DE10026270C1 - Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte und Laminiervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte und Laminiervorrichtung

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte wird eines der miteinander zu laminierenden Teile (2; 4) mit einer Kleberschicht (3) versehen. Wenigstens eines der miteinander zu laminierenden Teile (2; 4) und die Kleberschicht (3) weisen unterschiedliche Flächenschwerpunkte auf. Die Leiterplatte (4) und die Grundplatte (2) werden von einer auf den Flächenschwerpunkt der Kleberschicht zentrierten Kraftquelle verpresst. Eine Laminiervorrichtung weist ein Lager und eine Anpresseinrichtung mit einem in einem Gelenk gelagerten Stempel auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte sowie eine Laminiervorrich­ tung mit einem Lager und einer Anpresseinrichtung mit einem Stempel zum Pressen gegen das Lager.
Aus der Patentanmeldung EP 0 902 609 A1 ist bekannt, einen dauerelastischen Haftkleber auf eine Kühlplatte aufzutragen. Zur Elimination von im Kleber oder zwischen dem Kleber und der Klebefläche vorhandenen Luftblasen wird die Kühlplatte mit dem Kleber getempert. Anschließend wird eine Leiterplatte auf die Kühlplatte mit dem Kleber gedrückt. Das Tempern er­ folgt vorzugsweise ungefähr eine Stunde bei einer Temperatur von ungefähr 50°C.
Aus der Patentschrift US 4,975,311 ist das Laminieren einer Leiterplatte auf eine Wärmesenke unter Erzeugung eines Vaku­ ums erläutert. Der eingesetzte Kleber muss zur Aushärtung für zwei Stunden auf eine Temperatur von etwa 125°C erhitzt wer­ den.
Eine bekannte Vorrichtung (JP 04 08 36 08 A) weist einen Auf­ lagetisch auf, auf dem ein Verbundwerkstoff aufgetragen ist. Um mit einer gleichmäßigen Krafteinwirkung auf den Auflage­ tisch bzw. auf den Verbundwerkstoff einzuwirken, weist die Vorrichtung einen zentrisch gelagerten Eisenstab auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung einen um den Eisenstab radial symmetrisch angeordneten, sackähnlich und verformbaren Press­ körper auf.
Eine bekannte Vorrichtung (JP 01 24 44 67 A) zum Presspassen von Dünnschichten auf Substratträger, weist zwei waagrecht zueinander angeordnete Pressplatten auf. Durch Aneinanderpressen der beiden Pressplatten wird eine zentrische Press­ kraft auf die Substratträger ausgeübt und eine presspassende Oberfläche vergrößert.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte und eine Laminiervor­ richtung bereitzustellen, die ein weitgehend blasenfreies Verkleben der Leiterplatte mit der Grundplatte bei Einhaltung einer nur kurzen Verpresszeit ermöglichen.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren und einer Laminiervor­ richtung erreicht, wie sie in den unabhängigen Patentansprü­ chen definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Ge­ genstand der Unteransprüche.
Durch die Ausrichtung der gegen das Lager pressenden Kraft­ quelle auf den Flächenschwerpunkt - nicht der Leiterplatte o­ der der Grundplatte -, sondern auf den Flächenschwerpunkt der Kleberschicht, kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der ausgeübten Kraft auf die gesamte Klebefläche erfolgen, selbst wenn die Flächenschwerpunkte von Leiterplatte und Grundplatte verschieden sind.
Die miteinander zu laminierenden Teile, nämlich die Leiter­ platte und die Grundplatte, werden mittels eines beweglich gelagerten Stempels mit der Kleberschicht verpresst.
Vorzugsweise erfolgt das Verpressen unter Vakuum. Dabei kann auf einen Temperschritt verzichtet werden.
