DE102016224909A1 - Use of ultrasonic waves to increase the porosity of tin surfaces on a circuit board and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von Ultraschallwellen zur Erhöhung einer Porosität oder Rauheit von Zinnoberflächen auf einer Leiterplatte, umfassend Verfahrensschritte, bei denen in einem ersten Schritt eine Leiterplatte mit Zinnoberflächen über eine erste Dauer hinweg in eine erste alkalische Flüssigkeit getaucht wird und die Leiterplatte während der ersten Dauer mit Ultraschallwellen bestrahlt wird; in einem zweiten Schritt die Leiterplatte über eine zweite Dauer hinweg in eine zweite Flüssigkeit getaucht wird; und in einem dritten Schritt die Leiterplatte getrocknet wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls entsprechende Verfahren und ein entsprechendes Erzeugnis.The invention relates to a use of ultrasonic waves for increasing a porosity or roughness of tin surfaces on a printed circuit board, comprising method steps in which, in a first step, a printed circuit board with tin surfaces is immersed in a first alkaline liquid over a first duration and the printed circuit board during the first Duration is irradiated with ultrasonic waves; in a second step, the circuit board is immersed in a second liquid for a second duration; and in a third step, the circuit board is dried. The invention also relates to corresponding methods and a corresponding product.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung von Ultraschallwellen zur Erhöhung einer Porosität oder Rauheit von Zinnoberflächen auf einer Leiterplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit porösen oder rauen Zinnoberflächen und ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem duroplastischen Kunststoff umhüllten Leiterplatte, sowie ein entsprechendes Erzeugnis.The present invention relates to a use of ultrasonic waves to increase a porosity or roughness of tin surfaces on a printed circuit board and a method for producing a printed circuit board with porous or rough tin surfaces and a method for producing a coated with a thermosetting plastic circuit board, and a corresponding product.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Herstellung von vorzugsweise bestückten Leiterplatten.The field of application of the invention extends to the production of preferably populated printed circuit boards.
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik gehen Verfahren hervor, bei denen elektrische Komponenten auf einer Leiterplatte angeordnet und dort mittels Lötzinn mechanisch und galvanisch mit elektrischen Leitungen verbunden werden. Anschließend wird die Leiterplatte in ein Reinigungsbad gegeben, um Fette und Flussmittel, welche im Lötzinn enthalten sind, zu entfernen. In einem weiteren Schritt kann eine Schutzschicht auf die Leiterplatte aufgetragen werden, um die elektrischen Komponenten, die elektrische Leitungen und die Zinnoberflächen der Lötpunkte beispielsweise vor Verschmutzung oder Korrosion oder mechanischem Verschleiß zu schützen. Die Schutzschicht umfasst beispielsweise einen Kunststoffverguss aus einem duroplastischen Kunststoff oder einem Epoxid oder einer Epoxid-Gießverbindung oder aus einem Gießharz (epoxy mold compound, EMC) oder aus einem Lack.From the well-known state of the art processes emerge in which electrical components are arranged on a printed circuit board and are connected there by means of solder mechanically and galvanically with electrical lines. Subsequently, the circuit board is placed in a cleaning bath to remove fats and flux contained in the solder. In a further step, a protective layer can be applied to the printed circuit board in order to protect the electrical components, the electrical lines and the tin surfaces of the soldering points, for example against soiling or corrosion or mechanical wear. The protective layer comprises, for example, a plastic encapsulation made of a thermosetting plastic or an epoxy or an epoxy casting compound or of an epoxy resin (EMC) or of a paint.
