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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung. Ferner betrifft die Erfindung eine Leiterplattenanordnung.
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Zur elektrisch leitenden Verbindung von zwei Leiterplatten werden heutzutage Lötkugeln verwendet. Dadurch kann mehr Lötpaste pro Verbindung verwendet werden, als dies typischerweise mit einfachen Lötpastenverbindungen der Fall ist. Zur Anordnung der Lötkugeln wurden sogenannte Kugelgitteranordnungen (Ball-Grid-Array, BAG) entwickelt, die Reihen und Spalten von diskret beabstandeten Lötkugeln verwenden, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen durch ein Aufschmelzen der Lötpaste herzustellen.
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Für die Platzierung und das anschließende Aufschmelzen zur Herstellung einer leitenden Verbindung gibt es verschiedene Verfahren. Dies ist beispielsweise das sogenannte Laser-Jetting, bei dem die Lötkugeln nacheinander einzeln in jede dafür vorgesehene Verbindung platziert und anschließend druckkontaktiert werden. Ferner können die Lötkugeln durch ein Positioniersystem (pick and place-system) auf den Anschlusskontakten angeordnet und durch eine SMD-Technology (surface-mounting technology, SMT) verbunden werden. Eine weitere Auftragungsmöglichkeit und Verbindungsverfahren ergibt sich durch das Elektroplattieren einer Kupferschicht, das anschließende Ätzen durch Photolithographie, und das anschließende Erwärmen. Diese Verfahren führen jedoch zu einer umständlichen, unzuverlässigen und teuren Verbindungslösung.
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Die
US 20060249303 A1 offenbart eine verbindungslose Verbindung von Platine zu Platine, von Kabel zu Platine oder von Kabel zu Kabel. Die Verbindung weist zur Verbindung Lötperlen oder halbellipsoiden Oberflächenstrukturen auf.
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Die
DE 10138042 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils, das wenigstens einen Halbleiterchip und eine Umverdrahtungsplatte aufweist, auf deren erster Seite der Halbleiterchip montiert ist, wobei auf einer dem Halbleiterchip abgewandten zweiten Seite der Umverdrahtungsplatte Leiterbahnstrukturen sowie Anschlusskontakte zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils mit einer Leiterplatte vorgesehen sind, mit den Schritten: Bereitstellen einer Umverdrahtungsplatte mit auf deren zweiter Seite aufgebrachten Leiterbahnen und Anschlusskontakten, Montage eines Halbleiterchips auf der ersten Seite der Umverdrahtungsplatte ohne Leiterbahnstrukturen und Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen Kontaktanschlüssen des Halbleiterchips und den Leiterbahnen der Umverdrahtungsplatte, Aufbringen einer geschlossenen Lötstoppschicht auf der zweiten Seite der Umverdrahtungsplatte, Strukturieren der Lötstoppschicht, wobei die Anschlusskontakte zumindest teilweise freigelegt werden und wobei eine nach außen sich schräg und/oder abgestuft erweiternde Innenmantelfläche einer jeden Anschlusskontakt umgebenden Öffnung der Lötstoppschicht gebildet wird, Aufbringen jeweils einer Lotkugel auf jeden freigelegten Anschlusskontakt, wobei die Lotkugeln jeweils geringes Spiel zum Rand der Öffnung der Lötstoppschicht aufweisen, Herstellen einer Flipchip-Verbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und einer Leiterplatte durch Aufsetzen des elektronischen Bauteils mit seinen Lotkugeln auf Kontaktflächen der Leiterplatte und Aufschmelzen der Lotkugeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und einfache Lösung für das oben genannte Problem anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Angabe einer Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines ersten Leiterplattensubstrats,
- - Bereitstellen eines zweiten Leiterplattensubstrats, welche zu dem ersten Leiterplattensubstrat im Wesentlichen planparallel angeordnet ist, wobei das erste Leiterplattensubstrat eine Unterseite aufweist, und das zweite Leiterplattensubstrat eine Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche und die Unterseite einander gegenüberliegend angeordnet sind,
- - Bereitstellen von ersten Anschlusskontakten, welche auf der Unterseite des ersten Leiterplattensubstrats aufgebracht sind,
- - Bereitstellen von zweiten Anschlusskontakten, welche auf der Oberfläche des zweiten Leiterplattensubstrats aufgebracht sind,
- - Aufbringen von Lötpastenzylindern auf den ersten Anschlusskontakten, wobei das Aufbringen der Lötpastenzylinder auf den ersten Anschlusskontakten durch ein Lötpastenauftrageverfahren mit Lötpaste erfolgt, wobei die aufgebrachten Lötpastenzylinder jeweils eine Lötpastenzylinderoberfläche aufweisen, und
- - Anordnen der zweiten Anschlusskontakte des zweiten Leiterplattensubstrats auf den Lötpastenzylinderoberflächen der Lötpastenzylinder.