Besonders zuverlässig gelingt ein blasenfreies Laminieren der Leiterplatte, wenn der Stempel derart beweglich gelagert ist, dass er Unebenheiten der Leiterplatte oder des Verbunds aus Leiterplatte und Grundplatte, insbesondere Abweichungen in der parallelen Ausrichtung von Leiterplatte und Grundplatte ausgleichen kann. Hierdurch gelingt es sogar, nicht nur aus Blech gestanzte metallische Grundplatten, sondern auch mit­ tels Druckguss hergestellte metallische Grundplatten, z. B. A­ luminiumdruckgussplatten mit hoher Güte zu laminieren.
Ein so gewonnener Verbund von Grundplatte und Leiterplatte eignet sich zum Einsatz unter extremen Umweltbedingungen, wie sie beispielsweise innerhalb des Motorraums eines Kraftfahr­ zeugs herrschen.
Für das Laminieren eignen sich flexible Leiterplatten und starre Leiterplatten, wie beispielsweise FR4-Leiterplatten und sogar Leiterplatten ohne Durchkontaktierungen (Sequential Built UP Leiterplatten).
Das Laminationsverfahren und die Laminiervorrichtung lassen sich in eine SMD-Fertigungslinie integrieren, da extrem kurze Taktzeiten realisierbar sind, die den Bestückungszeiten für SMT-Bauelementen entsprechen. Typischerweise wird auf eine Erwärmung des Klebstoffs verzichtet und eine Verpresszeit in der Größenordnung von nur 30 Sekunden erzielt.
Es kann auf große und teure Stapelpressen zum Herstellen des Verbunds aus Leiterplatte und Grundplatte verzichtet werden. Da hierbei gleichzeitig eine Vielzahl von Leiterplatten auf Grundplatten unter Erwärmung bei einer Verpresszeit von etwa 30 Minuten miteinander laminiert werden, kann ein solcher Prozess nicht in eine SMD-Fertigungslinie integriert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der miteinander zu verpressenden Lagen,
Fig. 2 den Flächenschwerpunkt einer Kleberschicht, und
Fig. 3 eine Laminiervorrichtung.
Fig. 1 veranschaulicht eine Grundplatte 2 mit einer größeren Ausnehmung zur Aufnahme eines Steckers und mehreren kleineren Ausnehmungen für Sensoren und eine Leiterplatte 4 als mitein­ ander zu laminierende Teile. Bei der Grundplatte 2 handelt es sich um eine Aluminium-Druckgussplatte.
Auf die Grundplatte 2 wird eine Kleberschicht 3 in Form einer transparenten Klebefolie geklebt. Die Klebefolie weist mit der Grundplatte 2 korrespondierende Aussparungen in den Be­ reichen auf, die für den Steckverbinder und die Sensoren vor­ gesehen sind.
Die Klebefolie oder das Klebeband basiert auf einem Acry­ latklebstoff. Geeignete Klebefolien sind für die jeweiligen Grundplattensubstrate beispielsweise unter der Marke VHB der Firma 3M erhältlich. Diese Klebefolien erreichen ihre größte Haftfestigkeit unter Anwendung von Druck (Pressure Sensitive Adhesive).
Die Kleberschicht 3 weist eine Dicke von 130 µm auf. Geeignet ist eine Klebeschicht mit einer Dicke von 50 µm bis 250 µm, wobei sich eine Klebeschicht mit einer Dicke von 110 µm bis 150 µm besonders gut eignet.
Über die Kleberschicht 3 wird die Leiterplatte 4 angeordnet, die eine starre Leiterplatte 4 aus Epoxidharz ist, und genau­ er aus FR4. Die Kleberschicht 3 weist eine (geringfügig) größere Fläche auf als die Leiterplatte 4. Die Leiterplatte 4 weist Bohrungen in dem Bereich auf, in dem der Steckverbinder angeordnet wird.
Alternativ kann auch die Leiterplatte 4 mit der Kleberschicht 3 versehen werden.
