DD297539A5 - Verfahren zur herstellung von verdrahtungstraegern aehnlich leiterplatten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung zielt auf die Herstellung elektronischer Baugruppen, die als Traeger und Verbindungselemente elektronischer Bauelemente dienen. Da die Herstellung bekannter Leiterplatten aufwendig ist, stellt sich die Erfindung das Ziel, den Aufwand der Naszverfahren zur Herstellung von Leiterplatten, auch solchen mit Draehten (Multiwire-Verfahren), zu vermeiden und die Zahl der Prozeszschritte zu verringern. Die erfindungsgemaesze Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu finden, bei dem Draehte verlegt, gehalten und mit den Bauelementen verbunden werden, derart, dasz Durchkontaktierungen und galvanische Prozesse vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz die Kontaktstellen, an die mittels Lot oder Leitkleber die Bauelemente angeschlossen werden, durch die verlegten Draehte ohne Zwischenelemente gebildet werden. Die spezifischen Vorteile der angegebenen Loesung bestehen darin, dasz der Layoutaufwand vermieden wird und chemische Prozeszschritte fast vollstaendig vermieden werden, sich aber feinere Strukturen als bei herkoemmlichen Leiterplatten bilden lassen. Fig. 1{Leiterplatte; Draht; Bauelemente; kontaktieren; Kontaktstellen}

Description

Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verdrahtungsträgern ähnlich Leiterplatten und findet Anwendung zur Herstellung von Verdrahtungen, die die gleichen Funktionen wie Leiterplatten, nämlich das Halten von Bauelementen und das Herstellen elektrischer Verbindungen zwischen ihren Anschlußpunkten, erfüllen. Das Anwendungsgebiet ist überall dort zu finden, wo Leiterplatten eingesetzt werden können, womit das Gebiet der Entwicklung und Fertigung elektronischer Baugruppen erfaßt wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Elektronische Bauelemente müssen, um eine funktionsfähige Schaltung zu ergeben, mechanisch gehalten und elektrisch verbunden werden. Es ist bekannter Stand der Technik, beide Aufgaben mittels einer Leiterplatte zu lösen, auf die die Bauelemente aufgelötet werden und auf der plattierte und geätzte Leiterzüge die elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlußpunkten der Bauelemente herstellen.

Wohlbekannt ist die Herstellung von Leiterplatten mittels chemischer Ätzverfahren kombiniurt mit galvanischen und physikalischen Auftragsverfahren in vielen Detailvarianten (Hermann, G. u. a.: Leiterplatten - Herstellung und Verarbeitung.-Leuze Verlag Saulgau). Nachteilig an diesen Vorfahren sind

- die große Zahl der sehr präzise auszuführenden Prozeßschritte,

- der dafür notwendige hohe apparative Aufwand, der eine Fertigung in der Regel nur bei spezialisierten Herstellern zuläßt,

- die relativ lange Zeit bzw. die hohen Kosten, die ein Anwender braucht, um zu einer Musterleherplatte zu kommen,

- umweltgefährdende Prozeßschritte, die hohe Kosten für die Ausschließung der Gefährdung und die Abfallbeseitigung verursachen,

- der hohe Wasserverbrauch, der eine umfangreiche Wiederaufbereitung verlangt..

- der hohe Platzbedarf fur die Apparaturen zur Abwicklung der vielen Verfahrensschritte,

- die sehr hohe Präzision und der Aufwand für die Reinheit (Reinsträume), die die Herstellung von Feinstleiterplatten und Mehrlagenleiterplatton erfordern,

- der hohe Aufwand für die Herstellung der F"-*:gungsunterlagen (Routing, Layout, Filme, Datenträger usw.).

