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Title:
COMPONENT, PLACEMENT DEVICE, AND METHOD FOR FASTENING THE COMPONENT BY SOLDERING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/162005
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a component (4) having electrical connector elements (5) for contacting a circuit board (1) and at least one component support (12) for supporting on the circuit board (1), wherein a balancing weight (9) is provided, which stabilizes the component (4) and holds the component in the placement position thereof after the assembly of the component (4) on a circuit board (1). A placement device (14) in particular for fastening a component (4) on a circuit board (1) by soldering has at least one balancing weight (15) and can be connected to the component (4). The placement device (14) serves to position components (4) having different forms on a circuit board (1) and to hold said components in the correct orientation for the soldering process. The placement takes place without force and thus favors the automation and the use of, for example, pick-and-place robots. The placement device (14) makes secure retention during the soldering process possible, such as, for example, in the reflow and in the wave soldering process. The invention further relates to methods for carrying out the soldering processes.

Inventors:
SAHM JÜRGEN (DE)
Application Number:
PCT/DE2018/100205
Publication Date:
September 13, 2018
Filing Date:
March 07, 2018
Export Citation:
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Assignee:
PHOENIX CONTACT GMBH & CO (DE)
International Classes:
H05K3/30; H01R12/58; H01R43/02
Foreign References:
US20150064978A12015-03-05
EP2955791A12015-12-16
US20080203547A12008-08-28
US20030153209A12003-08-14
DE102016118527A12018-03-29
Attorney, Agent or Firm:
ABACUS PATENTANWÄLTE (DE)
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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).

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.