能够以SMD技术焊接的部件和生产能够以SMD技术焊接的部件的方法与流程

能够以smd技术焊接的部件和生产能够以smd技术焊接的部件的方法
技术领域
1.本发明涉及smd可焊接部件和用于生产smd可焊接部件的方法，包括：
[0002]-电阻元件；
[0003]-第一触点元件和第二触点元件，其中第一和第二触点元件被提供用以焊接到电路板上为该第一和第二触点元件提供的触点区域，其中第一触点元件通过第一焊接连接部与电阻元件的第一端部连接，并且第二触点元件通过第二焊接连接部与电阻元件的第二端部连接。此外，本发明涉及一种用于生产smd可焊接部件的方法、具有smd可焊接部件的电子单元以及具有电子单元的自动化现场设备。


背景技术：

[0004]
现有技术使用了基于焊料的液相线温度的焊接连接部分类。根据定义，在液相线温度低于450℃的情况下，这种就是所谓的软焊接连接部。从450℃开始，就说到硬焊接或铜焊连接部，因为这种连接部通常具有较高机械强度。本发明尤其涉及一种smd可焊接部件，在smd可焊接部件的情况中，第一和第二焊接连接部被实施为软焊接连接部。
[0005]
smd可焊接部件被提供用以焊接到电子单元的电路板。smd可焊接部件(简称“表面安装设备”，即表面贴装部件)通过其触点元件被直接焊接到为触点元件提供的连接位置。为此，通过自动拾取和放置机器将smd部件放置在电路板上的配备有焊膏的触点上，并在回流焊炉中以所谓的回流焊工艺进行焊接。通过这种方式，能够将大量smd可焊接部件同时焊接到电路板上。
[0006]
在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，现场设备通常用于确定和/或监测过程变量。在这种情况下，所谓现场设备原则上是指应用于过程附近并传递或处理过程相关信息的所有设备。所涉及的例如是填充水平测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、ph-氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等，这些设备记录相应的过程变量、填充水平、流量、压力、温度、ph值和电导率。现场设备具有的传感器单元通常与过程介质接触，特别是至少有时并且/或者至少部分地与过程介质接触。传感器单元用于产生依赖于相关过程变量的信号。此外，现场设备通常具有布置在外壳中的电子单元，其中电子单元用于处理和/或转发由传感器单元产生的信号，尤其是电气信号和/或电子信号。典型地是，电子单元包括至少一个电路板，在电路板上布置有部件。特别是，电子单元是自动化现场设备的电子单元。
[0007]
从现有技术已知的是具有含铅(软)焊接连接部的smd可焊接部件。提供这种部件用以焊接到电子单元的电路板，尤其是自动化现场设备的电路板。
[0008]
为了保护环境和人类，人们在现有技术水平下努力避免使用重金属，诸如：例如铅和汞。出于同样目的，欧盟的rohs-directive《有害物质限制指令》也禁止在电子和电气行业使用某些危险材料，诸如：例如铅。这意味着，最后，smd可焊接部件的所有成分，尤其是在其制造中产生的焊接连接部，都应尽可能无铅。
[0009]
另外，由于smd可焊接部件的特性特别是由其触点元件之间的电阻决定，所以第一焊接连接部和/或第二焊接连接部必须具有相应的高质量，以便确保smd可焊接部件实际中也可靠地满足其规范中规定的电阻。


技术实现要素：

[0010]
因此，本发明的目的是提供一种无铅smd可焊接部件，其以足够高的可靠性具有在其触点元件之间的预定电阻。
[0011]
