Verfahren zum Herstellen von Bauelementen nach Art gedruckter Schaltungen und nach diesem Verfahren hergestelltes Bauelement Bauelemente nach Art der gedruckten Schaltun gen bestehen grundsätzlich stets aus einem isolie rende Eigenschaften aufweisenden Träger; der mit fest in oder auf dem Träger haftenden Leiterzügen aus beispielsweise Kupfer versehen ist.
Diese Lei terzüge können entweder auf einer Seite des Träger materials oder auch auf beiden Seiten angebracht sein; es können mehrere geeignet ausgeführte Ge bilde aus Isolierträger und Leiterzügen zu sogenann ten Mehrlagenschal'tungen kombiniert werden, wobei dann alle Lagen eine mechanische Einheit bilden, oder es können auch die Leiterzüge völlig in das Basismaterial eingebettet sein. Die Kupferleiter kön nen beispielsweise im Photodruck, mit und ohne An wendung galvanischer Verfahren in Ätztechnik aus gebildet werden. Ebenso können sie jedoch auch durch einen Prozess hergestellt werden, der es in wirtschaftlicher Weise gestattet, Kupfer derart auf einem Basismaterial abzuscheiden, dass hierdurch das Leitermuster zur Ausbildung gelangt.
Üblicherweise werden entweder Endanschlüsse in Form von Lötösen an die Leiterzüge angelötet, oder aber es werden die mit den Leiterzügen zu verbin denden Drähte direkt an diese *angelötet. Derartige Anschlussverbindungen zeigen den Nachteil, dass sie insbesondere unter extremen Temperaturanforderun gen sowie bei Stoss- und Vibrationsbelastungen zu Unterbrechungen und zur elektrischen Geräuschbil dung neigen.
Vom elektrischen und mechanischen Standpunkt aus wären geschweisste Verbindungen zwischen den Leitern und den zu diesen führenden Anschlussdräh- ten sehr erstrebenswert. Es ist jedoch im Regelfall unmöglich, zum Herstellen derartiger Verbindungen das Punktschweissen zu benutzen, da weder die re lativ dünnen Kupferleiterzüge auf den Bauelementen nach Art der gedruckten Schaltungen (etwa 0,03 oder 0,06 mm dick) die Schweissströme aushalten noch das darunterliegende Basismaterial.
Das an sich gleichfalls erstrebenswerte Hart löten scheidet gleichfalls als Verbindungsmittel aus, da die hierbei auftretenden Temperaturen regelmässig übel der Zerstörungstemperatur für den verwendeten Isolierstoff des Basismaterials liegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauelementen nach Art ge druckter Schaltungen, mit einer gedruckten Leiter platte, welche mit Bohrungen versehen ist, die mit einer Metallschicht ausgestattet sind, und aus An schlusselementen zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zu jenen metallisierten Bohrungen und zu mit diesen elektrisch verbundenen Leiterzügen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich von den bekannten Verfahren dieser Art dadurch aus, dass die Metallwandung in den Bohrungen oder die Metalloberfläche der Anschlusselemente oder beide mit mindestens einem Metall oder einer Legierung aus der Gruppe überzogen werden, die aus Indium, Gallium, Zinn, Indiumlegierungen und Galliumlegie- rungen besteht, dass das Anschlusselement in die ihm zugeordnete Bohrung eingefügt wird und dass das Bauelement, bestehend aus Leiterplatte und An schlusselementen, einer Temperatur ausgesetzt wird, die ausreicht,
um zwischen der Metallschicht der Bohrungswandung und dem Anschlusselement eine Diffusionsverbindung auszubilden, welche durch Dif fusion des Metalles oder der Legierung aus der Gruppe von Indium, Gallium, Zinn, Indiumlegie- rungen und Gälliumlegierungen entsteht.
Die Erfindung betrifft auch ein nach diesem Ver fahren hergestelltes Bauelement. Dasselbe zeichnet sich dadurch aus, dass zu seiner Verbindung mit ausserhalb befindlichen anderen elektrischen Bauele menten Anschlusselemente benutzt werden, die in metallisierte Löcher eingesetzt sind, wobei entweder diese oder die Anschlusselemente mit mindestens einem Stoff aus der Gruppe überzogen sind, welche von Indium, Gallium, Zinn, Indiumlegierungen und Galliumlegierungen gebildet wird,
und dass die An schlusselemente in den ihnen zugeordneten Bohrungen mit dem die Wandung derselben bildenden Metall vermittels einer Diffusionslegierungsverbindung fest verbunden sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt in Aufsicht ein Bauelement nach Art einer gedruckten Leiterplatte mit Anschlussele- menten.
Hierin bedeutet 10 das Basismaterial, 11 die Kupferleiter und 12 sind die metallisierten Bohrun gen, welche mit den Anschlusselementen 13 ver sehen sind.
