AT10735U1 - Verfahren zur herstellung einer leiterplatte sowie verwendung und leiterplatte - Google Patents

Description

AT10 735 U1 2009-09-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Festlegung einer Komponente an bzw. in einer Leiterplatte und/oder zur Verbindung von einzelnen Elementen einer Leiterplatte, sowie auf eine Verwendung eines derartigen Verfahrens und auf eine Leiterplatte.

[0002] Im Zusammenhang mit der Herstellung einer Leiterplatte und insbesondere der Festlegung von Komponenten an bzw. in einer Leiterplatte und/oder zur Verbindung von einzelnen Elementen einer Leiterplatte beispielsweise bei der Herstellung einer starr-flexiblen Leiterplatte werden gemäß dem derzeitigen Stand der Technik hauptsächlich drei Verfahren angewandt, wobei hiebei insbesondere auf ein Drahtbonden, ein Löten und ein Kleben mit elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Klebefolien bzw. Klebstoffen verwiesen werden kann. Bei der Herstellung von starr-flexiblen Leiterplatten sind darüber hinaus auch einen großen Raumbedarf aufweisende Steckersysteme bekannt.

[0003] Beim Drahtbonden wird durch Zufuhr von Ultraschall, Wärme und Druck ein beispielsweise aus Gold oder Aluminium gebildeter Draht mit einem Kontaktpad bzw. einer Kontaktstelle einer elektronischen Komponente verbunden und dann auf eine damit zu verbindende Kontaktfläche bzw. einen damit zu verbindenden Bereich an einer Leiterplatte gezogen, wo der Vorgang einer Verbindung bzw. eines Bondens, beispielsweise durch Ultraschall, Wärme und/oder Druck wiederholt wird. Neben hohen Kosten eines derartigen Bondverfahrens liegen die Hauptnachteile in einer sequentiellen Abfolge einer Herstellung der einzelnen Verbindungen, so daß kein paralleler Prozeß durchgeführt werden kann und insbesondere jeder Kontakt bzw. jeder zu kontaktierende Bereich getrennt hergestellt werden muß, so daß sich insgesamt ein aufwendiges Verfahren ergibt. Darüber hinaus tritt bedingt durch die Art der verwendeten Metalldrähte eine teilweise hohe thermische Belastung der zu verbindenden bzw. anzuschließenden Komponenten bzw. Elemente bei Temperaturen von beispielsweise bis zu etwa 300 °C und gegebenenfalls mehr auf, wobei darüber hinaus eine lediglich durchschnittliche und in vielen Fällen unzureichende Zugfestigkeit der Drahtverbindung erzielbar ist.

[0004] Bei einem Lötvorgang wird beispielsweise nach einer Aufbringung von Lötpastendepots eine Anordnung von Komponenten bzw. miteinander zu verbindenden Elementen oder Teilbereichen einer Leiterplatte auf den angeordneten Lötpastendepots bzw. -stellen vorgenommen, worauf anschließend durch eine Erwärmung der gesamten Baugruppe, welche beispielsweise aus den Komponenten und einem Träger eines damit zu verbindenden Teilbereichs einer Leiterplatte besteht, in einem sogenannten Reflow-Ofen eine Verbindung durch ein Aufschmelzen der Lötpaste vorgenommen wird. Vor allem bei bleifreien Loten sind hiezu zumindest kurzfristig Temperaturen über 240 °C, insbesondere über 265 °C nötig, wobei dies eine entsprechende Belastung für die Leiterplatte bzw. für mit den Komponenten zu verbindende Teilbereiche der Leiterplatte darstellt und zu einer Lösung von einzelnen Leiterplattenschichten bzw. Delaminati-on führen kann.

