DE4033199A1 - Verfahren zur herstellung von schaltungskarten mit miniatur-durchsteckbauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungskarte, bei dem in eine mit Leiterbahnen und durchgehenden und die Leiterbahnen durchsetzenden Ausnehmungen oder Bohrungen versehene Leiterplatine Durchsteckbauelemente in einem Preßsitz eingebracht werden, die Leiterbahnen in einem Vertikaltauchverfahren mit einer anschließenden Strahlbeaufschlagung eines Heißmediums lötmittelbeschichtet werden und die Durchsteckbauelemente mit den sie berührenden Leiterbahnbereichen verlötet werden.

Es ist bekannt, in Ausnehmungen gedruckter, geätzter und vorverzinnter Schaltplatinen Durchsteck-Miniaturbauelemente im Preßsitz einzusetzen, daß sich ihre metallischen Anschlüsse auf den beiden Seiten der Schaltplatine bündig bis etwas hervorstehend befinden, wobei sie jeweils eine oberflächliche Leiterbahn tangieren, und danach in einem weiteren Lötschritt, z. B. mit einer Laserlötung, die Anschlüsse mit den Leiterbahnen verlötet werden. Das Einsetzen von Bauelementen, insbesondere von Miniaturwiderständen oder Miniaturmetallfilmwiderständen, sogenannten Minimelfs, in Bohrungen von Leiterplatten hat den großen Vorteil, gegenüber der Oberflächenmontagetechnik, der sogenannten SMD-Technik, das ist surface-mounted- device-Technik, daß die Kontakte der Bauelemente unmittelbar als Meßpunkte zur Kontaktierung von Prüfadaptern dienen können und somit gesonderte Adaptierungsflächen der Leiterbahnen entfallen. Darüber hinaus ergeben sich Platzeinsparungen auf der Platine, da häufig Durchkontaktierungen zur Entflechtung der Leiterbahnen entfallen können. Weiterhin ergibt sich eine Verkürzung der Anschlußlängen, wodurch die Laufzeitverluste der Signale verringert werden. Soweit die weiteren Bauelemente oberflächenparallel in der SMD-Technik oder auch der Anschlußstecktechnik dann anschließend aufgebracht und danach verlötet werden, ergibt sich oft auch der Vorteil, daß die Bestückung nur einseitig erfolgen braucht, da der eine Teil der Bauelemente in der Platine selbst steckt, wodurch einerseits Bauhöhe der fertigen Platine und andererseits ein Bestückungsvorgang und ein komplizierter Lötvorgang der Unterseite entfallen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung von gedruckten Leiterplatten mit Bauelementen in Durchstecktechnik zu offenbaren.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erst die Durchsteckbauelemente in die Ausnehmungen eingebracht werden und danach in dem Vertikaltauchverfahren sowohl die Lötmittelbeschichtung der Leiterbahnen als auch die Verlötung der Durchsteckbauelemente mit den diese jeweils berührenden Leiterbahnbereichen erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Einbringung der Durchsteckbauelemente vor dem Aufbringen der oberflächenparallelen Bauelemente bringt den weiteren Vorteil, daß zwischendurch ein Prüfschritt einzuschalten ist, der relativ einfach ist, soweit nur passive Bauelemente eingesetzt sind. Da die Anschlüsse der Bauelemente selbst als Prüfkontakte geeignet sind, ist eine vollständige Überprüfung aller Bauelemente unmittelbar möglich. Hierdurch ist die spätere Endprüfung nach der vollständigen Bestückung und Verlötung wesentlich vereinfacht und mit kürzeren Prüfzeiten möglich. Die oberflächliche völlige Verzinnung der Bauelementeanschlüsse, insbesondere in Verbindung mit einer Vorprüfung aller durchgesteckten Bauelemente, erbringt den weiteren Vorteil, daß zusätzlich Platz dadurch eingespart werden kann und die Anschlußlängen noch weiter verkürzt werden können und Laufzeitverluste verringert werden können, da die vorverzinnten Anschlüsse der eingesetzten Bauelemente selbst als Kontaktierungspunkte von den anschließend oberflächenparallel aufzubringenden weiteren Bauelementen zu nutzen sind, die dann besonders vorteilhaft in einem reflow-Lötverfahren mit Infrarot- und/oder Heißluft oder in einer anderen bekannten horizontal arbeitenden Lötanlage zu verlöten sind.

Es hat sich weiterhin überraschend gezeigt, daß es auch möglich ist, im gleichen, vertikal geführten Verzinnungs- und Lötvorgang, in dem die durchgesteckten Bauelemente verlötet werden, auf der Platinenoberfläche mit einem löttemperaturstabilen Kleber verklebte oberflächenparallele Bauelemente zu verlöten. In diesem Fall wird die Horizontallötung ganz eingespart.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein erstes Verfahrenschema;

Fig. 2 zeigt ein zweites Verfahrenschema;

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch einen Ausschnitt einer verlöteten Platine;

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen Platinenausschnitt.

