DE102017217985B4

DE102017217985B4 - Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente

Info

Publication number: DE102017217985B4
Application number: DE102017217985.6A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Taschner
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-10-11
Also published as: WO2019072575A1; DE102017217985A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Schritten:- Bereitstellen einer mehrschichtigen Leiterplatte (10) mit zumindest einer ersten Leiterbahnlage (16) auf einer ersten Oberfläche (14) der Leiterplatte (10) und einer zweiten Leiterbahnlage (20) auf einer zweiten Oberfläche (18) der Leiterplatte (10), welche der ersten Oberfläche (14) entgegengesetzt ist, wobei die erste Leiterbahnlage (16) und die zweite Leiterbahnlage (20) über zumindest eine Durchkontaktierung (22) elektrisch verbunden sind;- zumindest bereichsweises Aufbringen eines Materials zur Bereitstellung einer ablösbaren Beschichtung (36) auf die erste Oberfläche (14) der Leiterplatte (10), wobei die zumindest eine Durchkontaktierung (22) mit dem Material für die ablösbare Beschichtung (36) verfüllt wird;- Einlegen der zumindest einen Leiterplatte (10) in ein Spritzgusswerkzeug (28);- zumindest bereichsweises Anspritzen eines Kunststoffs (38) an die zweite Oberfläche (18) der Leiterplatte (10);- Ablösen der ablösbaren Beschichtung (36) unter Freigabe der Durchkontaktierung (22).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente, insbesondere für einen Kraftwagen.
Elektronische Komponenten, insbesondere Steuereinheiten und dergleichen, sind in Kraftwagen oftmals besonders harschen Umgebungsbedingungen ausgesetzt und müssen daher sowohl mechanischen Belastungen, thermischen Belastungen als auch chemischen Belastungen, wie beispielsweise durch Salzwasser, Schmiermittel, Öle und dergleichen standhalten können. Beispielsweise sind Komponenten zur Getriebesteuerung in der Regel im Inneren des Getriebegehäuses verbaut und gelangen dort in direkten Kontakt mit Getriebefluiden, und dies bei vergleichsweise hohen Betriebstemperaturen.
Um elektronische Komponenten vor solchen Einflüssen zu schützen, ist es bekannt, die Komponenten zumindest bereichsweise mit einer Kunststoffmasse zu umspritzen. Dies erfolgt im üblichen Spritzgussverfahren, auch als sogenanntes „Overmolding“ bekannt.
Um eine besonders hohe Integrationsdichte und damit eine besonders kleine Bauform von elektronischen Komponenten zu erzielen, werden in der Regel mehrschichtige Leiterplatten verwendet. Diese weisen zumindest zwei Leiterbahnlagen auf, die durch eine dielektrische Zwischenschicht getrennt sind. Zur Herstellung elektrischer Kontakte zwischen den Leiterbahnlagen werden Durchkontaktierungen an den notwendigen Stellen eingebracht. Dies erfolgt durch mechanisches Bohren oder durch Laserbohren und anschließendes Metallisieren der Mantelfläche der Bohrung.
Beim Anspritzen der Kunststoffmasse an eine solche Leiterplatte dringt die Kunststoffmasse in die Durchkontaktierungen ein und kann dort mechanische Beschädigungen hervorrufen. Zudem unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Leiterplattenmaterials, der Leiterbahnlagen und der Kunststoffmasse beträchtlich, so dass es beim Spritzguss sowie bei späteren Temperaturwechselvorgängen zu Spannungsrissen kommen kann. Diese beeinträchtigen insbesondere die Metallisierung der Durchkontaktierungen, die sich hierdurch ablösen kann. Um zu vermeiden, dass auf diese Weise Ausschuss entsteht oder die Lebensdauer der elektronischen Komponente beeinträchtigt wird, können die Durchkontaktierungen mit speziellen Harzen oder Verschlussmitteln geschlossen werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und erhöht damit die Herstellungskosten für die elektronische Komponente.
Die DE 100 33 352 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe sowie eine elektronische Baugruppe.
Aus der DE 10 2015 223 668 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer mit thermoplastischem Kunststoff umspritzten Elektronikbaugruppe im konventionellen Spritzgussverfahren bekannt.
