WO2018162005A1 - Bauelement, bestückungshilfe und verfahren zur lötbefestigung des bauelements - Google Patents

Bauelement, bestückungshilfe und verfahren zur lötbefestigung des bauelements Download PDF

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    • H05K3/3447—Lead-in-hole components

Definitions

  • the invention relates to components with electrical connection elements for contacting a printed circuit board and at least one component support for support on the printed circuit board, an assembly aid for soldering a component and methods for soldering a component to the printed circuit board.
  • the invention relates in particular to the assembly of components on printed circuit boards and their positioning prior to connection to the printed circuit board with a center of gravity that prevents a stable position after Bestü- ckung.
  • the invention has for its object to overcome the above drawbacks and to propose ways that allow assembly of the circuit board with electronic / electromechanical components that must be kept in a stable position during assembly.
  • the component has a balancing weight that stabilizes the component after mounting the device on a circuit board in its position and holds in its loading position.
  • the component can be held in position after positioning on the circuit board for the subsequent connection process. It is, for example, regardless of whether it is a surface mounted device (SMT) or the through-hole mounting (THT) of the device.
  • SMT surface mounted device
  • THT through-hole mounting
  • the balance weight loose or be fixedly arranged on the component.
  • the balance weight can be arranged loosely as a laying-on part on the component and removed after the connection of the component to the circuit board again.
  • a temporary fixation by means of magnetic force can take place.
  • Another possibility is the fixed permanent attachment or integration on the device.
  • the balancing weight via appropriate fastening means or integrated in the contour of the component as an additional assembly aid is releasably or not releasably attached to the component already in the production or is attached later.
  • the placement aid can be pluggable or rupturable attached to the device to remove them after the process can, if the assembled printed circuit board must be placed in a housing that requires the space in which the placement aid and in particular the balance weight.
  • the balance weight magnetically, so that the force for the positioning is additionally or exclusively applied by magnetic forces between the balance weight and magnetic elements on the circuit board.
  • the balance weight can be dimensioned with a lower mass.
  • the placement aid is supported on the printed circuit board in order to relieve the holding element with which the balance weight of the placement aid is fastened to the component. However, this is only possible if a corresponding space on the circuit board is present.
  • the placement aid is mounted so that it is above the usual placement level of the flatter components and thus blocks any circuit board surface.
  • the object is further achieved by an assembly aid for fastening, preferably for soldering, a component on a printed circuit board which has at least one balance weight and can be connected to the component.
  • the assembly aid itself is thus an additional part, the direct provided with the component for assembly is formed. It can be attached directly to the component and be removed by breaking or be connected to the device by plugging in at least one corresponding plug-in opening.
  • the placement aid may also include one or more surfaces for sucking or gripping the component by pick-and-place robots.
  • the method for solder-mounting a device having an unfavorable center of gravity during assembly with one or more of the aforementioned features provides the following steps: providing a printed circuit board with electrical connections;
  • the method takes into account the production of SMT components as well as THT components both in the wave soldering process and in the reflow process.
  • the feature melting and solidifying also applies to the use of a conductive adhesive.
  • the present invention makes it possible to position components with different shapes with linear movements on a printed circuit board and to keep them in the correct orientation for the soldering process.
  • the assembly takes place without forces and thus favors the automation and the use of, for example, pick-and-place robots.
  • the placement aid enables a secure stand during the soldering process, such as in the reflow and in the wave soldering process. It is also possible to work with conductive adhesive. After solidification of the solder joints, the placement aid can be easily removed due to the detachable connection, as well as for electronic operation non-functional parts of the components, such as the support element.
  • existing device connectors up to individual contacts can be automatically equipped as angled variants in printed circuit boards and soldered, for example, in a reflow process.
  • Figure 1 is a schematic representation of a THT device, a placement aid and a printed circuit board in the mounted state on the circuit board
  • Figure 2 is a schematic representation of a THT device with an integrated balance weight in the mounted state on the circuit board
  • FIG. 3 is a schematic representation of a THT device similar to FIG.
  • the embodiment shown in the figures shows the schematic structure in a side view of the invention involved components, consisting of a printed circuit board 1, in this case THT component 4 (in contrast to an SMT component) in the form of a connector with a External thread 3 and contact pins 7, and a placement aid 14.
  • the circuit board 1 has holes 2, which are aligned with each other so that they can accommodate all to be soldered connection elements 5 of the device 4 at the same time.
  • at least one component support 12 is provided on the component 4 in the vicinity of the connection elements 5.
  • the bores 2 serve to receive the connection elements 5 of the component 4.
