DE3300549A1

DE3300549A1 - Gedruckte schaltungsplatine und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3300549A1
Application number: DE19833300549
Authority: DE
Inventors: Hisaji Higashiosaka Osaka Tanazawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-01-14
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3300549C2; GB2115985A; JPS58106971U; GB2115985B; US4545119A; GB8300836D0

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine gedruckte Schaltungsplatine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Eine derartige Schaltungsplatine weist auf einer oder auf beiden Seiten eine leitende Struktur aus in einer vorgegebenen Weise angeordneten Leiterbahnen auf. Die Schaltungsplatine ist ferner mit durchgehenden öffnungen versehen, die ein elektrisch leitendes Material aufnehmen, das mit den leitenden Strukturen auf einer oder auf beiden Seiten der Schaltungsplatine in Verbindung steht. Die mit dem leitenden Material versehenen Öffnungen dienen zur elektrischen Verbindung der leitenden Strukturen mit elektronischen Bauteilen, mit denen die Schaltungsplatine bestückt wird. Bei herkömmlichen Schaltungsplatinen ist das leitende Material an der inneren Oberfläche der Öffnung vorgesehen.

Zur Anbringung des leitenden Materials an der inneren Oberfläche der Öffnung der Schaltungsplatine sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Nach einem Verfahren wird das leitende Material galvanisch aufgebracht. Nach einem anderen Verfahren wird eine leitende Masse, wie etwa Silberleitpaste, in die öffnung eingefüllt. Nach einem weiteren Verfahren wird eine öse in die Öffnung eingesetzt.

Die obengenannten Verfahren haben die folgenden Vor- und Nachteile. Die galvanische Aufbringung des leitenden Materials hat den Vorteil, daß eine leitende Verbindung mit hoher Zuverlässigkeit hergestellt wird, ist jedoch sehr teuer und zeitaufwendig, da zahlreiche Arbeitsschritte erforderlich sind. Darüber hinaus sind kostspielige Einrichtungen zur Reinigung des bei dem galvanischen Pro-

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- 6 zeß anfallenden Abwassers erforderlich.

Kostengünstiger ist das Verfahren, bei dem die leitende Paste eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren ergibt sich jedoch im allgemeinen ein hoher Widerstandswert der elektrischen Verbindung. Darüber hinaus entstehen Luftblasen oder Risse in der Paste, die die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die Qualität der nach diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisse durch eine erforderliche Wärmebehandlung beeinträchtigt werden.

Zur Erläuterung des Verfahrens, bei dem eine Öse in die Öffnung der Schaltungsplatine eingesetzt wird, soll bereits hier auf Figur 2 der Zeichnung Bezug genommen werden. Die öse 4 wird nach dem Einsetzen in die öffnung 3 der Schaltüngsplatine 1 an beiden Enden gestaucht, so daß Flansche 41,42 entstehen, die mit den leitenden Strukturen 2 auf den Oberflächen der Schaltungsplatine in Berührung stehen. Nach dem herkömmlichen Verfahren wird jedoch keine metallische Verbindung dieser Flansche mit den leitenden Strukturen 2 hergestellt. Aus diesem Grund ist die elektrische Verbindung nicht stabil. Zwar braucht zur Verbesserung der elektrischen Verbindung lediglich der beim Stauchen der Öse aufgewendete Druck erhöht zu werden, so daß sich die Flansche in die leitende Struktur eindrücken und eine festere Verbindung entsteht. Da jedoch die Schaltungsplatine einem derart hohen Druck nicht standhält, würde dies zur Beschädigung der Schaltungsplatine führen. Aus diesem Grund werden derartige Hülsen bisher kaum verwendet, obgleich dieses Verfahren hinsichtlich der Kosten und der Eignung für die Massenproduktion erhebliche Vorteile aufweist.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine kostengünstige Schaltungsplatine der eingangs genannten Art herzustellen,

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die eine zuverlässige und dauerhafte elektrische Verbindung des in die Öffnungen der Schaltungsplatine eingesetzten leitenden Materials mit den leitenden Strukturen auf der Oberfläche der Schaltungsplatine gestattet, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsplatine anzugeben .

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und des ersten Verfahrensanspruchs 6.

