WO2000054561A1 - Verfahren zur erhöhung der fertigungssicherheit von lötverbindungen - Google Patents

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Definitions

  • a printing screen which has openings associated with via holes in the printed circuit board.
  • the printing screen provided with a silver conductive paste layer is placed on the printed circuit board and the underside of the printed circuit board is exposed to an atmospheric negative pressure, as a result of which the hohlzylinderformige silver paste, slocher on the walls of the via anlie 'SBu k walls electrical conductor forms
  • the method according to the invention for increasing the manufacturing reliability of solder connections allows the use of fully automatic optical solder point control systems with low error rates.
  • a second metallization layer to a preceding first metallization layer which can consist, for example, of an AgPd thick layer paste Wetting ability for the solder is considerably improved, so that an improved solder rise can be achieved, in particular at contact changes on ceramic supports.
  • the associated increase in the total metal layer thickness brings about an increase in the resistance to the alloying of the metallization during soldering, the "leachmg" effect
  • plated-through holes are produced by sucking or printing on conductive materials
  • plated-through holes can be produced by separating plated-through holes in their symmetries.
  • a first metallization layer is first applied, onto which a second Process step a second metallization layer is printed on.
  • a first metallization layer advantageously consists of a corrosion-resistant material, such as AgPd thick-film metal.
  • the first metallization layer is provided with a further metallization layer, which contributes significantly to one Improved wetting ability of the first metallization layer by the solder in the second metallization Erungstik preferably consists of a noble metal layer, such as Au, which has better wetting ability and whose wetting angle is ⁇ 60 °
  • a sufficient layer thickness which is dimensioned in this
  • the second metallization layer in accordance with the invention By applying the second metallization layer in accordance with the invention, the total metallization layer thickness in the edge area is increased, the wetting ability is improved so that the solder rises sufficiently.
  • a second metallization layer for example made of Au
  • this disadvantage can be caused by AgPd as the first metallization layer
  • the combination of both metallization layers in the production of the plated-through holes in the ceramic carrier lays the foundation for improving the change in plugs resulting from the separation of the plated-through holes so that fully automatic solder point control systems can be used, which measure the solder points and ensure that the prerequisites for one Meaningful fully automatic measurement, namely a sufficient solder level, is guaranteed
  • FIG. 2 shows a contact changeover formed on a ceramic carrier, an optical solder point control system being arranged opposite it
  • FIG. 1 shows a ceramic carrier 1, on which a via 17 is made.
  • a sensor element 3 is located on the top 2 of the ceramic carrier 1.
  • the through-contact 17 consists of a first metallization layer 5 which is applied to the edges of the ceramic carrier 1.
  • this metallization layer can be applied or also printed on by applying a vacuum.
  • This first metallization layer 5 preferably consists of silver conductive paste or an AgPd thick-film paste, which has a high corrosion resistance and which is very resistant to alloying, the removal of the metallization during the soldering process. This material requirement is met to a high degree by a first metallization layer 5 consisting of AgPd.
  • FIG. 1 shows a ceramic carrier 1, on which a via 17 is made.
  • a sensor element 3 is located on the top 2 of the ceramic carrier 1.
  • the through-contact 17 consists of a first metallization layer 5 which is applied to the edges of the ceramic carrier 1.
  • this metallization layer can be applied or also printed on by applying a vacuum.
  • the first metallization layer 5 is provided in a further method step with a second metallization layer 6, which primarily improves the wetting properties of the first metallization layer 5.
  • the second metallization layer 6 therefore consists of a noble metal which improves the wetting, for example Au
  • the via 17 can have a diameter of 300 ⁇ m, for example, by separating the Through-contacts 17 at the separation point 4 result in through-contacts 18, as are shown in simplified form for example in FIG. 2.
  • a ceramic carrier 1 is shown, the change in contact 18 of which resulted from a via 17 in accordance with FIG. 1
  • a changeover 18 has resulted from the through-contact 17 on the ceramic support 1.
  • the via 18 covering the edge region of the ceramic carrier 1, like the via 17, consists of a first metallization layer 5, for example AgPd thick-film paste and a second metallization layer 6, for example made of Au or another material which advantageously improves the wetting.
  • Control optics 12 are arranged opposite the contact changeover 18. This comprises a radiation source 14, a converging lens 15 and a lens 16 which focuses the beam 13 onto the solder connection 7 to be detected.
