用于SMD安装的加热元件、具有该加热元件的电子组件及制造电子组件的方法与流程

本发明涉及一种具有用于smd安装(或称为贴装)的安装侧的加热元件，其中该安装侧用于放置在例如呈电路载体形式的基板上。本发明还涉及一种具有电路载体和元器件的电子组件。最后，本发明涉及一种用于制造具有电路载体和元器件的电子组件的方法，其中元器件被定位在电路载体上。随后通过在通常的接合温度下的升温来形成电路载体和元器件之间的电触点。电触点通常是钎焊连接部，其中在该方法过程中的升温导致焊料在接合温度下熔化。接合温度在此略高于焊料的熔化温度。然而，也可以考虑其它材料来形成电触点。例如，可以使用在接合温度下固化的导电粘接剂。

用于制造电子组件的方法在世界范围内都已建立。为了制造在电路载体和元器件之间的触点，使用各种热处理工艺，特别是钎焊方法。在生产过程期间，热处理工艺也造成了处于生产过程中的电子组件的热负荷。因此，为了例如保护对热特别敏感的元器件，通常必须使用改进的钎焊工艺，该钎焊工艺例如多级地进行。然而，这由此会导致额外的生产和安装成本。另一问题在于要制造的电子组件在其导热性能和热容量方面是不均匀的。如果使用热接合工艺来形成触点，则会在生产装置如钎焊炉中导致电子组件内的不同强度的加热。这可能导致附加应力的形成并因此降低所生产的电子组件的可靠性。尽管这些影响可以通过延长要生产的电子组件的加热时间、进而使热量在组件中能够更好地分配来消除，但是这也导致生产设备中更长的生产时间，由此减少了该方法的经济效益。

改善热特性的一种解决方案是，除了由生产设备施加的、从外部引入要生产的电子组件中的热量之外，还可提供在要生产的电组件本身中产生热量的热源。例如按照us2004/0149372a1建议，可将反应性箔片设置在板状构件(例如设计为印刷电路板的电路载体)中，反应性箔片在一定条件下在板状构件中产生热量。要生产的电子组件由此可以说自内向外地被加热，其中该热量可以对生产设备的从外部引入的热量进行补充。按照de102009013919a1提出了另一种措施。在该情况下，使用反应性焊料作为用于形成电触点的材料。将反应性组分添加到该材料中，该反应性组分在反应温度下发生放热反应并由此供应热量。该热量直接供要形成的钎焊连接部使用，因此要形成的钎焊连接部比其余的电子组件更剧烈地被加热。因此，生产设备可以在较低的温度下运行，其中存在于焊料中的热量总体上足以促成焊料的熔化。

在放热反应的范围内，反应性材料转化为反应产物。该反应产物至少作为残留物保留在电路载体上或所形成的触点(即钎焊连接部)中。在此，这会不利地影响制造结果的品质。该缺陷可以由此避免，即使用其它的热能来源来代替反应性物质。例如提供基本上由电热丝组成的电加热元件，电热丝能够在电子组件的目标区域中产生额外热量。然而，电热丝的制造必须被考虑到电子组件的安装过程中，并且由于电触点接通的必要性而在生产和安装中产生了不可忽略的额外花费。该触点接通在生产设备的电子组件移动的过程中也必须保持，由此进一步增加了生产费用。

针对上述问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种加热元件，利用该加热元件能够在相对较少的生产和安装费用下对要生产的电子组件进行局部加热。本发明要解决的技术问题还在于开发一种电子组件，使得能够在相对较少的生产和安装费用下对该电子组件进行局部加热。此外，要解决的技术问题在于开发一种用于生产电子组件的方法，使得能够在生产过程期间在相对较少的生产和安装费用下对该电子组件进行局部加热。

