DE19512838C2

DE19512838C2 - Elektrisches oder elektronisches Gerät

Info

Publication number: DE19512838C2
Application number: DE1995112838
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Laukemper; Manfred Sellent
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2015-04-07
Also published as: DE19512838A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches oder elektronisches Gerät, mit einer elektrische und/oder elektronische Bauelemente tragenden Leiterplatte, die durch wärmeerzeugende Bauelemente oder hohen Stromfluß thermisch belastet ist, und Anschlußleitungen, die mit auf der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen verlötet sind.

Ein solches Gerät ist aus der DE 41 21 545 C2 bekannt. Das dort gezeigte Gerät weist unter anderem wäremeerzeugende Bauteile auf (im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Glühlampenkontrollgerät mit Drathwiderständen als wärmeerzeugenden Bauteilen). Als Anschlußleitungen dienen hier Steckerstifte, die durch eine Gehäusewandung geführt sind.

Die Patent Abstracts of Japan JP 62-204558 A, E-585, 25.2.1988, Vol. 12, No. 63 und die Patents Abstracts of Japan JP 61-156825 A (veröff. am 16.07.1986) zeigen die Verwendung eines Zinn-Kupfer-Lotes zur Befestigung von Bauelementen in der Halbleitertechnik. In der erstgenannten Schrift ist ein sog. "lead frame" dargestellt, dessen Anschlüsse, um die Lötbarkeit zu verbessern, mit einer Kupfer-Zinn-Schicht überzogen werden. Die zweite Druckschrift zeigt ein Bauelement, das mittels eines Zinn-Kupfer-Lotes auf eine Wärmesenke aufgebracht ist.

Ist bei einem gattungsgemäßen Gerät die Leiterplatte in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut, so kommt es zu einem Wärmestau. Starke Temperatureinflüsse, insbesondere auch stark wechselnde Temperaturen, und der daraus, sowie durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Komponten resultierenden mechanischen Belastungen können zu einer Beeinträchtigung von Lötverbindungen, insbesondere durch Rißbildung im Lot führen. Hierdurch kann es zu Fehlfunktionen oder sogar zu einem Ausfall des Gerätes kommen. Solchen schädlichen Temperatureinflüssen sind insbesondere Leiterplatten in Geräten für Kraftfahrzeuganwendungen ausgesetzt.

Es stellte sich somit die Aufgabe, ein elektrisches oder elektronisches Gerät zu schaffen, bei dem die Lötverbindungen auf der Leiterplatte möglichst unempfindlich gegenüber thermischen Belastungen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lötverbindungen der elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente sowie der Anschlußleitungen mit den Leiterbahnen der Leiterplatte mittels eines aus etwa 96,5% Zinn und 3,5% Kupfer bestehenden Zinn-Kupfer-Lotes hergestellt sind, und daß die Lötverbindungen zwischen den Anschlußleitungen und den Leiterbahnen mittels Lötpunkten erfolgt, die keine parallelen Lötabrißkanten aufweisen.

Die auf der Leiterplatte vorgesehenen Lötverbindungen werden somit mittels eines besonders temperaturfesten Lotes hergestellt.

Die Verwendung eines solchen Zinn-Zupfer-Lotes wird üblicherweise nicht in der Elektrotechnik und noch weniger in der Elektroniktechnik vorgesehen, sondern dient z. B. zum Verlöten von Kupferblechen bei Metalldachdeckungen, da es bei deutlich höheren Temperaturen verarbeitet wird als die üblichen bleihaltigen Lote und zudem zur Verhinderung von Oxydation eine Verarbeitung in eine Schutzgasatmosphäre erfordert.

Weiterhin zeigt das Zinn-Kupfer-Lot etwas weniger gute Fließeigenschaften, so daß es vorteilhaft ist, wenn die Lötpunkte auf der Leiterplatte reproduzierbare Lötabrißkanten ausbilden, möglichst keine parallelen Lötabrißkanten ausbilden, und dazu noch einen möglichst weiten Abstand voneinander aufweisen, um Lötbrücken zwischen den Lötpunkten zu vermeiden.

Die leicht nachteiligen Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten Lotes sind somit sehr leicht zu umgehen, während man damit andererseits auf einfache Weise ein auch unter extremen Temperaturbedingungen betriebssicheres Gerät aufbaut. Eine zusätzliche Möglichkeit Lötstellen vor thermischen Belastungen zu schützen besteht darin, die Wärmeentstehung selbst zu minimieren. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die mit der Leiterplatte verbundenen Anschlußleitungen einen möglichst großen Querschnitt aufweisen und diese aus einem möglichst gut leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus Elektrolytkupfer gefertigt werden, so daß die an den Anschlußleitungen entstehende Joulesche Wärme möglichst gering ist.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Gerätes anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 die bestückte Leiterplatte eines elektrischen oder elektronischen Gerätes in einer Seitenansicht;

Fig. 2 die Leiterbahnseite des in der Fig. 1 gezeigten elektrischen oder elektronischen Gerätes in einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 die Leiterbahnseite des in der Fig. 1 gezeigten elektrischen oder elektronischen Gerätes.

Die Fig. 1 zeigt als Beispiel für ein elektrisches oder elektronisches Gerät eine Leiterplatte (LP), auf der drei Relais (R) angeordnet und mit den Leiterbahnen der Leiterplatte (LP) in elektrischer Verbindung stehen. Weiterhin sind auf der Leiterplatte elektrische und elektronische Bauelemente (D) angeordnet, hier zum Beispiel ausgeführt als Freilaufdioden zu den drei Relaisspulen.

