DE2343235B2 - Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von elektrischen Subminiatur-Bauelementen auf gedruckten Schaltungen - Google Patents
Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von elektrischen Subminiatur-Bauelementen auf gedruckten SchaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung
und Kontaktierung von elektrischen Subminiatur-Bauelemenlen auf gedruckten Schaltungen nach dem
Oberbeigriff des Anspruchs 1.
Zur Befestigung und Kontaktierung von elektrischen Bauelementen auf gedruckten Schaltungen ist es
bekannt, in die Printplatte, d. h. die Trägerplatte mit den aufgebrachten Leitungsbahnen, Löcher einzubringen, in
die die Anschlußdrähte der zu befestigenden und kontakitierenden Bauelemente eingesteckt werden. Die
Verlötisng erfolgt dann entweder mit einem Lötkolben
unter Beigabe von Lötzinn oder in einem Schwallötbad.
Bei sehr kleinen Bauelementen, sogenannten Submi-
niatur-Bauelementen, und entsprechenden gedruckten Schaltungen, die auch als »Miniprints« bezeichnet
werdeni, ist das genannte bekannte Verfahren nicht anwendbar. Es ist nämlich in der Massenfertigung nicht
mehr möglich, wirtschaftlich Löcher in die Printplatten einzubringen, die einen Durchmesser haben, der kleiner
als etwa 0,8 mm ist. Da aber die Anschlußdrähte der Bauelemente mit Rücksicht auf die Güte der Lötverbindung
nur höchstens 0,15 mm kleiner sein dürfen als die Löcher in den Printplatten, ist die Befestigung von
kleinen Bauelementen mit entsprechend dünnen Anschlußdrähten nicht möglich.
Es sind bereits Subminiatur-Bauelemente bekannt, die mit auf einer Seite des Bauelements liegenden lötbaren Kontaktflächen versehen sind und die auf sogenannte Schichtschaltungen (Dick- oder Dünnschichtschaltungen) aufgebracht werden.
Die 'Trägerkörper von Schichtschaltungen bestehen
Es sind bereits Subminiatur-Bauelemente bekannt, die mit auf einer Seite des Bauelements liegenden lötbaren Kontaktflächen versehen sind und die auf sogenannte Schichtschaltungen (Dick- oder Dünnschichtschaltungen) aufgebracht werden.
Die 'Trägerkörper von Schichtschaltungen bestehen
so aus Materialien wie Al2O3 oder Glas, die weitgehend
wärmebeständig sind, so daß sich die Bauelemente z. B. durch Ofenlötung auf diesen Schichtschaltungen befestigen
lasisen, soweit die Bauelemente selbst hinreichend wärmefest sind.
Die Befestigung von wärmeempfindlichen Bauelementen wie z. B. Tantal-, Elektrolyt- oder Folienschichtkondensatoren
und die Befestigung von Bauelementen auf üblichen gedruckten Schaltungen, bei denen der
Trägerkörper normalerweise nicht sehr temperaturbeständig; ist, ist mit dem genannten bekannten Verfahren
nicht möglich.
Weiler ist aus der US-PS 34 86 223 ein Zwei-Stufen-Kontaktierungsverfahren
für Miniaturbauelemente auf einer gedruckten Schaltung durch Lötung bekannt,
wobei das Bauelement in der ersten Verfahrensstufe unter Anwendung von Druck mit einem induktiv
beheizten Stempel solange erhitzt wird, bis das Lot auf der Unterseite des Bauelements schmilzt und eine
Lötverbindung zu der unter dem Bauelement angeordneten
gedruckten Schaltung hergestellt wird. Anschlie-3end wird das Bauelement abgekühlt und ein zweites
Mal aufgeheizt durch Strahlungswärme, die durch das Bauelement hindurchgeführt wird, um die Lotschicht an
der Unterseite des Bauelements ein zweites Mal zu erweichen; Zweck dieses zweiten Aufheizungsprozesses
ist die selbsttätige Ausrichtung des Bauelementes auf der flüssigen Lotschicht unter dem Einfluß der
Oberflächenspannung.
Nachteil dieses Verfahrens ist, daß das mit der gedruckten Schaltung zu verlötende Bauelement — z. B.
ein höchst wärmeempfindlicher Kristall — zweimal erhitzt und außerdem einem Druck ausgesetzt werden
muß, wenn es mit einer gedruckten Schaltung kontaktiert werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
anzugeben, das es erlaubt, die elektrischen Bauelemente einfach und sicher auf gedruckten Schaltungen zu
befestigen und zu kontaktieren und sie dabei insbesondere in thermischer Hinsicht möglichst zu schonen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene
Ausbildung des Verfahrens gelöst
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sie'; aus den Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf besondere Bohrungen in
den gedruckten Schaltungen verzichtet werden kann und elektrische Bauelemente mit auf einer Seite des
Bauelements liegenden lötbaren Kontaktflächen (sogenannte chip-Bauelemente), ohne Wärmeschädigungen
befürchten zu müssen, auch auf normalen gedruckten Schaltungen befestigt und kontaktiert werden können.