In Fig. 1 ist das Verfahren dargestellt, bei dem die geätzten Leiterplatinen (PCB′) in einem ersten Arbeitsschritt (BB) in bekannter Weise mit Durchkontaktierungsbohrungen und mit den Aufnahmebohrungen für die Durchsteckbauelemente durch Bohren oder Stanzen versehen werden.

In einem zweiten Arbeitsschritt (DB) erfolgt die Durchsteckbestückung mit den Durchsteckminiaturbauelementen (MELF).

In einem dritten Arbeitsschritt (VZ) erfolgt dann unmittelbar in einem Schritt die sogenannte Verzinnung der Leiterbahnen mit dem Lötmittel (SM) und das Verlöten der Anschlüsse der Durchsteckbauelemente (MELF) mit den Leiterbahnen. In der Lötmittelbeschichtungsvorrichtung wird unmittelbar beim Herausziehen der Platinen in bekannter Weise das überschüssige Lötmittel abgeblasen oder abgespült, wozu ein heißes Medium oberhalb des Lötmittelbades aus angestellten Düsen auf die Vor- und Rückseite der Platine gerichtet sind.

Optional erfolgt dann in einem 4. Arbeitsgang (DP) eine Prüfung der Durchsteckbauelemente und Leiterbahnen. Daran schließt sich in bekannter Weise die Bestückung (PB) mit oberflächenparallelen Bauelementen (SMD) ein- oder zweiseitig an, was der 5. Arbeitsschritt ist.

Die oberflächenparallelen Bauelemente (SMD) werden in einem 6. Arbeitsschritt in einem Horizontallötverfahren (HL) verlötet.

Der 7. Arbeitsgang ist die Endprüfung (EP), der durch die bereits erfolge Zwischenprüfung (DP) vereinfacht ist, wonach die fertigen Schaltungskarten (PCB) zur Verwendung bereitstehen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Vereinfachung des Gesamtverfahrens. Hierbei sind die ersten beiden Arbeitsschritte des Bohrens (BB) und Bestückens (DB) mit den Durchsteckbauelementen (MELF) gleich wie in dem anderen Verfahren. Danach wird im dritten Arbeitsschritt (3A) die Bestückung (PB1) und Verklebung der plattenparallelen Bauelemente (SMD) mit dem lötfesten Kleber (CE) vorgenommen. Nach dem Aushärten des Klebers (CE) erfolgt im 4. Arbeitsschritt (4A) die vertikale Tauchverzinnung (VZ) mit dem Lötmittel (SM) und gleichzeitig die Verlötung aller Bauelemente (MELF, SMD). Im fünften Arbeitsschritt (5A) erfolgt die vollständige Prüfung (EP1) der gesamten Schaltungskarte (PCB).

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen vergrößerten Ausschnitt einer Schaltungskarte (PCB). In diese sind Bohrungen (B) eingebracht, in denen die Durchsteckbauelemente (MELF) im Preßsitz stecken, wobei ihre metallischen Kappen (K) geringfügig aus den beiden Oberflächen der gedruckten Schaltung (PCB) über die gedruckten Leiterbahnen (L) hinausstehen. Das Lötmittel (SM) überzieht jeweils stetig, flachkonvex kuppenförmig die Kappen (K) und füllt jeweils die Übergänge zwischen der Kappe (K) und den Leiterbahnen (L), durch die Oberflächenspannung vorgegeben, flachkonvex gekrümmt aus. Da die vertikal gestellte Platine (PCB) beim Löt- und Verzinnungsarbeitsschritt in bekannter Weise erst getaucht und beim Herausziehen mit Heißluft oder Heißöl abgeblasen bzw. abgespritzt wird, ist kein Lötmittelüberhang vorhanden, der zu Kurzschlüssen mit einer benachbarten Leiterbahn führen könnte; sondern es ist bloß die eben zur guten Verlötung notwendige Lötmittelmenge verblieben, was die flach konkave Gestalt des Lötmittels im Übergangsbereich zwischen der Kappe (K) und der Leiterbahn (L) deutlich macht. Der Verbleib der jeweils geeigneten Lötmittelmenge auf der Lötstelle läßt sich durch die Strahlintensität und die Neigung der Strahldüsen der Heißluft bzw. des Heißöls zur Platine bestimmen.