  • An evaluation unit (not shown in detail here) is connected to the control optics 12 and can be used to evaluate the measurement results recorded by the control optics 12
  • solder connection 7 By means of a solder connection 7, the changeover contact 18 is connected to a base 9 arranged perpendicularly to it, which is received on the upper side of a printed circuit board 10.
  • the quality of a solder connection 7 can advantageously be checked and measured by measuring the solder ascent of the solder bead 7 in its edge region 8 and concluding that the solder connection 7 is correct or defective.
  • the greatly improved wetting ensures that the solder rises so that its edge region 8 is detected by beam 13 of the control optics 12. If the solder connection was not carried out correctly, a solder ascent up to the edge region 8 would not be guaranteed. the Lotrochieri up to the coverage area through the Beams 13 would not be present, the soldered connection 7 would thus not be identified as correct by the evaluation unit arranged downstream of the control optics 12.
  • the printing of a second metallization layer 6 according to the invention on the first metallization layer 5 also has the advantage that a layer thickness in the edge region which is not sufficient when the first metallization layer 5 is printed on can be compensated for process-technical reasons. If the layer thickness is too small in the edge area, the alloying layer is preferably removed there during soldering, which must be prevented.
  • an undesirable total layer thickness of the AgPd layer thickness alone is avoided; the use of a second metallization layer 6 made of a material that improves the wetting ability of the first metallization layer 5 allows both a sufficient overall layer thickness in the edge region and a sufficient solder level at the solder connection 7 of the changeover contact 18, which can be reliably detected optically.
  • the selection criterion for the second metallization layer 6 is the wetting behavior, which can be characterized by the wetting angle D.
  • a wetting angle ⁇ of 0 ° characterizes an excellent one
  • the AgPd thick-film paste selected as the first metallization layer 5 has a wetting angle ⁇ of 60 °.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lötverbindungen (7) zwischen einem Keramikträger (1) und einer Leiterplatte (10). Es umfasst den Verfahrensschritt des Aufbringens einer ersten ablegierungsbeständigen Metallisierungsschicht (5) am Keramikträger (1) und des sich anschliessenden Aufdruckens einer zweiten, das Benetzungsverhalten steigernden Metallisierungsschicht (6) auf die erste Metallisierungsschicht (5). Dadurch ist eine Erhöhung der Gesamtmetallisierungsschichtdicke (5, 6) im Kantenbereich (8) einer Lötverbindung (7) erzielbar, deren Lothochstieg wiederum eine optische vollautomatische Kontrolle der Lötverbindung (7) ermöglicht.

Description

Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheir von Lötverbindungen
Technisches Gebiet
Mittels des erfmdungsgεmaßen Verfahrens zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lotverbindungen laßt sich die Qualität der Lotverbindungen durch vollautomatische Lotstellenkontrollsysteme besser überwachen
Stand der Technik
Bei einem Verfahren zur Durchkontaktierung von zweiseitig beschichteten Leiterplatten mittels Silberleitpaste, wird ein Drucksieb verwendet, welches Durchkontaktierungslochern der Leiterplatte zugeordnete Offnungen aufweist Bei diesem Verfahren wird das mit einer Silberleitpastenschicht versehene Drucksieb auf die Leiterplatte gelegt und die Unterseite der Leiterplatte einem atmosphärischen Unterdruck ausgesetzt, wodurch die Silberleitpaste hohlzylinderformige, an den Wandungen der Durchkontaktierung slocher anlie 'sgeknde elektrische Leiter bildet