Zwei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel, bei dem als Strahlung von einer Glühlampe ausgehendes sichtbares
Licht verwendet wird und
F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem als Strahlung Laserlicht verwendet wird.
Die F i g. 1 zeigt ein elektrisches Bauelement 1, das
auf einer Seite (hier der Unterseite) mit lötbaren Kontaktflächen 10 versehen ist. Diese lötbaren Kontaktflächen
10 können aus Anhäufungen von Lotmaterial (sogenannten solderbumps) bestehen.
Wie die Figur zeigt, liegt das Bauelement 1 mit seinen
Kontaktflächen auf Kontaktbahnen 20 einer gedruckten Schaltung 2, an der es befestigt und mit der es
kontaktiert werden soll, auf. Die gedruckte Schaltung 2 besteht aus einem Trägerkörper 21 und den darauf
aufgebrachten Leiterbahnen 20.
Der Trägerkörper 21 der gedruckten Schaltung 2 besteht aus einem Material, das für Wärmestrahlung gut
durchlässig ist. Solche Materialien sind z. B. Polyester mit Glasfaserfüllstoffen, wobei der Anteil an Füllstoff
höher gewählt werden kann als bei den normalerweise verwendeten Trägerkörpern für gedruckte Schaltungen,
da in ihn keine Löcher mehr eingestanzt zu werden brauchen. Andere geeignete Materialien sind z. B.
Polyimid oder Polytetrafluoräthylen.
Die gedruckte Schaltung 2 mit dem darauf liegenden Bauelement 1 liegt auf einem Tisch S auf, der mit einer
öffnung 51 versehen ist, durch die Strahlung zugeführt
wird, die in der gestrichelt angedeuteten Ebene 3, in der sich die Kontaktflächen des Bauelements mit den
Leiterbahnen der gedruckten Schaltung berühren, eine solche Wärme erzeugt, daß das Bauelement mit der
gedruckten Schaltung verlötet wird.
Die Strahlung geht von einer Glühlampe 4, die z. B.
Die Strahlung geht von einer Glühlampe 4, die z. B.
eine Halogenlampe sein kann, aus, die sich im Brennpunkt eines Ellipsenspiegels (oder eines Parabolspiegels)
mit zusätzlicher Optik 41 befindet In der Öffnung 51 des Tisches 5 ist eine Blende 45 angeordnet,
mit der die Strahlungsmenge in der Berührungsebene 3
ίο eingestellt werden kann.
Wie die Fig.2, in der das Bauelement 1 und die
gedruckte Schaltung 2 dem in F i g. 1 Dargestellten entsprechen, zeigt kann die Glühlampe 4 und der
Spiegel 41 durch einen Laserstrahl hoher Leistung ersetzt werden, der von einem Laser 40 ausgeht und mit
Hilfe einer Mikrooptik 42 so aufgeweitet wird, daß der Brennfleck in der Berührungsebene 3 den gewünschten
Durchmesser besitzt Der Laserstrahl wird dabei durch ein Prisma 43 umgelenkt und mit Hilfe einer in der
öffnungSl des Tisches5 angeordneten Kondensoroptik
44 so stark konvergent gemacht daß er mit einem größeren Durchmesser in den Trägerkörper 21 der
gedruckten Schaltung 2 eindringt und erst in diesem Material selbst zu einem Fleck des gewünschten
Durchmessers konvergiert Dies hat den Vorteil, daß der Trägerkörper 21 durch die geringere Energiedichte
weniger erhitzt wird als bei parallelen oder sogar divergenten Strahlen.
