SE521528C3

SE521528C3 - Welded leg frame

Info

Publication number: SE521528C3
Application number: SE0102668A
Authority: SE
Inventors: Lars Gustafsson; Jan Oehrn; Per Lundstroem
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-12-10
Also published as: WO2003015485A1; SE0102668D0; SE521528C2; CN1270376C; SE0102668L; TW531462B; EP1415519A1; CN1539256A; JP2004538656A

Description

30 521 528 TEKNISKT OMRÅDE Uppﬁnningen avser ett förfarande för att förbinda ledningsben med substrat, t ex vid till- verkning av delaggregat monterade på en större kretsplatta. 30 521 528 TECHNICAL FIELD The invention relates to a method for connecting lead legs to substrates, e.g. in the manufacture of subassemblies mounted on a larger circuit board.

BAKGRUND Vid lödning av "reﬂow"-typ av elektroniska anordningar ﬁnns problem och möjliga ﬁink- tionsfel förknippade med omsmälting av lodet i vissa typer av delaggregat, varvid delaggregat här tas som att innefatta en bärare med ett ledande mönster, olika komponenter monterade på detta och en benram. Om delaggregatet har bäraren, t ex ett keramiskt substrat, placerad under benramen, kan bärarens och komponenternas tyngd få aggregatet att falla samman och substratet att falla ned. Detta fall visas i ﬁg. 1.BACKGROUND In the reflow soldering of electronic devices, there are problems and possible malfunctions associated with remelting of the solder in certain types of subassemblies, where subassemblies are taken here to include a carrier with a conductive pattern, various components mounted thereon, and a leg frame. If the subassemblies have the carrier, e.g. a ceramic substrate, placed under the leg frame, the weight of the carrier and components can cause the assembly to collapse and the substrate to fall down. This case is shown in Fig. 1.

När en benram förbinds med ett delaggregat, föreligger möjlighet till funktionsfel förknip- pade med en andra omsmältning eller en härdningscykel för ett lim, förorsakat av temperaturbe- lastningen på de på delaggregatet monterade komponentema.When a bone frame is connected to a subassembly, there is the possibility of malfunction associated with a second remelt or curing cycle of an adhesive, caused by the temperature stress on the components mounted on the subassembly.

När en temperaturkänslig komponent binds till ett substrat eller en tryckt kretsplatta, kan gemensamma reﬂow-behandlingar eller cykler för att härda lim orsaka funktionsfel hos kompo- nenterna.When a temperature-sensitive component is bonded to a substrate or printed circuit board, common reflow processes or cycles to cure adhesives can cause component malfunctions.

De vanliga lösningama på dessa problem innefattar följande: - att använda vanligt förekommande lod och acceptera omsmältningen av lodet under reﬂow-för- farandet. - att använda ett lod för högre temperatur för att undvika omsmältning av lodet under reﬂow-för- farandet. - att använda ett hårdlöddringsmaterial. - att använda ett lim baserat på en elektriskt ledande polymer.Common solutions to these problems include: - using common solder and accepting the remelting of the solder during the reﬂow process. - using a higher temperature solder to avoid remelting of the solder during the reﬂow process. - using a brazing material. - using an adhesive based on an electrically conductive polymer.

Med lod menas här en legering med smältpunkt under 450°C, som är avsedd för att förbin- da två delar vid en temperatur under smältpunkten för dessa delar. Ett hårdlod är en legering med smältpunkt högre än 450°C, som är avsett för samma användning.Solder here means an alloy with a melting point below 450°C, which is intended to join two parts at a temperature below the melting point of these parts. A braze is an alloy with a melting point higher than 450°C, which is intended for the same use.

Nackdelama med de ovan nämnda lösningama innefattar: - Vanligt förekommande lod omsmälts under ett andra reﬂow-förfarande och temperaturkänsliga komponenter kan skadas under reﬂow-förfarandet.The disadvantages of the above-mentioned solutions include: - Commonly occurring solder is remelted during a second reflow process and temperature sensitive components can be damaged during the reflow process.

- Kända lod inom det önskade temperaturområdet har egenskaper, som gör dem mindre lämpliga, såsom skörhet, hög kostnad eller att de kan innehålla skadliga ämnen. Många komponenter kan också inte tåla den förhöjda temperatur, som krävs vid användning av högtemperaturlod.- Known solders within the desired temperature range have properties that make them less suitable, such as brittleness, high cost or the fact that they may contain harmful substances. Many components also cannot withstand the elevated temperature required when using high-temperature solders.