  • Figure 1 shows the device 4 with a placement aid 14, which has a balance weight 9, which is connected via a web 1 1, which is fixedly connected to the component 4 in the embodiment.
  • the bridge 1 1 is stable enough formed to take the compensating forces. The figure is not significantly drawn. If the assembly aid 14 interferes with the assembly in a housing, not shown, the assembly aid can be removed after soldering, in which the web 1 1 is broken off on the component 4.
  • the Weight In this exemplary embodiment, a court support 10 which additionally supports the balance weight 9 of the placement aid 14 on the printed circuit board 1 additionally has.
  • the balance weight 9 is arranged in height to the circuit board 1 so that it is above a mounting plane for flat components, such as a resistor 8. Thus, the space available on the circuit board space can be exploited.
  • FIG. 1 shows the device 4 with a placement aid 14, which has a balance weight 9, which is connected via a web 1 1, which is fixedly connected to the component 4 in the embodiment.
  • the bridge 1 1 is stable enough formed to take the compensating
  • FIG. 2 shows the component 4 without an assembly aid 14 as in FIG. 1.
  • a balance weight 9 ' can be provided. be integrated into the component 4, so that a stable position can also be achieved here with appropriate dimensioning.
  • FIG. 2 schematically shows a balancing weight 9 'which runs over the entire circumference of the connector 4 shown as component 4.
  • the balance weight 9 ' is located laterally of the component support 12, which is offset in the component 4 according to Figure 2 with respect to the component support 12 in Figure 1.
  • FIG. 3 substantially corresponds to the embodiment of FIG. 2, wherein identical elements have the same reference numerals.
  • the initial weight 9 is designed as a loose Auflegeteil on the THT component 4. This can, for example, insert in a recess, lie directly on the component 4 or be held by a magnetic force.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Bauelement (4) mit elektrischen Anschlusselementen (5) zur Kontaktierung an einer Leiterplatte (1) und mindestens einer Bauteilabstützung (12) zur Abstützung auf der Leiterplatte (1), wobei ein Ausgleichsgewicht (9), das das Bauelement (4) nach der Montage des Bauelements (4) auf einer Leiterplatte (1) in seiner Lage stabilisiert und in seiner Bestückungsposition hält, vorgesehen ist. Eine Bestückungshilfe (14) insbesondere zur Lötbefestigung eines Bauelements (4) auf einer Leiterplatte (1) weist mindestens ein Ausgleichsgewicht (15) auf und ist mit dem Bauelement (4) verbindbar. Die Bestückungshilfe (14) dient dazu, Bauelemente (4) mit unterschiedlichen Ausformungen auf einer Leiterplatte (1) zu Positionieren und in der korrekten Ausrichtung für den Lötprozess zu halten. Die Bestückung erfolgt kräftefrei und begünstigt somit die Automatisierung und den Einsatz von beispielsweise Pick-and-Place-Robotern. Die Bestückungshilfe (14) ermöglicht einen sicheren Stand während des Lötprozesses, wie zum Beispiel im Reflow- als auch im Wellenlöt-Prozess. Entsprechend sind Verfahren zur Durchführung der Lötprozesse angegeben.

Description

Bauelement, Bestückungshilfe und Verfahren zur Lötbefestigung des Bauelements
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Bauelemente mit elektrischen Anschlusselementen zur Kon- taktierung an einer Leiterplatte und mindestens einer Bauteilabstützung zur Ab- Stützung auf der Leiterplatte, eine Bestückungshilfe zur Lötbefestigung eines Bauelements sowie Verfahren zur Lötbefestigung eines Bauelements auf der Leiterplatte. Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf die Montage von Bauelementen auf Leiterplatten und deren Positionierung vor dem Verbinden mit der Leiterplatte mit einem Schwerpunkt, der eine stabile Lage nach der Bestü- ckung verhindert.