Erfindungsgemäß werden die an den leitenden Strukturen anliegenden Endbereiche des in die Öffnung der Schaltungsplatine eingesetzten leitenden Materials durch Ültraschall- Schweißen metallisch mit den leitenden Strukturen verbunden. Auf diese Weise wird eine stabile elektrische Verbindung gewährleistet, ohne daß hierzu ein hoher Druck auf das leitende Material ausgeübt werden müßte, der die Schaltungsplatine beschädigen könnte. Durch die Erfindung wird so eine Schaltungsplatine mit einwandfreien Leitungseigenschaften geschaffen, die sich in einem kostengünstigen und für die Massenproduktion geeigneten Verfahren herstellen läßt.

im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine in eine gedruckte Schaltungsplatine eingesetzte öse;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Öse, die

in herkömmlicher Weise mit der Schaltungsplatine verstemmt ist; 35

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Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Öse, die

metallisch mit einer leitenden Struktur der Schaltungsplatine verbunden ist;
5

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweißvorrichtung;

Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung ei-. nes anderen Ausführungsbeispiels der

Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung soll als Beispiel für ein Stück aus elektrisch leitendem Material, das mit der Schaltungsplatine zu verbinden ist, eine Öse oder Lötöse betrachtet werden.

Eine gedruckte Schaltungsplatine 1 ist durch eine mit Epoxid- oder Phenolharz imprägnierte isolierende Schichtplatte gebildet. Die Schaltungsplatine 1 ist auf beiden Seiten mit einer leitenden Struktur aus Kupfer-Folie von etwa 35 um Stärke versehen. An Leiterbahn-Enden 2a der leitenden Strukturen ist eine durchgehende Öffnung 3 vorgesehen.

Eine Öse 4 wird von Hand oder maschinell in die Öffnung 3 eingesetzt und durch Stauchen derart in der Öffnung verstemmt, daß Flansche 41,42 gebildet werden, die die Leiterbahn-Enden 2a überlappen. Die im gezeigten Beispiel verwendete öse 4 weist die Form eines Zylinders mit einem Außendurchmesser von annähernd 1 mm auf. Die Durchmesser der beiden Flansche 21,42 betragen annähernd 1,5 mm. Vorzugsweise besteht die Öse 4 aus dem gleichen Material wie die leitende Struktur 2 und weist eine Materialstärke von vorzugsweise 10 bis 100 um auf. Wenn die Materialstärke der öse kleiner als 10 um ist, wird die Herstellung der

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Öse schwierig, während andererseits bei einer Materialstarke von mehr als 100 μΐη die üse ungeeignet ist, da die zum Verbinden der öse mit der leitenden Struktur durch Ultraschall-Schweißen benötigte Energie zunimmt. Anstelle der Ösen aus Kupfer können auch Ösen aus Aluminium, Messing oder dergleichen verwendet werden, wie sie im Handel erhältlich sind. Als Material für die Öse sind verhältnismäßig weiche Materialien vorzuziehen. Für das Stauchen und die Ultraschall-Schweißung sind geglühte Ösen besonders geeignet.

Die in' der öffnung 3 verstemmte öse 4 wird anschließend durch Ultraschall-Schweißen kontaktiert. Gemäß Fig. 4 wird die Schaltungspiatine 1 zwischen zwei Halteplatten 65 aus Eisen eingespannt oder unmittelbar in einem Schraubstock 67 befestigt. Die in die Schaltungsplatine 1 eingesetzte Öse 4 befindet sich dabei zwischen Elektroden 63 und 64 einer Ultraschall-Schweißvorrichtung 6. An den Oberflächen der Schallgeber-Elektrode 63 und der Reflexions-Elektrode 64, die einander auf entgegengesetzten Seiten der Schaltungsplatine gegenüberliegen, ist eine feine Auszahnung ausgebildet, die ein Verschieben der Flansche 41,42 gegenüber den Leiterbahn-Enden 2a verhindert. Während die Elektroden 63,64 gegen die Öse 4 angedrückt werden, wird von einem Schwingungsgeber 61 eine Schwingung entweder auf die Schallgeber-Elektrode 63 oder auf die Reflexions-Elektrode 64 übertragen. Hierdurch wird auch die jeweils andere Elektrode in Schwingung versetzt. Auf diese Weise werden die Flansche 41,42 der öse 4 mit den leitenden Strukturen 2 metallisch verbunden.