[0005] Bei der Verwendung von elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Klebefolien bzw. Klebstoffen muß beispielsweise aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Füllstoffgehalt der elektrisch leitenden Bestandteile, welche für eine erreichbare Leitfähigkeit relevant ist, und im Hinblick auf eine zu erzielende Haftfestigkeit ein Ausgleich gesucht werden, so daß üblicherweise lediglich eine begrenzte Leitfähigkeit erzielt werden kann, ohne die Klebeeigenschaft deutlich nachteilig zu beeinflussen. Darüber hinaus treten bei einer Erwärmung von verklebten Elementen, welche beispielsweise aus einer Komponente bzw. einer Mehrzahl von elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte bestehen, unterschiedlich starke Dimensionsänderungen in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien auf, wobei insbesondere teilweise starke Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten von beispielsweise Keramiken, welche im Fall passiver Komponenten eingesetzt werden, Silizium im Fall aktiver Komponenten sowie der für die Klebefolien bzw. Klebstoffe eingesetzten Kunststoffe als auch beispielsweise Kupfer im Bereich von leitenden Kontaktstellen bzw. Pads oder Leiterbahnen der Leiterplatte auftreten, so daß 1/11 teiÄses patcBiamt AT 10 735 U1 2009-09-15 dies bei Temperaturschwankungen bzw. Temperaturwechselbelastungen zu einer Beeinträchtigung und Zerstörung der Kontaktstellen bzw. Kontaktbereiche unter Vermittlung von leitenden Klebern bzw. Klebstoffen führen kann.

[0006] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art die oben genannten Nachteile im Hinblick auf die Probleme einer Aufrechterhaltung einer ordnungsgemäßen Kontaktierung bzw. Festlegung einer Komponente an bzw. in einer Leiterplatte und/oder Verbindung einzelner Elemente einer Leiterplatte zu vermeiden und insbesondere eine widerstandsfähige und eine verbesserte bzw. erhöhte Zugfestigkeit aufweisende Verbindung bzw. Festlegung wenigstens einer Komponente an bzw. in einer Leiterplatte und/oder zwischen einzelnen Elementen einer Leiterplatte sowie eine Leiterplatte mit einer verbesserten Anhaftung einzelner Komponenten und/oder Teilbereiche zur Verfügung zu stellen.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgaben ist ein Verfahren der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß miteinander zu verbindende bzw. aneinander festzulegende Bereiche einer Komponente und/oder einer Leiterplatte jeweils mit wenigstens einer Lotschicht versehen werden, daß die Lotschichten miteinander kontaktiert werden und unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht untereinander verbunden werden. Da nach einem Aufbringen jeweils wenigstens einer Lotschicht auf miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereichen einer Komponente und einer Leiterplatte bzw. von Teilbereichen bzw. -elementen einer Leiterplatte die Lotschichten miteinander kontaktiert und unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht untereinander bzw. miteinander verbunden werden, läßt sich unter Ausbildung von Legierungen bzw. Verbindungen zwischen den aneinander angrenzenden bzw. miteinander kontaktierten Lotschichten eine ordnungsgemäße und hochfeste Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Komponenten und/oder Elementen einer Leiterplatte sicherstellen, wobei gegenüber bekannten Verfahren erhöhte Zugfestigkeiten sowie eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Zerstörung insbesondere während eines Einsatzes beispielsweise unter wechselnden Temperaturbedingungen bzw. -beanspruchungen erzielbar sind. Durch die Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht zur Verbindung von miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereichen, insbesondere Kontaktstellen einer Komponente sowie Elementen einer Leiterplatte kann eine Annäherung bzw. Abstimmung beispielsweise der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien erzielt werden, so daß selbst bei schwankenden Temperaturbeanspruchungen durch eine Anpassung bzw. Vergleichmäßigung der Ausdehnungskoeffizienten der zur Verbindung herangezogenen Materialien eine starke Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Beeinträchtigung oder Zerstörung der Verbindung erzielt werden kann. Darüber hinaus ist durch den Festle-gungs- bzw. Verbindungsvorgang sichergestellt, daß sowohl die anzuordnenden bzw. festzulegenden Komponenten als auch die Leiterplatte bzw. die zu kontaktierenden oder zu verbindenden Teilbereiche der Leiterplatte beispielsweise einer rigid-flex bzw. starr-flexiblen Leiterplatte einer gleichmäßigeren und insbesondere geringeren thermischen Belastung beispielsweise im Vergleich zu einem bekannten Löt- oder Drahtbonden ausgesetzt sind. Durch Einsatz eines Diffusionslötverfahrens bzw. Schmelzdiffusionslötverfahrens unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zur Ausbildung der intermetallischen Diffusionsschicht erfolgt ein Diffundieren der Materialien bzw. Bestandteile der miteinander kontaktierten Lotschichten ineinander, so daß eine hochfeste Verbindung durch die Diffusion der Lotschichten ineinander bzw. miteinander erzielbar ist. Es können hiebei intermetallische Phasen oder Legierungen zwischen den zur Ausbildung der intermetallischen Diffusionsschicht eingesetzten Materialien auftreten bzw. erzeugt werden, wobei zu beachten ist, daß eine derartige Diffusion der Materialien ineinander bei Temperaturen auftritt, welche weit unterhalb der Schmelztemperaturen der für die Lotschichten jeweils eingesetzten Rohmaterialien liegen, wie dies nachfolgend im Detail noch näher erörtert werden wird. 2/11 ijitirriiWiSF'fiS pätsmamt AT 10 735 U1 2009-09-15 [0008] Zur Durchführung des Diffusionslötverfahrens bei Druck- und Temperaturbedingungen, welchen auch Teilbereiche einer Leiterplatte ohne Beeinträchtigung aussetzbar sind und zur gleichzeitigen Erzielung einer ordnungsgemäßen Verbindung bzw. Festlegung durch Diffusion der für die jeweiligen Lotschicht bzw. Lotschichten herangezogenen Materialien wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß die wenigstens eine Lotschicht aus einem elektrisch leitenden Metall, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Silber, Gold, Nickel und Kupfer und/oder Zinn, Indium und Wismut gebildet wird. Die genannten Materialien weisen eine entsprechende gute bzw. hohe elektrische Leitfähigkeit auf, welche zur Erzielung einer ordnungsgemäßen Kontaktierung zwischen den miteinander zu verbindenden Bereichen bzw. Kontaktstellen einer Komponente und/oder Leiterplatte erforderlich sind, und stellen darüber hinaus sicher, daß insbesondere bei vergleichsweise niedriger Temperatur bei Einsatz eines entsprechenden Drucks für einen entsprechenden Zeitraum eine zuverlässige intermetallische Verbindung zwischen den Lotschichten der miteinander zu verbindenden Komponenten bzw. Elementen erzielbar ist.