In dem von dem Autor Sven E. Kramer verfassten Artikel „Peelable Solder Masks For Today's Challanges“, der im November 2006 im Magazin „OnBoard Technology“ auf den Seiten 42 bis 46 veröffentlicht wurde, ist die Verwendung von ablösbaren Beschichtungen im Hinblick auf eine Überdeckung von Durchkontaktierungen beschrieben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente bereitzustellen, mittels welcher die elektronische Komponente ausschussarm, mit hoher Lebensdauer und kostengünstig gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein derartiges Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente, insbesondere für einen Kraftwagen, umfasst also die Schritte:

- Bereitstellen einer mehrschichtigen Leiterplatte mit zumindest einer ersten Leiterbahnlage auf einer ersten Oberfläche der Leiterplatte und einer zweiten Leiterbahnlage auf einer zweiten Oberfläche der Leiterplatte, welche der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, wobei die erste Leiterbahnlage und die zweite Leiterbahnlage über zumindest eine Durchkontaktierung elektrisch verbunden sind;
- zumindest bereichsweises Aufbringen eines Materials zur Bereitstellung einer ablösbaren Beschichtung auf die erste Oberfläche der Leiterplatte, wobei die zumindest eine Durchkontaktierung mit dem Material für die ablösbare Beschichtung verfüllt wird;
- Einlegen der zumindest einen Leiterplatte in ein Spritzgusswerkzeug;
- zumindest bereichsweises Anspritzen eines Kunststoffs an die zweite Oberfläche der Leiterplatte;
- Ablösen der ablösbaren Beschichtung unter Freigabe der Durchkontaktierung.

Die Verwendung einer ablösbaren Beschichtung ist deutlich kostengünstiger als das selektive und dauerhafte Verschließen der Durchkontaktierungen mit speziellen Pasten oder Verschlussmitteln. Die ablösbare Beschichtung schützt die Durchkontaktierungen vor dem Eindringen der Kunststoffmasse während des Spritzgießens und damit vor mechanischen Beschädigungen. Da die Durchkontaktierungen nach Abschluss des Verfahrens wieder freigegeben sind, können sich das Material der Leiterplatte und die Beschichtung der Durchkontaktierung bei späteren Temperaturwechseln spannungsfrei ausdehnen, so dass Spannungsrisse vermieden werden und eine besonders hohe Lebensdauer der elektronischen Komponente sichergestellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Material für die ablösbare Beschichtung ein ablösbarer Lötstopplack verwendet.
Solche ablösbaren Lötstopplacke sind besonders kostengünstig und werden ohnehin während eines Reflow-, Tauch- oder Schwalllötvorgangs der Leiterplatte benötigt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der ablösbare Lötstopplack ein Silicon und/oder ein Latexpolymer, insbesondere ein Acryllatexpolymer.
Derartige Polymere sind temperaturbeständig, so dass sie sowohl den Spritzgussvorgang, als auch den Lötvorgang gut überstehen. Sie weisen zudem eine geringe Oberflächenenergie auf, so dass die Haftung von Lot oder Spritzgussmasse vermieden wird. Daher kann die Beschichtung auch einfach und beschädigungsfrei abgelöst werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der ablösbare Lötstopplack eine Viskosität von 20000 mPas bis 55000 mPas bei einer Temperatur von 20 °C,-auf.
Dies stellt sicher, dass der Lötstopplack problemlos in die Durchkontaktierungen eindringen kann. Ferner ermöglicht eine Viskosität in diesem Bereich eine einfache und zuverlässige Applikation des ablösbaren Lötstopplacks mit üblichen Auftragsverfahren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ablösbare Lötstopplack nach dem Aufbringen bei einer Temperatur von 130 °C bis 160 °C über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 60 Minuten ausgehärtet.
Hierdurch wird der ablösbare Lötstopplack zuverlässig an der Leiterplatte fixiert, so dass er während des Spritzgießens die gewünschte Schutzfunktion erfüllen kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ablösbare Lötstopplack mit einer Schichtdicke nach dem Aushärten von 200 µm bis 400 µm aufgebracht.
Eine solche Auftragsdicke stellt genügend Material zur Verfügung, dass der ablösbare Lötstopplack die Durchkontaktierungen zuverlässig verfüllen kann, ohne dass er im Bereich der Durchkontaktierungen geschwächt wird.
Ein wichtiges Merkmal ist selbstverständlich, dass alle relevanten Durchkontaktierungen mit flexiblem Lötstopplack gefüllt sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ablösbare Lötstopplack durch Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht.
Dies ermöglicht ein besonders schnelles, genaues und einfaches Auftragen des ablösbaren Lötstopplacks, das zudem besonders gut automatisiert werden kann. Die Herstellungszeit und die Herstellungskosten für die elektronische Komponente sind daher in dieser Ausführungsform besonders gering.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein ablösbarer Lötstopplack verwendet, welcher eine Temperaturbeständigkeit bis zu einer Temperatur von zumindest 175 °C und/oder eine Druckbeständigkeit bis zu einem Druck von zumindest 65 bar aufweist.
Dieser kann durch einen flächigen Gegendruck des Werkzeugs von der Unterseite zusätzlich stabilisiert werden.