Wenn nur auf einer Seite der Schaltungsplatine eine leitende Struktur vorgesehen ist, braucht die Ultraschall-Schweißung nur an dieser Struktur und dem damit in Berührungstehenden Flansch ausgeführt zu werden.

Der zum Erfassen und Einspannen der öse 4 mit Hilfe der

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Elektroden 63,64 erforderliche Druck braucht lediglich so groß zu sein, daß die Flansche 4.1,42 der Öse 4 an den leitenden Strukturen, festgelegt werden, und beträgt nicht mehr als 500 kg/cm². Wenn nur ein sehr geringer Druck auf die öse ausgeübt wird, so wird hierdurch die Zuverlässigkeit der metallischen Verbindung zwischen der öse und der leitenden Struktur vermindert.' Andererseits kann ein Druck, der den Wert von 500 kg/cm² übersteigt, zur Beschädigung der Schaltungsplatine 1 am Rand der öffnung 3 oder an den Flanschen der Öse führen. Dies hätte eine unzuverlässige elektrische Verbindung zur Folge. Ferner bestünde in diesem Fall die Gefahr, daß die Schaltungsplatine zerbricht.

Bei der im vorliegenden Beispiel verwendeten öse sollte der ausgeübte Druck nicht größer als 300 kg/cm², vorzugsweise nicht größer als 100 kg/cm² sein.

Die Frequenz der Ultraschall-Schwingung wird auf 15 bis 80 kHz eingestellt.

Wenn die Frequenz kleiner als 15 kHz ist, kann eine metallische Verbindung nur schwer erreicht werden. Wenn andererseits die Frequenz größer als 80 kHz ist, wird die Fläche, auf die der Druck ausgeübt wird, kleiner, so daß aus diesem Grund der Innendurchmesser der Öse verringert werden müßte. Dies hätte den Nachteil, daß ein elektrischer Anschluß eines elektronischen Bauteils nur schwer in die Öse eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus wäre in diesem Fall die Herstellung des Schwingungsgebers erschwert.

Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel· verwendeten Öse ist eine Frequenz von 20 bis 60 kHz, insbesondere 25 bis 35 kHz vorzuziehen.

Die Amplitude der Ultraschall-Schwingung beträgt vorteilhafterweise 0,5 bis. 100 um. Wenn die Amplitude den Wert von 100 um übersteigt, besteht die Gefahr einer Be-

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Schädigung der öse 4 oder der leitenden Struktur 2. Wenn dagegen die Amplitude kleiner als 0,5 μπι wäre, so wäre eine entsprechende Erhöhung der Frequenz erforderlich, die aus den oben angegebenen Gründen unerwünscht ist. 5

Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Amplitude vorzugsweise 1 bis 50 μΐη, insbesondere 10 bis 40 um.

Hinsichtlich des Grades der metallischen Verbindung ist es ausreichend, daß die Verbindung eine stabile elektrische Leitfähigkeit gewährleistet. Eine Festigkeit der Verbindung, wie sie üblicherweise beim Schweißen angestrebt wird, ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Die Kraft, ■ mit der der Flansch der Öse mit der leitenden.Struktur an den einzelnen Öffnungen verbunden ist, beträgt beispielsweise 500 g bis 10 kg. Demgegenüber wird bei üblichen Schweißvorgängen in der Industrie angestrebt, daß die Festigkeit der verschweißten Teile ebenso groß ist wie die des Ausgangsmaterials, so daß bei einem Zugfestigkeitstest der Bruch an einer anderen Stelle des Materials als an der Schweißnaht erfolgt. Folglich brauchen die Flansche 41,42 der öse 4 nicht in ihrer Gesamtheit metallisch mit den leitenden Strukturen 2 verbunden zu sein, sondern es genügt, wenn jeweils ein hinreichend großer Teil der Flansche mit der entsprechenden leitenden Struktur verbunden ist.

Wenn die Flansche 41,42 der Öse 4 zumindest in einem Teilabschnitt mit den leitenden Strukturen 2 verbunden sind, kann eine vollständige und ausreichende Festlegung der Öse 4 in bezug auf die leitenden Strukturen 2 dadurch erreicht werden, daß ein Leitungsdraht eines nicht gezeigten elektronischen Bauteils in die öffnung der Öse 4 eingeführt und darin festgelötet wird.