根据本发明，上述技术问题通过本文开端介绍的加热元件如下解决：该加热元件具有包围空腔的壳体，在所述空腔中存在反应性物质。该物质在反应温度t1下发生放热反应。

加热元件可以有利地以其安装侧放置在电路载体上。在这里可以使用对于smd安装常用的生产工艺。由于电路载体本来就必须装配元器件，因此在该装配的范围内也能够进行根据本发明的加热元件的装配。在此只会带来不明显增加的生产和安装费用。为了能够将根据本发明的加热元件的配置集成到电子组件的正常配置工艺中，加热元件也可以以惯常交付形式进行加工。加热元件可以被绑缚或成盘(intrays)地提供，从而简化在装配自动设备中的夹取。

以相同的方式，该技术问题还通过以上给出的电子组件解决，该电子组件在装配工艺的范围中被装配以根据本发明的加热元件。加热元件可以例如安装在具有高热容量的区域中，以便因此抵消掉在生产设备中与电子组件的其它区域相比所需的较长加热时间。另一种可能性是，优选将加热元件安放在要形成的触点附近，因为在那里需要热量来进行热处理以形成触点。这具有的优点在于电子组件的其余部分不必被剧烈加热，因为接合温度t3不必仅仅通过从生产设备向要生产的电子组件中的热量输入来实现。

该技术问题还通过开始时提出的方法来解决，根据该方法，在形成电触点之前将加热元件固定在电子组件上。该加热元件具有空腔，在该空腔中设有在反应温度t1下发生放热反应的反应性物质。根据本发明，确保了反应温度t1小于形成电触点的接合温度t3。由反应性物质的放热反应产生的反应热从加热元件传递至正形成的电触点上。这通过使电触点位于加热元件的热作用区域中来确保。

换句话说，加热元件布置得足够靠近要形成的电触点，由此可将加热元件中产生的热量传递到要形成的电触点。那么有利的是，热接合工艺中的较少热量需要通过生产设备、如钎焊炉施加。在应用情况下加热元件与要形成的电触点之间必须选择多大的距离，这取决于边界条件。在此要考虑的是加热元件产生的热量、位于加热元件和要形成的触点之间的结构的热导率以及通过加热元件应当实现的升温量。例如，可能需要的是，在接触元件中由加热元件引起的升温至少为10℃或至少为接合温度的5％。

足够的传热例如可以如下确保，即，将根据本发明的设计方式的加热元件与元器件相邻地固定在电路载体上。以这种方式，元器件和加热元件之间的传热不受其它元器件的干扰并且可以有利地通过短的连接路径实现。加热元件的布置的另一个有利的可能性可以在板状电路载体的情况下实现。在这种情况下，元器件可安装在板状电路载体的正面上，而加热元件可安装在板状电路载体的背面上，其中加热元件与元件相互对置。通过所述对置布置同样如同在相邻布置的情况下那样确保了短的传热路径。

为了有利地进一步改善传热，根据本发明的另一设计方式可以规定，加热元件与传导路径形成接触。传导路径的特征在于，传导路径比电路载体更好地传导热量。换句话说，通过传导路径将热量更快地从加热元件输送到要形成的触点。因此，传导路径必须与要形成的触点形成接触或者与至少该元器件并利用该元器件间接地与要形成的触点形成接触。如果不希望传输电流，在传导路径和电触点之间也可以设置电绝缘层。

传导路径可以设置在电路载体的表面上或者位于电路载体内部。如果加热元件和元器件安放在电路载体的同一侧上，那么尤其适合将传导路径布置在表面上。在电路载体内部延伸的传导路径尤其可以用于在板状电路载体的正面上的元器件与在该电路载体的背面上的加热元件之间形成传导路径。在这种情况下有利的是，还使用导电的导体轨道作为传导路径，所述导体轨道可用于对电触点进行触点接触通。这些导体轨道通常是金属的，因此具有良好的导热性。如果加热元件与这些导体轨道热接触，则由此可以直接将热量导入要形成的电触点中。导体轨道在此可以完全形成传导路径或者与传导路径热接触，所述传导路径仅用于传导热、但不参与电路的构成。以下将更详细地描述所使用的根据本发明的加热元件。