Das oben genannte Verfahren hat den Nachteil, dass der beispielsweise epoxidbasierte Kunststoffverguss zwar auf der teils rauen Oberfläche des Substrats der Leiterplatte, beispielsweise einem glasfaserverstärkten Epoxid, gut haftet, allerdings auf den Lötzinn enthaltenden glatten Lötstellen weniger gut haftet. Dadurch ist es möglich, dass eine Umhüllung beispielsweise aus einem duroplastischen Kunststoff sich aufgrund dessen an entsprechenden Stellen letztendlich ablöst oder aufgrund mechanischer Spannungen brüchig wird.The abovementioned method has the disadvantage that, for example, epoxy-based plastic encapsulation adheres well to the partly rough surface of the substrate of the printed circuit board, for example a glass-fiber-reinforced epoxy, but adheres less well to the smooth solder joints containing solder. This makes it possible that an envelope, for example made of a thermosetting plastic, eventually becomes detached at corresponding points or becomes brittle due to mechanical stresses.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leiterplatten bereitzustellen, welche zur Umhüllung durch ein EMC besser geeignet sind.It is therefore the object of the present invention to provide printed circuit boards which are more suitable for being enveloped by an EMC.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Verwendung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 4 und 7 sowie durch ein Erzeugnis gemäß Anspruch 10. Die jeweils nachfolgenden rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved on the basis of a use according to claim 1. The object is also achieved by a method according to the
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, eine neue Verwendung von Ultraschallwellen zur Erhöhung einer Porosität oder Rauheit von Zinnoberflächen oder verzinnten Oberflächen auf einer Leiterplatte vorzusehen, umfassend Verfahrensschritte, bei denen in einem ersten Schritt eine Leiterplatte mit Zinnoberflächen über eine erste Dauer hinweg in eine erste alkalische Flüssigkeit getaucht wird und die Leiterplatte während der ersten Dauer mit Ultraschall bestrahlt wird; in einem zweiten Schritt die Leiterplatte über eine zweite Dauer hinweg in eine zweite Flüssigkeit getaucht wird; und in einem dritten Schritt die Leiterplatte getrocknet wird.The invention includes the technical teaching to provide a new use of ultrasonic waves for increasing a porosity or roughness of tin surfaces or tinned surfaces on a circuit board, comprising method steps in which in a first step, a circuit board with tin surfaces over a first duration in a first alkaline liquid is dipped and the printed circuit board is irradiated with ultrasound during the first period; in a second step, the circuit board is immersed in a second liquid for a second duration; and in a third step, the circuit board is dried.
Die Erhöhung der Porosität oder der Rauheit kann dabei durch die Schaffung von mikroskopischen konkaven Strukturen oder Hohlräumen oder Ablagerungen in den Zinnoberflächen verwirklicht sein.The increase in porosity or roughness can thereby be realized by the creation of microscopic concave structures or cavities or deposits in the tin surfaces.
Anders als im Stand der Technik bekannt wird das alkalische Bad und der Ultraschall dabei eingesetzt, um das zinnhaltige Lot auf der Leiterplatte durch die alkalische Flüssigkeit anzugreifen, so dass sich dort konkave Strukturen bilden. Untersuchungen von entsprechend behandelten Zinnoberflächen mittels optischer Mikroskopie haben eine solche Aufrauhung gezeigt. Diese neue Funktion kann durch eine wirksame Gestaltung der Bestrahlung mit Ultraschallwellen gezielt herbeigeführt werden, insbesondere für die besondere Situation, in der anschließend die Leiterplatte mit einem Verguss aus einem duroplastischen Kunststoff umhüllt wird. Gerade dann sind diese Hohlräume zur Erhöhung der effektiven Oberfläche nutzbar.Unlike in the prior art, the alkaline bath and the ultrasound are used to attack the tin-containing solder on the circuit board by the alkaline liquid, so that form concave structures there. Investigations of correspondingly treated tin surfaces by means of optical microscopy have shown such roughening. This new function can be specifically brought about by an effective design of the irradiation with ultrasound waves, in particular for the special situation in which subsequently the circuit board is encased with a potting made of a thermosetting plastic. Just then these cavities are available to increase the effective surface.
Eine solche wirksame Gestaltung kann beispielsweise derart herbeigeführt werden, indem eine bereits gereinigte Leiterplatte für die Verwendung verwendet wird, oder dass die erste Dauer eine Zeitdauer, die zum Reinigen bereits ausreicht, überschreitet.Such an effective design can for example be accomplished by using an already cleaned circuit board for use, or the first duration exceeding a time already sufficient for cleaning.
Die zweite alkalische Flüssigkeit ist dabei beispielsweise Wasser oder destilliertes oder vollentsalztes Wasser. Die alkalische Flüssigkeit besteht vorzugsweise aus einer Mischung eines alkalischen Lösungsmittels mit vollentsalztem Wasser, wobei die Mischung beispielsweise zu 20 Volumenprozent aus der Lösung und zu 80 Volumenprozent aus dem Wasser besteht. Die Flüssigkeiten haben beispielsweise eine Temperatur von 60°C, wobei das Verfahren mit jeder Temperatur zwischen Gefrier- und Siedepunkt durchführbar ist. Die Ultraschallwellen haben beispielsweise eine Intensität von 15 Watt pro Liter der jeweiligen Flüssigkeit. Die erste Dauer beträgt beispielsweise 20 Minuten und die zweite Dauer beispielweise 10 Minuten.The second alkaline liquid is, for example, water or distilled or demineralized water. The alkaline liquid preferably consists of a mixture of an alkaline solvent with demineralized water, the mixture consisting for example of 20% by volume of the solution and 80% by volume of the water. The liquids have, for example, a temperature of 60 ° C, the method with each temperature between freezing and boiling point is feasible. For example, the ultrasonic waves have an intensity of 15 watts per liter of the respective liquid. For example, the first duration is 20 minutes and the second duration is 10 minutes.
