DE20007729U1

DE20007729U1 - Leiterplatte

Info

Publication number: DE20007729U1
Application number: DE20007729U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2010-04-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Träger für leitende Werkstoffe aus einem nicht leitenden Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Auf den Seiten ist eine leitende Paste und Lotwerkstoff aufbringbar.

Bei der Herstellung von Leiterplatten zur elektrischen Verbindung von Bauelementen werden üblicherweise substraktive Verfahren eingesetzt. Dabei wird ein Kern, der aus einem beidseitig mit Kupfer kaschierten Substrat besteht, verwendet. Verschiedene Prozesse und Verfahren werden angewendet um eine Strukturierung der Kupferschicht zu erreichen.

Eine Leiterplatte wird zunächst insofern fertiggestellt, als sie entsprechend dem gewählten Leiterplatten-Layout die auf der Leiterplatte vorzusehenden Leiterstukturen und die mit einem Lotwerkstoff zu bedeckende Fläche aufweist. Nach dem Herstellungsprozess einer solchen Leiterplatte bleibt derjenige Teil des Kupferauftrags auf dem Trägermaterial erhalten, der als leitende Verbindung, zum Beispiel für die elektrische Baugruppe, gewünscht ist. Um die verbleibende Kupferschicht gegen Korrosion zu schützen, wird deren Oberfläche in bestimmter Weise behandelt. Dies geschieht z.B. durch das sogenannte Heißverzinnen. Bei diesem Prozess wird die z.B. in eine flüssige Zinn-Bleilegierung eingetauchte Leiterplatte auf höhere Temperatur erhitzt und durch einen anschließenden Reinigungsprozess schnell wieder abgekühlt. Bei der Bestückung mit flach aufsitzenden SMD-Bausteinen werden die Kontaktflächen durch ein Siebdruck- bzw. Schablonendruckverfahren mit pastenförmigem Lotwerkstoff versehen.

Die verwendete Druckschablone besteht z.B. aus einem dünnen Blech, in das u.a. die SMD-Pads als Durchbrüche eingeätzt sind oder mit einem Laser eingelasert wurden. Durch diese

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Durchbrüche wird im Druckverfahren der Lotwerkstoff auf die Kontaktflächen der Leiterplatte aufgetragen. Die SMD-Bauelemente werden mit ihren Kontaktflächen in den aufgebrachten Lotwerkstoff gesetzt. Anschließend wird die Leiterplatte mit ihren Bestückungsbausteinen mittels dem sogenannten Reflow-Verfahren behandelt, für das unterschiedliche Möglichkeiten der Wärmebeeinflussung, z.B. mittels Infrarotstrahlung, Heißgas oder auch Kontaktwärme, bekannt sind. Danach ist jedes der aufgesetzten SMD-Bausteine auf die entsprechenden Pads der Leiterplatte gelötet.

Beim jetztigen Stand der Technik wird die Druckschablone bei jeder Leiterplatte maschinell mit Hilfe von mehreren, auf die Oberfläche der Leiterplatte eingeätzten Markierungen platziert. Nach Auftragen des Lotwerkstoffs wird die Druckschablone von der Leiterplatte entfernt. Der Vorgang wiederholt sich bei jeder Leiterplatte bis eine bestimmte Anzahl gedruckter Leiterplatten erreicht wird. Danach wird die Druckschablone mit einer speziellen Lösung gereinigt und getrocknet.

Dies hat die folgenden Nachteile:

- Von dem aufgebrachten Kupfer werden nur ca. 20% ange-

wendet, die verbleibenden 80% des Kupfers sind in den Ätzchemikalien gelöst und können nur durch aufwendige Wiederaufbereitung zurückgewonnen werden.

Um die Strukturen auf dem Kupfer herzustellen, werden verschiedene Verfahren mit unterschiedlichen Chemikalien angewendet, wodurch höhere Sicherheit angefordert und höhere Belastung der Umwelt verursacht wird.

- Bei jeder Leiterplatte wird die Druckschablone auf die Oberfläche der Leiterplatte angebracht und mit einer optischen Kamera werden die Koordinaten der Justiermarken registriert und die Leiterplatte entsprechend der neuen Koordinaten justiert. Nach dem Auftrag des Lotwerkstoffs

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auf die Oberfläche der Leiterplatte wird der Lotpastendruck entfernt.