[0009] Um eine Diffusion der zur Ausbildung der intermetallischen Diffusionsschicht als Lotverbindung eingesetzten Materialien in die Kontaktstellen bzw. -bereiche der miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Komponenten oder Elemente zu verhindern, wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß vor dem Aufbringen der wenigstens einen Lotschicht eine Barriereschicht auf den miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereichen einer Komponente und/oder einer Leiterplatte aufgebracht wird. Diese Barriereschicht verhindert eine Diffusion der Lotmaterialien bzw. der Elemente der entstehenden intermetallischen Verbindung oder gegebenenfalls entstehenden Legierung in den Bereich der miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereiche bzw. Kontaktstellen der Komponente und/oder der Leiterplatte.

[0010] Zur zuverlässigen Ausbildung einer Barriereschicht unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer ausreichenden Leitfähigkeit sowie einer zuverlässigen Verbindung mit den daran anschließenden Bereichen bzw. Kontaktstellen der miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Komponenten und Elemente als auch der darüber hinaus anzuordnenden, wenigstens einen Lotschicht wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die Barriereschicht aus einem elektrisch leitenden Metall, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Nickel, Eisen oder Molybdän und/oder Legierungen enthaltend Nickel und/oder Eisen gebildet wird.

[0011] Zur Unterstützung des Schmelzdiffusionsvorgangs zur Verbindung der miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereiche, insbesondere Kontaktstellen wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß zwei unterschiedliche Lotschichten jeweils auf einen zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereich aufgebracht werden. Durch Anordnung bzw. Aufbringung von zwei unterschiedlichen Lotschichten kann nach der Kontaktierung der miteinander zu verbindenden Bereiche durch entsprechende Auswahl der unmittelbar aneinander anliegenden Lotschichten beispielsweise eine Initiierung bzw. Einleitung des Diffusionsvorgangs gezielt vorgenommen werden, während eine fortschreitende bzw. weitergehende Verbindung unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht geregelt bzw. gesteuert durch Vorsehen einer weiteren Lotschicht erzielbar ist. In diesem Zusammenhang können die unterschiedlichen Lotschichten beispielsweise im Hinblick auf ihre Schmelztemperatur gewählt werden, wobei beispielsweise jeweils eine Lotschicht eines Materials niedriger Schmelztemperatur an der Oberseite der miteinander zu verbindenden Bereiche festgelegt wird, woran anschließend eine Lotschicht aus einem Material höherer Schmelztemperatur und gegebenenfalls verbesserter bzw. erhöhter elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt wird, so daß darüber hinaus während des Diffusionsvorgangs beispielsweise eine eutektische Legierung der für die Lotschicht eingesetzten Materialien entsteht, welche eine entsprechend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Zerstörung der Verbindung und eine entsprechend hohe und gute elektrische Leitfähigkeit für die zu erzielende Kontaktierung aufweist. 3/11 ifcftsTisfcistke AT 10 735 U1 2009-09-15 [0012] Für eine besonders zuverlässige und einfache Aufbringung der jeweils wenigstens einen Lotschicht in mit insbesondere im Zusammenhang mit der Herstellung einer Leiterplatte geringer Dicke bzw. Schichtstärke wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß die wenigstens eine Lotschicht und die Barriereschicht elektrochemisch oder chemisch abgeschieden bzw. aufgebracht werden.