Hierdurch wird gewährleistet, dass der Lötstopplack unter den Bedingungen des Anspritzens der Kunststoffmasse nicht abgelöst oder angegriffen wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der ablösbare Lötstopplack nach dem Anspritzen durch Abziehen entfernt.
Der ablösbare Lötstopplack kann so besonders einfach und schonend entfernt werden, ohne dass Lösemittel oder dergleichen verwendet werden müssen. Dies macht das Verfahren zudem besonders umweltfreundlich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Leiterplatte mit einem Thermoplasten umspritzt wird.
Alternativ ist auch die Verwendung eines Duroplasten möglich. Der jeweils zu verwendende Kunststoff kann an die späteren Einsatzbedingungen der elektronischen Komponente angepasst werden, um immer eine besonders gute Haltbarkeit sicherzustellen.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen schematischen Schnitt durch eine mehrschichtige Leiterplatte für eine elektronische Komponente nach dem Stand der Technik;
2a einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgusswerkzeug mit einer eingelegten Leiterplatte nach 1;
2b einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgusswerkzeug mit einer eingelegten Leiterplatte mit nach dem Stand der Technik verschlossenen Durchkontaktierungen;
3a einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgusswerkzeug mit einer eingelegten Leiterplatte mit gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verschlossenen Durchkontaktierungen;
3b einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgusswerkzeug mit einer eingelegten Leiterplatte mit gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verschlossenen Durchkontaktierungen und einseitig angespritzter Kunststoffmasse; und
3c einen schematischen Schnitt durch eine mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältliche elektronische Komponente.

Eine mehrschichtige Leiterplatte 10, wie sie in 1 dargestellt ist, umfasst einen Grundkörper 12, der beispielsweise aus einem epoxidharzgetränkten Fasergebilde, aus Polyimid oder aus einer Keramik gebildet sein kann. Auf eine erste Oberfläche 14 des Grundkörpers 12 ist eine erste Leiterbahnlage 16 aufgebracht, eine entgegengesetzte zweite Oberfläche 18 trägt eine zweite Leiterbahnlage 20. Die Leiterbahnlagen 16, 20 bestehen bevorzugt aus Kupfer. Um die Leiterbahnlagen 16, 20 elektrisch miteinander zu verbinden, sind Durchkontaktierungen 22 vorgesehen. Diese werden als Bohrungen in den Grundkörper 12 eingebracht. Anschließend wird eine Mantelfläche 24 der Durchkontaktierung 22 mit einer Metallisierung 26, bevorzugt ebenfalls aus Kupfer, versehen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Leiterplatte 10 lediglich zwei Leiterbahnlagen 16, 20. Es ist jedoch auch möglich, weitere Leiterbahnlagen vorzusehen, die jeweils durch dielektrische Zwischenschichten, die dem Grundkörper 12 entsprechen, getrennt sind.
Um die Leiterplatte 10 vor Umwelteinflüssen in ihrer Betriebsumgebung zu schützen, wird eine Kunststoffmasse an die Leiterplatte 10 angespritzt. Hierzu wird die Leiterplatte 10, wie in 2a dargestellt, in ein Spritzgusswerkzeug 28 eingelegt, welches mit einer Dichtkante 30 gegen die Leiterplatte 10 abgedichtet ist. In einen so definierten Hohlraum 32 wird dann die Kunststoffmasse eingespritzt.
Hierbei kann die Kunststoffmasse in die Durchkontaktierungen 22 eindringen. Dies kann zu mechanischen Beschädigungen der Metallisierung 26 führen. Ferner kommt es bei späteren Temperaturwechselvorgängen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffmasse, der Metallisierung 26 und des Grundkörpers 12 zu mechanischen Spannungen im Bereich der Durchkontaktierung 22, was die Lebensdauer der Leiterplatte 10 reduzieren kann.
Um dies zu vermeiden, kann, wie in 2a dargestellt, auf bekannte Weise eine Verschlusspaste in die Durchkontaktierung 22 eingebracht werden, die dort einen Pfropf 34 bildet und ein Eindringen der Kunststoffmasse verhindert. Dies ist jedoch ein aufwendiger zusätzlicher Schritt bei der Herstellung der Leiterplatte 10 und erhöht die Verarbeitungskosten beträchtlich.
Um die Leiterplatte 10 kostengünstig zu verarbeiten und gleichzeitig Beschädigungen im Bereich der Durchkontaktierung 22 zu vermeiden, ist es im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, einen ablösbaren Lötstopplack 36 auf die erste Seite 14 der Leiterplatte 10 aufzubringen, wie dies in 3a gezeigt ist.