In der anhängigen Patentanmeldung DE 10 2016 1 18 527.2 ist eine Anordnung und ein Verfahren zur Lötbefestigung eines Bauelements auf einer Leiterplatte beschrieben, wie Bauelemente mit ungünstigen Schwerpunkt durch eine Abstützfunktion kräftefrei bestückbar sind und somit für einen Reflow-Prozess geeignet werden. Diese Lösung kann dann nachteilig sein, wenn bei der Anordnung von Bauelementen an der Leiterplattenaußenkontur, was insbesondere bei Steckverbinder vorkommt, die Abstützfunktion auf dem Nutzenlayout (Rand oder Nachbarleiterplatte) erfolgen muss bzw. die Leiterplattenfläche an der Stelle der Positioniervorrichtung freigehalten werden muss. Bei den die Erfindung betreffenden Bauelementen handelt es sich beispielsweise um elektrische Steckverbinder oder andere elektrische/elektromechanische Bauelemente, die auf einer Leiterplatte zu befestigen sind und hierzu zumindest elektrische Anschlusselemente aufweisen. Dies kann in bekannter Art und Weise über entsprechende Bohrungen in der Leiterplatte oder durch Kontaktierung auf der Oberfläche der Leiterplatte erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehenden Nachteile zu beseitigen und Möglichkeiten vorzuschlagen, die eine Bestückung der Leiterplatte mit elektronischen/elektromechanischen Bauelementen, die bei der Bestückung in einer stabilen Lage gehalten werden müssen, erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , einer Bestückungshilfe nach Anspruch 6 und einem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweils rückbezogenen Patentansprüchen zu entnehmen. Danach weist das Bauelement ein Ausgleichsgewicht auf, dass das Bauelement nach der Montage des Bauelements auf einer Leiterplatte in seiner Lage stabilisiert und in seine Bestückungsposition hält. Damit kann das Bauelement nach der Positionierung auf der Leiterplatte für den nachfolgenden Verbindungsprozess unabhängig von der Art des Prozesses und der Art der Verbindung mit der Leiter- platte und den elektrischen Kontakten auf der Leiterplatte in der richtigen Position gehalten werden. Es ist beispielsweise unabhängig davon, ob es sich um ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMT) oder um die Durchsteckmontage (THT) des Bauelements handelt.
Vorteilhafterweise kann dies derart erfolgen, dass das Ausgleichsgewicht bereits in dem Bauelement in Relation zu der Bauteilabstützung integriert und derart angeordnet und bezüglich der Masse derart dimensioniert ist, dass ein stabiler Schwerpunkt über der Bauteilabstützung erreicht wird und dadurch das Bauelement nach der Positionierung auf der Leiterplatte für den nachfolgenden Lötpro- zess in der richtigen Position verbleibt. Hierzu kann das Ausgleichsgewicht lose oder fest an dem Bauelement angeordnet sein. Beispielsweise kann das Ausgleichsgewicht lose als Auflegeteil auf dem Bauelement angeordnet und nach der Verbindung des Bauelements mit der Leiterplatte wieder entfernt werden. Hierzu kann beispielsweise auch eine vorübergehende Fixierung mittels Magnetkraft er- folgen. Eine andere Möglichkeit ist die feste unlösbare Anbringung oder Integration an dem Bauelement. Es ist jedoch auch möglich, dass das Ausgleichsgewicht über entsprechende Befestigungsmittel oder auch in der Kontur integriert an dem Bauelement als zusätzliche Bestückungshilfe lösbar oder auch nicht lösbar an dem Bauelement bereits bei der Herstellung befestigt ist oder nachträglich ange- bracht wird. Hierzu kann die Bestückungshilfe steckbar oder abbrechbar an dem Bauelement angebracht sein, um sie nach dem den Vorgang abnehmen zu können, falls die bestückte Leiterplatte in ein Gehäuse eingebracht werden muss, das den Raum benötigt, in dem sich die Bestückungshilfe und insbesondere das Ausgleichsgewicht befindet. Bei dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, das Ausgleichsgewicht magnetisch auszugestalten, so dass die Kraft für die Positionierung zusätzlich oder ausschließlich über magnetische Kräfte zwischen dem Ausgleichsgewicht und magnetischen Elementen auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Dabei kann das Ausgleichsgewicht mit einer geringeren Masse dimensioniert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung stützt sich die Bestückungshilfe an der Leiterplatte ab, um das Halteelement, mit dem das Ausgleichsgewicht der Bestückungshilfe an dem Bauelement befestigt ist, zu entlasten. Dies ist jedoch nur möglich, wenn ein entsprechender Freiraum auf der Leiterplatte vorhanden ist.
Vorzugsweise ist die Bestückungshilfe so angebracht, dass sie oberhalb der übli- chen Bestückungsebene der flacheren Bauelemente ist und somit keine Leiterplattenfläche blockiert.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Bestückungshilfe zur Befestigung, vorzugsweise zur Lötbefestigung, eines Bauelements auf einer Leiterplatte gelöst, die mindestens ein Ausgleichsgewicht aufweist und mit dem Bauelement ver- bindbar ist. Die Bestückungshilfe selbst ist somit als zusätzliches Teil, das direkt mit dem Bauelement für die Montage zur Verfügung gestellt wird ausgebildet. Sie kann direkt an dem Bauelement befestigt sein und durch Abbrechen entfernt werden oder mit dem Bauelement durch Einstecken in mindestens eine entsprechende Stecköffnung verbunden werden. Die Bestückungshilfe kann auch zusätzlich eine oder mehrer Flächen zum Ansaugen oder Greifen des Bauteils durch Pick-and-Place-Roboter aufweisen.