根据加热元件的一种设计方式，可以在加热元件的壳体中设置将空腔与加热元件的周围环境连接的开口。这在以下情形中是有利的，即在空腔中使用这样的反应性物质，该反应性物质在其发生放热反应中表现出气体生成。通过开口可以进行与周围环境的压力补偿，使得无需将壳体设计成耐压的。此外，通过开口可以实现，如果氧气通过开口进入壳体内，可以与周围环境的氧气发生放热反应。由此还可以通过开口的大小来调节放热反应的速度，因为向反应性物质的氧气供应取决于开口横截面。该效应可主要用于那些在空腔内不发生气体生成并因此不会在空腔内产生过压的放热反应。

根据本发明的另一设计方式，反应性物质分布在细孔型基质材料中。由此可以实现反应性物质在空腔中的均匀分布。通过这些开放的孔隙，还能够实现压力补偿或对反应性物质的氧气供应。反应性物质的分布有利地使得能够更好地对热量产生进行配量。

根据本发明的另一实施方式规定，反应性组分、特别是金属羰基化合物能够与氧发生放热反应。该物质族的优点是它们的熔点可通过适当改变化学结构进行调节(为此可以使用de102009013919a1中所述的方法)。以该方式，反应性组分可以有利地针对应与其一起使用的电触头材料、特别是焊料进行定制(maβschneidern)。与氧气的反应也具有以下优点，即，为此可使用空气中的氧。因为空气中的氧气被金属羰基化合物消耗，所以这样的焊接填充料(zusatzwerkstoff)同时还成为对焊料的其它组分的防氧化保护。这使得钎焊工艺不需要在保护气体、如氮气中实施。由此能够有利地在使用根据本发明的焊接填充料的情况下实现经济效益的进一步增加。

进一步有利的是，反应性组分由含有第一物质和第二物质的混合物组成，其中这两种物质能够彼此独立地与氧气发生放热反应。因此有利地能够更精确地调节在钎焊工艺期间进行的反应。特别有利的情形是，第一物质是引发剂化合物、特别是金属羰基化合物，其具有用于分解引发剂化合物的温度t1，该温度t1低于第二物质的与此相关的温度t2。为了使第一物质发挥引发剂化合物的作用，第一物质在温度t1下的分解必须足以引发第二物质的放热反应。此外可能的是，第一物质的分解产物在另外的反应步骤中发生放热反应。放热反应优选利用氧气进行。

通过使用引发剂化合物可有利地允许进一步降低为了引发例如钎焊过程而需要向加热元件中输入的热量。这意味着例如在回流焊炉中可以降低工艺温度。在钎焊工艺期间的热量输入只需要实现使引发剂化合物发生反应，由此引发上述的链式反应并且以该方式首先使第二物质发生放热反应并且以此使焊料熔化。

本发明的另一个有利实施方式如下获得：在加热元件中含有在所述温度t1下(或取决于应用情况在t2下)释放氧气的氧气载体、特别是过氧化物。这具有以下优点：放热反应所需的氧气可直接在加热元件中提供，并且以该方式，不需要氧气从大气进入加热元件内部的必要的扩散过程。此外，如果出于其他原因有必要的话，可以在排除氧气的保护气氛中进行钎焊，原因是用于放热反应的反应物可以在加热元件内提供。

有利地可以进一步规定，在加热元件的壳体上设置用于安装在电子组件上的固定装置。在此尤其考虑还能够实现将加热元件或元器件可拆卸地连接在电路载体上的机械装置。在此可以考虑电路载体上常用的容纳部的尺寸，以便可以使用标准化产品和生产工艺。以这种方式也有利地简化了加热元件在电路载体上的装配。

例如，固定装置可以有利地具有从加热元件的安装侧突出的销。那么可以将销插入到电路载体中的为此设置的通孔中或者盲孔中。在这里可以选择这样的配合，该配合确保加热元件在生产过程期间的固定并且允许随后将加热元件与电路载体分离。有利地，具有反应性物质的空腔也可延伸到销中。这具有的优点在于，加快热量通过销向电路载体中传递。由此更大量的热量可通过电路载体传输到要形成的触点。