Es sind Verfahren bekannt, die diese Nachteile mehr oder weniger beseitigen sollen. Genannt seien die Fräsverfahren (z. B. Prospekte der Firma LPKF Seebach) und die Drahtlegeverfahren (z. B. Multiwire-Verfahren [s. a. bei Herrmann, G. u. a.| und Beschreibung der KOVO Aritma Maschine zur Verlegung gedruckter Drahtleiter ARITMA1601). Die Nachteile werden aber nur partiell und bedingt überwunden. Die Fräsverfahren und einige Drahtlegeverfahren erfordern zusätzlich eine Galvanisierung von Bohrungen, was ihre Vorteile der Einfachheit und Schnelligkeit ganz oder teilweise aufhebt. Andere Drahtverlegeverfahren benötigen mechanische Zwischenelemente, um die Verbindung zwischen Draht und Bauelement herzustellen. Zudem sind diese Verfahren langsam und durch die ebenfalls nicht kleine Zahl von Prozeßschritten in der Regel uneffektiv. Bekannt ist das SMD (surface mounted devices-) Verfahren (Schraft, R. D.; Bleicher, M.: Oberflächen-Montage elektronischer Bauelemente.- Hüthig Verlag Heidelberg 1987.), bei dem Lotpaste auf Leiterzüge der Leiterplatte aufgebracht wird, auf die Lotpaste Bauelemente gesetzt werden und dann die Lotpaste erhitzt und damit aufgeschmolzen wird, wodurch eine feste Verbindung entsteht.

Das SMD-Verfahren hat zu einer Effektivierung der Leiterplatterhorstellung geführt. Vieio Bohrungen können vermieden werden. Allerdings zeigt die Herstellung der Leiterplatte selbst den bereits kritisierten Aufwand für ihre Fertigung. Es ist aus der SMD-Technik auch bekannt, statt dor Lotpaste Leitkleber zur Herstellung der Verbindungen zwischen Leiterzug und Bauelementeanschluß einzusetzen.

Zahlreiche weitere Verbindungsverfahren sind aus der Mikroelektronik bekannt (Hacke, H.-J.: Monta -je Integrierter Schaltungen. -Springer Verlag 1987.), durch die aber die Herstellung des eigentlichen Verdrahtungsträgers (Leiter}, latte) nicht betreffen wird. Bei der Drahtverlegetechnik in ihrer bekannten Verfahrensauslegung sind folgende Arbeitsschritte notwendig:

- Auf eine isolierende Platte werden Drähte verlegt, die dabei in einer Klebschicht festgelegt werden. Die Drähte werden dann in einer weiteren, übergelegten Klebschicht eingebacken.

- Die Drähte sind mit den Bauelementeanschlüssen zu verbinden, was durch Löten zusätzlich hergestellter Durchkontaktierungen erfolgt. Die Herstellung der Durchkontaktierungen erfordert das Bohren und zahlreiche galvanische Prozesse, oder es sind mechanische Zwischenelemente einzusetzen, die die Verbindung zwischen Draht und Bauelement ermöglichen.

Von Hand werden Drähte einzeln für Reparaturen oder Änderungen von Leiterplatten verlegt.

Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren der hohe Fertigungsaufwand, der auch und gerade durch die erforderlichen galvanischen Schritte bedingt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Lösung für ein Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungsträgers, die alle Nachteile der bekannten Naßverfahren vermeidet, weniger aufwendig ist als bekannte Drahtlegeverfahren und leistungsfähiger als Fräsverfahren. Damit soll das Verfahren geeignet sein, auch komplizierte Verdrahtungen von Bauelementen auf Trägern schnell, mit geringem Aufwand und kostengünstig in wenigen Prozeßschritten herzustellen. Es sollen die Vorteile der Verfahren vereinigt werden, ohne ihre Nachteile zu übernehmen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindufng stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, bei dem Drähte so verlegt und mit den Bauelementen verbunden werden, daß Durchkontaktierungen und galvanische Prozesse oder mechanische Zwischenelemente bei der Herstellung von Verdrahtungsträgern ähnlich Leiterplatten vermieden werden und der Verlegeprozeß in hoher Geschwindigkeit automatisch durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein durchgehender Draht verlegt wird, der an den zukünftigen Anschlußstellen, die die Verbindungen zu den Bauelementen hersteilen, geformt und abisoliert wird, und der Draht in einem der nachgelagerten Verfahrensschritte durch Trennung in Teilabschnitte, die den einzelnen Potentialen der herzustellenden Schaltung entsprechen, zerlegt wird. Die Verbindung zwischen, den durch den Draht gebildeten herausgeformten und abisolierten Anschlußstellen und den Bauelementeanschlüssen erfolgt ohne weitere Zwischenelemente durch aufzuschmelzende Lotpaste oder durch Leitkleber.

