum Teil nicht im Lotzentrum. Dies ist aber ebenfalls für die elektrische oder mechanische Belastbarkeit der Lötstelle negativ.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Bauelementeträger sowie ein Verfahren zum Reflowlöten vorzustellen, welcher eine Ansammlung der Lotsubstanz im Lotzentrum sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Kurze Beschreibung der Figuren:
1 Schnitt durch eine Lötverbindung nach dem Stand der Technik mit einer kleinen lötbaren Fläche und einer Überlappung der Lotsubstanz in den nicht lötbaren Bereich vor dem Löten
2 Draufsicht auf die Leiterplatte nach 1 nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements
3 Lötverbindung nach 1 nach dem Reflowlöten mit Ansammlung von Lot im nicht lötbaren Bereich
4 Schnitt durch eine Lötverbindung nach dem Stand der Technik mit einer der Fläche Lotsubstanz entsprechend großen lötbaren Fläche
5 Draufsicht auf die Leiterplatte nach 4 nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements
6 Lötverbindung nach 4 nach dem Reflowlöten mit Ansammlung von Lot außerhalb des Lotzentrums
7 Schnitt durch eine erfindungsgemäße Lötverbindung vor dem Löten mit einer lötbaren Fläche mit partieller Verlängerung in den von der Lotsubstanz überlappten Bereich
8 Draufsicht auf die Leiterplatte nach 7 nach Aufbringen der Lotsubstanz vor dem Aufsetzen des Bauelements – deutlich erkennbar die partielle Verlängerung der lötbaren Fläche
9 Lötverbindung nach 7 nach dem Reflowlöten jeweils eine Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauelement
Die 1 bis 3 und 4 bis 6 zeigen im Stand der Technik bisher realisierte Lösungen, an denen das technische Problem kurz beschrieben werden soll.
So zeigt 1 einen Schnitt durch eine Lötverbindung eines Bauelements 2 auf einer Leiterplatte 1 nach dem Stand der Technik mit einer kleinen lötbaren Fläche 4 und einer Überlappung der Lotsubstanz 3 in den nicht lötbaren Bereich vor dem Löten. Hierbei wird die Lotpaste auch außerhalb des zu lötenden Bereichs auf den Lötstopplack oder das Basismaterial aufgetragen, um eine ausreichende Menge Lotsubstanz bereitzustellen, insbesondere für das Auffüllen der Bohrung 12, in der ein Anschlusspin 21 des Bauelements 2 eingeführt ist. Da das Lot beim Aufschmelzen versucht eine Kugel zu bilden, kann es, sobald der Kugeldurchmesser den Abstand zwischen Leiterplatte und Bauelement übersteigt, eingeklemmt werden. Das führt zum Lotabriss und Verbleiben einer ungewollten Lotkugel 3a unter dem Bauteil. Dieses Lotvolumen fehlt im zu lötenden Bereich zur Ausbildung einer zuverlässigen Lötstelle 3b im Vergleich zu einer ordnungsgemäßen Lotstelle, vgl. 3c.
Die 4 bis 6 zeigen die Ausführung, bei der die Leiterplatte 1 mit einer lötbaren Fläche A4 unter der gesamten Lotpastenfläche A3 = A4, wobei die Größe der Fläche der Lotsubstanz 3 und damit das Lotmengenvolumen im Vergleich zu den 1 bis 3 annähernd gleich bleibt. Hierdurch wird zwar die Separation des Lotes zu einer nicht an die zu lötende Fläche angebundenen Kugel vermieden, jedoch ist hierbei keine gezielte Lotführung gewährleistet. Das bedeutet, der Anteil des in die Durchkontaktierung/Lötstelle abfließenden Lotes kann stark variieren. Somit kann eine gleichmäßige und zuverlässige Ausbildung der Lötstelle nicht gewährleistet werden. Es können größere Lötmengen außerhalb des Lotzentrum erstarren, vgl. 3d, so dass die Lotmenge 3b im Lotzentrum unzureichend ist, um das Bauelement mechanisch stabil mit der Leiterplatte 1 zu verbinden. Auch die Stromleitfähigkeit insbesondere bei höheren Lastströmen ist herabgesetzt und insbesondere die Baugruppe ausfallträchtig.