Fig. 2 bis 6 sind Schnittzeichnungen, welche eine Bohrung und verschiedene, geeignete, erfindungs gemässe Anschlusselemente darstellen.
In Fig. 1 besteht beispielsweise das Basismaterial 10 aus einem Phenol- oder Epoxyglas-Isolierstoff; 11 sind die Leiterzüge, die vorzugsweise aus Nicht eisenmetallen, wie Kupfer, gebildet sind und bei spielsweise in üblichen Photodruck und Ätzverfah- ren ausgebildet sind. Ebenso kann auch ein anderes zum Herstellen von Leitermustern nach Art der gedruckten Schaltungen bekannt gewordenes Verfah ren benutzt werden. Die Leiterzüge können beispiels weise auch aus Beryllium-Kupfer, Zink, Aluminium, Zinn oder einer Bronze bestehen.
Auch Kadmium, Wismut, Antimon, Gold, Blei, Magnesium, Mangan, Molybdän, Palladium, Platin, Silber, Titan und Zir- konium sind als Ausgangsmaterial für die Leiter züge geeignet. Ebenso alle Legierungen, welche über wiegend aus einem oder mehreren der obangeführten Stoffe bestehen. Beispielsweise können Kupfer-Nik- kel-Verbindungen, die überwiegend gewichtsmässig aus Kupfer bestehen, benutzt werden.
Indium zeigt auch Diffusionserscheinungen mit einer grossen Zahl anderer Materialien. Diese können grundsätzlich gleichfalls benutzt werden; in der Re gel ist allerdings bei diesen die Diffusionsgeschwin digkeit sehr gering.
Die Bohrungen 12 in Fig. 1 sind vorzugsweise mit einer Verkupferung der Wandung versehen und können mit den Leiterzügen 11 eine elektrische Einheit bilden. Diese Bohrungen sind genauer in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Die in diesen Fig. 2 bis 4 dargestellten Anschlusselemente stellen Ausfüh rungsformen dar, die sich als besonders vorteilhaft erwiesen haben.
Jedes dieser Anschlusselemente weist einen praktisch ringförmigen Querschnitt 13a zu mindest in einem Teil seiner Länge auf, und dieser Teil weist vorzugsweise einen Längsschlitz 13b auf, der zulässt, dass dieser Teilbezirk des Anschlussele- mentes federnd ist. Mit diesem Federteil wird das Anschlusselement in die Bohrung 12 eingesetzt. Die Anschlusselemente nach den Fig. 2 bis 4 sind wei terhin dergestalt ausgeführt, dass ein elektrischer An schlussdraht in einfacher Weise entsprechend der Er findung mit ihnen verbunden werden kann.
Mindestens eines der Gruppe von Bohrungen und Anschlusselementen ist mit einer Schicht versehen, die aus zumindest einem der Stoffe der Gruppe be steht, die im wesentlichen von Indium, Gallium, Zinn, Indiumlegierungen und Galliumlegierungen gebildet wird. Die Anschlusselemente können aus jedem der weiter oben aufgeführten Basismaterialien hergestellt werden, die dort als geeignet bezeichnet wurden, um die Leiterzüge des Leitermusters<B>11</B> zu bilden.
Vorzugsweise bestehen sie aus Beryllium-Kupfer oder anderen Nichteisenmetallen, die vortei'lhafterweise gute Federeigenschaften aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform bestehen die Anschlusselemente aus mehreren Schichten, wobei auch eine Eisenmetall-Schicht Verwendung finden kann. Dies ermöglicht es, Materialien mit besonders guten mechanischen und Federeigenschaften zu be nutzen. Beispielsweise kann das Anschlusselement aus einem Röhrchen gebildet sein, das aus einer 42 Eisen enthaltenden Eisen-Nickel-Legierung besteht; dieses Röhrchen ist entweder überhaupt oder auf seiner inneren oder auf seiner äusseren Oberfläche mit Kupfer oder einer überwiegend Kupfer enthal tenden Legierung überzogen.
Das Ausrüsten der Anschlusselemente mit der Indiumschicht kann vorteilhafterweise auf galvani schem Wege geschehen, und die Schichtdicke kann beispielsweise 6,45 X 10-5 cm betragen. In gleicher Weise ist Gallium geeignet.
Geeignete Indium- oder Galliumlegierungen sind beispielsweise Zinn-Indium, Aluminium-Indium und Zink-Indium mit einem In dium-Gehalt von minimal 50 %, gewichtsmässig sowie Gallium-Zinn, Aluminium-Gallium und Zink-Gal- lium mit einem Minimalgehalt an Gallium von 50 9ö, gewichtsmässig. Geeignete Legierungen können bei spielsweise auch aus mehreren Metallen mit Indium und Gallium bestehen.