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Unter Leiterplattensubstrat ist zumeist eine gedruckte Leiterplatte (PCB) zu verstehen oder ein Substrat, welches zur Ausbildung einer Leiterplatte vorgesehen ist.
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Unter Lötpastenzylinder sind Säulen/Zylinder, im wesentlichen zylindrischer Form aus Lötpaste (Lotpaste) zu verstehen. Es ist zu beachten, dass unter Zylinder lediglich die grobe Form, mit kleineren und größeren Abweichungen, zu verstehen ist, und keine exakte mathematische Beschreibung.
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Es wurde erkannt, dass eine durch Lötkugeln bewerkstelligte Verbindung zerstört werden kann, wenn sich ein, durch eine Wärmeausdehnung bei einem anschließenden Aufschmelzen hervorgerufener Verzug oder Verwerfung in den beiden Leiterplattensubstraten einstellt, indem eine oder mehrere Lötkugeln während des Aufschmelzens nur noch mit einer der beiden Leiterplattensubstrate in Kontakt steht.
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Die Erfindung bewirkt, dass ein Ablösen der Verbindung zwischen den Leiterplattensubstraten vermieden wird. Die Lötpastenzylinder dehnen sich flexible, bei durch beispielsweise einer Aufschmelzung hervorgerufenen (Auf)Wölbung der beiden Leiterplattensubstrate, mit, so dass nahezu alle Verbindungen während eines Erwärmungsprozesses erhalten bleiben. Durch die Zylinderform aus Lötpaste kann bei einem hohen Verzug und einer großen Wölbung, beispielsweise dem bis zu 2,5 fachen des ursprünglichen Abstands der beiden Leiterplattensubstrate zueinander, ein Ablösen der Verbindung zwischen den Leiterplattensubstraten vermieden werden. Auch bei einem Verzug, bei dem der Abstand der beiden Leiterplattensubstrate geringer ist als der ursprüngliche Abstand der beiden Leiterplattensubstrate zueinander, bleibt die Verbindung erhalten, indem sich die Lötpastenzylinder flexible zusammenstauchen oder zusammendrücken lassen. Ein Aufplatzen, wie dies bei beispielsweise metallischen Lötkugeln der Fall sein kann, kann vermieden werden.
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Somit können durch die Erfindung nahezu alle Verbindungen, welche durch die Lötpastenzylinder ausgebildet werden, bei einem Erwärmen und anschließenden Abkühlen erhalten bleiben.
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Auch kann auf das aufwändige Platzieren von Lötkugeln verzichtet werden, was zu geringeren Herstellungskosten führt.
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Die erfindungsgemäße Herstellung der Leiterplattensubstrate erfordert zudem keine Befestigungs- oder Ausrichtelemente, wodurch sich geringere Fertigungskosten ergeben.
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Die erfindungsgemäßen Lötpastenzylinder ermöglichen eine flexible Anordnung auf den Leiterplattensubstraten. Somit lassen sich HDI-Leiterplatten (High-Density-Interconnect-Leiterplatte) mit hoher Kontakt- oder Verbindungsdichte, insbesondere Leiterplatten mit mehr als 500 Verbindungen bzw. Pins pro Quadratdezimeter ausbilden.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Aufschmelzen der Lötpastenzylinder zur Ausbildung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten Anschlusskontakten des ersten Leiterplattensubstrats und den zweiten Anschlusskontakten des zweiten Leiterplattensubstrats. Dadurch wird ein zuverlässiger Kontakt zwischen den beiden Leiterplattensubstraten hergestellt. Durch das Aufschmelzen ist eine besonders einfach herzustellende Verbindung zwischen den ersten und zweiten Anschlusskontakten möglich.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung wird das Aufschmelzen durch ein Reflow-Verfahren oder ein Schwallot-Verfahren bewerkstelligt. Das Reflow-Löten ist eine Technologie, bei der eine bereits auf das zu lötende Bauteil aufgebrachte Lötpaste durch Erwärmen wieder verflüssigt wird und dadurch die gewünschten Kontakte hergestellt werden. Die Lötpaste wird bei den bekannten Reflow-Lötverfahren in der Regel auf die zu lötenden Leiterplatten oder Bauteile aufgedruckt. Das Reflow-Verfahren wird vor allem für SMD-Bauteile (Surface-mount device, oberflächenmontiertes Bauelement) verwendet.