Die Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch verschiedene Lösungen für die Verfahrensschritte Verlegen des Drahtes, Festlegen des Drahtes, Formen des Drahtes an den Anschlußstellen, Abisolieren an den Anschlußstellen und Trennen in Teilabschnitte.

Die dargestellte Erfindung hat folgende spezifische Vorteile:

- Einfachstes Layout der Verdrahtung, kein zeitaufwendiges Routing,

- keine aufwendigen Fertigungsmittel (Filme, Masken) erforderlich,

- keine chemischen Verfahrensschritte, damit keine Sorgen mit Abfällen usw.,

- kein Reinraum erforderlich,

- in einigen Ausführungsbeispielen kein Bohren der Leiterplatte erforderlich, an erforderliche Bohrungen werden nicht die hohen Qualitätsforderungen wie bei chemischen Durchkontaktierungen gestellt, daher mit Laser oder durch Stanzen ausführbar,

- vereinfachte Anforderungen an das Basismaterial, einsetzbares Materialspektrum erweitert sich,

- auch dreidimensionale Ausführung möglich,

- hohe Leiterplattendichte relativ einfach erreichbar, viele Verbindungen in einer Ebene möglich,

- die in der erfindungsgemäßen Art verlegten Drähte können zur weiteren Geräteverdrahtung auch außerhalb der Leiterplatte weitergeführt werden, womit der Verbindungsaufwand verringert werden kann,

- geringer Platzbedarf für die Fertigungseinrichtungen,

- sehr viel weniger Verfahrensschritte als bei der Naßfertigung von Leiterplatten,

- mit dünnen Drähten, z. B. Durchmesser 0,150mm werden trotz gleichen Flächenbedarfs wesentlich größere Querschnitte erreicht als mit Leiterzügen. Nimmt man die Drahtstärke d gleich der Leiterzugbreite b an und hat das Kupfer der Leiterplatte die Stärke s, so ist das Flächenverhältnis

f=(pi-d)/(4-s).

Die Querschnittsvergrößerung hat insbesondere für das dynamische Verhalten der Schaltung (Umladevorgänge während des Schaltens) Vorteile, weil die Spannungsabfälle auf den Verbindungen verringert werden. Kopplungskapazitäten bleiben bei Kreuzungen klein.

- Eine Kleberschicht kann so dick gehalten und hinsichtlich der Aushärtung so eingestellt werden, daß sie Schubbewegungen

durch thermische Drehungen aufnehmen kann, so daß dadurch bedingte Probleme bei großen SMD-Bauelementen entfallen. - Bevor der durchgehende Draht aufgetrennt ist, sind alle Anschlußpunkte auf einem Potential miteinander verbunden. Das erlaubt eine Vereinfachung der Prüfung und neue Prüfverfahren.

Ausführungsbeispiele Din Erfindung soll nachstehend an sieben Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren 1 bis 7 näher erläutert werden. Ausführungsbeisplel 1 (hierzu Fig. 1):

Fig. 1 zeigt eine Platte P, die mit einer Klebschicht K bedeckt ist. Als Kleber kann z. B. Acrona MV von DuPont verwendet werden. Der Draht D wird in oder auf der Klebschicht K verlegt und von dieser festgelegt. An den zu bildenden Anschlußstellen wird der Draht zu einem Buckel B geformt. Der Buckel steht aus der Klebschicht hjraus. Durch gezielte Einwirkung z. B. mittels Laserstrahlung kann eine eventuelle vorhandene Isolierung auf dem Buckel entfernt werden. Auf den Buckel wird Lotpaste oder Leitkleber L aufgetragen. Da der Draht noch nicht getrennt ist, kann dabei eine elektrische Kontaktprüfung zwischen der Lot- oder Kleber-Auftragevorrichtung, wobei eine Elektrode in die Lotpaste oder in den Leitkleber eintaucht, und dem Draht erfolgen. Nach dem Aufsetzen des Bauelementes BE mit seinem Bauelementeanschluß BA auf die Lotpaste erfolgt anschließend das Löten (Reflow- oder Infrarot-Verfahren). In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Trennen des Drahtes an den Trennstellen T zwecks Zerlegung in die einzelnen Potentiale. Das Trennen kann mechanisch oder mittels Lasers erfolgen.