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Durchkontaktierungslocher mit einer Verzinnung zu versehen, um die Haftung des Lotes zu verbessern Bei Keramiktragern kann jedoch Zinn nicht verwendet werden, auf dem Keramiktrager angeordnete Sensoren konnten durch die aufgebrachte Verzinnung beeinträchtigt werden Darstellung der Erfindung
Das erfindungsgemaße Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lotverbindungen erlaubt den Einsatz vollautomatischer optischer Lotstellenkontrollsvsteme mit niedrigen Fehlerraten Gegenüber bekannten Verfahren zur Durchkontaktierung von Leiterplatten, wird durch das Aufbringen einer zweiten Metallisierungsschicht auf eine vorhergehende erste Metallisierungsschicht, die beispielsweise aus einer AgPd-Dickschichtpaste bestehen kann, die Benetzungsfahigkeit für das Lot erheblich verbessert, so daß ein verbesserter Lothochstieg insbesondere an Umkontaktierungen an Keramiktragern erzielbar ist Die damit einhergehende Erhöhung der Gesamtmetalhsierungsschichtdicke bewirkt eine Erhöhung der Beständigkeit gegen das Ablegieren der Metallisierung beim Loten, dem „Leachmg"-Effekt
Bei Keramiktragern, Leiterplatten oder dergleichen, werden Durchkontaktierungen durch Ansaugen oder Aufdrucken von leitenden Werkstoffen gefertigt, Umkontaktierungen lassen sich durch Trennung von Durchkontaktierungen in ihren Symmetπehnien herstellen Bei der Herstellung von Durchkontaktierungen in Keramiktragern oder Leiterplatten wird zunächst eine erste Metallisierungsschicht aufgebracht, auf welche in einem zweiten Verfahrensschritt eine zweite Metallisierungsschicht aufgedruckt wird In vorteilhafter Weise besteht eine erste Metallisierungsschicht aus einem korrosionsbeständigen Material, wie beispielsweise AgPd-Dickschichtmetall Zur Erhöhung der Gesamtmetallisierungsschicht und zur Verbesserung der Benetzungsfahigkeit der zweiten Metallisierungsschicht, wird die erste Metallisierungsschicht mit einer weiteren Metallisierungsschicht versehen Diese tragt maßgeblich zu einer verbesserten Benetzungsfahigkeit der ersten Metallisierungsschicht durch das Lot bei Die zweite Metallisierungsschicht besteht vorzugsweise aus einer Edelmetallschicht, wie beispielsweise Au, welches bessere Benetzungsfahigkeiten aufweist und deren Benetzungswmkel < 60° ist Mittels des erfmdungsgemaßen Verfahrens laßt sich im Kantenbereich der Metallisierungsschicht eine ausreichende Schichtdicke erreichen, die so bemessen ist. daß auch im Auslaufbereich der Metallisierungsschicht noch Material vorhanden ist Ist dort genügend Metallisierungsmaterial vorhanden, laßt sich dort die Benetzungsfahigkeit auf einem hohen Niveau halten, ist auch im Kantenbereich der Metallisierungsschicht ein Hochstieg des Lotes durch die gute Benetzungsfahigkeit gewahrleistet Dies wiederum unterstutzt den Einsatz vollautomatischer Lotstellenkontrollsysteme, da so ein Lothochstieg erzielbar ist, der zuverlässig durch ein vollautomatisches Lotstellenkontrollsystem detektierbar ist
Mittels des erfmdungsgemaßen Aufbringens der zweiten Metallisierungsschicht wird die Gesamtmetallisierungsschichtdicke im Kantenbereich erhöht, die Benetzungsfahigkeit so verbessert, daß das Lot ausreichend hochsteigt Da eine zweite Metallisierungsschicht, beispielsweise aus Au, mit dem Nachteil des Ablegierens behaftet sein kann, kann dieser Nachteil durch AgPd als erste Metallisierungsschicht ausgeglichen werden Die Kombination beider Metallisierungsschichten bei der Herstellung der Durchkontaktierungen im Keramiktrager legt die Grundlage dafür, um die nach der Trennung der Durchkontaktierung entstehenden Umkontaktierungen so zu verbessern, daß vollautomatische Lotstellenkontrollsysteme einsetzbar sind, die die Lotstellen nachmessen und sichergestellt ist, daß die Voraussetzung für eine aussagekräftige vollautomatische Messung, nämlich ein ausreichender Lothochstieg, gewährleistet ist
Zeichnung
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert Es zeigt die.