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Bei dem Schwallot-Verfahren wird bereits verflüssigtes Lot der Lötstelle zugeführt, wodurch das Aufschmelzen erzielt wird.
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Bevorzugt tritt während des Aufschmelzens durch thermische Ausdehnung des ersten Leiterplattensubstrats und/oder des zweiten Leiterplattensubstrats zumindest eine Verzugsstelle auf, so dass die Lötpastenzylinder an der zumindest einen Verzugsstelle eine erdnussförmige Form und/oder eine gedrungene Säulenform ausbilden. Durch die flexible Dehnung der Lötpastenzylinder bleibt die mechanische und elektrische Verbindung erhalten.
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Weiterhin bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Lötpastenzylinder auf den ersten Anschlusskontakten durch ein Lötpastendruckverfahren. Dadurch ist ein einfaches Aufbringen der Lötpastenzylinder möglich.
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Bevorzugt wird beim Aufbringen der Lötpastenzylinder durch das Lötpastenauftrageverfahren gleichzeitig zumindest eine oberflächenmontierbare Anschlussfläche aus Lötpaste, insbesondere zur Befestigung von SMD-Bauteilen, auf einem dafür vorgesehenen, auf der Unterseite angeordneten, Anschlusspad aufgebracht.
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Dadurch kann ein Aufbringen von Verbindungen sowohl für die Leiterplattenanordnung in Form der Lötpastenzylinder, als auch für SMD-Bauteile in einem Arbeitsschritt erfolgen. Für das gleichzeitige Aufbringen und gleichzeitige Aufschmelzen der Lötpastenzylinder und der Anschlussflächen für SMD-Bauteile, ist somit kein zusätzlicher Arbeitsschritt mehr notwendig. Dies spart sowohl Fertigungszeit als auch Kosten.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Ausbildung der Lötpastenzylinder auf den ersten Anschlusskontakten durch zumindest einen ersten Durchtrittskanal in einer Druckschablone und die Ausbildung einer Anschlussfläche durch zumindest einen zweiten Durchtrittskanal in der Druckschablone, wobei die Druckschablone ein gestuftes Höhenprofil mit einer ersten Höhe und zumindest einer zweiten Höhe aufweist, so dass der erste Durchtrittskanal die erste Höhe und der zweite Durchtrittskanal die zweite Höhe aufweist. Dadurch können besonders einfach die Lötpastenzylinder als auch Anschlussflächen in einem Arbeitsschritt aufgebracht werden.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch die Angabe einer Leiterplattenanordnung umfassend
ein erstes Leiterplattensubstrat,
ein zweites Leiterplattensubstrat, welches zu dem ersten Leiterplattensubstrat im Wesentlichen planparallel angeordnet ist, wobei das erste Leiterplattensubstrat eine Unterseite aufweist, und das zweite Leiterplattensubstrat eine Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche und die Unterseite einander gegenüberliegend angeordnet sind,
erste Anschlusskontakte, welche auf der Unterseite des ersten Leiterplattensubstrats aufgebracht sind und zweite Anschlusskontakte, welche auf der Oberfläche des zweiten Leiterplattensubstrats aufgebracht sind,
Lötpastenzylinder, welche zwischen den ersten Anschlusskontakten des ersten Leiterplattensubstrats und den dazu korrespondierenden zweiten Anschlusskontakten des zweiten Leiterplattensubstrats zur Ausbildung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten Anschlusskontakten des ersten Leiterplattensubstrats und den zweiten Anschlusskontakten des zweiten Leiterplattensubstrats angeordnet sind, wobei die Lötpastenzylinder auf den ersten Anschlusskontakten durch ein Lötpastenauftrageverfahren mit Lötpaste aufgebracht sind.
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Durch die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung wird bewirkt, dass nahezu alle Verbindungen, welche durch die Lötpastenzylinder ausgebildet werden, bei einem Erwärmen und anschließenden Abkühlen erhalten bleiben. Die Vorteile des Verfahrens können auch auf die Leiterplattenanordnung übertragen werden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist das Lötpastenauftrageverfahren ein Lötpastendruckverfahren. Dadurch ist ein besonders einfaches Auftragen der Lötpaste möglich.