Ausführungsbelsplel 2 (hierzu Fig.2):

Fig. 2 stellt eine Platte P dar, auf der der Draht D in einer Klebschicht K verlegt ist. Die zu bildenen Anschlußstellen werden in einem Buckel B ausgeformt. Durch spezielle Einwirkung z. B. von Laserstrahlung wird der Draht nach der Verlegung am Buckel B aufgeschmolzen und dabei getrennt. Gleichzeitig wird durch das Zusammenlaufen des Drahtendes zu einer Kugel Ku die Anschlußstelle geformt. Auf diese Anschlußstelle wird Lotpaste oder Leitkleber L aufgetragen und dt j Bauelement BE mit seinem Bauelementeanschluß BA aufgesetzt. Dann kann das Löten erfolgen.

Ausführungsbelsplel 3 (hierzu Fig.3):

Fig. 3 stellt eine Platte P dar, auf die eine Klebschicht K aufgetragen ist. In die Klebschicht K sind Vertiefungen V gedrückt, über die der Draht D verlegt wird. Das Auftragen der Lötpaste oder des Leitklebers erfolgt in die Vertiefung V, eine Trennstelle T liegt außerhalb der Vertiefungen. Sie wird mechanisch oder mittels Lasers hergestellt. Auf die Lotpaste oder den Leitkleber wird das Bauelement BE mit seinem Bauelementeanschlüssen BA aufgesetzt.

Ausführungsbeispiel 4 (hierzu Fig.4):

Fig. 4 zeigt eine Platte P, auf die einseitig eine Klebschicht K aufgetragen ist. Die Platte weist Bohrungen Bo auf, durch die der Draht, der auf der Klebschicht verlegt wird, gesteckt wird. Das durchgesteckte Drahtstück kann zu einer Schlaufe S oder zu einer anderen Form ausgebildet werden, die der Spezifik des aufzusetzenden Bauelementes angepaßt ist. Die Schlaufe S wird abisoliert, z. B. durch Wärmeeinwirkung (Mikroflamme) und mit Lotpaste oder Leitkleber L bedeckt. In die Lotpaste oder den Leitkleber L wird der Bauelementeanschluß BA des Bauelementes BE gesetzt. Der Bauelementeanschluß BA kann in die Bohrung Bo hineinragen. Eine Trennstelle T zerlegt wieder den Draht in die notwendigen Teilabschnitte.

Ausführungsbelsplel 5 (hierzu Figuren 5a und 5b): Fig. 5a stellt eine Variante vor, die kleberlos ausgeführt sein kann. Der Draht D wird an einer zu bildenden Anschlußstelle durch

einen Schlitz Sch in der Trägerplatte P gesteckt und in diesem Schlitz kraftschlüssig gehalten, wozu der Schlitz zumindest aneinigen Stellen in einer Richtung ein kleineres Maß besitzt als der Drahtdurchmesser. Beim Verlegen des Drahtes wird diesermittels eines Werkzeuges in den Schlitz gedruckt. Er kann dann mit der Plattenfläche (Bauelementeseite) abschließen oder übersie hinausstehen und auch oberhalb der Platte zusätzlich z.B. zu einer Schlaufe geformt werden. Eine Klebschicht auf der der

Bauelemente abgewandten Seite kann unterstützend wirken. Der Schlitz kann vor dem Verlegen odei während des Verlegene

geformt werden. Das Eindrücken kann mit dem Trennen verbunden werden.