[0013] Im Zusammenhang mit der Herstellung einer Leiterplatte, in welcher bei zunehmender Miniaturisierung derselben entsprechend geringe Schichtstärken der einzelnen Elemente zum Einsatz gelangen und unter Berücksichtigung einer Erzielung einer entsprechenden, widerstandsfähigen Verbindung bzw. Kontaktierung wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die wenigstens eine Lotschicht und/oder die Barriereschicht eine Dicke von wenigstens 5 nm, insbesondere wenigstens 100 nm bis höchstens 100 pm, vorzugsweise höchstens 20 pm aufweisen. Derartige Schichtstärken bzw. -dicken der einzusetzenden Lotschicht bzw. Lotschichten und/oder der Barriereschicht liegen in üblicher Weise bei der Herstellung von Leiterplatten eingesetzten Bereichen einer Schichtstärke einzelner Elemente bzw. Schichten einer derartigen Leiterplatte, so daß die herzustellenden Kontaktierungen in einfacher Weise in eine derartige Leiterplatte integriert werden können.

[0014] Zur Erzielung einer zuverlässigen Verbindung der miteinander zu kontaktierenden Bereiche oder Elemente unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß der Lötvorgang bei einem Druck von weniger als 300 bar, insbesondere weniger als 250 bar und bei Temperaturen von weniger als 600 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 450 °C durchgeführt wird. Insbesondere unter Berücksichtigung der für das Schmelzdiffusionslöten eingesetzten Temperaturen ist unmittelbar ersichtlich, daß der Lötvorgang bei Temperaturen vorgenommen wird, welche teilweise beträchtlich unter den Schmelztemperaturen der für die Ausbildung der Lotschichten eingesetzten Materialien liegen.

[0015] Zur Ausbildung der intermetallischen Diffusionsschicht während des Verbindungs- bzw. Festlegungsvorgangs wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß der erhöhte Druck und die erhöhte Temperatur für einen Zeitraum von wenigstens 10 Minuten, insbesondere wenigstens 20 Minuten und höchstens 150 Minuten, insbesondere höchstens 120 Minuten aufgebracht bzw. angelegt werden.

[0016] Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungs- bzw. Festlegungsverfahren ist ergänzend darauf hinzuweisen, daß eine Vielzahl von Verbindungen bzw. Festlegungen gleichzeitig nach der Aufbringung jeweils wenigstens einer Lotschicht und der Kontaktierung der Lotschichten miteinander vorgenommen werden kann, so daß im Gegensatz zu bekannten Techniken, wie beispielsweise einem Löten oder Drahtbonden, eine parallele bzw. gleichzeitige Durchführung eines Verbindungs- bzw. Festlegungsvorgangs für eine gegebenenfalls überaus große Anzahl von miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereichen, insbesondere Kontaktstellen erfolgen kann.