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Bevorzugt weisen die Lötpastenzylinder eine sich zwischen den ersten Anschlusskontakten des ersten Leiterplattensubstrats und den zweiten Anschlusskontakten des zweiten Leiterplattensubstrats erstreckende Höhe auf, wobei die Höhe einen Wert im Bereich von 350µm bis 700µm aufweist. Diese Höhe eignet sich besonders gut zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung, welche in einem Fahrzeug Verwendung finden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Verbindung eine Lötverbindung.
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Insbesondere bevorzugt ist die mechanische und elektrisch leitende Verbindung zwischen den ersten Anschlusskontakten des ersten Leiterplattensubstrats und den zweiten Anschlusskontakten des zweiten Leiterplattensubstrats durch Auf schmelzen der Lötpastenzylinder bewerkstelligt. Dadurch kann eine besonders einfach herzustellende Verbindung erzielt werden.
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Da das erste Leiterplattensubstrat und/oder das zweite Leiterplattensubstrat durch das Aufschmelzen zumindest eine Verzugsstelle aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn die Lötpastenzylinder eine erdnussförmige Form und/oder eine gedrungene Säulenform an der zumindest eine Verzugsstelle aufweisen. Vorteilhafterweise weisen bei einem Verzug, bei dem das erste Leiterplattensubstrat zum zweiten Leiterplattensubstrat einen, im Vergleich zum ursprünglichen Abstand, größeren Abstand aufweist, die Lötpastenzylinder eine erdnussförmige Form, und/oder bei einem Verzug, bei dem das erste Leiterplattensubstrat zum zweiten Leiterplattensubstrat einen, im Vergleich zum ursprünglichen Abstand, geringeren Abstand aufweist, die Lötpastenzylinder eine gedrungene Säulenform auf. Dadurch kann der Verzug gut kompensiert werden, ohne dass die dabei entstehenden Verbindungen aufbrechen.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind die ersten Anschlusskontakte und die darauf aufgebrachten Lötpastenzylinder ringförmig auf der Unterseite angeordnet. Durch ein ringförmiges Muster kann beim Aufschmelzen thermisch bedingter Verzug/Verwerfungen reduziert werden.
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Bevorzugt bilden die ersten Anschlusskontakte und die Lötpastenzylinder mehrere Ringumfangszeilen aus, wobei die Lötpastenzylinder der einzelnen Ringumfangzeilen einen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen. Zudem weisen auch die einzelnen Ringumfangszeilen einen äquidistanten Abstand zueinander auf. Dadurch können thermisch bedingte einzelne Heißstellen (Hot Spots) vermieden werden.
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Insbesondere bevorzugt weist das erste Leiterplattensubstrat mindestens eines auf der Unterseite angeordnetes SMD-Bauteil und das zweite Leiterplattensubstrat eine Ausnehmung auf, wobei das mindestens eine SMD-Bauteil zumindest teilweise in die Ausnehmung hineinragt. Dadurch kann Platz eingespart werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Leiterplattensubstrat wesentlich größer als das zweite Leiterplattensubstrat. Das erste Leiterplattensubstrat kann somit als Hauptleiterplatte dienen, während das zweite Leiterplattensubstrat als Schaltungsmodulträger dient.
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Eine solche Leiterplattenanordnung eignet sich besonders gut zur Verwendung in einem elektronischen Kombiinstrument oder einem sonstigen Kraftfahrzeug-/Steurer/Anzeigegerät, wie z.B. ein Radio etc.