Die 7 bis 9 zeigen nun den erfindungsgemäßen Bauelementeträger, bestehend aus einer Trägersubstrat 1 und einer lötbaren Fläche 4, die wiederum bestehend aus einer Grundfläche 4a um das Lotzentrum herum sowie zumindest einer partiellen, also lokalen Verlängerung vom Lotzentrum nach außen gerichtet in den Bereich, der nachfolgend von der Lotsubstanz großflächig überlappt wird, vgl. insbesondere 8 in der Draufsicht auf das Trägersubstrat, hier als Leiterplatte 1, wobei zwei Lötverbindungspunkte geplant sind, von denen eine lötbare Fläche bereits mit der Lotsubstanz abgedeckt ist und die lötbare Fläche darunter angedeutet wurde, während die rechte Fläche noch frei ist und die hier kreisförmige Grundfläche A4a und die in Richtung des späteren streifenförmigen Überlappungsbereichs die hier gepunktet hervorgehobene partielle Verlängerung erkennbar ist.
Bei diesem Bauelementeträger wird das Lotsubstrat 3 als eine näherungsweise rechteckige Fläche A3 auf der lötbaren Fläche aufgebracht, wobei die Fläche des Lotsubstrats A3 zumindest in eine Richtung deutlich größer als die Grundfläche 4a der lötbaren Fläche ist und zumindest in diese Richtung eine partielle Verlängerung 4b angeordnet ist. Die Richtung des Überlappungsbereichs ist dabei in der Regel fertigungstechnisch durch die Position anderer Lötkontakte bestimmt, wie hier in den Figuren durch die zwei Lötkontakte deutlich wird, und zudem an den Bewegungsrichtungen der Vorrichtungen zum Aufbringen der Lotsubstanz vorzugsweise parallel zu den Außenkanten des Trägersubstrats ausgerichtet.
Es erfolgt also ein partielles Verlängern der überdruckten lötbaren Fläche in die Bereiche, in denen sich beim Umschmelzen des Lotes Anhäufungen oder Lotperlen bilden. Somit fließt das Lot über den verlängerten Bereich in die Lotstelle ab. Das auf der lötbaren Fläche verbleibende Lot kann über die Geometrie und Größe der Verlängerung so eingestellt werden, dass kein relevant negativer Einfluss auf die Ausbildung der Lötstelle entsteht. Die Geometrie und Form der partiellen Verlängerung kann je nach Anwendungsfall variiert werden (z.B. eckig, spitz, quadratisch, halbkugelförmig etc.).

Claims

Bauelementeträger mit einem Trägersubstrat (1), auf dem Bauelemente (2) mittels Reflowlötens befestigbar sind und auf der Oberfläche des Trägersubstrats dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche (4a) ausgebildet ist, wobei auf das Trägersubstrat eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche (4) vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstrats (1) aufweist (A3 > A4), dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Fläche (4) zumindest eine partielle Verlängerung (4b) aufweist, welche die Grundfläche (4a) vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert.
Bauelementeträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) zumindest eine Bohrung (12) zur Durchkontaktierung des Bauelements (2) aufweist und um die Bohrung (12) konzentrisch eine Grundfläche (4a) der lötbaren Fläche angeordnet ist und die lötbare Fläche zumindest eine radial von der Grundfläche (4a) nach außen in den Überlappungsbereich gerichtete partielle Verlängerung (4b) aufweist.
Bauelementeträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotsubstrat (3) als Fläche (A3) auf der lötbaren Fläche aufgebracht wird, die Fläche des Lotsubstrats (A3) zumindest in eine Richtung deutlich größer als die Grundfläche (4a) der lötbaren Fläche ist und zumindest in diese Richtung eine partielle Verlängerung (4b) angeordnet ist.
Bauelementeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Fläche (4) metallisiert und das Trägersubstrat in den an die lötbare Fläche angrenzenden Bereichen mit einem Lötstoplack versehen ist.
Bauelementeträger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) mit einer organischen Schutzschicht überzogen ist und diese Schutzschicht über der lötbaren Fläche (4) passiviert ist.
Verfahren zum Reflowlöten von Bauelementen (2) auf einem Bauelementeträger, wobei auf der Oberfläche des Trägersubstrats (1) dazu um ein vorgegebenes Lotzentrum eine lötbare Fläche (4) mit einer das Lotzentrum umgebenden Grundfläche ausgebildet wird und auf das Trägersubstrat (1) eine reflowlötfähige Lotsubstanz (3) derart aufgebracht wird, dass sie die lötbare Fläche vollständig abdeckt und Überlappungsbereiche über an die lötbare Fläche angrenzende Bereiche der Oberfläche des Trägersubstrats (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (4a) der lötbare Fläche vom Lotzentrum aus in Richtung der Überlappungsbereiche lokal verlängert (4b) wird.