[0017] Um eine gegebenenfalls erforderliche temporäre bzw. vorsorgliche Positionierung einer festzulegenden Komponente oder aneinander festzulegender Elemente einer Leiterplatte nach Aufbringung wenigstens einer Lotschicht und gegebenenfalls der Barriereschicht als auch Kontaktierung der Lotschichten der miteinander zu verbindenden Elemente bzw. Komponenten sicherzustellen, wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß eine festzulegende Komponente oder aneinander festzulegende Elemente einer Leiterplatte temporär unter Verwendung einer Klebeschicht miteinander verbunden werden. Da die Festlegung über eine Verklebung lediglich für eine temporäre Positionierung vor bzw. während der Durchführung des Schmelzdiffusionsverfahrens zur Ausbildung der Verbindungen bzw. Festlegungen vorgesehen ist, kann mit entsprechend einfachen und lediglich geringen Anforderungen im Hinblick auf eine Haftfestigkeit erfüllenden Klebern bzw. Klebstoffen das Auslangen gefunden werden, da die abschließend zu erzielende Verbindung bzw. Kontaktierung nachfolgend während des unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur eingesetzten Diffusionsverfahrens zur 4/11 AT10 735 U1 2009-09-15

Festlegung der Komponenten bzw. Elemente aneinander bzw. miteinander erfolgt.

[0018] Wie oben bereits mehrfach erwähnt, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Bestückung von elektronischen Komponenten oder Bauteilen auf bzw. in einer Leiterplatte besonders bevorzugt einsetzen, wobei derartige Komponenten oder Bauteile aktive oder passive Komponenten, Einzelkomponenten oder Baugruppen sein können.

[0019] Darüber hinaus läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt zur Verbindung von Leiterplattensegmenten bzw. -elementen, insbesondere zur Herstellung einer starr-flexiblen Leiterplatte anwenden bzw. einsetzen.

[0020] Ein weiteres bevorzugtes Einsatz- bzw. Verwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Herstellung bzw. Ausbildung von Wärmeableitelementen in bzw. an einer Leiterplatte, wobei durch Anordnung von Lotschichten aus entsprechenden Materialien derartige Wärme ableitende Elemente beispielsweise gleichzeitig mit einer Herstellung einer Verbindung bzw. Festlegung von Komponenten an bzw. in einer Leiterplatte oder einer Verbindung einzelner Elemente einer Leiterplatte miteinander hergestellt werden können.

[0021] Darüber hinaus wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben eine Leiterplatte zur Verfügung gestellt, welche im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß miteinander zu verbindende bzw. aneinander festzulegende Bereiche einer Komponente und/oder einer Leiterplatte jeweils mit wenigstens einer Lotschicht versehen sind, daß die Lotschichten miteinander kontaktierbar sind und unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht untereinander verbindbar sind. Durch die Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht zwischen miteinander zu verbindenden bzw. kontaktierenden Bereichen, beispielsweise Kontaktstellen, läßt sich somit eine Leiterplatte zur Verfügung stellen, in welcher Komponenten oder miteinander zu verbindende Elemente aneinander festgelegt bzw. miteinander verbunden sind, welche eine hohe Zuverlässigkeit der hergestellten Verbindung bzw. Kontaktierung aufweisen.

[0022] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen: [0023] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teilbereichs einer erfindungsgemäßen Leiterplatte sowie einer davon getrennten und damit zu verbindenden Komponente, wobei im Bereich von miteinander zu verbindenden Bereichen jeweils bereits eine Barriereschicht und zwei Lotschichten entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht sind; [0024] Fig. 1A in vergrößertem Maßstab eine Detailansicht des Teilbereichs A der Fig. 1; [0025] Fig. 2 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine Teilansicht der Leiterplatte mit Klebestellen für eine temporäre Positionierung der mit der Leiterplatte zu verbindenden Komponente; [0026] Fig. 3 die an der Leiterplatte unter Vermittlung des gemäß Fig. 2 aufgebrachten Klebers angeordnete Komponente vor Durchführung des Schmelzdiffusionsverfahrens; [0027] Fig. 4 die an der Leiterplatte festgelegte Komponente nach Durchführung des Schmelz-diffusionsverfahrens unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht zwischen den Lotschichten; und [0028] Fig. 5 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung miteinander zu verbindende Elemente einer insbesondere starr-flexiblen Leiterplatte vor der Verbindung miteinander und nach Aufbringung einer Lotschicht auf die miteinander zu verbindenden Bereiche.

[0029] In Fig. 1 bis 4 sind unterschiedliche Verfahrensschritte bei der Durchführung des Verfahrens zur Festlegung einer Komponente an bzw. in einer Leiterplatte dargestellt.