Weiterhin ist die Anordnung eines oberflächenparallele Bauelements (SMD) gezeigt, das unmittelbar mit seinen Anschlüssen (A) auf den Kappen (K) zweier Durchsteckbauelemente (MELF) verlötet ist. Hierdurch ist eine hohe Packungsdichte der Bauelemente zu erreichen. Da die Kappe (K) eine wesentlich größere Dicke als die Leiterbahn (L) aufweist, gibt sie eine bessere Wärmesenke für Energieverluste im SMD-Bauelement ab, als die dünnen Leiterbahnen. Im Fall, daß nur das vertikale Lötverfahren gemäß Fig. 2 angewandt wird, ist das Bauelement (SMD) mit einem Kleber (CE) auf der Leiterplatte (PCB) befestigt, bevor die Lötung erfolgt.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Schaltkarte (PCB) in Aufsicht. Die Lötaugen der Leiterbahnen (L) um die Kappen (K) der Durchsteckbauelemente weisen freie Sektorausschnitte oder Kreisabschnitte (KA) auf, die einen lötmittelfreien Entgasungsspalt (S) zwischen der Kappe (K) und der Wandung der Aufnahmebohrung auf einem Teilabschnitt von beispielsweise 1/8 des Umfanges entstehen lassen, so daß Luft und Dampf aus dem Spalt (S) beim Löten und auch später im Gebrauch der Schaltung mit der Umgebung im Austausch stehen. Dort wo gegeneinander gerichtete Kreisabschnitte (KA) freigelassen sind, ist eine sehr eng benachbarte Packung der Durchsteckbauelemente zueinander erreicht. Auch läßt sich durch einen ausgesparten Kreisabschnitt (KA) in geringem Abstand zum Durchsteckbauelement eine Leiterbahn (L) vorbeiführen. Es ergibt sich eine extrem hohe Packungsdichte an Bauelementen, die durch die Aufpackung der oberflächenparallelen Bauelemente (SMD) noch erhöht ist.

Die mit den Durchsteckbauelementen (MELF) bestückten, verlöteten und geprüften Leiterplatten-Zwischenprodukte stellen ein selbständiges Handelsgut dar, das erst später beim Endkunden mit weiteren SMD-Bauelementen nachbestückt und endgeprüft wird. Auch die Bestückung mit den aufgeklebten SMD-Bauteilen vor der Tauchverzinnung und -verlötung läßt sich auf seiten des Lötplattenherstellers vornehmen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungskarte (PCB), bei dem in eine mit Leiterbahnen (L) und durchgehenden und die Leiterbahnen (L) durchsetzenden Ausnehmungen oder Bohrungen (B) versehene Leiterplatine Durchsteckbauelemente (MELF) in einem Preßsitz eingebracht werden, die Leiterbahnen (L) in einem Vertikaltauchverfahren (VZ) mit einer anschließenden Strahlbeaufschlagung eines Heißmediums lötmittelbeschichtet werden und die Durchsteckbauelemente (MELF) mit den sie berührenden Leiterbahnbereichen verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß erst die Durchsteckbauelemente (MELF) in die Ausnehmungen (B) eingebracht werden und danach in dem Vertikaltauchverfahren (VZ) sowohl die Lötmittelbeschichtung der Leiterbahnen (L) als auch die Verlötung der Durchsteckbauelemente (MELF) mit den diese jeweils berührenden Leiterbahnbereichen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schaltungsplatine vor dem Vertikaltauchverfahrenschritt (VZ) mindestens ein oberflächenparallel angeordnetes Bauelement (SMD) mit einem löttemperaturfesten Kleber (CE) befestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Durchsteckbauelementen (MELF) versehene Leiterplatine nach dem Vertikaltauchverfahren (VZ) einer elektrischen Prüfung (DP) unterzogen wird und danach mit oberflächenparallel angeordneten Bauelementen (SMD) bestückt wird, die dann in einem Horizontallötverfahren (HL) verlötet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der oberflächenparallel angeordneten Bauelemente (SMD) so bestückt wird, daß mindestens einer seiner Anschlüsse (A) unmittelbar eines der Durchsteckbauelemente (MELF) kontaktiert.

5. Schaltungskarte (PCB) mit lötmittelbeschichteten Leiterbahnen (L) und durchgehenden, die Leiterbahnen (L) durchsetzenden Ausnehmungen oder Bohrungen (B), die Durchsteckbauelemente (MELF) mit Anschlußkappen (K) enthalten, die mit den Leiterbahnen (L) verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (L) unmittelbar die Durchsteckbauelemente (MELF) an ihren Anschlußkappen (K) in einem Preßsitz kontaktieren und die Lötmittelbeschichtung (SM) die Leiterbahnen (L) und die kontaktierten Kappen (K) in einem stetigen Übergang überdeckt.

6. Schaltungskarte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Lötmittelbeschichtung (SM) zwischen der Leiterbahn (L) und der aus der Leiterbahn (L) leicht hervorstehenden Kappe (K) flach konkav gewölbt ist und die Kappe (K) mit der Lötmittelbeschichtung (M) flach konvex überzogen ist.

7. Schaltungskarte nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschluß (A) eines oberflächenparallel angeordneten Bauelements (SMD) auf einer der Kappen (K) verlötet ist.

8. Schaltungskarte nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils eine der beiden Kappen (K) der Durchsteckelemente (MELF) unter Aussparung eines Entlüftungsspaltes (S) nicht vollständig von der angrenzenden Leiterbahn (L) umschlossen ist.

9. Schaltungskarte nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf ihr oberflächenparallel mindestens ein Bauelement (SMD) mit einem löttemperaturfesten Klebstoff (CE) befestigt ist und dessen Anschlüsse (A) jeweils eine der Leiterbahnen (L) oder der Kappen (K) unmittelbar kontaktieren und diese Anschlüsse (A) zusammen mit den kontaktierten Leiterbahnen (L) oder Kappen (K) in einem stetigen Übergang mit der Lötmittelbeschichtung (SM) überdeckt sind.