该目的通过一种smd可焊接部件和用于生产smd可焊接部件的方法实现。
[0012]
关于smd可焊接部件，该目的通过一种用于焊接到电子单元的电路板上的smd可焊接部件来实现，包括：
[0013]-电阻元件，
[0014]-第一触点元件和第二触点元件，其中第一和第二触点元件被提供以用于焊接到在电路板上为触点元件设置的触点区域，
[0015]
其中第一触点元件通过第一焊接连接部与电阻元件的第一端部连接，并且第二触点元件通过第二焊接连接部与电阻元件的第二端部连接，
[0016]
其特征在于，第一和第二焊接连接部中的至少一个是无铅焊接连接部，其由无铅焊料预成型件制成。
[0017]
一方面，无铅焊料预成型件的使用确保了第一焊接连接部和/或第二焊接连接部符合上述rohs标准。
[0018]
另一方面，与焊膏和/或焊丝相比，焊料预成型件在smd可焊接部件的生产中更容易处理。由于这种生产优势，第一焊接连接部和第二焊接连接部可靠地是具有足够高质量，并且相应地是，smd可焊接部件以足够高的可靠性具有为其指定的电阻。电阻元件尤其是伸长的电阻元件。
[0019]
在smd可焊接部件的一个实施例中，smd可焊接部件是具有跳闸电流的过电流保护设备，尤其是熔断保险丝，其中过电流保护设备的跳闸电流尤其在0.02a和1a(安培)之间。
[0020]
在smd可焊接部件的一个实施例中，smd可焊接部件具有最大为20mm(毫米)的尺寸，其中触点元件之间的间隔尤其小于15mm。触点元件之间的“间隔”尤其是指触点元件的焊接连接部接界的面之间的间隔。
[0021]
与焊膏和/或焊丝相比，焊料预成型件的处理更简单的优点尤其在小部件的情况下被注意到，因为在这种情况下，借助于第一焊接连接部和/或第二焊接连接部通过材料结合而彼此连接的部件(即第一触点元件和/或第二触点元件和电阻元件)具有相应小的尺寸。
[0022]
关于生产smd可焊接部件的方法，该目的通过一种生产smd可焊接部件的方法来实现，该smd可焊接部件具有：
[0023]-电阻元件，
[0024]-第一触点元件和第二触点元件，
[0025]
所述方法包括如下步骤：
[0026]-产生第一焊接连接部，电阻元件的第一端部通过该第一焊接连接部与第一触点元件连接，
[0027]-产生第二焊接连接部，电阻元件的第二端部通过该第二焊接连接部与第二触点元件连接，
[0028]
其中为了产生第一焊接连接部和第二焊接连接部中的至少一个，使用无铅焊料预成型件，其被布置在第一端部和第一触点元件之间或者被布置第二端部和第二触点元件之间。
[0029]
特别是，提供smd可焊接部件用以焊接到电子单元的电路板。
[0030]
在该方法的一个实施例中，焊料预成型件涂覆有焊剂。用焊剂涂覆的方法步骤通常在产生第一焊接连接部或第二焊接连接部之前进行。例如，使用所谓的转鼓涂层，在这种情况下，焊料预成型件用焊剂完全涂覆。
[0031]
在该方法的优选实施例中，使用焊料预成型件，其熔化温度低于电阻元件的涂层(尤其是锡涂层)的熔化温度。
[0032]
因此，在这个特别优选的实施例中，使用了具有低熔化温度的无铅焊料预成型件。这样，防止了在第一焊接连接部和/或第二焊接连接部的生产中发生smd可焊接部件的部分(尤其是电阻元件)的过早老化。特别是，防止了电阻元件的涂层熔化，由此对触点元件之间的电阻和/或上述过电流保护设备的跳闸电流产生不利影响。因此，有效地防止了由涂层的熔化引起的过早老化。
[0033]
在该方法的一个特别优选实施例中，使用焊料预成型件，其熔化温度低于230℃，尤其低于150℃。
[0034]