[0030] In Fig. 1 ist gezeigt, daß auf einer allgemein mit 1 bezeichneten Leiterplatte im Bereich von jeweils mit 2 bezeichneten Kontaktstellen, welche beispielsweise aus einer Kupferschicht gebildet sind, auf dieser Kupferschicht 2 eine Barriereschicht 3 angeordnet ist, woran anschließend zwei Schichten 4 und 5 aus voneinander unterschiedlichem Lotmaterial angeordnet bzw. 5/11 teiÄses patcBiamt AT 10 735 U1 2009-09-15 aufgebracht sind.

[0031] In ähnlicher Weise ist an einer mit der Leiterplatte 1 zu verbindenden elektronischen Komponente 6 im Bereich von Kontaktstellen bzw. Pads 7 jeweils eine Barriereschicht 8 angeordnet bzw. aufgebracht, worauf wiederum anschließend Lotschichten 9 und 10 aus voneinander unterschiedlichen Materialien aufgebracht bzw. vorgesehen sind.

[0032] In Fig. 1A ist der Teilbereich A der Komponente 6 gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß auf der mit einer übertriebenen Dicke dargestellten Kontaktschicht 7 anschließend eine Barriereschicht 8 vorgesehen ist, worauf in weiterer Folge die Lotschichten 9 und 10 anschließen.

[0033] Die einzelnen Schichten 7 bis 10 sind in der Darstellung gemäß Fig. 1A zur Verdeutlichung hiebei geringfügig getrennt voneinander dargestellt, wobei eine derartige Trennung lediglich zur Vereinfachung der Klarheit der zeichnerischen Darstellung dient. Darüber hinaus sind die Dicken der einzelnen Schichten 7 bis 10 lediglich beispielhaft und nicht maßstabsgetreu, wobei auf einsetzbare, mögliche Bereiche von Schichtdicken weiter unten im Detail näher eingegangen werden wird.

[0034] Ähnlich wie bei der Darstellung gemäß Fig. 1A sind auch die Bereiche der Kontaktstellen 2 der Leiterplatte 1 ausgebildet, so daß davon auszugehen ist, daß bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beispielsweise die Schichten bzw. Kontaktstellen 2 und 7 jeweils aus Kupfer gebildet sind, worauf anschließend Barriereschichten 3 bzw. 8 beispielsweise aus Nickel aufgebracht sind bzw. werden. Die miteinander zu verbindenden Lotschichten 4 und 5 bzw. 9 und 10 können in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise jeweils von Silber für die Schicht 4 und 9 sowie Zinn für die Schicht 5 und 10 gebildet sein.

[0035] Die Aufbringung der Schichten 3, 4 und 5 bzw. 8, 9 und 10 kann durch eine elektrochemische oder chemische Abscheidung bzw. Aufbringung erfolgen.

[0036] Nach Anordnung bzw. Aufbringung der Barriereschicht 3 sowie der wenigstens einen Lotschicht 4 und 5 im Bereich der Kontaktstellen 2 auf der Leiterplatte 1 erfolgt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, eine Anordnung bzw. Aufbringung von Klebestellen bzw. -schichten 11, über welche, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, nachfolgend eine temporäre Festlegung bzw. Anordnung der Komponente 6 erfolgt, wobei aus Fig. 3 ersichtlich ist, daß derart anschließend eine Kontaktierung der Lotschichten miteinander erfolgt, wobei insbesondere die Schichten 5 und 10, welche einander zugewandt sind, einander unmittelbar kontaktieren.

[0037] Nachfolgend auf die Anordnung der Komponente 6 an der Leiterplatte 1 insbesondere unter Vermittlung der Klebestellen 11 erfolgt eine Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, wodurch sich eine intermetallische Diffusionsschicht 12 ausbildet, wobei für den Fall eines Einsatzes von Silber für die Schichten 3 und 9 sowie Zinn für die Schichten 5 und 10 diese Diffusionsschicht 12 von einer eutektischen Sil-ber-Zinn-Legierung gebildet wird, welche beispielsweise im Vergleich zu bekannten Verbindungen zwischen Kontaktstellen einer Komponente 6 und einer Leiterplatte 1 eine erhöhte Zugfestigkeit von beispielsweise größer als 1000 N/mm2 aufweist.

[0038] Die Dicke der Sperrschichten bzw. Barriereschichten 3 bzw. 8 liegt hiebei beispielsweise zwischen 100 nm bis 20 μιτι. Die Dicke der Lotschichten 4 bzw. 5 und 9 bzw. 10 liegt in einem Bereich von etwa 100 nm bis höchstens 100 pm.