Um bei der Erhitzung der lötbaren Kontaktflächen das Fließen des Lotmaterials zu erleichtern, können der
Tisch 5 und/oder eine das zu befestigende und kontaktierende Bauelement haltende und in die
gewünschte Position bringende (nicht dargestellte) Vorrichtung mit einer (ebenfalls nicht dargestellten)
Ultraschallquelle verbunden werden. Die zugeführte Ultraschallenergie kann dabei so groß gewählt werden,
daß im flüssigen Lotmaterial Kavitation auftritt
Um das zu befestigende und kontaktierende Bauelement gegen eine zu starke Strahlungseinwirkung zu
schützen, kann es an seiner Oberfläche zwischen den zu kontaktierenden Flächen mit einem Wärmeschutz
versehen sein. Als Wärmeschutz können z. B. eine Verspiegelung oder ein Plättchen aus einem schlecht
leitenden Material verwendet werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich Bauelemente in etwa einer Sekunde mit der gedruckten
Schaltung verbinden. Um eine Überlastung der Strahlungsquelle zu vermeiden, kann diese mit einer
geeigneten Zeitschaltvorrichtung für die genannte Zeit eingeschaltet werden. Anschließend wird die Strahlungsquelle
voll abgeschaltet, um eine schnelle Abkühlung zu erreichen und anschließend z. 3. nur halb
eingeschaltet, um sie dann mit geringer Verzögerungszeit voll einschalten zu können.
Die Teileinschaltung der Strahlungsquelle reicht, insbesondere wenn diese eine Halogenlampe ist aus, um
die Bauelemente 1 auf dem durchscheinenden Trägermaterial 21 der gedruckten Schaltung ohne zusätzliche
Beleuchtung gegenüber den Leiterbahnen positionieren zu können.
Um möglichst gute Verbindungen zu erhalten und eine Oxidation der Leiterbahnen und der Kontaktflächen
während der Wärmezufuhr zu vermeiden, wird das Verfahren zweckmäßigerweise in einer Atmosphäre aus
einem diese Erscheinungen verhindernden Schutzgas durchgeführt
Um die mit Hilfe der Strahlung zuzuführenden Energiemengen kleinzuhalten, ist es möglich, die
gedruckte Schaltung und/oder das an ihr zu befestigende und kontaktierende Bauelement vor der Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens vorzuwärmen.
Auch die Verwendung von vorerhitztem Schutzgas vor und während der Lötung und gekühltem Schutzgas in
der Abkühlphase kann vorteilhaft sein.
Claims (15)
1. Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von elektrischen Subminiatür-Bauelementen, die mit
auf einer Seite des Bauelements liegenden lötbaren Kontaktflächen versehen sind, auf gedruckten
Schaltungen, wobei die Bauelemente mit den Kontaktflächen nach unten auf die entsprechenden
zu kontaktierenden für die Lötung vorbereiteten Flächen der gedruckten Schaltung gelegt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß eine gedruckte Schaltung verwendet wird, deren Trägerkörper
aus einem Material mit guter Durchlässigkeit für Wärmestrahlung und mit guter Temperaturbeständigkeit
besteht, und daß die gertruckte Schaltung von rückwärts mit einem konzentrierten Bündel
einer Strahlung durchstrahlt wird, welches in der Berührungsebene der Kontaktflächen mit der
gedruckten Schaltung eine solche Wärme erzeugt, daß die Kontaktflächen der Bauelemente in einem
einzigen Arbeitsgang mit der gedruckten Schaltung verlöten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung sichtbares Licht und/
oder Infrarotlicht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung Laserlicht verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedruckte Schaltung verwendet
wird, deren Trägerkörper aus einem Polyester-Material mit einem hohen Anteil an Glasfaserfüllstoff
besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedruckte Schaltung verwendet
wird, deren Trägerkörper aus Polyimid mit oder ohne Füllstoff besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedruckte Schaltung mit einem
Trägerkörper aus Polytetrafluoräthylen verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kontaktieren sowohl das
Bauelement als auch die gedruckte Schaltung vorgewärmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es unter einem Schutzgas durchgeführt
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente verwendet werden, die
zwischen den lötbaren Kontaktflächen mit einem Wärmeschutz versehen sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Wärmeschutz in Form einer Verspiegelung verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Wärmeschutz in Form eines Plättchens aus schlecht wärmeleitendem Material
verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bauelement und/oder der
gedruckten Schaltung Ultraschallschwingungen zugeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Energiedichte der zugeführten Ultraschallschwingungen so hoch ist, daß im
Loimaterial Kavitation auftritt.
14. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch eine geeignete
Optik zunächst divergent aufgeweitet und dann kurz vor der Berührungsebene durch eine weitere Optik
wieder auf einen gewünschten Durchmesser konzemlriertwird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zu
montierende und zu kontaktierende Bauelement durch eine geeignete Vorrichtung in die gewünschte
Lage gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement während des Kontaktierungsvorganges
so weit freigegeben wird, daß es unter dem Einfluß der Oberflächenspannungen des flüssig
gewordenen Lotmaterials an den Kontaktflächen selbsttätig eine bestimmte Position einnehmen kann.
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