Auf der Seite der Leiterplatte 4, die der Kleberschicht 3 ab­ gewandt ist, befindet sich eine Druckausgleichslage 5 aus ei­ nem elastischen Material. Die Druckausgleichslage kann in Form einer Beschichtung des Presswerkzeugs oder als separate Folie, die auf die Leiterplatte 4 aufgelegt wird, ausgebildet sein. Die Druckausgleichslage 5 wird beim Pressvorgang nicht verbraucht und kann wiederverwendet werden.
Geeignete Materialien für die Druckausgleichslage 5 sind Tef­ lon, Polyetyhlen, Silikon oder Elastomere. Für das Ausfüh­ rungsbeispiel wurde eine Polyurethan-Platte mit einer Stärke 4 mm und einer Härte von 70 Shore gewählt. Die Druckaus­ gleichslage weist günstigerweise eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm und eine Härte zwischen 30 Shore und 100 Shore auf, und besser eine Härte zwischen 40 Shore und 90 Shore. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Druckausgleichslage hinrei­ chend elastisch verformbar ist, um bei Unebenheiten der Grundplatte, der Kleberschicht, der Leiterplatte oder der Pressflächen eine günstige Verteilung des Anpressdrucks vor­ nehmen zu können.
Die Druckausgleichslage 5 verhindert insbesondere die Ansamm­ lung von Lötstopplack-Resten am Presswerkzeug.
Um ein besonders gleichmäßiges Verpressen zwischen der Grund­ platte 2 und der Leiterplatte 4 zu gewährleisten, kann zu­ sätzlich die oben beschriebene Druckausgleichslage 5 auf der Seite der Grundplatte 2 verwendet werden, die der Kleber­ schicht 3 abgewandt ist.
Fig. 2 veranschaulicht eine Kleberschicht 3 in Acrylat- Klebstofftechnologie. Die Kleberschicht 3 weist eine periphe­ re, rechteckförmige Aussparung 31 auf, in deren Bereich ein Stecker auf der Leiterplatte vorgesehen ist. Ohne Berücksich­ tigung der Aussparung 31 ergäbe sich ein Mittelpunkt CC oder Flächenschwerpunkt der mit dem Schwerpunkt der darunter lie­ genden Grundplatte 2 übereinstimmt. Unter Berücksichtigung der Aussparung 31 ergibt sich ein vom Zentrum CC versetzter Flächenschwerpunkt CA. Der außermittige Schwerpunkt CA bildet den Punkt, an dem die Presskraft in die Leiterplatte und da­ mit in die Kleberschicht 3 eingeleitet wird.
Fig. 3 veranschaulicht eine Laminiervorrichtung 1 mit einer Anpresseinrichtung 11, einer Vakuumglocke 12, die die Her­ stellung eines Unterdrucks während des Pressvorgangs ermög­ licht, und einem durch eine Dreipunktauflage 131 statisch be­ stimmten Lager.
Ein Stempel 111 weist eine Halterung 112 und eine Anpressflä­ che 113 zum Pressen auf den Verbund von Leiterplatte und Grundplatte auf.
Die Halterung 112 weist eine Aufnahme für eine Gelenkpfanne 115 eines als Kugelgelenk ausgebildeten Gelenks 114 auf. Ob­ gleich das Gelenk auch walzenförmig ausgebildet sein kann, bietet ein Kugelgelenk den Vorteil, dass eine Ausgleichsbewe­ gung des Stempels 111 in zwei Ebenen möglich ist.
Die Halterung 112, und damit der Stempel 111, wird von einem Bolzen 116 an einer Kraftquelle 117 gehalten, bei der es sich um einen pneumo-hydraulischen Antrieb handelt. Der Bolzen 116 ist durch eine zentrische Bohrung einer Kugel oder Halbkugel des Gelenks 114 geführt.
Aufgrund der Lagerung des Stempels 111 in einem Gelenk, kann der Stempel nach allen Richtungen pendeln oder schwenken.
Damit können Unebenheiten zwischen der Anpressfläche und dem Verbund einschließlich der Druckausgleichslage sowie Fehler in der parallelen Ausrichtung des Verbunds kompensiert wer­ den.