Wie bereits ausgeführt, kann man, anstatt die Anschlusselemente 30 (Fig. 6) mit Indium zu über ziehen, auch die Kupferschicht in den Bohrungen 12 mit Indium oder einem anderen Stoff der oban- geführten Gruppe überziehen. Ebenso kann es vor teilhaft sein, sowohl die Oberfläche des Anschluss- elementes 30, als auch die Kupferschicht in der Bohrung 12 mit Indium, Gallium oder mindestens einem der zu der beanspruchten Stoffgruppe zählen den Stoffe zu überziehen.
Nach den Untersuchungen der Anmelderin hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Anschlussele- mente so auszubilden, dass sie unter Anwendung von Druck in die zugeordneten Bohrungen der Leiter platte eingepresst werden müssen. Hierzu wird vor teilhafterweise der Ringdurchmesser grösser ausgebil det als der Lochdurchmesser der zugeordneten Boh rung. Hierdurch wird bewirkt, dass ein seitlicher bzw. radialer Druck von beispielsweise 2 at zwischen Bohrungswandung und Wandung des Anschlussele- mentes zur Ausbildung gelangt.
Nach dem Einsetzen der Anschlusselemente in die zugeordneten Bohrungen der Leiterplatte wird das Bauelement einer Temperatur ausgesetzt, die geeignet ist, die Ausbildung der Diffusionsverbin dung zwischen dem Anschlusselement und der Me tallwandung der Bohrung herbeizuführen.
In einer bevorzugten Ausführung, in der die Anschlusselemente Indiumschichten tragen, wird das aus der Leiterplatte und den in deren Löcher ein gesetzten Anschlusselementen gebildete Bauelement nach Art der gedruckten Schaltungen beispielsweise auf 250 C gebracht, eine Temperatur, die beträcht lich über dem Schmelzpunkt von Indium (155,5 C) liegt, jedoch unterhalb der Zerstörungstemperatur für das verwendete Basismaterial, die beispielsweise bei 315,5 C liegen kann.
Sobald das Bauelement auf eine Temperatur erwärmt wird, die über 155,5 C liegt, schmilzt das Indium und beginnt sowohl in das Kupfer des Anschlusselementes als auch in das Kupfer der Me tallwandung der Bohrung zu diffundieren. Wird das Bauelement beispielsweise für 30 Minuten auf einer Temperatur gehalten, die oberhalb des Schmelzpunk tes von Indium liegt, so kann darnach die Beendi gung des Diffusionsvorganges auch bei Raumtempe ratur bewerkstelligt werden. Allerdings findet sie bei erhöhter Temperatur wesentlich schneller statt.
Nach der Beendigung der Diffusion bilden Anschlusselement und Kupferschicht in der Bohrung eine feste, mecha nische Einheit; sie sind durch die ausgebildete Kup- fer-Indium-Legierung miteinander verbunden. Auf Grund der Beobachtungen der Anme'lderin. ist anzu nehmen, dass am Ende der Diffusionsperiode prak tisch alles Indium in die entsprechende Legierung umgewandelt ist.
Die vermittels der erfindungsgemässen Diffusions legierungen bewirkte Verbindung zwischen Anschluss- element und Metallschicht in der Bohrung weist eine ausserordentlich hohe Festigkeit auf. Um beispiels weise ein Anschlusselement von 0,15 cm äusserem Durchmesser und 0,24 cm Verbindungslänge aus der Bohrung zu reissen, sind mehr als 35 kg Zug erforderlich. Ein Vergleichswert für ein gleichartiges, eingelötetes Anschlusselement liegt bei etwa 19 kg Zug.
Diese für die praktische Verwendung derarti ger Bauelemente besonders vorteilhafte, hohe Fe stigkeit wird einmal dadurch bewirkt, dass eine Ver bindung zwischen Anschlusselement und Metall schicht in der Bohrung auf der ganzen Bohrungs länge erfolgt, und zum anderen, da Kupfer-Indium- Legierungen eine ganz ausserordentliche Scherfestig keit aufweisen.
Um zu noch höheren Festigkeiten zu gelangen, kann die Legierungsoberfläche vergrössert werden. Fig. 4 zeigt eine beispielsweise Ausführung, bei der das Anschlusselement einen Flansch 14 aufweist, der sich mit dem von ihm bedeckten Gebiet von 11 durch Diffusion verbindet.
Als besonderer Vorteil der Verbindung von An schlusselementen und Leiterplatten zu Bauelementen der beanspruchten Art besteht darin, dass die zur Ausbildung kommenden Diffusionslegierungen ausser ordentlich hohe Schmelzpunkte aufweisen. Beispiels weise beträgt der Schmelzpunkt für die Kupfer- Indium-Diffusionslegierung etwa 900 C.