Fig. 5b stellt die Draufsicht auf einen Schlitz mit verlegtem Draht von der Bauelementeseite her dar. Die gesamte sichtbare Fläche

des Drahtes steht für das Anschließen des Bauelementes über Lotpaste oder Leitkleber zur Verfugung. Durch entsprechende

Formung des Schlitzes und von Werkzeugen kann die Anschlußfläche länglich oder punktförmig gestaltet werden. Eine solche Anschlußfläche kann auch als Bondinsel für das Anschweißen von Verbindungsdrähten verwendet werden. Die Ausführung nach Fig. 5 kann verändert werden durch einen Schlitz, der in allen Abmessungen ein wenig größer ist als der Drahtdurchmesser. Nach dem Einführen des Drahtes in den Schlitz wird eine plastische Verformung der Schlitzumgebung

verbunden, wodurch eine kraft- und formschlüssige Festlegung des Drahtes erfolgt.

Ausführungsbeisplel 6 (hierzu Fig.6):

Fig. 6 stellt die Trägerplatte P mit der Klebschicht K dar. Die Platte P weist einen Ausschnitt A auf, der allseits größere Abmessungen als der Drahtdurchmesser hat. Der Draht D wird in oder auf der Klebschicht verlegt und durch den Ausschnitt auf die andere Plattenseite, die Bauelementeseite, verformt. Weitere Drähte können im gleichen Ausschnitt gleichermaßen verlegt werden. Ihr Abstand ist dabei im kleinsten Fall gleich dem Drahtdurchmesser. Eine Ausforrnung des Drahtes in der Form F1 oder F2 kann verbesserte Voraussetzungen für das Aufsetzen des Bauelementes BE mit seinem Bauelementeanschluß BA schaffen. Die Form F2 kann für bestiftete Bauelemente verwendet werden. Oas bestiftete Bauelement BE1 hat einen Kontaktstift BA1, der in die Drahtform F2 eingreift. Der Draht wird durch gezielte Einwirkung z. B. eines Laserstrahls nur auf einem Punkt auf der Bauelementeseite oder in der Umgebung der Mitte der Formen F1 oder F2 abisoliert. Die Verbindung zum Bauelement stellt Lotpaste oder Leitkleber L her. Die Ausführung nach Fig.6 hat den Vorteil, daß eine sehr hohe Anschlußdichte erreicht werden kann. Anschlußpunkte können einen Abstand gleich dem Drahtdurchmesser haben.

Ausführungsbeispiel 7 (hierzu Fig.7)

Fig. 7 stellt die direkte Verbindung mit einem auf den Draht D gesetzten Chip C dar. Zwischen dem Buckel des Drahtes D und der Anschlußfläche Dl des Chips befindet sich Leitkleber L, über den Draht und Chip kontaktiert werden. Die Platte P und die Klebschicht K entsprechen vorstehenden Ausführungen. Der Drahtbuckel kann, muß aber nicht die Oberfläche der Bauelementeseite überragen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Verdrahtungsträgern ähnlich Leiterplatten, bei dem in Verfahrensschritten Drähte auf Platten, auch kleber- oder haftmittelbeschichteten, zwecks Herstellung elektrischer Verbindungen von Bauelementen verlegt und dabei festgelegt werden, und die Bauelemente mittels Lotes oder Leitklebers an den Kontaktstellen des Verdrahtungsträgers kontaktiert und gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstellen des Verdrahtungsträgers durch Verfahrensschritte ohne weitere Zwischenelemente allein durch die Drähte gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden

- Verlegen eines durchgängigen Drahtes,

- Bilden der Kontaktstellen,

- Trennen des Drahtes in Einzelabschnitte,

wobei Prüfschritte eingefügt werden können, bei denen die Kontaktstellen des durchgehenden Drahtes auf elektrischen Durchgang gegen eine weitere Stelle des Drahtes geprüft werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte an Kontaktstellen festgelegt werden durch Einführen des Drahtes in Schlitze oder Bohrungen oder ähnlich geformte Durchbrüche der Platte, in denen der Draht kraftschlüssig gehalten wird, nachdem er in diese eingedrückt oder eingepreßt wurde.