Ebenfalls in elektrischer Verbindung mit den Leiterbahnen der Leiterplatte (LP) steht auch eine aus mehreren Leitern bestehende Flachbandleitung (F), welche die Anschlußleitungen für die drei Relais (R) ausbilden und über die sowohl die Steuerströme für die Relais (R) als auch die von den Relais (R) geschalteten Lastströme geführt werden.

Es sei nun angenommen, daß das dargestellte elektrische oder elektronische Gerät in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt, in welchem beispielsweise die Relais die Lichtanlage des Fahrzeuges schalten.

Weiterhin sei (als typisch für Kraftfahrzeuganwendungen) angenommen, daß die Relais relativ hohe Lastströme schalten und daß zudem das dargestellte elektrische oder elektronische Gerät bis auf die herausgeführte Flachbandleitung (F) in ein relativ kleines (in der Figur nicht dargestelles) Gehäuse eingekapselt ist.

Durch die Wärmeentwicklung der Relaisspulen sowie durch die Verlustleistung der geschalteten Lastströme können sich innerhalb des Gerätegehäuses Temperaturen von weit über 100 Grad Celsius ausbilden. Bei den zum Teil recht hohen und zum Teil recht niedrigen Temperaturen, wie sie als äußere Klimabedingungen in einem Kraftfahrzeug auftreten, sind die Lötverbindungen auf der Leiterplatte (LP) einerseits sehr hohen Temperaturen andererseits aber auch Temperaturschocks und daraus resultierenden mechanischen Belastungen ausgesetzt, was zu einer Beeinträchtigung der Lötverbindungen durch thermische und/oder mechanische Ermüdung oder durch Rißbildung führen kann. Hierdurch kann es zu Fehlfunktionen bis hin zum Ausfall des elektrischen oder elektronischen Gerätes kommen. Dieses wird dadurch verhindert, daß die Lötverbindungen der Leiterplatte durch ein Zinn-Kupfer-Lot (mit der Zusammensetzung 96,5% Zinn, 3,5% Kupfer) hergestellt werden. Ein solches Lot ist zur Herstellung von Lötverbindungen bei elektrischen oder elektronischen Geräten nicht üblich, da es bei relativ hohen Lötbadtemperaturen (ca. 370 Grad Celsius) unter Anwendung eines Schutzgases aufgebracht werden muß. Aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit werden durch Anwendung dieses Lotes die oben beschriebenen Probleme gelöst.

Da dieses Lot aber zum Zerfließen neigt, ist es vorteilhaft, bei Anwendung dieses Lotes das Leiterplattenlayout etwas abzuwandeln. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Leiterbahnanordnungen bei Anwendung eines konventionellen (bleihaltigen) Lotes (Fig. 2) und bei der Anwendung des Zinn-Kupfer-Lotes (Fig. 3).

Der Unterschied besteht in der Ausgestaltung der Lötpunkte (P) zur Kontaktierung der Flachbandleitung (F). Diese sind in der Fig. 3 relativ kleinflächig und kreisförmig ausgestaltet. Damit ist der mittlere Abstand benachbarter Lötpunkte (P) hier größer als bei den rechteckigen Lötflächen (LF) in der Fig. 2 und es sind keine parallelen Lötabrißkanten vorhanden, wodurch die Entstehung von Lötbrücken zwischen den Lötpunkten (P) wirksam vermieden wird.

Als unterstützende Maßnahme kann auch vorgesehen werden, die Lötpunkte (P) untereinander in einem größeren Abstand zueinander anzuordnen, sofern dies durch das Rastermaß der Flachbandleitung (F) möglich ist.

Eine weitere unterstützende Maßnahme besteht darin, die durch den Laststrom erzeugte Verlustleistung zu senken, und zwar durch Absenkung des Widerstandswertes der Flachbandleitung (F). Hierzu weist die Flachbandleitung (F) einen möglichst großen Querschnitt auf und wird zudem aus einem besonders gut leitenden Werkstoff (z. B. Elektrolytkupfer) hergestellt.

Bezugszeichenliste

D Bauelemente
F Flachbandleitung
LB Leiterbahnen
LF Lötflächen
LP Leiterplatte
P Lötpunkte
R Relais

Claims

1. Elektrisches oder elektronisches Gerät, mit einer elektrische und/oder elektronische Bauelemente (D, R) tragenden Leiterplatte, die durch wärmeerzeugende Bauelemente (R) oder hohen Stromfluß thermisch belastet ist, und Anschlußleitungen (F), die mit auf der Leiterplatte (LP) angeordneten Leiterbahnen verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindungen der elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente (D, R) sowie der Anschlußleitungen (F) mit den Leiterbahnen (LB) der Leiterplatte mittels eines aus etwa 96,5% Zinn und 3,5% Kupfer bestehenden Zinn-Kupfer-Lotes hergestellt sind, und daß die Lötverbindungen zwischen den Anschlußleitungen (F) und den Leiterbahnen (LB) mittels Lötpunkten (P) erfolgt, die keine parallelen Lötabrißkanten aufweisen.

2. Elektrisches oder elektronisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötpunkte (P) der Anschlußleitungen (F) möglichst weit beabstandet sind.

3. Elektrisches oder elektronisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen (F) einen möglichst großen Querschnitt aufweisen.

4. Elektrisches oder elektronisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen (F) aus Elektrolytkupfer bestehen.

5. Elektrisches oder elektronisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische oder elektronische Gerät elektrische Lasten in einem Kraftfahrzeug ansteuert.