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.
Process for the production of components on the type of printed circuits and component produced by this method Components on the type of printed circuit always consist of a carrier having insulating properties; which is provided with conductor tracks made of, for example, copper, adhering firmly in or on the carrier.
This Lei can be attached either on one side of the carrier material or on both sides; It can be combined several suitably designed Ge formations of insulating support and conductor tracks to so-called multi-layer circuits, in which case all layers form a mechanical unit, or the conductor tracks can be completely embedded in the base material. The copper conductors can be formed, for example, by photo printing, with and without the use of galvanic processes using etching technology. Likewise, however, they can also be produced by a process which makes it possible in an economical manner to deposit copper on a base material in such a way that the conductor pattern is thereby formed.
Usually, either end connections in the form of soldering lugs are soldered to the conductor tracks, or the wires to be connected to the conductor tracks are soldered directly to them *. Such connection connections have the disadvantage that they tend to be interrupted and generate electrical noise, especially under extreme temperature requirements and under shock and vibration loads.
From the electrical and mechanical point of view, welded connections between the conductors and the connecting wires leading to them would be very desirable. As a rule, however, it is impossible to use spot welding to make such connections, as neither the relatively thin copper conductors on the printed circuit components (about 0.03 or 0.06 mm thick) can withstand the welding currents nor the underlying base material .
Hard soldering, which is also desirable in itself, is also ruled out as a connecting means, since the temperatures occurring here are regularly above the destruction temperature for the insulating material used in the base material.
The present invention relates to a method for producing components in the manner of printed circuits, with a printed circuit board which is provided with bores which are equipped with a metal layer, and connection elements for making electrical connections to those metallized bores and to with these electrically connected conductors.
The method according to the invention is distinguished from the known methods of this type in that the metal wall in the bores or the metal surface of the connection elements or both are coated with at least one metal or an alloy from the group consisting of indium, gallium, tin, indium alloys and Gallium alloys consists in that the connection element is inserted into the hole assigned to it and that the component, consisting of the circuit board and connection elements, is exposed to a temperature that is sufficient to
in order to form a diffusion connection between the metal layer of the bore wall and the connection element, which is created by diffusion of the metal or the alloy from the group of indium, gallium, tin, indium alloys and gallium alloys.
The invention also relates to a component produced by this process. The same is characterized in that connection elements are used to connect it to other electrical components located outside, which are inserted into metallized holes, either these or the connection elements being coated with at least one substance from the group consisting of indium, gallium, Tin, indium alloys and gallium alloys are formed,
and that the connection elements are firmly connected in the bores assigned to them with the metal forming the wall thereof by means of a diffusion alloy connection.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the drawing.
1 shows a top view of a component in the manner of a printed circuit board with connection elements.
Here, 10 denotes the base material, 11 the copper conductor and 12 are the metallized holes which are seen with the connection elements 13 ver.
FIGS. 2 to 6 are sectional drawings showing a bore and various suitable connection elements according to the invention.
In Fig. 1, for example, the base material 10 consists of a phenolic or epoxy glass insulating material; 11 are the conductor tracks, which are preferably formed from non-ferrous metals such as copper and are formed, for example, using conventional photo printing and etching processes. Another method that has become known for producing conductor patterns in the manner of printed circuit boards can also be used. The conductor tracks can, for example, also consist of beryllium copper, zinc, aluminum, tin or a bronze.
Cadmium, bismuth, antimony, gold, lead, magnesium, manganese, molybdenum, palladium, platinum, silver, titanium and zirconium are also suitable as starting materials for the conductors. Likewise, all alloys, which mainly consist of one or more of the substances listed above. For example, copper-nickel connections, which consist predominantly of copper by weight, can be used.
Indium also shows diffusion phenomena with a large number of other materials. In principle, these can also be used; As a rule, however, the diffusion speed is very low in these.
The bores 12 in FIG. 1 are preferably provided with a copper plating of the wall and can form an electrical unit with the conductor tracks 11. These holes are shown in greater detail in FIGS. The connection elements shown in these FIGS. 2 to 4 represent embodiments which have proven to be particularly advantageous.
Each of these connection elements has a practically ring-shaped cross section 13a at least in part of its length, and this part preferably has a longitudinal slot 13b which allows this sub-area of the connection element to be resilient. The connection element is inserted into the bore 12 with this spring part. The connection elements according to FIGS. 2 to 4 are furthermore designed in such a way that an electrical connection wire can be connected to them in a simple manner in accordance with the invention.
At least one of the group of bores and connection elements is provided with a layer which is made up of at least one of the substances of the group which is essentially formed by indium, gallium, tin, indium alloys and gallium alloys. The connection elements can be produced from any of the base materials listed above, which were designated there as being suitable for forming the conductor tracks of the conductor pattern <B> 11 </B>.
They preferably consist of beryllium copper or other non-ferrous metals which advantageously have good spring properties.
In another embodiment, the connection elements consist of several layers, it also being possible to use a ferrous metal layer. This makes it possible to use materials with particularly good mechanical and spring properties. For example, the connecting element can be formed from a tube made of an iron-nickel alloy containing iron; this tube is either coated at all or on its inner or outer surface with copper or a predominantly copper-containing alloy.
The connection elements can advantageously be provided with the indium layer by galvanic means, and the layer thickness can be, for example, 6.45 × 10-5 cm. Gallium is suitable in the same way.
Suitable indium or gallium alloys are, for example, tin-indium, aluminum-indium and zinc-indium with an indium content of at least 50% by weight, as well as gallium-tin, aluminum-gallium and zinc-gallium with a minimum content of gallium of 50 9ö, by weight. Suitable alloys can for example also consist of several metals with indium and gallium.