[0039] Nach der Kontaktierung der Lotschichten erfolgt, wie oben angeführt, eine Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, wobei für die in Fig. 1 bis 4 gewählten Materialien ein Zeitraum von beispielsweise wenigstens 15 Minuten, insbesondere etwa 20 bis 120 Minuten gewählt wird, wobei ein Druck von weniger als 250 bar und insbesondere in Abhängigkeit von dem eingesetzten Material für die Leiterplatte 1 als auch die Komponente 6 Temperaturen zwischen 150 °C und 450 °C gewählt werden, wobei dies gegebenenfalls auch als Weichlöten bezeichnet werden kann. 6/11 teiÄses patcBiamt AT 10 735 U1 2009-09-15 [0040] Anstelle von Nickel für die Barriereschicht 3 bzw. 8 können beispielsweise Eisen oder Molybdän und/oder Nickel und/oder Eisen enthaltende Legierungen verwendet werden.

[0041] Für die Lotschichten 4 bzw. 5 als auch 9 bzw. 10 können insbesondere Materialien bzw. Metalle mit unterschiedlichem Schmelzpunkt eingesetzt werden, wobei die aneinander angrenzenden Schichten 5 und 10 aus einem Metall geringeren Schmelzpunkts und somit höherer Schmelzfähigkeit gebildet werden, während beispielsweise die Schichten 4 und 9 von Materialien und insbesondere Metallen einer beispielsweise allgemein erhöhten Leitfähigkeit, wie beispielsweise Gold oder Kupfer anstelle von Silber gebildet werden.

[0042] Darüber hinaus erfolgt die Auswahl der für die Schichten 4 und 5 sowie 9 und 10 eingesetzten Materialien auch unter Berücksichtigung der unter Einsatz der entsprechenden Temperatur- und Druckbedingungen durch Schmelzdiffusion erzielbaren Legierungen, welche in weiterer Folge die angestrebte Kontaktierung bzw. Verbindung hoher Widerstandsfähigkeit, insbesondere hoher Zugfähigkeit zur Verfügung stellen.

[0043] In Fig. 5 ist ähnlich zu der Darstellung gemäß Fig. 1 eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher das Verfahren zur Verbindung unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht für eine Verbindung von einzelnen Elementen einer Leiterplatte eingesetzt wird. Hiebei sind in Fig. 5 mit 13 und 14 starre Teile bzw. Elemente einer herzustellenden starr-flexiblen Leiterplatte angedeutet, welche aus einer Mehrzahl von Schichten bestehen, wie dies allgemein bekannt ist.

[0044] Im Bereich einer Verbindung mit einem flexiblen Teil bzw. Element 15 der herzustellenden starr-flexiblen Leiterplatte 25 sind Kontaktstellen 16 angeordnet bzw. angedeutet, wobei auf den Kontaktstellen 16, welche beispielsweise wiederum aus Kupfer gebildet sind, jeweils eine Lotschicht 17 angeordnet bzw. aufgebracht ist. In ähnlicher Weise ist im Bereich von Kontaktstellen 18, welche wiederum aus Kupfer gebildet sein können, auf dem flexiblen Element wiederum jeweils eine Lotschicht 19 angeordnet.

[0045] Für eine temporäre Positionierung der Elemente 13,14 und 15 sind ähnlich wie bei der vorangehenden Ausführungsform Klebestellen bzw. -bereiche 20 vorgesehen.

[0046] Nach dem Aufbringen der Lotschichten 17 bzw. 19 erfolgt ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4 eine Kontaktierung der Lotschichten 17, 19, worauf wiederum unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur eine intermetallische Diffusionsschicht im Bereich der Lotschichten 17 und 19 ausgebildet wird, welche zu einer hochfesten und entsprechend widerstandsfähigen Verbindung der starren Teilbereiche 13 und 14 mit dem flexiblen Teilbereich 15 unter Ausbildung einer Mehrzahl von Verbindungs- bzw. Kontaktstellen führt.

[0047] Das flexible Element 15 besteht hiebei beispielsweise aus einem flexiblen Kern 21, über welchem ein Prepreg 22 mit Leiterbahnen bzw. Kontaktierungen 23 angeordnet ist, wobei darüber hinaus eine Abschirmschicht mit 24 angedeutet ist.