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Besonders bevorzugt ist die Leiterplattenanordnung mit dem wie oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
- 1: ein Leiterplattenverbund nach dem Stand der Technik,
- 2: schematisch ein zweites Leiterplattensubstrat gemäß der Erfindung,
- 3: schematisch eine Leiterplattenanordnung gemäß der Erfindung,
- 4: eine Druckschablone und ein erstes Leiterplattensubstrat gemäß der Erfindung,
- 5: eine Leiterplattenanordnung mit Lötpastenzylinder im Reflow-Prozess gemäß der Erfindung,
- 6: eine Anordnung der Lötpastenzylinder auf dem ersten Leiterplattensubstrat gemäß der Erfindung.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
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1 zeigt einen Leiterplattenverbund 100 beim Reflow-Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Der Leiterplattenverbund 100 umfasst eine erste Leiterplatte 101 und eine zweite Leiterplatte 102 sowie zur mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung dazwischen angeordnete Lötkugeln 103. Die Lötkugeln 103 sind dabei vorgeformte Metallkugeln. Bei dem Reflow-Prozess entsteht durch die Wärmeausdehnung der Leiterplatten 101, 102 ein Verzug oder Verwerfung der Leiterplatten 101, 102, welche hier in einer entgegengesetzt gerichteten Wölbung der beiden Leiterplatten 101 und 102 resultiert. Durch die entgegengesetzt gerichtete Wölbung der beiden Leiterplatten 101, 102 und des damit verbundenen auftretenden Abstandes zwischen den beiden Leiterplatten 101, 102 kommt es durch eine Anhaftung der Lötkugeln 103 auf einer der beiden Leiterplatten 101, 102 zu einer Abtrennung der Lötkugeln 103. Das heißt, dass einige der Verbindungen aufgebrochen werden. Dabei erstarren die Lötkugeln 103, bevor sie wieder Kontakt zu den beiden Leiterplatten 101,102 haben.
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Wird der Abstand der beiden Leiterplatten 101,102 während des Reflow-Prozess zu gering, so besteht die Gefahr, dass die als Lötkugeln 103 vorgeformten Metallkugeln „explodieren“, wenn die beiden Leiterplatten 101, 102 durch thermisch bedingten Verzug einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als ein Lötkugeldurchmesser.
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2 zeigt ein zweites Leiterplattensubstrat 2 zur Ausbildung einer Leiterplattenanordnung 3 (3) gemäß der Erfindung. Das zweite Leiterplattensubstrat 2 weist eine Oberfläche 12 und darauf angeordnete zweite Anschlusskontakte 4 sowie eine Ausnehmung 5 auf. Die zweiten Anschlusskontakte 4 sind dabei ringförmig auf der Oberfläche 12 in einem Randbereich 6 oder Peripherie der Ausnehmung 5 angeordnet. Dabei umfasst ringförmig auch ein an den Ecken abgerundetes oder abgeschrägtes Viereck. Bevorzugt weist ein Anschlusskontakt 4 eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von 450 µm auf.
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3 zeigt ein Leiterplattenanordnung 3 gemäß der Erfindung. Die Leiterplattenanordnung 3 weist ein erstes Leiterplattensubstrat 1 mit einer Unterseite 11 sowie das zweite Leiterplattensubstrat 2 mit der Oberfläche 12 auf. Das erste Leiterplattensubstrat 1 weist ebenfalls erste Anschlusskontakte 14 (4) auf, welche auf der Unterseite 11 angeordnet sind. Die ersten Anschlusskontakte 14 und zweiten Anschlusskontakte 4 (2) sind zueinander korrespondierend auf der Unterseite 11 des ersten Leiterplattensubstrats 1 und der Oberfläche 12 des zweiten Leiterplattensubstrats 2 angeordnet. Die Leiterplattenanordnung 3 weist zur Ausbildung einer mechanischen und elektrisch leitenden Lotverbindung zwischen den Anschlusskontakten 14 ( 4) des ersten Leiterplattensubstrats 1 und den zweiten Anschlusskontakten 4 (2) des zweiten Leiterplattensubstrats 2 Lötpastenzylinder 7 auf. Die Lotverbindung wird durch Aufschmelzen der Lötpastenzylinder 7 hergestellt. Das erste Leiterplattensubstrat 1 kann beispielsweise als eine gedruckte Leiterplatte (PCB) ausgebildet sein.
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Die Lötpastenzylinder 7 werden mittels Lötpastendruckverfahren auf die ersten Anschlusskontakte 14 (4) aufgebracht. Gleichzeitig bei dem Aufbringen der Lötpastenzylinder 7 können auch Anschlussflächen 10 (4) zum Anschluss von anderen SMD-Bauteilen auf entsprechende Anschlusspads (nicht gezeigt) des ersten Leiterplattensubstrats 1 und/oder andere Anschlüsse aufgebracht werden.
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SMD-Bauteile benötigen für deren Montage keine Leiterplattenlöcher, sondern werden mit ihren Anschlüssen direkt auf hierfür auf dem Leiterplattensubstrat vorgesehene Anschlusspads gelötet. SMD-Bauteile werden anschließend mit beispielsweise Bestückungsautomaten maschinell auf die mit Lötpaste versehenen Anschlusspads platziert und gemeinsam mit den Lötpastenzylinder 7 in einem einzigen Reflow-Prozess aufgelötet.