Angebrachte Markierungen auf der Oberfläche der Leiterplatte benötigen einen Platz, der bei komplexen und kleineren Leiterplatten öfter Engpässe bereitet. Aufwendige Programme sind notwendig, um die Daten der Justiermarken zu lesen, mit den gespeicherten Koordinaten zu vergleichen und durch Justierung der Leiterplatte die Korrektur zu ermöglichen.

Nach einer Anzahl gedruckter Leiterplatten muss die Schablone mit einem speziellen Reinigungsmittel gereinigt werden.

Dadurch entsteht eine Zeitverzögerung, die sich mit jeder Bereinigung der Druckschablone vergrößert. Der Beschaffungspreis einer Siebdruckmaschine ist sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte zu schaffen, bei welcher auf ein substraktives Verfahren zur Bildung der Leiter verzichtet werden kann.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte zu schaffen, bei welcher auf die Verwendung einer Metalldruckschablone und bei deren Herstellung der Kupferstrukturen auf die Anwendung von chemischen Ätzverfahren verzichtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Leiterplatte der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genanten Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der neuen Leiterplatte beschrieben.

Durch die Figuren, in denen verschiedene Phasen der Herstellung der neuen Leiterplatte dargestellt sind, wird die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und auch ihre Vorteile näher erläutert.

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In den Figuren werden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Sie sind nicht maßstabsgetreu, d.h. Schichten, die in den Figuren gleiche Abmessungen besitzen, können diesbezüglich bei realen Leiterplatten stark voneinander abweichen.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen offensichtlich. Das Beispiel soll eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellen.

Alle Figuren (Figur 1 bis 13) stellen im Querschnitt als Träger eine Epoxidharzplatte dar.

Figur 1

Figur 2

Figur 3 Figur 4

Figur 5 Figur 6 Figur 7 Figur 8 Figur 9

zeigt als Träger eine Epoxidharzplatte, auf welche

ein doppelseitig isolierendes, strukturiertes,

nicht leitendes Substrat aufgelegt wird.

zeigt den Auftrag eines Lotwerkstoff auf ein, auf

der Epoxidharzplatte aufgelegtes, strukturiertes,

nicht leitendes Substrat.

zeigt die Entfernung des oberen Teils des Substrats

von der Oberfläche.

zeigt die Auflage eines neuen Substrats auf die mit

leitendem Werkstoff gefüllten Öffnungen des ersten

nicht leitenden Substrats.

zeigt den Auftrag des leitenden Werkstoffs auf das

neue, strukturierte, nicht leitende Substrat.

zeigt die Entfernung des oberen Teils des neuen

Substrats.

zeigt den Auftrag eines dritten, doppelseitig

isolierenden, nicht leitenden Substrats mit neu

strukturierter Oberfläche.

zeigt den Auftrag des leitenden Werkstoffs auf das

dritte, doppelseitig isolierende, strukturierte,

nicht leitende Substrat.

zeigt die Entfernung des oberen Teils des dritten

Substrats.

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Figur 10 zeigt korrosionsbeständig beschichtete Aufnahmepads.

Figur 11 zeigt den Auftrag eines vierten, doppelseitig isolierenden, nicht leitenden Substrats mit neu strukturierter Oberfläche auf die mit leitendem Werkstoff gefüllten Strukturen des dritten Substrats.

Figur 12 zeigt den Auftrag des Lotwerkstoffs auf das vierte Substrat.

Figur 13 zeigt die Entfernung des oberen Teils des vierten Substrats.

Figur 14 zeigt in einer Explosionsdarstellung die neue Leiterplatte.

Figur 15 zeigt die fertige Leiterplatte.

Figur 16 zeigt die Aufnahme verschiedener Bausteine auf die fertiggestellte Leiterplatte.

Ein doppelseitig isolierendes, nicht leitendes Substrat besteht gemäß Figur 1 aus zwei Schichten 3 und 4 und wird auf einem Träger 1 angebracht. Die obere dünne Schicht des isolierenden, doppelseitigen, nicht leitenden Substrats ist aus plastomerem Kunststoff und ist auf die Oberfläche der unteren dicken Schicht geklebt. Die Klebekraft, die die zwei Schichten 3 und 4 miteinander verbindet, soll eine Reibungskraft von ca. 50 N aushalten. Dies entspricht der Kraft, die nötig ist, um den Lotwerkstoff in die Öffnung des nicht leitenden Substrats zu füllen.