Wie bereits ausgeführt, sind die Anschlussele- mente nach einer erfindungsgemässen Ausgestaltung derart ausgeführt, dass sie in einfacher Weise mit einem Drahtanschluss verbunden werden können. Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, sind hierfür die ver schiedenartigsten Ausführungsformen brauchbar. In der Regel wird das Anschlusselement so ausgebildet werden, dass der Anschlussdraht in dessen Öffnung eingeführt werden kann.
Jedoch sind auch andere Ausführungsformen un ter Umständen besonders geeignet. Fig. 2 und 4 zeigen beispielsweise Anschlusselemente, welche Fah nen 15 aufweisen, die es in einfacher Weise ermög lichen, einen Anschlussdraht anzuschweissen, herum zuwinden, einzusicken oder auch anzulöten.
Das Anschlusselement nach Fig. 3 besitzt eine ringförmige Verformung 16 mit einem Durchmesser; der grösser ist als der im übrigen Teil des Ele mentes. Hierdurch wird erreicht, dass die Feder spannung, welche die Wandung des Anschlusselemen- tes gegen die Metallschicht in der Bohrung presst, erhöht wird.
In Fig. 5 ist ein Anschlusselement dargestellt, dessen Basismaterial aus einer Eisenlegierung be steht, beispielsweise aus Nickel-Eisen mit 58 % Nik- kelgehalt. Dieses Anschlusselement ist mit 20 be zeichnet. Derartige Eisenlegierungen eignen sich kaum dazu, mit Indium-Gallium oder den anderen Mitgliedern der von der Anmelderin beanspruchten Stoffgruppe Diffusionsverbindungen zu bilden.
In einer Weiterführung der Erfindung wird daher das Anschlusselement 20 mit einer geeigneten, beispiels weise einer Kupferschicht 21 überzogen. Als über zugsmetall eignen sich alle jene Nichteisenmetalle, die bereits als brauchbar für die Herstellung von Anschlusselementen aufgeführt sind. Auf die Kup ferschicht wird dann beispielsweise eine Schicht von Gallium oder Indium aufgebracht. Die Kupferschicht kann beispielsweise eine Dicke von 0,0025 cm auf weisen. Das Anschlusselement nach Fig. 5 ist ein typisches Ausführungsbeispiel der erfinderischen Lehren.
Es ist in seinem Ringdurchmesser etwas grösser als der Durchmesser der Bohrung, in die es eingesetzt werden soll, und weist einen Längsschlitz auf, der ein federndes Nachgeben beim Einsetzen in die Bohrung zulässt. Um auch einen Anschlussdraht mit dem Anschlusselement nach Fig. 5 durch Dif fusion verbinden zu können, kann auch die innere Oberfläche desselben mit Indium oder einem anderen Stoff der Gruppe überzogen werden.
Anhand der Fig. 6 soll eine derartige Verbindung zwischen einem Anschlussdraht und der Innenwan dung eines Anschlusselementes näher betrachtet wer den. Das Anschlusselement 30 ist entsprechend je nem nach Fig. 3 ausgeführt. Es ist beispielsweise innen und aussen mit Indium überzogen.
Ein An schlussdraht 31 ist in das Anschlusselement 30 ein gesetzt und vorteilhafterweise ist dieses sodann, wie in Fig. 6 dargestellt, eingepresst, so dass ein fester Kontakt zwischen Drahtoberfläche und Innenwan dung des Anschlusselementes bewerkstelligt wird. An schliessend wird die ganze Baueinheit der Wärme behandlung ausgesetzt, um die Diffusionsverbindung zwischen Anschlussdraht und Anschlusselement her zustellen.
Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass eine solche zweite Wärmebehandlung ohne Einfluss nach teiliger Art auf eine beispielsweise in einem früheren Verfahrensschritt ausgebildete Diffusionsverbindung zwischen Metallschicht in der Bohrung 12 und An schlusselement 13 in Fig. 3 bleibt. Es ist natürlich auch möglich, beide Diffusionsverbindungen in einer Wärmebehandlung herzustellen.
Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu er sehen, dass die beschriebenen Bauelemente den gro ssen Vorteil aufweisen, dass die Verbindung zu den Leiterzügen des Leitermusters vermittels von An schlusselementen bewirkt wird, die mit der Metall schicht der metallisierten Bohrungen des Leiter musters eine Legierung bilden, welche ausserordent liche mechanische und Temperaturbeständigkeit auf weist. An derartigen Anschlusselementen können An schlussdrähte beispielsweise durch Schweissen oder durch analoge Metalldiffusion verbunden werden, oder aber durch übliches Löten.
In letzterem Fall erweist sich als wesentlicher Vorzug gegenüber üb lichen Lötverbindungen, dass auch praktisch beliebig oftmaliges Wiederholen des Lötvorganges zu keiner Verschlechterung der Eigenschaften der Verbindung führt. Hierdurch wird grösste Reparaturfähigkeit ge währleistet.