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Durch das gleichzeitige Aufbringung der Lötpastenzylinder 7 zur Ausbildung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten Anschlusskontakten 14 (4) und zweiten Anschlusskontakten 4 (2) und damit zwischen dem ersten Leiterplattensubstrat 1 und dem zweiten Leiterplattensubstrat 2 sowie der Anschlussfläche 10 (4) in einem gemeinsamen Arbeitsschritt können die Herstellungskosten um bis zu 50% gesenkt werden. Es kann eine schnellere Fertigung bewerkstelligt werden. Die Verbindung durch Lötpastenzylinder 7 erfordert zudem keine separaten Befestigungs- oder Ausrichtungselemente, beispielsweise Klebstoff. Dadurch können ebenfalls Kosten gespart werden.
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Die Lötpastenzylinder 7 weisen vor einem Aufschmelzen, beispielsweise in einem Reflow-Verfahren eine zylindrische Säulenform auf. Ein Lötpastenzylinder 7 vor dem Aufschmelzen ist in 4 gezeigt.
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Lotpaste oder Lötpaste ist für gewöhnlich eine pastöse Mischung aus Lotmetallpulver und Flussmittel. Es gibt Lötpasten zum Hartlöten auf der Basis von Kupfer/Zink und Silber und zum Widerstandslöten. Zum SMD-Löten geeignete Lötpaste besteht zum Beispiel zu ca. 90 % aus Kügelchen einer Zinnlegierung und zu ca. 10 Prozent aus Flussmittel. Die Prozente beziehen sich dabei auf die Masseprozente. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Lötpasten umfassen bevorzugt pastöse Druckmassen beliebiger chemischer Zusammensetzungen, die vorzugsweise zur Herstellung elektrisch leitender Kontakte verwendet werden können. Auch andere geeignete Lötpasten können jedoch verwendet werden.
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Dabei können die SMD-Bauteile so auf der Unterseite 11 des Leiterplattensubstrats 1 angeordnet sein, dass sie bei einer Anordnung des Leiterplattensubstrats 1 auf dem zweiten Leiterplattensubstrat 2 zumindest teilweise in die Ausnehmung 5 ( 2) hineinragen.
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Das Aufbringen der Lötpaste erfolgt durch eine Druckschablone 8, wie sie in 4 gezeigt ist. Die Lötpaste wird mittels Schablonendruck auf die ersten Anschlusskontakte 14 des ersten Leiterplattensubstrats 1 zur Ausbildung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten Anschlusskontakten 14 des ersten Leiterplattensubstrats 1 und den zweiten Anschlusskontakten 4 (2) des zweiten Leiterplattensubstrats 2 aufgetragen, sowie auf die Anschlusspads (nicht gezeigt) vorzugsweise zur Ausbildung eines elektrisch leitenden und mechanischen Kontakts zwischen den SMD-Bauteilen und den auf dem Leiterplattensubstrat 1 aufgebrachten Schaltungen.
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Die Druckschablone 8 weist Durchtrittkanäle 9a,9b auf. Ferner weist die Druckschablone 8 ein gestuftes Höhenprofil mit zumindest zwei unterschiedlichen Höhen h1 und h2 auf, wobei h1 höher als h2 ist. Dadurch ergibt sich zumindest ein erster Durchtrittskanal 9a mit einer ersten Höhe h1 und ein zweiter Durchtrittskanal 9b einer zweiten Höhe h2, wobei die erste Höhe h1 einen größeren Wert aufweist als die zweite Höhe h2.
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Die Lötpaste wird mithilfe der Druckschablone 8 auf das Leiterplattensubstrat 1 zur Ausbildung einer Anschlussfläche 10 für SMD-Bauteile und auf die Anschlusskontakte 14 zur Ausbildung von Lötpastenzylinder 7 aufgebracht. Mittels der zwei unterschiedlichen hohen und breiten Durchtrittskanäle 9a, 9b können nun Anschlüsse mit unterschiedlicher Geometrie, das heißt, Breite wie Höhe, wie die Anschlussfläche 10 für SMD-Bauteile oder aber auch die Lötpastenzylinder 7 gedruckt werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden mithilfe der Durchtrittskanäle 9a, welche die Höhe h1 aufweisen, die Lötpastenzylinder 7 gedruckt. Die Durchtrittskanäle 9a müssen dabei zentriert über den Anschlusskontakten 14 positioniert werden. Analoges gilt für die Anschlussflächen 10.