As already stated, instead of covering the connecting elements 30 (FIG. 6) with indium, the copper layer in the bores 12 can also be covered with indium or another substance from the group mentioned above. It can also be advantageous to coat both the surface of the connection element 30 and the copper layer in the bore 12 with indium, gallium or at least one of the substances belonging to the claimed group of substances.
According to the applicant's investigations, it has proven to be expedient to design the connection elements in such a way that they have to be pressed into the associated bores in the printed circuit board using pressure. For this purpose, the ring diameter is formed larger than the hole diameter of the associated borehole. This has the effect that a lateral or radial pressure of 2 at, for example, is created between the wall of the bore and the wall of the connection element.
After inserting the connection elements into the associated bores of the circuit board, the component is exposed to a temperature which is suitable for bringing about the formation of the diffusion connection between the connection element and the metal wall of the bore.
In a preferred embodiment, in which the connection elements have indium layers, the component formed from the printed circuit board and the connection elements inserted in its holes is brought to, for example, 250 C in the manner of printed circuit boards, a temperature that is considerably above the melting point of indium ( 155.5 C), but below the destruction temperature for the base material used, which can be 315.5 C, for example.
As soon as the component is heated to a temperature above 155.5 C, the indium melts and begins to diffuse both into the copper of the connection element and into the copper of the metal wall of the bore. If the component is kept at a temperature above the melting point of indium for 30 minutes, for example, the diffusion process can then be terminated even at room temperature. However, it takes place much faster at elevated temperatures.
After the diffusion has ended, the connection element and copper layer in the bore form a solid, mechanical unit; they are connected to one another by the formed copper-indium alloy. Based on the owner's observations. it is to be assumed that at the end of the diffusion period practically all indium has been converted into the corresponding alloy.
The connection between the connection element and the metal layer in the bore produced by means of the diffusion alloys according to the invention has an extremely high strength. For example, to tear a connection element with an outer diameter of 0.15 cm and a connection length of 0.24 cm from the hole, more than 35 kg of tension are required. A comparison value for a similar soldered connection element is around 19 kg pull.
This high strength, which is particularly advantageous for the practical use of such components, is brought about on the one hand by the fact that a connection between connecting element and metal layer takes place in the hole over the entire length of the hole, and on the other hand because copper-indium alloys are completely exhibit exceptional shear strength.
In order to achieve even higher strengths, the alloy surface can be enlarged. 4 shows an exemplary embodiment in which the connection element has a flange 14 which connects to the area of 11 covered by it by diffusion.
A particular advantage of the connection of connection elements and printed circuit boards to form components of the claimed type is that the diffusion alloys that are formed also have extremely high melting points. For example, the melting point for the copper-indium diffusion alloy is about 900 C.
As already stated, according to an embodiment according to the invention, the connection elements are designed such that they can be connected to a wire connection in a simple manner. As FIGS. 2 to 4 show, the most diverse embodiments are useful for this purpose. As a rule, the connection element will be designed in such a way that the connection wire can be inserted into its opening.
However, other embodiments are also particularly suitable under certain circumstances. Fig. 2 and 4 show, for example, connection elements, which have Fah NEN 15, which make it possible union in a simple manner to weld a connection wire, twist around, beaded or soldered.
The connection element according to FIG. 3 has an annular deformation 16 with a diameter; which is larger than that in the rest of the element. This means that the spring tension which presses the wall of the connection element against the metal layer in the bore is increased.
5 shows a connection element whose base material is made of an iron alloy, for example made of nickel-iron with 58% nickel content. This connection element is marked with 20 be. Such iron alloys are hardly suitable for forming diffusion compounds with indium-gallium or the other members of the group of substances claimed by the applicant.
In a further development of the invention, the connection element 20 is therefore coated with a suitable, for example a copper layer 21. All non-ferrous metals that are already listed as useful for the production of connection elements are suitable as overlay metal. A layer of gallium or indium, for example, is then applied to the copper layer. The copper layer can, for example, have a thickness of 0.0025 cm. The connection element according to FIG. 5 is a typical embodiment of the inventive teachings.
It is slightly larger in its ring diameter than the diameter of the hole in which it is to be inserted, and has a longitudinal slot that allows resilient yielding when inserted into the hole. In order to also be able to connect a connection wire to the connection element according to FIG. 5 by diffusion, the inner surface of the same can also be coated with indium or another substance of the group.
6, such a connection between a connecting wire and the inner wall of a connecting element is to be considered in more detail. The connection element 30 is designed according to FIG. 3. For example, it is coated with indium on the inside and outside.
A connecting wire 31 is inserted into the connecting element 30 and this is then advantageously pressed in, as shown in FIG. 6, so that a firm contact between the wire surface and the inner wall of the connecting element is established. The entire structural unit is then subjected to the heat treatment in order to establish the diffusion connection between the connection wire and the connection element.
It is particularly advantageous here that such a second heat treatment remains without any adverse effect on a diffusion connection formed, for example, in an earlier method step, between the metal layer in the bore 12 and the connection element 13 in FIG. 3. It is of course also possible to produce both diffusion connections in one heat treatment.
From the above it can be seen that the components described have the great advantage that the connection to the conductor tracks of the conductor pattern is effected by means of connection elements which form an alloy with the metal layer of the metallized holes of the conductor pattern, which has extraordinary mechanical and temperature resistance. Connection wires can be connected to such connection elements, for example by welding or by analogous metal diffusion, or by conventional soldering.
In the latter case, it turns out to be an essential advantage over conventional soldered connections that repeating the soldering process practically as often as required does not lead to any deterioration in the properties of the connection. This ensures the greatest possible repairability.