Die untere Schicht 3 des Substrats ist auf einen Träger geklebt. Die beiden Schichten 3 und 4 sind mit Aussparungen versehen, die mit leitendem Werkstoff 5 gemäß Figur 2 gefüllt werden. Der Auftrag wird mit einem Rakel 6 oder ähnlichen Verfahren durchgeführt. Nach dem Auftrag des leitenden Werkstoffs in die Aussparungen des Substrats wird die Oberschicht 4 gemäß Figur 3 entfernt und eine neues Substrat mit Schichten 7 und 8 aufgelegt, das mit neuen Aussparungen 9 gemäß Figur 4 versehen ist. Die Aussparungen ermöglichen eine Verbindung zwischen zwei Ebenen 5 und 9 aus leitendem Werkstoff,

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z.B. Leitpaste. Die neuen Aussparungen des Substrats mit Schichten 7 und 8 werden mit Werkstoff 5 gemäß Figur 5 gefüllt.

Danach wird die Oberschicht des doppelseitig isolierenden nicht leitenden Substrats 8 gemäß Figur 6 entfernt. Der Querschnitt der aufgebauten Leiterplatte verweist auf verschiedene Ebenen 3 und 7 mit verschiedenen leitenden Substratdepots 9 gemäß Figur 7. Die leitenden Substratdepots bilden Signalleiter bzw. Signalträger der verschiedenen Bausteine.

Ein neues, doppelseitig isolierendes, nicht leitendes Substrat 10 und 11 gemäß Figur 7 mit neuen Aussparungen 12 und wird auf die vorhandenen angebracht. Nach dem Auftrag des leitenden Werkstoffs 12 gemäß Figur 8 auf das dritte Substrat 10 und 11 sind einige Aussparungen mit leitendem Werkstoff gefüllt und miteinander verbunden.

0 Nach dem Auftrag wird die Oberseite 11 gemäß Figur 9 des Substrats abgetragen. Der Vorgang wird solange wiederholt bis eine gewünschte Lagenanzahl erreicht ist.

Nach der Strukturierung und der Bildung eines Aufnahmepads gemäß Figur 10 auf dem dritten Substrat 10 und der Abtragung der Oberschicht gemäß Figur 9 werden die Aufnahmepads 13 mit einem korrosionsbeständigen leitenden Material bedeckt.

Ein viertes, nicht leitendes Substrat 14 und 15 gemäß Figur 11, versehen mit neue Aussparungen 16, wird auf die strukturierten, korrosionsbeständig beschichteten Aufnahmepads gebracht .

Die neuen Aussparungen des Substrats 16 gemäß Figur 11, die ein Lotwerkstoffdepot für die Aufnahme der Signalleiter für Bausteine bilden, werden mit Lotwerkstoff 18 gemäß Figur 12 beschichtet.

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Nach dem Auftrag des Lotwerkstoffs wird die Oberschicht 15 gemäß Figur 13 vom Substrat entfernt.

Dabei entstehen an der Oberfläche des Substrats Vertiefungen, die mit Lotwerkstoff 18 gefüllt sind. Darauf werden Signalträger 24 und 25 gemäß Figur 16 für Bausteine 20 auf die Aufnahmepads 18 plaziert. Im Laufe des Lotprozesses werden die Signalanschlüsse der Bausteine in die Vertiefungen versenkt.

Die Stege 22 und 23, die zwischen den Vertiefungen entstehen, verhindern, dass Lotbrücken in diesem Bereich entstehen.

Das Verfahren, leitenden Werkstoff in die Aussparungen der Substrate zu bringen, kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden:

A. Die Substrate, als eine Einheit mit Schichten 3 und 4, versehen mit verschiedenen Strukturen 2 gemäß Figur 1, werden auf der Oberfläche einer Epoxidharzplatte angebracht und danach mit leitender Paste gefüllt.

B. Als Einheit werden die Substrate bereits mit leitender Paste gefüllt geliefert und als solche auf die Oberfläche der Epoxidharzplatte angebracht.

C. Die nicht leitenden Substrate werden als zwei Komponenten 14 und 15 gemäß Figur 14 auf die Oberfläche der Epoxidharzplatte aufgebracht, danach werden die Aussparungen gemäß Figur 15 mit Rakel, Dispenser oder ähnlichen Verfahren mit Lotwerkstoff gefüllt.