Figur 1 eine mit zwei Metallisierungsschichten versehene Durchkontaktierung eines Keramiktragers und die
Figur 2 eine an einem Keramiktrager ausgebildete Umkontaktierung, der gegenüberliegend ein optisches Lotstellenkontrollsystem angeordnet ist
Ausfuhrungsbeispiel
Figur 1 zeigt einen Keramiktrager 1, an dem eine Durchkontaktierung 17 ausgeführt ist. Auf der Oberseite 2 des Keramiktragers 1 befindet sich ein Sensorelement 3. Die Durchkontaktierung 17 besteht aus einer ersten Metallisierungsschicht 5, die auf die Kanten des Keramiktragers 1 aufgebracht ist, dazu kann dieses Metallisierungsschicht mittels Anlegen von Unterdruck aufgebracht oder auch aufgedruckt werden. Vorzugsweise besteht diese erste Metallisierungsschicht 5 aus Silberleitpaste oder einer AgPd-Dickschichtpaste, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und welche sehr bestandig gegen das Ablegieren, den Abtrag der Metallisierung beim Lotvorgang, ist Dieser Materialanforderung wird eine erste Metallisierungsschicht 5 bestehend aus AgPd in hohem Maße gerecht. Gemäß Figur 1 wird die erste Metallisierungsschicht 5 in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer zweiten Metallisierungsschicht 6 versehen, welche in erster Linie die Benetzungseigenschaften der ersten Metallisierungsschicht 5 verbessert. Die zweite Metallisierungsschicht 6 besteht daher aus einem die Benetzung verbessernden Edelmetall, beispielsweise Au
In Figur 1 ist eine Durchkontaktierung 17 dargestellt, welche an Ober- und Unterseite des Keramiktragers 1 ausgebildet ist; die Durchkontaktierung 17 kann beispielsweise einen Durchmesser von 300 μm haben Durch Trennung der Durchkontaktierung 17 an der Trennstelle 4 erhält man Umkontaktierungen 18, wie sie beispielsweise in Figur 2 in vereinfachter Form dargestellt sind.
In der Darstellung gemäß Figur 2 ist ein Keramiktrager 1 gezeigt, dessen Umkontaktierung 18 aus einer Durchkontaktierung 17 gemäß Figur 1 hervorgegangen ist
Nach der Trennung des Keramiktragers 1 an der Trennstelle 4 ist aus der Durchkontaktierung 17 am Keramiktrager 1 eine Umkontaktierung 18 hervorgegangen. Die den Kantenbereich des Keramiktragers 1 abdeckende Umkontaktierung 18 besteht wie die Durchkontaktierung 17 aus einer ersten Metallisierungsschicht 5, beispielsweise AgPd-Dickschichtpaste und einer zweiten Metallisierungsschicht 6, beispielsweise aus Au oder einem anderen, die Benetzung in vorteilhafter Weise verbessernden Material. Der Umkontaktierung 18 gegenüberliegend ist eine Kontrolloptik 12 angeordnet. Diese umfaßt eine Strahlungsquelle 14, eine Sammellinse 15, sowie eine Linse 16, welche das Strahlenbundel 13 auf die zu detektierende Lotverbindung 7 fokussiert. Mit der Kontrolloptik 12 ist eine hier im einzelnen nicht dargestellte Auswerteeinheit verbunden, mit der eine Auswertung der durch die Kontrolloptik 12 aufgenommene Meßergebnisse erfolgen kann
Mittels einer Lotverbindung 7 wird die Umkontaktierung 18 mit einem senkrecht zu dieser angeordneten Sockel 9 verbunden, der an der Oberseite einer Leiterplatte 10 aufgenommen ist. Die Güte einer Lotverbindung 7 kann in vorteilhafter Weise dadurch kontrolliert und gemessen werden, daß der Lothochstieg der Lotraupe 7 in deren Kantenbereich 8 gemessen wird und daraus auf eine korrekte bzw. mangelhafte Lotverbindung 7 geschlossen wird. Durch das Aufdrucken der zweiten Metallisierungsschicht 6 wird durch die stark verbesserte Benetzung erreicht, daß das Lot so hochsteigt, daß dessen Kantenbereich 8 von Strahlenbündel 13 der Kontrolloptik 12 erfaßt wird Bei einer nicht korrekt ausgeführten Lotverbindung wäre ein Lothochstieg bis in den Kantenbereich 8 nicht gewahrleistet, der Lothochstieg bis in den Erfassungsbereich durch das Strahlenbündel 13 unterbliebe, die Lötverbindung 7 würde somit von der der Kontrolloptik 12 nachgeordneten Auswerteeinheit als nicht korrekt identifiziert.
Bei Einsatz einer zweiten Metallisierungsschicht 6, die die Benetzungsfahigkeit der ersten Metallisierungsschicht 5 verbessert, sind die Voraussetzung für ein Lothochstieg bis in den Erfassungsbereich durch das Strahlenbündel 13 geschaffen. Diese Grundvoraussetzung ist für alle zu fertigenden Lötverbindungen gleich. Da alle Lötverbindungen 7 unter das Fließverhalten des Lotes günstig beeinflussenden Voraussetzungen gefertigt werden können, ist die Aussagefähigkeit der Messungen durch die Kontrolloptik 12 sehr zuverlässig. In automatisierten Fertigungsprozessen lassen sich somit vollautomatische optische Kontrolleinrichtungen 12 zur Kontrolle von der Güte von Lotverbindungen 7 einsetzen.