- Komponenterna kan inte tåla den höga temperatur, som krävs för reﬂow-törfarandet för hård- lödningsmaterial. 10 15 20 25 30 521 528 2 - För effekttillämpningar, för vilka ett krav på hög verkningsgrad gäller, innefattar de elektriska egenskaperna hos kända ledande limmaterial otillräcklig elektrisk ledningsförmäga.- The components cannot withstand the high temperature required for the reflow process for brazing materials. 10 15 20 25 30 521 528 2 - For power applications, for which a requirement for high efficiency applies, the electrical properties of known conductive adhesive materials include insufficient electrical conductivity.

I stället för de ovan nämnda förfarandena kan svetsning användas. Nackdelar med svets- ningsförfaranden innefattar emellertid de förhöjda temperaturema och den stora energi, som krävs för att utföra svetsningar.Welding can be used instead of the above-mentioned methods. Disadvantages of welding methods, however, include the elevated temperatures and the large energy required to perform welds.

REDOGÖRELSE FÖR UPPF INN INGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa ett förfarande för att förbinda ledningsben såsom i en benram eller hos en komponent med ledande ytor hos ett substrat, som endast erford- rar lokal uppvärmning med måttlig energi. _ Det är ytterligare ett ändamål med uppﬁnningen att anvisa ett förfarande för att förbinda ledningsben i en benram med ledande ytor hos ett substrat, så att det monterade aggregatet bestå- ende av benram och substrat kan tåla förhöjda temperaturer, t ex temperaturer, som används vid högtemperaturlödning.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the invention to provide a method for connecting conductive legs such as in a leg frame or component with conductive surfaces of a substrate, which only requires local heating with moderate energy. It is a further object of the invention to provide a method for connecting conductive legs in a leg frame with conductive surfaces of a substrate, so that the assembled assembly consisting of leg frame and substrate can withstand elevated temperatures, e.g. temperatures used in high-temperature soldering.

Allmänt görs i ett förfarande för att förbinda en benram med ledande ytor hos ett substrat, i t ex ett delaggregat, hål i ledningsben hos benramen och sedan svetsas ledningsbenen vid de le- dande ytorna. Hålen minskar den för svetsningen erforderliga energin. Hålen kan företrädesvis täcka ca 50% hos den yta, vilken uppvärms vid svetsningsförloppet.Generally, in a process for connecting a leg frame to conductive surfaces of a substrate, in e.g. a subassembly, holes are made in conductive legs of the leg frame and then the conductive legs are welded to the conductive surfaces. The holes reduce the energy required for welding. The holes can preferably cover about 50% of the surface area that is heated during the welding process.

Att använda hål ledningsbenen möjliggör framställning av blyfria, praktiskt taget vänne- okänsliga, mekaniska och elektriska förbindelser och att förbinda vännekänsliga komponenter med ett substrat eller en tryckt kretsplatta. Det är möjligt att tillverka ytrnonterade delsystem med blyfria förbindningar och att undvika en allmän uppvärmning, såsom när lödning eller härdning av elektriskt ledande lim används. Förfarandet medger montering av tjocka ledningsben med an- vändning av låg energitillförsel vid svetsningen. Vidare möjliggör det, att ledningsben/kompo- nenter monteras på en temperaturkänslig anordning och att temperaturkänsliga komponenter kan monteras.Using the through-hole leads enables the production of lead-free, virtually heat-insensitive, mechanical and electrical connections and the connection of heat-sensitive components to a substrate or printed circuit board. It is possible to manufacture surface-mounted subsystems with lead-free connections and to avoid general heating, such as when soldering or curing electrically conductive adhesives are used. The method allows the assembly of thick leads using low energy input during welding. Furthermore, it enables the mounting of leads/components on a temperature-sensitive device and the mounting of temperature-sensitive components.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppﬁnningen skall nu beskrivas i form av ej begränsande utföringsformer med hänvisning till de bifogade ritningama, i vilka: - ﬁg. 1 är en tvärsektion av en benram förbunden med ett substrat, och - ﬁg. 2 är en delvy uppifrån av ett ledningsben förbundet med en ledande kontaktyta.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described in the form of non-limiting embodiments with reference to the accompanying drawings, in which: - Fig. 1 is a cross-section of a leg frame connected to a substrate, and - Fig. 2 is a partial top view of a lead leg connected to a conductive contact surface.

DETALJERAD BESKRIVNING I den schematiska tvärsektionsvyn i ﬁg. 1 visas ett delaggregat innefattande ett t ex kera- miskt substrat 1 förbundet med en benram 3 vid förbindningsställen 5. Vid dessa ställen fås för- bindningsledningsben eller ledningstrådar 7 hos benramen att elektriskt förbindas med ledande 10 15 20 25 521 528 3 ytor 9 hos substratet, se delvyn uppifrån i ﬁg. 2. Ledningsbenen 7 har en tjocklek, som är avse- värt större än de tunna ledande kontaktytoma 9. Vid förbindningsställena är ledningsbenen svet- sade vid de ledande ytorna med hjälp av t ex en laserljusstråle, plasmasvetsning, en mikrolåga, såsom antyds vid 10.DETAILED DESCRIPTION In the schematic cross-sectional view in Fig. 1, a subassembly is shown comprising an e.g. ceramic substrate 1 connected to a leg frame 3 at connection points 5. At these points, connecting lead legs or lead wires 7 of the leg frame are electrically connected to conductive surfaces 9 of the substrate, see the partial top view in Fig. 2. The lead legs 7 have a thickness that is considerably greater than the thin conductive contact surfaces 9. At the connection points, the lead legs are welded to the conductive surfaces by means of e.g. a laser beam, plasma welding, a microflame, as indicated at 10.