Das Verfahren zur Lötbefestigung eines Bauelements mit einem ungünstigen Schwerpunkt bei der Montage mit einem oder mehreren der vorstehend erwähnten Merkmale sieht die folgenden Schritte vor: - Vorsehen einer Leiterplatte mit elektrischen Anschlüssen;
- Anordnen des Bauelements auf der Leiterplatte mit den elektrischen Anschlusselementen an den elektrischen Anschlüssen der Leiterplatte;
- Einbringen von einem flüssigen Lötmaterial und Erstarren des Lötmaterials; oder - Aufschmelzen und Erstarren von bereits vorhandenem Lötmaterial; und gegebenenfalls
- Entfernen der Bestückungshilfe.
Das Verfahren berücksichtigt die Herstellung von SMT-Bauelementen als auch THT-Bauelementen sowohl im Wellenlöt-Prozess als auch im Reflow-Prozess. Das Merkmal Aufschmelzen und Erstarren trifft auch für die Verwendung eines Leitklebers zu.
Durch die vorliegende Erfindung wird es ermöglicht, Bauelemente mit unterschiedlichen Ausformungen mit linearen Bewegungsabläufen auf einer Leiterplatte zu Positionieren und in der korrekten Ausrichtung für den Lötprozess zu halten. Die Bestückung erfolgt kräftefrei und begünstigt somit die Automatisierung und den Einsatz von beispielsweise Pick-and-Place-Robotern. Die Bestückungshilfe ermöglicht einen sicheren Stand während des Lötprozesses, wie zum Beispiel im Reflow- als auch im Wellenlöt-Prozess. Es ist auch möglich, mit Leitkleber zu ar- beiten. Nach Erstarren der Lötstellen kann die Bestückungshilfe aufgrund der lösbaren Verbindung, sowie für den elektronischen Betrieb nichtfunktionelle Teile der Bauelemente, wie dem Abstützelement, leicht entfernt werden. So können beispielsweise bestehende Gerätesteckverbinder bis hin zu Einzelkontakten als abgewinkelte Varianten in Leiterplatten automatisiert bestückt und beispielsweise in einem Reflow-Prozess gelötet werden.
Die Erfindung ist anhand von in den Abbildungen dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und den beigefügten Abbildungen. Die einzelnen Merkmale der Erfindung können für sich allein oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen Erfindung verwirklicht sein. Die Figur stellen dar:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines THT-Bauelements, einer Bestückungshilfe und einer Leiterplatte im montierten Zustand auf der Leiterplatte, Figur 2 eine schematische Darstellung eines THT-Bauelements mit einem integrierten Ausgleichsgewicht im montierten Zustand auf der Leiterplatte, und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines THT-Bauelements ähnlich Figur
2 mit einem lose darauf angeordneten Ausgleichsgewicht. Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den schematischen Aufbau in einer Seitenansicht der erfindungsgemäß beteiligten Bauteile, bestehend aus einer Leiterplatte 1 , einem in diesem Fall THT-Bauelement 4 (im Gegensatz zu einem SMT-Bauelement) in Form eines Steckverbinders mit einem Außengewinde 3 und Kontaktstiften 7, und einer Bestückungshilfe 14. Die Leiterplatte 1 verfügt über Bohrungen 2, welche zueinander derart ausgerichtet sind, dass sie alle zu verlötenden Anschlusselemente 5 des Bauelements 4 zeitgleich aufnehmen können. Üblicherweise ist in der Nähe der Anschlusselemente 5 min- destens eine Bauteilabstützung 12 am Bauelement 4 vorgesehen. Die Bohrungen 2 dienen der Aufnahme der Anschlusselemente 5 des Bauelements 4.