Das erfindungsgemäße Aufdrucken einer zweiten Metallisierungsschicht 6 auf die erste Metallisierungsschicht 5 hat zudem den Vorteil, daß eine beim Aufdrucken der ersten Metallisierungsschicht 5 aus prozeßtechnischen Gründen nicht ausreichende Schichtdicke im Kantenbereich ausgeglichen werden kann. Ist im Kantenbereich die Schichtdicke zu gering, setzt dort bevorzugt das Ablegieren der Metallisierungsschicht beim Löten ein, dem vorgebeugt werden muß. Durch das Aufdrucken der zweiten Metallisierungsschicht 6 wird eine unerwünschte Gesamtschichtdicke der AgPd-Schichtdicke allein vermieden; der Einsatz einer zweiten Metallisierungsschicht 6 aus einem die Benetzungsfahigkeit der ersten Metallisierungsschicht 5 verbessernden Material erlaubt sowohl eine ausreichende Gesamtschichtdicke im Kantenbereich, als auch einen ausreichenden Lothochstieg an der Lotverbindung 7 der Umkontaktierung 18, die sicher optisch erfaßt werden kann.
Das Auswahlkriterium für die zweite Metallisierungsschicht 6 ist das Benetzungsverhalten, was sich durch den Benetzungswmkel D charakterisieren läßt. Ein Benetzungswmkel α von 0° charakterisiert ein hervorragendes
Benetzungsverhalten, während ein Benetzungswmkel α = 90° ein ausgesprochen ungünstiges Benetzungsverhalten kennzeichnet. Die als erste Metallisierungsschicht 5 gewählte AgPd-Dickschichtpaste hat einen Benetzungswmkel α von 60°.
Teileliste
1 Keramikträger
2 Trägeroberseite
3 Sensorelement
4 Trennstelle
5 erste Metallisierungsschicht
6 zweite Metallisierungsschicht
7 Lotraupe
8 Kantenbereich
9 Sockel
10 Leiterplatte
11 Oberseite
12 Kontrolloptik
13 Strahlenbündel
14 Strahlungsquelle
15 Sammellinse
16 Linse
17 Durchkontaktierung
18 Umkontaktierung (= halbe Durchkontaktierung)

Claims

Patentansprüche
1 Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lotverbindungen (7) zwischen einem Keramiktrager (1) und einer Leiterplatte (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
Dem Aufbringen einer ersten ablegierungsbestandigen Metallisierungsschicht (5) am Keramiktrager (1), dem Aufdrucken einer zweiten das Benetzungsverhalten steigernden Metallisierungsschicht (6) auf die erste
Metallisierungsschicht (5) und dem Erhöhen der Gesamtmetallisierungs- schichtdicke (5, 6) im Kantenbereich (8) einer Lotverbindung (7)
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramiktrager (1) im Bereich von Durchkontaktierungen (17) getrennt wird.
3 Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierung (17) mit einer ersten Metallisierungsschicht (5) einer Dickschichtpaste versehen ist
4 Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Durchkontaktierung (17) eine zweite Metallisierungsschicht (6) aufgedruckt ist
5 Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallisierungsschicht (5) aus korrosionsbeständigem Material besteht
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallisierungsschicht (5) aus AgPd-Dickschichtpaste besteht
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als zweite Metallisierungsschicht (6) eine gut benetzbare Edelmetallschicht verwendet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallisierungsschicht (6) aus Au besteht.
9. Verfahren gemäß .Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die z-weite Metallisierungsschicht (6) aus einem Material mit einem Benetzungs- winkel α < 60° gebildet ist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umkontaktierung (18) an einem Keramikträger (1) einer halben Durchkontaktierung (17) entspricht.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung (7) an der Umkontaktiertung (18) und einem senkrecht dazu verlaufenden Sockel (9) plaziert ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Aufdruckens der zweiten Metallisierungsschicht (6) die Metallisierungsschichtdicke im Kantenbereich (8) der Lötverbindung (7) gesteigert wird.
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