[0048] Auch in diesem Fall erfolgt durch einen Schmelzdiffusionsprozeß unter Anwendung einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur für das Lotmaterial 17 bzw. 19 eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Bereichen der Kontaktstellen 16 und 18.

[0049] Als Material für die Lotschichten 17 bzw. 19 können hiebei wiederum die oben genannten Materialien eingesetzt werden.

[0050] Darüber hinaus läßt sich das Schmelzdiffusionsverfahren zur Ausbildung von Wärmeleitbereichen zur Abfuhr von Wärme, welche insbesondere im Bereich von in einer Leiterplatte 1 integrierten Komponenten 6 gegebenenfalls punktuell entsteht, anwenden. 7/11

Claims (14)

1. patemamt AT 10 735 U1 2009-09-15 Ansprüche 1. Verfahren zur Festlegung einer Komponente an bzw. in einer Leiterplatte und/oder zur Verbindung von einzelnen Elementen einer Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, daß miteinander zu verbindende bzw. aneinander festzulegende Bereiche einer Komponente (6) und/oder einer Leiterplatte (1, 25) jeweils mit wenigstens einer Lotschicht (4, 5, 9, 10, 17,19) versehen werden, daß die Lotschichten (5,10, 17, 19) miteinander kontaktiert werden und unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht (12) untereinander verbunden werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lotschicht (4, 5, 9, 10, 17, 19) aus einem elektrisch leitenden Metall, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Silber, Gold, Nickel und Kupfer und/oder Zinn, Indium und Wismut gebildet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der wenigstens einen Lotschicht (4, 5, 9, 10) eine Barriereschicht (3, 8) auf den miteinander zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereichen einer Komponente (6) und/oder einer Leiterplatte (1) aufgebracht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht (3, 8) aus einem elektrisch leitenden Metall, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Nickel, Eisen oder Molybdän und/oder Legierungen enthaltend Nickel und/oder Eisen gebildet wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unterschiedliche Lotschichten (4, 5, 9, 10) jeweils auf einen zu verbindenden bzw. aneinander festzulegenden Bereich aufgebracht werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lotschicht (4, 5, 9, 10, 17, 19) und/oder die Barriereschicht (3, 8) elektrochemisch oder chemisch abgeschieden bzw. aufgebracht werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lotschicht (4, 5, 9,10,17,19) und/oder die Barriereschicht (3, 8) eine Dicke von wenigstens 5 nm, insbesondere wenigstens 100 nm bis höchstens 100 pm, vorzugsweise höchstens 20 pm aufweisen.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang bei einem Druck von weniger als 300 bar, insbesondere weniger als 250 bar und bei Temperaturen von weniger als 600 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 450 Ό durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck und die erhöhte Temperatur für einen Zeitraum von wenigstens 10 Minuten, insbesondere wenigstens 20 Minuten und höchstens 150 Minuten, insbesondere höchstens 120 Minuten aufgebracht bzw. angelegt werden.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine festzulegende Komponente (6) oder aneinander festzulegende Elemente (13, 14, 15) einer Leiterplatte (1, 25) temporär unter Verwendung einer Klebeschicht (11, 20) miteinander verbunden werden.
11. 11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestückung von elektronischen Komponenten (6) oder Bauteilen auf bzw. in einer Leiterplatte (1).
12. 12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Verbindung von Leiterplattensegmenten (13,14,15), insbesondere zur Herstellung einer starr-flexiblen Leiterplatte (25). 8/11 ÜitCi'ii'CSiSfSiS Patern»»!: AT 10 735 U1 2009-09-15
13. 13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von Wärmeableitelementen in bzw. an einer Leiterplatte (1,25).
14. 14. Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, daß miteinander zu verbindende bzw. aneinander festzulegende Bereiche einer Komponente (6) und/oder einer Leiterplatte (1,25) jeweils mit wenigstens einer Lotschicht (4, 5, 9,10,17,19) versehen sind, daß die Lotschichten (4, 5, 9,10,17,19) miteinander kontaktierbar sind und unter Anwendung von gegenüber Umgebungsbedingungen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur unter Ausbildung einer intermetallischen Diffusionsschicht (12) untereinander verbindbar sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 9/11