在现有技术中从h.m.daoud等人的文章“preform-based diffusion soldering for use under conventional soldering process parameters”(欧洲微电子单元和封装会议(empc)暨展览会，doi10.23919/eclc.2017.8346889)已知具有如此低的熔化温度(也称为液相线温度或焊接温度)的无铅焊料预成型件。其中描述的焊料预成型件可从pfarr公司以商标获得。焊料预成型件由复合材料构成，该复合材料具有作为第一复合成分的焊料合金，该焊料合金布置在形成第二复合成分的金属基体中。第二复合成分尤其是具有较高熔化温度的金属，诸如：例如是铜或银。在这种情况下，焊料合金以层(layer)或层片(plies)的形式布置在金属基体中。在焊接的情况下，焊料预成型件优选以这样的方式定向，即：使得层或层片基本布置成平行于待连接的部件的两个可焊接表面。
[0035]
焊料预成型件的特征在于包括在焊接时形成金属间相，其沿焊料合金的层延伸。由于焊料预成型件的层状结构，金属间相基本上均匀分布在整个焊接连接部上，由此用焊料预成型件产生的焊接连接部具有优异机械耐久性。而原本，仅关于上述硬焊接连接部已知具有在整个焊接连接部上延伸的横向金属间相的焊接连接部。
[0036]
焊料预成型件的另一个优点在于，尽管焊料预成型件的熔化温度相对较低，但是用焊料预成型件产生的焊接连接部具有在焊接连接部出现任何重熔危险之前在明显更高的工作温度下工作的能力。例如，具有含锡焊料合金的焊料预成型件具有例如225℃的熔化温度，而用其生产的焊接连接部在至少400℃的工作温度下保持坚固。具有含铟焊料合金的焊料预成型件具有约125℃的甚至更低的熔化温度，而用其生产的焊接连接部具有至少325℃的使用温度。
[0037]
在应用焊料预成型件的情况下，另一个普遍优点是它们的形状能够基本适配待焊接的部件的特殊实施例，尤其是适配它们的形状(即，在这里的情况下，适配电阻元件和触
点元件的形状)。以这种方式，用本发明的方法可以特别容易地制造出高质量的焊接连接部。焊料预成型件的这种适配将在下面的附加发展例中更详细地解释。
[0038]
在该方法的第一附加发展例中，使用焊料预成型件，该焊料预成型件具有面向第一端部或第二端部(视情况而定)的面，在该面中，存在以特定深度延伸到焊料预成型件中的导向部，该导向部用于接纳第一端部或第二端部，并且其中该方法包括如下方法步骤：
[0039]-在产生第一和第二焊接连接部之前，分别将第一和第二端部各自引入到相关联的焊接预成型件的导向部中。
[0040]
在该方法的第二附加发展例中，使用焊料预成型件，其导向部是锥形渐缩的。
[0041]
在该附加发展例的实施例中，使用焊料预成型件，其基本上具有完整环的形式，其中完整环的内部形成所述导向部。
[0042]
在该方法的另一个实施例中，电阻元件是缠绕在电绝缘芯上的导线，其中在将第一端部或第二端部引入导向部内时，在每种情况下，预定最小匝数的导线位于焊料预成型件的导向部中。
[0043]
以这种方式，确保了导电导线和焊料预成型件之间的足够良好接触。这导致用焊料预成型件在触点元件和焊料预成型件之间产生特别高质量的焊接连接部。
[0044]
例如，至少10匝的导线位于焊料预成型件的导向部中。
[0045]
在该方法的另一个实施例中，导向部的直径等于绝缘芯的直径的1.1倍。
[0046]
在该方法的优选实施例中，第一触点元件和/或第二触点元件是罐形的，
[0047]
其中在作出焊接连接部之前，将焊料预成型件放置在罐形触点元件中，然后将电阻元件的端部引入导向部中，并且其中使用焊料预成型件，其形状与罐形的触点元件的内部轮廓相匹配。
[0048]