Die Grundplatte mit der Kleberschicht und die Leiterplatte werden derart zwischen dem Lager 13 und der Anpresseinrich­ tung 11, und genauer dem Stempel 111, angeordnet, dass der Vektor der von der Kraftquelle ausgeübten Kraft auf den Schwerpunkt der Kleberschicht zeigt.
Die Anpressfläche 113 überdeckt genauso wie das Lager 13 min­ destens die gesamte Fläche der Kleberschicht. Die Anpressflä­ che 113 und das Lager 13 sollten keine größeren Abweichungen von einer absolut ebenen, planen Oberfläche als 10 µm besit­ zen.
Von der Kraftquelle 116 wird ein Druck von 400 Newton/cm2 aufgebracht. Geeignet sind Presskräfte zwischen 200 bis 600 Newton/cm2 für eine Anpressdauer zwischen 10 s bis 60 s.
Das Laminieren und damit der Pressvorgang dauert also höchs­ tens 60 Sekunden. Üblicherweise wird die Lamination in weni­ ger als 60 Sekunden durchgeführt. Bereits bei einem Taktzyk­ lus von 30 Sekunden, also dem Taktzyklus einer typischen SMD- Fertigungslinie, werden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt. Daher lässt sich das Laminierverfahren und die Laminiervor­ richtung unmittelbar in den Prozess der Bestückung und des Lötens der Leiterplatte integrieren.

Claims (11)

1. Verfahren zum Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte mit den Schritten:
wenigstens eines der miteinander zu laminierenden Teile (2, 4) wird mit einer Kleberschicht (3) versehen, wobei wenigs­ tens eines der miteinander zu laminierenden Teile (2, 4) und die Kleberschicht (3) unterschiedliche Flächenschwer­ punkte (CA, CC) aufweisen,
die miteinander zu laminierenden Teile (2, 4) zwischen ei­ nem Lager (13) und einer Anpresseinrichtung (11) angeordnet werden und
die Teile (2, 4) unter Anwendung nicht vollflächigen Druckes miteinander verbunden werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zu verbindenden Teile (2, 4) unterschiedliche Flächen­ schwerpunkte (CA, CC) aufweisen können und eine gegen das Lager (13) pressende Kraftquelle (117) im Wesentlichen auf den Flächenschwerpunkt (CA) der Kleberschicht (3) hin zent­ riert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Kraftquelle (117) bewegter Stempel (111) beim Drücken auf die Leiterplatte (4) derart geschwenkt wird, dass Unebenheiten zwischen der Anpressfläche und dem Verbund ein­ schließlich der Druckausgleichslage sowie Fehler in der pa­ rallelen Ausrichtung des Verbundes kompensiert werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leiterplatte (4) und einem Stempel (111) eine elastisch verformbare Druckausgleichslage (5) angeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamination bei einer Druckabsenkung im Bereich von 0.2 bar bis 0.5 bar vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminieren bei Raumtemperatur er­ folgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundplatte eine Aluminiumdruckguss­ platte verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckausgleichslage (5) zwischen dem Lager (13) und der Grundplatte (2) angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine starre Leiterplatte laminiert wird.
9. Laminiervorrichtung für das Laminieren einer Leiterplatte auf eine Grundplatte, die aufweist:
ein Lager (13) für ein mit einer Kleberschicht (3) versehe­ nes, zu laminierendes Teil (2, 4),
eine Anpresseinrichtung (11) mit einem Stempel (111) zum Pressen gegen das Lager (13), gekennzeichnet durch ein Gelenk (114), in dem der Stempel (111) gelagert ist und der Stempel (111) eine Anpressfläche (113) mit einer Zent­ riereinrichtung (118) aufweist.
10. Laminiervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, dass das Gelenk (114) ein Kugelgelenk ist, und dass die Gelenkpfanne (115) in dem Stempel (111) in­ tegriert ist.
11. Laminiervorrichtung nach einem der auf eine Laminiervor­ richtung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (13) eine Dreipunktauflage (131) aufweist.
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