Figur 1 zeigt das Bauelement 4 mit einer Bestückungshilfe 14, die ein Ausgleichsgewicht 9 aufweist, das über einen Steg 1 1 , der in dem Ausführungsbeispiel fest mit dem Bauelement 4 verbunden ist. Der Steg 1 1 ist stabil genug aus- gebildet, um die Ausgleichskräfte auf zu nehmen. Die Figur ist nicht maßgeblich gezeichnet. Sofern die Bestückungshilfe 14 bei der Montage in einem nicht dargestellten Gehäuse stört, kann nach dem Verlöten die Bestückungshilfe entfernt werden, in dem der Steg 1 1 an dem Bauelement 4 abgebrochen wird. Das Gewicht In diesem Ausführungsbeispiel weist noch zusätzlich eine Gerichtsabstüt- zung 10 auf, die das Ausgleichsgewicht 9 der Bestückungshilfe 14 an der Leiterplatte 1 abstützt. Das Ausgleichsgewicht 9 ist in der Höhe zur Leiterplatte 1 so angeordnet, dass es sich oberhalb eine Bestückungsebene für flacher Bauteile, wie beispielsweise einen Widerstand 8 befindet. Damit kann der auf der Leiterplatte zur Verfügung stehende Raum ausgenutzt werden. Figur 2 zeigt das Bauelement 4 ohne eine Bestückungshilfe 14 wie in Figur 1. Für den Fall, dass der Raum für eine Bestückungshilfe 14 nicht ausreichend ist, oder das Bauelement 4 Bereiche zur Verfügung stellt, die ohnehin nicht benutzt werden, kann ein Ausgleichsgewicht 9' in das Bauelement 4 integriert werden, sodass bei entsprechender Dimensionierung auch hierüber eine stabile Lage er- reicht werden kann. In der Figur 2 ist schematisch ein Ausgleichsgewicht 9' dargestellt, das über den ganzen Umfang des als Bauelement 4 dargestellten Steckverbinders verläuft. Das Ausgleichsgewicht 9' findet sich seitlich der Bauteilabstützung 12, die bei dem Bauelement 4 gemäß Figur 2 gegenüber der Bauteilabstützung 12 in Figur 1 versetzt ist. Figur 3 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltung von Figur 2, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern aufweisen. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass das Ausgangsgewicht 9"als loses Auflegeteil auf dem THT-Bauelement 4 ausgeführt ist. Dies kann beispielsweise in einer Ausnehmung einlegen, direkt auf dem Bauelement 4 liegen oder auch mittels einer Magnetkraft gehalten sein.

Claims

Patentansprüche
Bauelement (4) mit elektrischen Anschlusselementen (5) zur Kontaktie- rung an einer Leiterplatte (1 ) und mindestens einer Bauteilabstützung (12) zur Abstützung auf der Leiterplatte (1 ), gekennzeichnet durch ein Ausgleichsgewicht (9), das das Bauelement (4) nach der Montage des Bauelements (4) auf einer Leiterplatte (1 ) in seiner Lage stabilisiert und in seiner Bestückungsposition hält.
Bauelement (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Bauelement (4) das Ausgleichsgewicht (9') fest verbunden oder integriert ist, das Ausgleichsgewicht (9") lose oder lösbar an dem Bauelement (4) angeordnet ist oder als eine Bestückungshilfe (14) an dem Bauelement (4) angeordnet oder anordenbar ist.
Bauelement (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückungshilfe (14) sich an der Leiterplatte (1 ) abstützt.
Bauelement (4) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgewicht (9) der Bestückungshilfe (14) sich oberhalb einer Bestückungsebene für flache Bauelemente (8) befindet. Bauelement (4) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückungshilfe (14) lösbar an dem Bauelement (4) angeordnet oder anordenbar ist.
Bestückungshilfe (14) zur Befestigung, insbesondere zur Lötbefestigung, eines Bauelements (4) auf einer Leiterplatte (1 ), wobei das Bauelement (4) elektrische Anschlusselemente (5) zur Kontaktierung an einer Leiterplatte (1 ) und mindestens eine Bauteilabstützung (12) zur Abstützung auf der Leiterplatte (1 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückungshilfe (14) mindestens ein Ausgleichsgewicht (15) aufweist und mit dem Bauelement (4) verbindbar ist.
Bestückungshilfe (14) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückungshilfe (14) lösbar mit dem Bauelement (4) verbindbar ist.
Bestückungshilfe (14) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückungshilfe (14) mindestens eine Gewichtsabstützung (10) zur Abstützung auf der Leiterplatte (1 ) aufweist.
Bestückungshilfe (14) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Ausgleichsgewicht (9) sich oberhalb einer Bestückungsebene für flache Bauelemente (8) befindet.
Verfahren zur Lötbefestigung eines Bauelements (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf einer Leiterplatte (1 ), gekennzeichnet durch
Vorsehen einer Leiterplatte (1 ) elektrischen Anschlüssen (18);
Anordnen des Bauelements (4) auf der Leiterplatte (1 ) mit den elektrischen Anschlusselementen (5) an den elektrischen Anschlüssen (18) der Leiterplatte (1 ); gen von einem flüssigen Lötmaterial (17) und Erstarren des Löt- materials (17) ; oder
Aufschmelzen und Erstarren bereits vorhandenem Lötmaterial (17); und gegebenenfalls
Entfernen der Bestückungshilfe (14).
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