Der Durchmesser der Flansche 41,42 der öse 4 ist kleiner

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als das Leiterbahn-Ende 2a der leitenden Struktur 2. Der Grund hierfür besteht darin,, daß eine Benetzung mit Lötmittel sauber ausgeführt werden kann, indem der Anschluß eines elektronischen Bauteils in der oben beschriebenen Weise in die Öse 4 eingelötet wird.

Das Einlöten des Leitungsdrahtes des elektronischen Bauteils in die Öse kann dadurch verbessert werden,, daß vorher eine Beschichtung aus lötfähigem Metall wie etwa Lötzinn oder dergleichen in einer Stärke von 0,5 bis 50 um durch Tauchlöten oder Galvanisieren auf die Oberfläche der Öse aufgebracht wird.

Die Durchführung.der Ultraschall-Schweißung zur Verbindung der¹ öse mit der leitenden Struktur wird durch das Vorhandensein einer solchen Lötmittelschicht zwischen den Oberflächen der'Öse und der leitenden Struktur nicht behindert, da die Lötmittelschicht beim Ultraschall-Schweißen zusammen mit Verunreinigungen auf der Metalloberfläche durch den lokalen Druck und die entstehende Reibungswärme aus der Berührungsfläche des Flansches 41 mit der leitenden Struktur 2 herausgedrängt wird.

Beim Ultraschall-Schweißen ist eine Vorbereitung der Oberflächen für den Schweißvorgang entbehrlich. Hierdurch wird die zum Anschweißen der Öse 4 an die Schaltungsplatine 1 ■ erforderliche Zeit erheblich verkürzt und die Produktivität entsprechend gesteigert.

Wenn die Lötmittelschicht durch Tauchlöten aufgebracht wird, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Öse zugleich ausgeglüht und erweicht wird.

In einem Versuch wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an 100 Stellen metallische Verbindungen zwischen Messing-Ösen und der leitenden Struktur hergestellt. Die

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Werte des elektrischen Widerstands zwischen der öse und der leitenden Struktur lagen im Bereich von 2 bis 4 mil und wiesen kaum eine Streuung auf. Dieses Ergebnis ist zu vergleichen mit herkömmlichen elektrischen Verbindungen zwischen Silberleitpaste und der leitenden Struktur, deren elektrischer Widerstandswert mit sehr großer Streuung im Bereich von 12 bis 20 mil liegt.

Wie bereits erwähnt wurde,· ist da-s Verfahren, die öse in einer durchgehenden Öffnung der gedruckten Schaltungsplatine zu verstemmen, einfach und kostensparend. Der bisher mit diesem Verfahren verbundene Nachteil einer instabilen elektrischen Verbindung wird erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß durch Ultraschall-Schweißen eine metallisehe Verbindung zwischen dem Flansch der öse und der leitenden Struktur der Schaltungsplatine hergestellt wird,

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt während der Durchführung der Ultraschall-Schweißung keinerlei Wärmeeinwirkung auf, und der· erforderliche Druck ist nur gering. Dies gestattet es, als Träger für die leitenden Strukturen Schaltungsplatinen aus einem Harz zu verwenden, das nur eine geringe Druck- und Hitzebeständigkeit aufweist.

BEISPIEL

Bei einer praktischen Erprobung der Erfindung wurden als gedruckte Schaltungsplatinen Papier-Schichtplatten verwendet, die mit Phenolharz imprägniert waren und auf beiden Seiten eine 35 μΐη starke Kupferfolie aufwiesen.

Die in die Öffnungen der Schaltungsplatine eingesetzten und dort verstemmten Ösen waren ebenfalls aus Kupfer mit

einer Stärke von 35 μπι hergestellt. 35

Bei der Ultraschall-Schweißung wurde auf die Ösen ein

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Druck von 10 kg/cm², ausgeübt und die Amplitude der Ultraschall-Schwingungen betrug 23 um.

Der elektrische Widerstand zwischen dem Flansch der öse und der leitenden Struktur der Schaltungsplatine betrug nur 4 mil. Dies ist ein Indiz dafür, daß eine metallische Verbindung der Öse mit der leitenden Struktur hergestellt wurde. .