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Anschließend werden die SMD-Bauteile auf der Anschlussfläche 10 als auch die zweiten Anschlusskontakte 4 (2) mitsamt des zweiten Leiterplattensubstrats 2 auf den Lötpastenzylinderoberflächen der Lötpastenzylinder 7 positioniert. Die Verwendung von Lötpastenzylinder 7 und Anschlussflächen 10 aus Lötpaste hat den Vorteil, dass die Lötpaste klebrig ist und so die SMD-Bauteile als auch das zweite Leiterplattensubstrat 2 mit den zweiten Anschlusskontakten 4 (2) direkt auf den Lötpastenzylindern 7 anhaften. Somit kann beispielsweise auf ein separates Verkleben verzichtet werden. Anschließend wird die so hergestellte Leiterplattenanordnung 3 durch einen sogenannten Reflow-Ofen gefahren, in dem durch die Hitzewirkung das Flussmittel aktiviert wird und schließlich verdampft. Die Lötpastenzylinder 7 schmelzen auf und verbinden sich mit den ersten Anschlusskontakten 14 und zweiten Anschlusskontakten 4 (2) des jeweiligen Leiterplattensubstrats 1,2. Analoges gilt für die Anschlussflächen 10 und die darauf bestückten SMD-Bauteile. Es bildet sich die mechanische und elektrisch leitende Verbindung aus, welche auch als Löt- oder Lotverbindung bezeichnet wird.
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Alternativ können die Lötpastenzylinder 7 auch auf die zweiten Anschlusskontakte 4 (2) des zweiten Leiterplattensubstrats 2 gedruckt werden. Anschließend kann analog wie oben beschrieben fortgefahren werden.
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Die Druckschablone 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Höhe h1 von ungefähr 300 µm für den ersten Durchtrittskanal 9a, eine zweite Höhe h2 von ungefähr 150 µm für den zweiten Durchtrittskanal 9b auf. Die Durchtrittskanäle 9a,9b weisen einen Gesamtabstand zueinander auf, welcher sich aus den Abständen A1 und A2 zusammensetzt. Dabei weist der erste Abstand A1 eine Breite von größer als 5,85 µm auf und der zweite Abstand A2 eine Breite von größer oder gleich 0,65 µm auf. Je nach Höhe der Lötpastenzylinder 7 kann die Höhe aber auch anders gewählt werden. So können die Lötpastenzylinder 7 auch eine Höhe von 700 µm aufweisen.
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Ein bekanntes Lötpastenauftragverfahren ist der Sieb- bzw. Schablonendruck. Das Schablonen-/Siebdruckverfahren ermöglicht ein hochpräzises Auftragen von Lötpaste auf Leiterplatten.
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4 zeigt zudem einen Lötpastenzylinder 7 im gedruckten Zustand, vor dem Aufschmelzen. Dieser weist eine Zylinderhöhe ZH mit einem Wert von ungefähr ZH=450 µm auf. Bevorzugt weist der Lötpastenzylinder 7 einen Wert zwischen 300 und 700 µm auf. Der Lötpastenzylinder 7 hat im Wesentlichen eine zylindrische Form. Zudem zeigt 4 noch eine Anschlussfläche 10 zum Anschluss für SMD-Bauteile.
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Die durch die Lötpastenzylinder 7 hergestellte elektrisch leitende Verbindung erlaubt eine Ausbildung des Leiterplattensubstrats 1,2 als HDI-Leiterplatten (High-Density-Interconnect-Leiterplatte) mit hoher Kontakt- oder Verbindungsdichte, insbesondere eine Leiterplatte mit mehr als 500 Verbindungen bzw. Pins pro Quadratdezimeter.