根据本发明的方法可以如下进一步设计。电触点构成时的升温可以有利地在钎焊炉中形成。在此，在元器件和电路载体之间形成钎焊连接部作为电触点。根据本发明，在电路载体上设置至少一个元器件。然而，通常涉及多个元器件。根据本发明，加热元件可以用于将热量引入到多个元器件之一中或者引入到多个元器件中。当然也可以使用多个加热元件。下面解释根据本发明的加热元件在钎焊炉中的应用，其中加热元件也可以类似地在其它热接合过程中起作用。

通过在钎焊过程中使用具有特定不稳定性的化合物(也即反应性物质)来释放热量，从而发生放热反应。以该方式在化学转变期间在钎焊连接部中出现升温。通过该形式的能量释放必然减少了为达到焊料熔化所需从外部输入的热量。该反应和由此获得的额外能量因此局限于要制造的电触点的区域(钎焊连接部)，因此几乎不会影响周围材料(印刷电路板、元器件)的可靠性。由此确保了元器件的较低的热负荷，从而有利地增加了元器件的选择。另外需要较少的由钎焊炉供给的热量，从而有利地节省了能量。特别地，无铅焊料合金、如snagcu基焊料合金因此可以在迄今为止所使用的snpb焊料惯用的条件下加工。在此可使用通常的钎焊设备、基础材料、元器件以及修复系统。此外，通过减少钎焊期间的热负荷而提高了组件可靠性和进而所产生的组件的使用寿命，从而可以避免质量问题。所形成的钎焊连接部的质量也可以有利地得到改善，因为钎焊点的氧化也由于钎焊过程中较低的热负荷而降低。由于这个原因，还可以省去在钎焊过程中对氮气的使用，这导致进一步的成本降低。

由于必需向要钎焊的组件输入的必要能量较少，还进一步缩短了钎焊时间，因此可以有利地提高现有生产线内的生产率。因此可以达到更大的经济效益。还可以大大简化和缩短修复过程。另外，通过焊料熔点的降低，双侧装配的印刷电路板的使用是特别有利的。由于所形成的钎焊连接部的熔点比工艺温度高得多，因此可以排除当在第二通路中在背面形成钎焊连接部时在印刷电路板的正面上的钎焊连接部的软化。

如已经提到的那样，电路载体的加热元件也可以安置在电子组件的某一位置上，该位置与电子组件的其它位置相比在钎焊炉中经受较少的升温。由此，电子组件经受更加均匀的加热，从而电子组件的那些更快加热的区域有利地不再过热。

最后，根据本发明的方法还可以用于在电子组件上实施修复钎焊。为此目的，将加热元件定位在电子组件上，其中在这里也可以使用在生产过程期间可供加热元件使用的嵌入位置。加热元件既可以用于对有缺陷的元器件进行脱焊，也可以用于对替换元器件进行钎焊。在脱焊的情况下，借助由加热元件引入的热量来熔化钎焊连接部，使得可将有缺陷的元器件从电路载体上取下。在钎焊新元件的情况下，加热元件以已经描述的方式工作。

下面根据附图描述本发明的更多细节。相同或相应的图示元素分别设有相同的附图标记并且仅就在各个附图之间存在的差异进行多次解释，其中：

图1示出根据本发明的组件的实施例的剖面图，该组件具有根据本发明的加热元件的实施例，

图2示出在钎焊炉中的根据本发明的方法的实施例对应于该钎焊炉的与位置相关(组件的控制变量x)的温度变化曲线(温度t)，

图3示出根据本发明的组件的另一个实施例的剖面图，该组件具有根据本发明的加热元件的实施例，和

图4示出了根据图3的电子组件的剖面图，其准备用于修复钎焊。

在图1中示出了一个电子组件。电路载体11由仅示出片段的壳体组成。在该壳体中，元器件12固定在内壁上，更准确地说是借助被构造为钎焊点的触点13固定在内壁上。为此，电路载体具有接触面14，其中元器件12利用接触导线15放置在接触面14上。