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die öse durch einen Metalldraht oder eine Metallfolie 81 ersetzt, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Die beiden auf entgegengesetzten Seiten aus der öffnung der Schaltungsplatine herausragenden Enden der Metallfolie werden in Richtung auf die leitenden Strukturen 2 zur Seite gebogen und.durch Ultraschall-Schweißung metallisch mit den leitenden Strukturen verbunden.

Die erfindungsgemäße gedruckte Schaltungsplatine zeichnet sich durch eine geringe Streuung der Widerstandswerte der elektrischen Verbindungen und durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Nach dem vollständigen Bestücken der erfindungsgemässen Schaltungsplatinen mit elektronischen Bauteilen weisen die so hergestellten Erzeugnisse gegenüber herkömmlichen Verfahren einen erheblich verringerten Anteil an fehlerhaften Erzeugnissen auf.

Leerseite

Claims

00549

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr, N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister

Dipl-Ing. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse si

Triftstrasse -4,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD ι

P9-3

St/Wi/ri j,..

HISAJI TANAZAWA

8-4, Hanazonohigashimachi 1-chome

Higashiosaka-shi, OSAKA, Japan

GEDRUCKTE SCHALTUNGSPLATINE UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG

PRIORITÄT: 14. Januar 1982, Japan, Sho. 57-4144 (GM)

PATENTANSPRÜCHE

\J Gedruckte Schaltungsplatine mit einer elektrisch leitenden Struktur auf einer oder auf beiden Seiten, mit in geeigneten Positionen angebrachten durchgehenden Öffnungen für die Bestückung der Schaltungsplatine mit elektronischen Bauteilen, welche Öffnungen ein leitendes Material aufnehmen, das außerhalb der öffnungen an den leitenden Strukturen anliegt, dadurch gekennzeichnet,

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daß das elektrisch leitende Material (4) in an den leitenden Strukturen (2) anliegenden Endbereichen metallisch mit den leitenden Strukturen (2) verbunden ist.
2. Schaltungsplatine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material eine Öse (4) aus Metall ist, die an beiden Enden nietförmig gegen die leitenden Strukturen (2) gestaucht ist.
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3. Schaltungsplatine nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß das leitende Material ein Metalldraht ist.
4. Schaltungsplatine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material eine Metallfolie (81) ist.
5. Schaltungsplatine nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß das leitende' Material an der Oberfläche eine Beschichtung aus lötbarem Metall aufweist.
6." Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltungsplatine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß man nach dem Einführen des leitenden Materials in die durchgehende öffnung und dem Abwinkein oder Verformen des oder der Enden des leitenden Materials gegen die leitende Struktur der Schaltungsplatine die metallische Verbindung herstellt, indem man die Enden des leitenden Materials von beiden Seiten der Schaltungsplatine her mit einem Ultraschall-Werkzeug erfaßt und auf die Berührungsflächen der abgewinkelten oder verformten h'nden des Leitenden Materials mit der leitenden Struktur eine Ultraschall-Schwingung überträgt und einen Druck ausübt, diⁱr zur Festlegung der Enden des

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leitenden Materials ausreicht, aber nicht mehr als· 500 kg/cm² beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Frequenz der Ultraschall-Schwingung 15 bis 80 kHz und die Amplitude dieser Schwingung 0,5 bis 100 μΐη beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

10- zeichnet, daß die Frequenz der Ultraschall-Schwingung 20 bis 60 kHz und die Amplitude dieser Schwingung 1 bis 50 μπι beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η ή -

zeichnet, daß die Frequenz der Ultraschall-Schwingung 25 bis 35 kHz und die Amplitude dieser Schwingung 10 bis 40 ρ beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als leitendes Material eine hülsenförmige öse verwendet, deren eines Ende durch Stauchen verbreitert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material ein

Metalldraht ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch .gekennze ichnet, daß das leitende Material

30 eine Metallfolie ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die öse und die leitende Struktur auf der Schaltungsplatine aus Kupfer hergestellt sind und daß die Wandstärke der öse 10 bis 100 μΐη beträgt.

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14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öse aus geglühtem Kupfer hergestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des Körpers der Öse eine Beschichtung aus lötbarem Metall aufbringt.