Um eine möglichst gute Rauheit oder Porosität zu gewährleisten, kann eine erste oder eine zweite Dauer von mehr als 20 oder 30 oder 40 oder 50 oder 60 Minuten besonders vorteilhaft sein. In order to ensure the best possible roughness or porosity, a first or a second duration of more than 20 or 30 or 40 or 50 or 60 minutes may be particularly advantageous.
Die Verwendung wird weiter verbessert, indem die Leiterplatte während der zweiten Dauer mit Ultraschall bestrahlt wird. Dadurch werden Mikrorisse in den Zinnoberflächen weiter vergrößert. The use is further improved by ultrasonically irradiating the circuit board for the second duration. This further increases microcracks in the tin surfaces.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Verwendung sieht vor, dass die Leiterplatte über die erste Dauer hinweg in eine erste alkalische Flüssigkeit mit einem pH-Wert von ungefähr 10,5 bis 11,5 getaucht wird.A preferred embodiment of the invention provides for the circuit board to be submerged for the first time in a first alkaline liquid having a pH of about 10.5 to 11.5.
Bei diesen Werten wurde eine besonders gute Rauheit der Zinnoberflächen und somit eine besonders starke mechanische Haftung eines anschließend aufgetragenen EMC gemessen.At these values, a particularly good roughness of the tin surfaces and thus a particularly strong mechanical adhesion of a subsequently applied EMC was measured.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit porösen oder rauen Zinnoberflächen, umfassend Verfahrensschritte, bei denen in einem ersten Schritt eine gereinigte Leiterplatte mit Zinnoberflächen bereitgestellt wird und über eine erste Dauer hinweg in eine erste alkalische Flüssigkeit getaucht wird und die Leiterplatte während der ersten Dauer mit Ultraschall bestrahlt wird; in einem zweiten Schritt die Leiterplatte über eine zweite Dauer hinweg in eine zweite Flüssigkeit getaucht wird; und in einem dritten Schritt die Leiterplatte getrocknet wird.The object is further achieved by a method for producing a printed circuit board with porous or rough tin surfaces, comprising method steps in which a cleaned circuit board is provided with tin surfaces in a first step and immersed over a first duration in a first alkaline liquid and the circuit board is irradiated with ultrasound during the first period; in a second step, the circuit board is immersed in a second liquid for a second duration; and in a third step, the circuit board is dried.
Die Bereitstellung einer gereinigten Leiterplatte bedeutet dabei beispielsweise die Bereitstellung einer Leiterplatte, die sauber, frei von Fett, frei von Flussmittel oder Flussmittelrückständen, frei von unverlöteter Lotpaste oder frei von lösbaren Kohlenstoffverbindungen ist, wobei das Flussmittel harzbasiert, acrylharzbasiert oder wasserlöslich sein kann.The provision of a cleaned circuit board means, for example, the provision of a circuit board which is clean, free of grease, free of flux or flux residues, free of unsoldered solder paste, or free of soluble carbon compounds, which flux may be resin based, acrylic resin based, or water soluble.