在电路载体11内设置有传导路径16，该传导路径由铜构成并且因此是良好导热的。该传导路径与加热元件17接触，加热元件17在容纳部18中可拆卸地与电路载体11连接。因为加热元件17与传导路径16接触，所以在加热元件17中产生的热量可以良好地传递至传导路径16。传导路径16也在接触面14下方延伸，使得接触面14可以通过传导路径经受加热。壳体的材料由塑料制成并且因此是电绝缘的，并且在接触面14和传导路径16之间形成与传导路径16的厚度相比更薄的绝缘层27。

加热元件17包括设有开口20的壳体19。在由壳体形成的空腔中存在开孔型基质材料21，在其孔隙22中存在未详细示出的反应性物质。基质材料是开孔型材料，因此当反应性物质发生伴有气体生成的放热反应时可实现压力补偿。

在图2中示出了根据本发明的方法的顺序，其中组件23被导引穿过钎焊炉24。为此示出了输送装置25，其中该输送装置25将组件23以恒定的速度导引穿过钎焊炉24。在钎焊炉中还安装有加热该组件的辐射加热器26。

关于控制变量x的温度变化曲线t在图2中示出在钎焊炉24下方，以便按比例地展示钎焊炉24本身，该控制变量x描述了组件23在钎焊炉中的路径。曲线a、b和c表示电子组件23的不同区域的温度变化曲线。

曲线a描述了电路载体23的区域中的温度变化曲线，电路载体23具有低的热容量且因此迅速升温。在该区域中没有布置加热元件。可以看到该温度变化曲线渐近地接近相当于钎焊炉中所存在的温度的工艺温度t4。在此，在钎焊炉的位置x1处，该区域也超过了使电触点(钎焊连接部)熔化所需的接合温度t3。

曲线b表示热容量较大的区域的温度变化曲线。如果在该区域中未设置根据本发明的加热元件，则会获得用点划线表示的由曲线b开始的温度变化曲线，因此会较迟地在位置x2处达到接合温度t3。此时，由曲线a表示的区域已经被过于剧烈地加热，几乎达到了工艺温度t4。为了避免这种情况，使用根据本发明的加热元件，使得当在位置x3处超过反应性物质的反应温度t1时，进行向电子组件的区域中的额外的热量输入，并且如同第一个提及的区域(曲线a)的情况一样，也大致在位置x1处达到接合温度t3。

根据曲线c的温度变化曲线当反应性物质由两种组分构成时得以实现。使用优选由金属羰基化合物提供的第一组分作为引发剂，使得温度在反应温度t1下迅速升高，并且较为迅速地达到第二组分的反应温度t2。然后，第二组分(其例如可通过容易氧化的金属提供)在进一步过程中产生附加的所需热量，使得由曲线c表示的区域也大致在位置x1处达到接合温度t3。

因此，所有的钎焊连接部都能够在位置x1处已经形成。不久之后，温度可以在位置x4处已经下行。因此不会造成在位置x2处用点划线表示的热负荷。

在图3中示出印刷电路板形式的电路载体11。电路载体11具有接触面14，在接触面14上设置用于连接元器件12的焊料仓28。正如从图4可知，这些焊料仓28随后形成触点13。接触面14进一步地与同样在图3中示出的导体轨道29连接。这些是电路载体11上的未详细示出的电路的一部分。接触面14、导体轨道29和通孔接触部(durchkontaktierungen)30形成具有良好导热性的传导路径16，其中分别将加热元件17放置在传导路径16的一端，并且将焊料仓28放置在传导路径16的另一端，这些焊料仓28形成后来的触点13(参照图4)。

在图3所示的印刷电路板11中已经安装了加热元件17。为此目的，这些加热元件17在其安装侧31上具有销32，销32被插入到印刷电路板中的适用于此的孔(图4中的34)中。销32a被构造为中空的，使得反应性物质33甚至可以延伸到所述销中。