例如，这种罐形触点元件用于生产smd可焊接的过电流保护设备，其中过电流保护设备的特征在于跳闸电流以及触点元件之间的电阻。
[0049]
本发明还特别涉及无铅焊料预成型件在第一焊接连接部和/或第二焊接连接部的生产中的使用。
[0050]
此外，本发明涉及一种具有电路板的电子单元，其中本发明的smd可焊接部件，特别是根据本发明的方法制造的smd可焊接部件，被焊接到在电路板的表面上设置的触点区域上。
[0051]
在电子单元的一个实施例中，电子单元被实施用于用在易爆危险区域中。这种电子单元必须满足非常高的防爆安全要求。防爆的目的是特别安全地防止火花的形成，或者至少确保故障时产生的火花对周围环境没有影响。为此，在相应的标准中定义了一系列保护等级，特别是在欧洲标准iec 600079-11和/或en60079-11中。
[0052]
例如，在保护等级“本质安全”(ex-i)中，通过将某些电气变量(电流、电压、功率)的值始终保持在预定限值以下来实现防爆，以便在故障情况下不会形成点火火花。在附加保护等级“增强安全性”(ex-e)中，通过使两个不同电位之间的空间间隔足够得大以使由于该间隔而在故障情况下不会形成火花来获得防爆。在附加保护等级“耐压封装”(ex-d)中，根据该保护等级实施的电子单元必须具有足够的机械强度或稳定性。
[0053]
美国标准fm3610和/或ansi/ul60079-11和/或加拿大标准can/cas c 22.2第60079-11号中定义了类似的保护等级。
[0054]
因此，smd可焊接部件(尤其是smd可焊接过电流保护设备)在实施为用在易爆危险区域中的电子单元的情形中使用。特别是，电子单元因此根据上述标准的保护等级来实施。在这种情况下，通过第一焊接连接部和/或第二焊接连接部的高质量实现的本发明的过电流保护设备的可靠性尤其重要。
[0055]
此外，本发明涉及一种具有本发明的电子单元的自动化现场设备。
附图说明
[0056]
现在将基于所附的示意图更详细地解释本发明，其中相同的附图标记表示相同的特征。当需要清晰或以其它方式看起来合理时，前面的图中已显示的参考符号在后面的图中省略。
[0057]
附图中的图显示如下：
[0058]
图1示出了根据现有技术的smd可焊接部件；
[0059]
图2示出了本发明的smd可焊接部件的一个实施例；
[0060]
图3a是焊料预成型件的一个实施例的透视图，该焊料预成型件用于生产本发明的smd可焊接部件；
[0061]
图3b、图3c是本发明的实施例中的第一焊接连接部的生产中的细节的截面图；
[0062]
图4具有电子单元的自动化现场设备的实施例，其具有本发明的smd可焊接部件的实施例。
具体实施方式
[0063]
图1示出了根据现有技术的smd可焊接部件。smd可焊接部件包括两个触点元件12a、12b，这两个触点元件12a、12b被提供用以焊接到在电子单元的电路板上设置的触点区域。电阻元件14布置在触点元件12a、12b之间，该电阻元件14在其端部处通过材料结合与触点元件12a、12b连接，因此，在每种情况下都是通过含铅的焊接连接部13a、13b连接。在根据现有技术的smd可焊接部件的情况下，焊接连接部13a、13b是通过含铅的焊丝产生的。由于焊丝的操作要求高，在焊接连接部的生产中并不是总获得电阻元件14相对于触点元件的最佳定向。这对于smd可焊接部件特别小的情况(即具有1cm或更小的最大尺寸)尤其如此。
[0064]
申请人对根据现有技术以相同方式生产的一系列smd可焊接部件的研究表明，在一些smd可焊接部件的情况下，焊接连接部13b仅出现在触点元件12b的边缘处，如图1所示，此外，电阻元件14在两个触点元件12a、12b之间稍微倾斜地延伸。