Der Vorteil dieses Verfahrens kann darin zu sehen sein, dass die Applikation der alkalischen Flüssigkeit und der Ultraschallwellen ausschließlich zur Erhöhung oder Erzeugung der Porosität oder Rauheit dient, im Gegensatz zur Ablösung oder Abtrennung von Verschmutzungen. Dadurch kann die Aufrauhung besonders gezielt erreicht werden, da kein unbekannter Freiheitsgrad in Form der Stärke einer Ablagerung oder Verschmutzung durch beispielsweise Fett oder Flussmittel oder Lotplaste vorhanden ist, der zu einer Unvorhersagbarkeit des Maßes der Porosität oder Rauheit führen könnte. Eine entsprechend behandelte Leiterplatte eignet sich besonders gut zur späteren Umhüllung mit einem Epoxid-Kunststoffverguss, beispielsweise aus einem duroplastischen Kunststoff oder aus einem Gießharz oder aus einem Lack.The advantage of this method can be seen in the fact that the application of the alkaline liquid and the ultrasonic waves only serves to increase or create the porosity or roughness, in contrast to the detachment or separation of contaminants. Thereby, the roughening can be achieved in a particularly targeted manner, since there is no unknown degree of freedom in the form of the strength of a deposit or contamination by, for example, grease or flux or solder paste, which could lead to unpredictability of the degree of porosity or roughness. A suitably treated printed circuit board is particularly well suited for later wrapping with an epoxy plastic encapsulation, for example of a thermosetting plastic or of a casting resin or of a paint.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem duroplastischen Kunststoff umhüllten Leiterplatte, umfassend Verfahrensschritte, bei denen in einem ersten Schritt eine gereinigte Leiterplatte mit Zinnoberflächen bereitgestellt wird und über eine erste Dauer hinweg in eine erste alkalische Flüssigkeit getaucht wird und die Leiterplatte während der ersten Dauer mit Ultraschall bestrahlt wird; in einem zweiten Schritt die Leiterplatte über eine zweite Dauer hinweg in eine zweite Flüssigkeit getaucht wird; in einem dritten Schritt die Leiterplatte getrocknet wird; und in einem vierten Schritt die Leiterplatte mit einem duroplastischen Kunststoff umhüllt wird.The object is further achieved by a method for producing a coated with a thermosetting plastic circuit board comprising method steps in which a cleaned circuit board is provided with tin surfaces in a first step and immersed over a first duration in a first alkaline liquid and the circuit board is irradiated with ultrasound during the first period; in a second step, the circuit board is immersed in a second liquid for a second duration; in a third step, the printed circuit board is dried; and in a fourth step, the circuit board is wrapped with a thermosetting plastic.
Dadurch lässt sich eine mit einem EMC umhüllte Leiterplatte bereitstellen, deren Umhüllung besonders gut an der Leiterplatte haftet und daher besonders beständig und belastbar ist.As a result, it is possible to provide a printed circuit board enveloped by an EMC whose cladding adheres particularly well to the printed circuit board and is therefore particularly resistant and resilient.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine entsprechend hergestellte und gegebenenfalls umhüllte Leiterplatte.The object is likewise achieved by a correspondingly produced and possibly enclosed printed circuit board.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von fünf Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of five figures.
Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2a einen ersten Zustand einer verschmutzen Zinnoberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2b einen zweiten Zustand einer gereinigten Zinnoberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2c einen dritten Zustand einer porösen Zinnoberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
2d einen vierten Zustand einer Zinnoberfläche mit einem duroplastischen Kunststoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
1 an embodiment of the invention, -
2a a first state of a soiled tin surface according to an embodiment of the invention, -
2 B a second state of a cleaned tin surface according to an embodiment of the invention, -
2c a third state of a porous tin surface according to an embodiment of the invention, and -
2d a fourth state of a tin surface with a thermosetting plastic according to an embodiment of the invention,
Gemäß
In einem ersten Verfahrensschritt
Da die Leiterplatten
Im alternativen Fall von bereits vorab gereinigten Leiterplatten 1, die also beispielsweise frei sind von Verschmutzungen
In einem zweiten Verfahrensschritt
In einem dritten - hier nicht weiter dargestellten - Verfahrensschritt kann die Leiterplatte getrocknet werden. In einem vierten - hier nicht weiter dargestellten - Verfahrensschritt kann die Leiterplatte mit einer Epoxid-Gießverbindung oder einem Gießharz oder einem duroplastischen Kunststoff überzogen werden. Die erfindungsgemäß erzeugten Hohlräume erhöhen dabei die effektive Fläche über die der Epoxid Kunststoffverguss an der Zinnoberfläche anliegen kann, außerdem können sich beispielsweise Hinterschneidungen bilden die eine Haftung weiter verbessern.In a third - not shown here - process step, the circuit board can be dried. In a fourth - not shown here - process step, the circuit board can be coated with an epoxy casting compound or a casting resin or a thermosetting plastic. The cavities produced according to the invention thereby increase the effective area over which the epoxy can be applied Kunststoffverguss on the tin surface, in addition, for example, undercuts can form the adhesion further improve.
Gemäß
Die Leiterplatte
Gemäß
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nun die Einwirkung von der ersten alkalischen Flüssigkeit
Gemäß
Gemäß
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Zinnoberflächen aus Loten bestehen, welche andere Stoffe beinhalten, wie beispielsweise Blei mit oder ohne weiteren Anteilen an beispielsweise Eisen, Antimon, Kupfer und / oder Nickel.The invention is not limited to the preferred embodiments described above. On the contrary, modifications are conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. For example, it is also possible for the tin surfaces to consist of solders which contain other substances, for example lead with or without further fractions of, for example, iron, antimony, copper and / or nickel.
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