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5 zeigt eine Leiterplattenanordnung 3 im Reflow-Prozess, mit dem ersten Leiterplattensubstrat 1 und dem zweiten Leiterplattensubstrat 2. Die beiden Leiterplattensubstrate 1,2 weisen jeweils eine, durch die Wärmeausdehnung im Reflow-Prozess bedingte entgegengesetzt gerichtete (Auf)Wölbung auf. Durch die Verwendung von Lötpastenzylinder 7 kann diese Wölbung kompensiert werden. Die Lötpastenzylinder 7 können sich mitausdehnen und beispielsweise die Form einer Erdnuss annehmen, wenn durch die Wölbung ein Abstand zwischen den Leiterplattensubstraten 1,2 entsteht, welcher größer ist als der vorherige Abstand. Ferner lassen sich die Lötpastenzylinder 7 zusammendrücken und beispielsweise die Form einer gequetschten Säule annehmen, wenn der durch die Wölbung erzeugte Abstand zwischen den beiden Leiterplattensubstraten 1,2 geringer ist, als der ursprüngliche Abstand vor dem Reflow-Prozess.
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So ergibt sich zum einen keine Ablösung der Lötpastenzylinder 7 von den ersten Anschlusskontakten 14 (4) und/oder zweiten Anschlusskontakten 4 (2) aufgrund eines durch thermische Ausdehnung verursachten Höhenverzugs, das heißt, wenn der ursprüngliche Abstand der beiden Leiterplattensubstrate 1,2 zueinander aufgrund der Wölbung nun größer ist als der Abstand der Leiterplattensubstrate 1,2 zueinander vor dem Reflow-Prozess. Dadurch bleiben die Lötpastenzylinder 7 durchgängig während des Reflow-Prozesses in Kontakt sowohl mit dem ersten Anschlusskontakten 14 des ersten Leiterplattensubstrats 1 als auch den zweiten Anschlüssen des zweiten Leiterplattensubstrats 2 und bilden anschließend die elektrisch leitende Verbindung aus.
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Ferner ergibt sich kein „Aufplatzen“ der Lötpastenzylinder 7 wie beispielsweise bei den Lötkugeln, wenn der ursprüngliche Abstand der beiden Leiterplattensubstrate 1,2 zueinander aufgrund der Wölbung nun wesentlich kleiner ist als der Abstand der Leiterplattensubstrate 1,2 vor dem Reflow-Prozess, da sich die Lötpastenzylinder 7 zu einer gequetschten Säulenform zusammendrücken lassen.
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Ein Ablösen oder Platzen der Verbindungen wie im Stand der Technik kann somit vermieden werden. Durch die Ausbildung der Verbindungen mit Lötpastenzylindern 7 kann eine, durch thermische Ausdehnung während des Aufschmelzprozesses, entstehende Verzugshöhe bis zu dem 2, 5fachen der ursprünglichen Abstandshöhe der Leiterplattensubstrate 1,2 kompensiert werden.
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Die so gefertigte Leiterplattenanordnung 3 kann dementsprechend aufgeschmolzene Lötpastenzylinder 7 aufweisen, welche zum Teil eine gequetschte Säulenform oder Erdnussform aufweisen.
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Anstatt des Reflow-Prozesses kann hier jedes geeignete Aufschmelzverfahren herangezogen werden.
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6 zeigt eine Anordnung der Lötpastenzylinder 7 auf dem ersten Leiterplattensubstrat 1. Diese können im Wesentlichen ringförmig auf dem ersten Leiterplattensubstrat 1 angeordnet sein, wobei unter ringförmig auch ein abgerundetes Viereck zu verstehen ist. Durch diese ringförmige Anordnung, können Verwerfungen/Verzug während des Aufschmelzprozesses reduziert werden. Ferner kann eine flexiblere Verteilung der Lötpastenzylinder 7 erreicht werden, als auch eine bessere Gewichtsbalance erzielt werden. Ferner zeigt 6 einen Ausschnitt von Lötpastenzylindern 7 nach dem Reflow-Prozess. Diese weisen eine verzugsbedingte „Erd-nuss“-Form auf.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leiterplattenverbund (Stand der Technik)
- 101
- erste Leiterplatte (Stand der Technik)
- 102
- zweiter Leiterplatte (Stand der Technik)
- 103
- Lötkugeln (Stand der Technik)
- 1
- erstes Leiterplattensubstrat
- 2
- zweites Leiterplattensubstrat
- 3
- Leiterplattenanordnung
- 4
- zweite Anschlusskontakte
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Peripherie
- 7
- Lötpastenzylinder
- 8
- Druckschablone
- 9a,9b
- Durchtrittskanäle
- 10
- Anschlussfläche
- 11
- Unterseite
- 12
- Oberfläche
- 14
- erste Anschlusskontakte
- A1,A2
- Abstand
- H1,H2,ZH
- Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20060249303 A1 [0004]
- DE 10138042 A1 [0005]