[0065]
电阻元件14是缠绕在绝缘芯上的导线15。申请人的研究进一步表明，在一些情况下，可能会在缠绕的导线15的相邻匝之间形成不希望的焊珠16(也称为焊桥)。例如，这在虚线圆的细节中示出。焊珠16产生于在焊接连接部13a、13b的生产中由高焊接温度引起的导线15的至少部分熔化。焊珠16使导线15的相互毗连的匝短路，从而影响电阻元件14的有效长度和与此相关的电阻。
[0066]
图1所示的以及在焊接连接部13a、13b的生产期间在smd可焊接部件的生产中引起的不期望特性的组合(电阻元件1的倾斜；触点元件12b的边缘上的焊接连接部13b；焊珠16的形成)在最不利的情况下会导致smd可焊接部件不再满足相关的规格。例如，不能实现触点元件12a、12b之间的预定电阻，并且/或者不能实现形成为过电流保护装置的smd可焊接
部件的预定跳闸电流。
[0067]
另一个很大的缺点是：所研究的焊接连接部13a；13b是含铅的焊接连接部13a；13b。
[0068]
本发明提供了一种改进的smd可焊接部件5，以及一种用于生产smd可焊接部件5的改进方法，以克服现有技术中观察到的缺点。图2提供了更多细节。
[0069]
用于生产第一和第二焊接连接部3a、3b的是无铅焊料预成型件4a、4b。焊料预成型件4a、4b布置在电阻元件1的相应的第一和第二端部1a、1b和相应的触点元件2a、2b之间。焊料预成型件4a、4b由复合材料构成，在复合材料情况下，含sn或in的焊料合金作为第一复合成分ck1(这里显示为虚线区域)嵌入，该第一复合成分ck1基本上在形成第二复合成分ck2(这里显示为白色区域)的铜或银基体中形成层状。在这种情况下，焊料预成型件4a、4b放置在它们的触点元件2a、2b的可焊接表面上，以这样的方式，即：使得第一复合成分ck1(即焊料合金)的层或层片布置成基本上平行于触点元件2a、2b的可焊接表面。
[0070]
焊料预成型件4a、4b的一个显著优点是它们相对较低的焊接温度，即它们具有低于230℃的熔化温度t钎焊(也称为焊接温度)。这样，可以避免在焊接连接部3a、3b的生产中由高焊接温度引起的电阻元件1的劣化。
[0071]
在焊接连接部3a、3b的生产中，焊料预成型件4a、4b的熔化温度t钎焊例如通过使用气相传热介质的回流工艺或通过选择性焊接方法达到。选择性焊接方法包括用焊接烙铁或焊枪焊接，例如用激光或红外辐射的光焊接方法，感应焊接或借助微波的焊接，以及热棒选择性焊接方法，在这种焊接方法的情况下，棒被压靠在焊接接头上，并且通过流过棒的电流获得焊接温度。
[0072]
由于涉及无铅焊料预成型件4a、4b，由此产生的焊接连接部3a、3b以及因此还有smd可焊接部件5有利地是无铅的。此外，无铅焊料预成型件4a、4b在焊接连接部3a、3b的生产中的使用在smd可焊接部件5的情况下是可识别的，这是因为：在焊接中形成的金属间相基本上均匀地分布在焊接连接部3a、3b的整个厚度上。相比之下，在软焊接中生产的含铅焊接连接部13a；13b的情况下，金属间相基本上局限于焊接连接部13a；13b和触点元件12a；12b之间的第一边界层以及焊接连接部13a；13b和第一端部1a、第二端部1b之间的第二边界层。
[0073]
焊料预成型件4a、4b有利地是配合到触点元件2a、2b和电阻元件1。这在图3a-3c中更详细地示出，用于第一焊接连接部3a，并且示出了用于其生产的焊料预成型件4a。自然地是，结合图3a-3c示出的实施例和解释的所有示例同样适用于第二焊接连接部3b和用于其生产的焊接预成型件4b。
[0074]