Vid uppvärrnningen under ett svetsningsförfarande uppvänns de ledande ytorna sålunda lättare än ledningsbenen beroende på skillnaden vad gäller värmekapacitet, som härrör från de olika tjocklekama. För att minska värmekapaciteten hos ledningsbenen är dessa emellertid för- sedda med minst ett och företrädesvis två hål ll, som täcker t ex ca 50% av den yta, vilken upp- värms vid svetsningen. Dessa hål kan ha godtycklig fonn, tex vara cirkulära såsom visas i ﬁgu- ren. Vid uppvärmningen erhålls då en smältning av materialet hos sidoväggama i hålen 11 eller i kantområdena hos ledningsbenen invid hålen, så att det smälta materialet ﬂyter nedåt för att för- bindas med materialet hos den underliggande ledande kontaktytan 9. Samtidigt uppvärms benra- men i områden omkring hålen och ävenså substratet, d.v.s. de ledande kontaktytoma hos detta, varvid den senare omnämnda uppvärmningen sker genom hålen ll.When heated during a welding process, the conductive surfaces are thus heated more easily than the lead legs due to the difference in heat capacity resulting from the different thicknesses. In order to reduce the heat capacity of the lead legs, however, they are provided with at least one and preferably two holes 11, which cover, for example, about 50% of the surface which is heated during welding. These holes can have any shape, for example, be circular as shown in the figure. During heating, a melting of the material of the side walls in the holes 11 or in the edge areas of the lead legs adjacent to the holes is then obtained, so that the molten material flows downwards to connect with the material of the underlying conductive contact surface 9. At the same time, the leg frame is heated in areas around the holes and also the substrate, i.e. the conductive contact surfaces thereof, the latter heating taking place through the holes 11.

När uppvännningen utförs med användning av en kraﬁﬁill laserljusstråle, bildas snabbt ett laserljusabsorberande plasma beroende på hålen ll, som ju bildar hålrum, när benramen är pla- cerad över substratet. Plasmat förstärker kraftigt kopplingen mellan energin hos laserljuset och de material, som skall hopsvetsas med varandra.When the heating is carried out using a powerful laser light beam, a laser light absorbing plasma is rapidly formed due to the holes 11, which form cavities when the bone frame is placed over the substrate. The plasma greatly enhances the coupling between the energy of the laser light and the materials to be welded together.

I det typiska fallet kan hålen ll ha en diameter i området av ca 0,1 ~ 0,8 mm och är utförda i benramsmaterialet, som kan ha en tjocklek inom området 0,1 - l mm. Den inkommande upp- värrnningsenergin, som anges av pilen l0, har en riktning, som är ungefärligen vinkelrät mot den stora ytan hos de komponenter, som skall fastsvetsas vid varandra.Typically, the holes 11 may have a diameter in the range of about 0.1 ~ 0.8 mm and are made in the leg frame material, which may have a thickness in the range of 0.1 - 1 mm. The incoming heating energy, indicated by the arrow 10, has a direction that is approximately perpendicular to the large surface of the components to be welded together.

Vid svetsningsförfarandet fasthålls benramen och orienteras av en ﬁxtur, ej visad, i förhål- lande till substratet och de ledande kontaktytorna för att få dem att inta sitt önskade läge.In the welding process, the leg frame is held and oriented by a fixture, not shown, relative to the substrate and the conductive contact surfaces to cause them to assume their desired position.

Claims

A method of connecting a conductor leg of a leg frame or component to a conductive contact surface of a substrate comprising heating the conductor leg and the contact surface locally to be interconnected, characterized in that the local heating is performed as a welding step, in which material at least partially melts in at least one of the conductor legs and in the contact surface to cause this or these materials to connect the conductor leg to the contact surface and, before the local heating is done, occupy at least one hole in the conductor is made: that a relatively low power is used in the local heating, the local heating preferably melting or primarily material in the walls of said at least one hole and / or in the edge areas of the conductor leg next to said at least one hole.

Method according to claim 1, characterized in that two holes are received in the conductor leg.

Method according to claim 1, characterized in that the at least one hole is occupied, so that it covers substantially 50% of the surface of the conductor leg, which is stored locally.