在图4中示出在根据图3的制造之后的电子组件。加热元件已经被移除，其中仍然可以看到钻孔34，加热元件17中的一个曾经插入到该钻孔34中。

在图4中还可以看到用于修复钎焊的结构。元器件12a应当被脱焊，其中为此目的必须熔化触点13。为此目的，将加热元件17a安装在印刷电路板11的与元器件12a对置的一侧上，其中热量足以熔化钎焊连接部。随后可以以相同的方式将替换元器件与印刷电路板(未示出)焊接。

修复钎焊(也就是说，对有缺陷的元器件12a的脱焊和对新的元器件的焊接)也可以在炉子(未示出)中进行。炉子可以提供修复钎焊所需的热量的一部分，其中钎焊炉中存在的温度必须被选择为足够低，使得其它元器件12的触点13保持完好。在该情况下，只需要通过加热元件17a提供为使要替换的元器件12a在印刷电路板中所处区域更剧烈地升温所必需的热量。

在许多不稳定的适合作为反应性物质的有机和无机化合物中，应当更具体地描述金属羰基化合物。这类化合物的特征在于存在以摩尔计一个单位或多个单位的金属原子，围绕所述金属原子根据电子构型排列co基团(羰基基团)。根据反应条件和原料，可以获得所谓的“同配型”(仅一种配体类型)或“杂配型”(不同的配体类型)的羰基化合物。如果使用不同的金属作为中心原子，则它们被称为“异配型(isoleptic)”的羰基化合物或络合物。在此可以形成单核化合物，该单核化合物可以在能量作用下进一步反应形成二元羰基化合物。制备本身从精细分散的金属或金属混合物开始，co在相应条件下被直接加成在所述金属或金属混合物上。由于最终产物可能存在杂质而不采用借助相应的卤素化合物进行的在产率方面特别有利的合成可能方案。

镍特别容易与co反应。该反应在80℃在常压下以令人满意的产率进行。对此有利的是旋转式反应容器，在所述旋转式反应容器中使轴线水平布置。

下面还应当示出在钴化合物的例子中的反应过程：

co+4co→co(co)4

因为形成的单核化合物是相对挥发性的，并且对于预期应用应当存在尽可能固态的物质，但该物质应具有尽可能确定的在60℃至80℃之间的分解点，所以优选双核和四核羰基钴化合物。该制备过程如下所示：

2co(co)4→co2(co)8

该反应在能量供应的条件下在有或没有溶剂和规定压力比的情况下进行。能量供应可以通过加热或uv作用(热解或光解)来实现。根据所使用的金属的不同，光解稳定性不同。因此，ru和os的羰基化合物特别不稳定。

由四羰基钴制备的二聚体具有约100℃的熔点，在该温度下也发生分解，其可用于高熔点合金。

如果所选择的羰基化合物对于计划的应用情况而言反应性过于活泼或表现出熔点太低，则有可能的是，这类化合物上存在的co-配体与其它结构、例如环戊二烯交换，由此实现该体系一定程度上的稳定化。获得的新化合物以指定方式表现出不同的行为。在图5和图6中示出为此的两个例子，其中这仅是模型化图示，还没有最后弄清楚其确切的分子结构。为此，必要时可能需要通过实验根据任务设置来检测进一步细节。

在这些试验中也发现，能量释放不是突然地在很短的时段内进行，而是可以通过所使用的引发剂的化学结构来控制。所获得的结果的前提条件是，钎焊工艺在正常的含氧气氛中进行并且加热元件的壳体中的开口允许充足的氧气供应。通过开口横截面可以实现对热量产生的配量。如果希望在惰性气体气氛下工作，则应当提供合适的氧载体、如上述过氧化物。

金属粉末可作为商业产品获得。虽然低聚羰基化合物不被称为商业产品，但是本领域技术人员可以借助于参考文献自行制备这些化合物。