焊料预成型件4a有利地是能够非常易于用焊剂完全涂覆(即在其所有表面上涂覆)，例如在转鼓涂层(drum coating)的情况下。
[0075]
图3a示出了焊料预成型件4a的透视图，该焊料预成型件4a用于在伸长的尤其基本上完全柱形的电阻元件1与触点元件2a之间的焊接连接部3a的生产。焊料预成型件4a在其形状上配合到电阻元件1和触点元件3a。
[0076]
这在图3b中更详细地示出，图3b示出了在焊接连接部3a的生产中待连接的部件2a、1a的细节的截面图。
[0077]
因此，在这种情况下，触点元件2a是具有矩形底部的罐形端盖，在焊接连接部3a的
生产之前，焊料预成型件4a被放置在该罐形端盖中。为此，焊料预成型件4a实施为基本棱柱形。因此，焊料预成型件4a的形状(尤其是其外轮廓)与罐形端盖形式的触点元件2a的内轮廓相匹配。
[0078]
在另一个实施例中，焊料预成型件4a基本上具有完整环的形式。例如，这在焊料预成型件4a熔化时和/或在中空圆柱形触点元件2a(即具有圆形底部的罐形端盖)的情况下对于熔融焊料的尽可能均匀分布是有利的。
[0079]
焊料预成型件4a包括导向部7，该导向部7例如实施为盲孔，然而它也可以是一直贯穿的。在这种情况下，导向部7从焊料预成型件4a的面f开始，该面f在焊接期间面对伸长电阻元件1的第一端部1a。导向部7用于将第一端部1a引入到焊料预成型件4a内。在触点元件2a与第一端部1a焊接之前，这使得电阻元件1能够相对于焊料预成型件4a和触点元件2a特别容易地定向。导向部7确保第一端部1a至少延伸到焊料预成型件4a中的特定深度h。优选地是，如图3b所示，导向部7锥形地渐缩。
[0080]
如图3b所示，伸长电阻元件1是导电导线8，其缠绕在绝缘芯9上。特定深度h确保电阻元件1和触点元件2a之间的足够导电接触所需的最小匝数的导线8位于焊料预成型件4a中。
[0081]
导向部7和/或焊料预成型件4a的配合形状简化了smd可焊接部件5的生产。因此，用具有可靠高质量的焊接连接部3a生产smd可焊接部件5。这在图3c中示出。
[0082]
此外，由于在焊接连接部3a的生产中使用的低于230℃的温度，有效地防止了导线8的过早老化，尤其是还防止了导线8的涂层6的熔化以及伴随的在例如相邻匝之间的焊珠形成。
[0083]
当smd可焊接部件5特别小时，或者当缠绕的导线8的相邻匝的间隔特别小时，形成焊珠的风险特别大。例如，过电流保护设备就是这种情况，该过电流保护设备具有在0.02a至1a之间的跳闸电流和小于2cm的尺寸。因此，本发明特别适合用于这种smd可焊接部件。
[0084]
smd可焊接部件5应用于自动化技术的现场设备11的电子单元10中。图4更详细地示出了这种自动化技术的现场设备11。现场设备11包括尤其是(至少有时和/或至少部分地)与过程介质接触的传感器单元17，该传感器单元17用于产生例如表示过程变量的电气和/或电子测量信号。
[0085]
布置在现场设备11的发射器外壳19中的电子单元10用于处理和/或转发由传感器单元17产生的测量信号。典型地是，电子单元10包括至少一个电路板18，部件布置在该电路板18上。焊接在电路板18上的这些部件中的一个部件是本发明的smd可焊接部件5。
[0086]
在图4所示的实施例中，现场设备11包括另一个电子单元20，其实施为显示/输入单元并且具有(触摸)显示器。当然，本发明的smd可焊接部件5也可以焊接到实施为显示/输入单元的电子单元20的电路板上。
[0087]
在一个实施例中，smd可焊接部件5是在现场设备11实施为用在易爆危险区域的情况下应用的上述的过电流保护设备(即，具有上述尺寸和上述跳闸电流)。
[0088]
参考标记和符号
[0089][0090]