D. Nach jedem Auftrag von Lotwerkstoff werden die Oberschichten der Substrate entfernt.

E. Zwei aufeinander geschichtete Substrate werden auf die Leiterplatte aufgebracht und mit Hilfe von z.B. Laser-, Ätz- oder ähnlicher Verfahren über der gesamten Dicke des Substrats Aussparungen abgetragen. Danach werden die Aussparungen mit Lotwerkstoff durch z.B. Rakel gefüllt.

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Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:

- Nach Auftrag des Lotwerkstoffs wird die Oberschicht der nicht leitenden Substrate entfernt.

- Nach Lotwerkstoffauftrag und Abziehen der Oberschicht der nicht leitenden Substrate weist die Oberschicht der Substrate eine saubere und zinnfreie Oberfläche auf. Wegfall der Markierungen auf der Oberfläche der Leiterplatte.

- Mehr Platz auf der Oberfläche der Leiterplatte durch den Wegfall der Markierungen.

- Keine speziellen Reinigungsmittel.

- Dadurch keine Zeitverzögerung bei der Herstellung.

- Beim Schmelzvorgang tauchen die Pins der Bauelemente in die Vertiefungen der nicht leitenden Substrate. Dabei spielt die Dicke der nicht leitenden Substrate keine relevante Rolle.

- Beschaffung einer Siebdruckmaschine entfällt.

- Wiederverwendung der abgetragenen nicht leitenden Substräte.

- Durch den Auftrag der leitenden Werkstoffe in die Aussparungen der nicht leitenden Substrate entsteht kein Abfall. Nach jedem Auftragsprozess auf die Oberfläche der nicht leitenden Substrate und nach der Abtragung der Oberschicht der nicht leitenden Substrate ist die Oberfläche der Oberschicht der nicht leitenden Substrate frei von jeglichen leitenden Substraten bzw. Lotwerkstoff.

- Durch die Aussparung entlang der beiden Schichten der nicht leitenden Substrate entstehen Stege. Bei Bausteinen mit Pinabstand <= 0,3 mm dienen die Stege als Wand zwischen, zwei Lotwerkstoffdepots und verhindern so, dass der Lotwerkstoff zwischen beiden Anschlusspads eines Bausteins Zinnbrücken bilden.

Bei der Erwärmung der Leiterplatte sinken die Pins der Bausteine in die Aussparungen der nicht leitenden Substrate.

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Obwohl in dem Ausführungsbeispiel lediglich die Herstellung einer Leiterplatte mit mehreren Lagen elektrischer Leiter auf einer Seite eines Trägers beschrieben wurde, ist die Erfindung ohne Einschränkung auch zur Herstellung von Leiterplatten mit beliebiger Lagenzahl sowie mit Leiterlagen auf beiden Seiten eines Trägers anwendbar.

Je nach Art der verwendeten Leiterpaste wird diese durch Wärmeeinwirkung in einem Ofen oder durch Bestrahlung, nachdem sie in die jeweiligen Vertiefungen eingebracht wurde, ausgehärtet.

Claims

1. Leiterplatte mit einem Träger aus einem nicht leitenden Substrat (3, 4) zur Aufnahme von elektrischen oder optischen Verbindungen von Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus zumindest zwei Schichten (3, 4) nicht leitenden Materials besteht.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (3, 4) unterschiedlich dick sind.

3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des nicht leitenden Substrats mit verschiedenen Aussparungen (2) versehen ist.

4. Leiterplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der unteren Schicht (3) des nicht leitenden Substrats mit einer Klebeschicht versehen ist.

5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die untere klebende Seite der unteren Schicht (3) des nicht leitenden Substrats auf der Oberfläche eines Substrats so angebracht ist, dass die Aussparungen (2) Aufnahmepads (5) umhüllen.

6. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen mit leitendem Werkstoff (5) gefüllt sind.

7. Leiterplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen mit Lotwerkstoff (18) gefüllt sind.

8. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (1) besteht.

9. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine flexible Folie ist.

10. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen des Lotwerkstoffs die obere dünne Schicht (4) des nicht leitenden Substrats abziehbar ist.

11. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Werkstoffe durch Wärmeeinwirkung gehärtet werden.