DE19910078A1

DE19910078A1 - Verfahren zur Erhöung der Fertigungssicherheit von Lötverbindungen

Info

Publication number: DE19910078A1
Application number: DE19910078A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schwaiger; Rolf Becker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-28
Also published as: WO2000054561A1; EP1080616A1; JP2002538967A; US6488199B1

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 dem sich anschließenden Aufdrucken 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

Technisches Gebiet

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lötverbindungen läßt sich die Qualität der Lötverbindungen durch vollautomatische Lötstellenkontrollsysteme besser überwachen.

Stand der Technik

Bei einem Verfahren zur Durchkontaktierung von zweiseitig beschichteten Leiterplatten mittels Silberleitpaste, wird ein Drucksieb verwendet, welches Durchkontaktierungslöchern der Leiterplatte zugeordnete Öffnungen 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 hohlzylinderförmige, an den Wandungen der Durchkontaktierungslöcher anliegende elektrische Leiter bildet.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Durchkontaktierungslöcher mit einer Verzinnung zu versehen, um die Haftung des Lotes zu verbessern. Bei Keramikträgern kann jedoch Zinn nicht verwendet werden; auf dem Keramikträger angeordnete Sensoren könnten durch die aufgebrachte Verzinnung beeinträchtigt werden.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lötverbindungen erlaubt den Einsatz vollautomatischer optischer Lötstellenkontrollsysteme 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 Benetzungsfähigkeit für das Lot erheblich verbessert, so daß ein verbesserter Lothochstieg insbesondere an Umkontaktierungen an Keramikträgern erzielbar ist. Die damit einhergehende Erhöhung der Gesamtmetallisierungsschichtdicke bewirkt eine Erhöhung der Beständigkeit gegen das Ablegieren der Metallisierung beim Löten, dem "Leaching"-Effekt.

Bei Keramikträgern, Leiterplatten oder dergleichen, werden Durchkontaktierungen durch Ansaugen oder Aufdrucken von leitenden Werkstoffen gefertigt; Umkontaktierungen lassen sich durch Trennung von Durchkontaktierungen in ihren Symmetrielinien herstellen. Bei der Herstellung von Durchkontaktierungen in Keramikträgern 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 Benetzungsfähigkeit der zweiten Metallisierungsschicht, wird die erste Metallisierungsschicht mit einer weiteren Metallisierungsschicht versehen. Diese trägt maßgeblich zu einer verbesserten Benetzungsfähigkeit der ersten Metallisierungsschicht durch das Lot bei. Die zweite Metallisierungsschicht besteht vorzugsweise aus einer Edelmetallschicht, wie beispielsweise Au, welches bessere Benetzungsfähigkeiten aufweist und deren Benetzungswinkel < 60° ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt 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, läßt sich dort die Benetzungsfähigkeit auf einem hohen Niveau halten, ist auch im Kantenbereich der Metallisierungsschicht ein Hochstieg des Lotes durch die gute Benetzungsfähigkeit gewährleistet. Dies wiederum unterstützt den Einsatz vollautomatischer Lötstellenkontrollsysteme, da so ein Lothochstieg erzielbar ist, der zuverlässig durch ein vollautomatisches Lötstellenkontrollsystem detektierbar ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Aufbringens der zweiten Metallisierungsschicht wird die Gesamtmetallisierungsschichtdicke im Kantenbereich erhöht, die Benetzungsfähigkeit 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 Keramikträger legt die Grundlage dafür, um die nach der Trennung der Durchkontaktierung entstehenden Umkontaktierungen so zu verbessern, daß vollautomatische Lötstellenkontrollsysteme einsetzbar sind, die die Lötstellen 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:

Fig. 1 eine mit zwei Metallisierungsschichten versehene Durchkontaktierung eines Keramikträgers und die Fig. 2 eine an einem Keramikträger ausgebildete Umkontaktierung, der gegenüberliegend ein optisches Lötstellenkontrollsystem angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt einen Keramikträger 1, an dem eine Durchkontaktierung 17 ausgeführt ist. Auf der Oberseite 2 des Keramikträgers 1 befindet sich ein Sensorelement 3. Die Durchkontaktierung 17 besteht aus einer ersten Metallisierungsschicht 5, die auf die Kanten des Keramikträgers 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 beständig gegen das Ablegieren, den Abtrag der Metallisierung beim Lötvorgang, ist. Dieser Materialanforderung wird eine erste Metallisierungsschicht 5 bestehend aus AgPd in hohem Maße gerecht. Gemäß Fig. 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 Fig. 1 ist eine Durchkontaktierung 17 dargestellt, welche an Ober- und Unterseite des Keramikträgers 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 Fig. 2 in vereinfachter Form dargestellt sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist ein Keramikträger 1 gezeigt, dessen Umkontaktierung 18 aus einer Durchkontaktierung 17 gemäß Fig. 1 hervorgegangen ist.

Nach der Trennung des Keramikträgers 1 an der Trennstelle 4 ist aus der Durchkontaktierung 17 am Keramikträger 1 eine Umkontaktierung 18 hervorgegangen. Die den Kantenbereich des Keramikträgers 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 Strahlenbündel 13 auf die zu detektierende Lötverbindung 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 Lötverbindung 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 Lötverbindung 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 Lötverbindung 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 Lötverbindung wäre ein Lothochstieg bis in den Kantenbereich 8 nicht gewährleistet, 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 Benetzungsfähigkeit 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 S 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 Benetzungsfähigkeit 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 Benetzungswinkel charakterisieren läßt. Ein Benetzungswinkel α von 0° charakterisiert ein hervorragendes Benetzungsverhalten, während ein Benetzungswinkel α = 90° ein ausgesprochen ungünstiges Benetzungsverhalten kennzeichnet. Die als erste Metallisierungsschicht 5 gewählte AgPd-Dickschichtpaste hat einen Benetzungswinkel 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

1. Verfahren zur Erhöhung der Fertigungssicherheit von Lötverbindungen (7) zwischen einem Keramikträger (1) und einer Leiterplatte (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
Dem Aufbringen einer ersten ablegierungsbeständigen Metallisierungs schicht (5) am Keramikträger (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 Lötverbindung (7).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikträger (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 zweite 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 Durch kontaktierung (17) entspricht.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung (7) an der Umkontaktierung (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 Metallisierungs schichtdicke im Kantenbereich (8) der Lötverbindung (7) gesteigert wird.