Solche ablösbaren Lötstopplacke 36 sind besonders kostengünstig und werden ohnehin während eines Reflow-, Tauch- oder Schwalllötvorgangs der Leiterplatte benötigt. Bevorzugt umfasst der ablösbare Lötstopplack 36 ein Silicon und/oder ein Latexpolymer, insbesondere ein Acryllatexpolymer, mit einer Viskosität von 20000 mPas bis 55000 mPas bei einer Temperatur von 20 °C, und einer Temperaturbeständigkeit bis zu einer Temperatur von zumindest 175 °C und/oder einer Druckbeständigkeit bis zu einem Druck von zumindest 65 bar.
Dies stellt sicher, dass der Lötstopplack 36 problemlos in die Durchkontaktierungen 22 eindringen kann und dort auch während des Anspritzens der Kunststoffmasse stabil bleibt, so dass der Lötstopplack 36 bei geringeren Kosten und einfacherer Verarbeitung die gleiche Schutzfunktion wie der Pfropf 34 erfüllen kann.
Nach dem Auftragen, welches bevorzugt durch Siebdruck oder Schablonendruck erfolgt, wird der ablösbare Lötstopplack 36 bei einer Temperatur von 130 °C bis 160 °C über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 60 Minuten ausgehärtet. Hierbei zieht sich der Lötstopplack 36 leicht zusammen, so dass nach dem Aushärten eine Schichtdicke von 200 µm bis 400 µm verbleibt.
Zudem kann der Lötstopplack durch das Spritzgusswerk von der Unterseite abgestützt werden, wobei die Druckbeständigkeit steigt.
Nach dem Aushärten des Lötstopplacks 36 kann nun, wie in 3b dargestellt, die Kunststoffmasse in den Hohlraum 32 des Spritzgusswerkzeugs 28 eingespritzt werden, so dass ein an der Leiterplatte 10 angeformter Kunststoffkörper 38 gebildet wird.
Nach dem Abkühlen und Aushärten der Kunststoffmasse kann die Leiterplatte 10 mit dem angespritzten Kunststoffkörper 38 aus dem Spritzgusswerkzeug 28 entnommen werden. Der Lötstopplack 36 kann nun einfach durch Abziehen entfernt werden, so dass die in 3c gezeigte fertige elektronische Komponente 40 erhalten wird. Insgesamt wird so ein Verfahren bereitgestellt, mit dem sich auf schnelle, einfache und kostengünstige Weise ausschussarm eine besonders haltbare elektronische Komponente 40 herstellen lässt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Komponente (40), insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Schritten: - Bereitstellen einer mehrschichtigen Leiterplatte (10) mit zumindest einer ersten Leiterbahnlage (16) auf einer ersten Oberfläche (14) der Leiterplatte (10) und einer zweiten Leiterbahnlage (20) auf einer zweiten Oberfläche (18) der Leiterplatte (10), welche der ersten Oberfläche (14) entgegengesetzt ist, wobei die erste Leiterbahnlage (16) und die zweite Leiterbahnlage (20) über zumindest eine Durchkontaktierung (22) elektrisch verbunden sind; - zumindest bereichsweises Aufbringen eines Materials zur Bereitstellung einer ablösbaren Beschichtung (36) auf die erste Oberfläche (14) der Leiterplatte (10), wobei die zumindest eine Durchkontaktierung (22) mit dem Material für die ablösbare Beschichtung (36) verfüllt wird; - Einlegen der zumindest einen Leiterplatte (10) in ein Spritzgusswerkzeug (28); - zumindest bereichsweises Anspritzen eines Kunststoffs (38) an die zweite Oberfläche (18) der Leiterplatte (10); - Ablösen der ablösbaren Beschichtung (36) unter Freigabe der Durchkontaktierung (22).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als Material für die ablösbare Beschichtung (36) ein ablösbarer Lötstopplack verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der ablösbare Lötstopplack ein Silicon und/oder ein Latexpolymer, insbesondere ein Acryllatexpolymer, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei welchem der ablösbare Lötstopplack eine Viskosität von 20000 mPas bis 55000 mPas aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem der ablösbare Lötstopplack nach dem Aufbringen bei einer Temperatur von 130 °C bis 160 °C über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 60 Minuten ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welchem der ablösbare Lötstopplack mit einer Schichtdicke nach dem Aushärten von 200 µm bis 400 µm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei welchem der ablösbare Lötstopplack durch Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welchem ein ablösbarer Lötstopplack verwendet wird, welcher eine Temperaturbeständigkeit bis zu einer Temperatur von zumindest 175 °C und/oder eine Druckbeständigkeit bis zu einem Druck von zumindest 65 bar aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem der ablösbare Lötstopplack während des Anspritzens zumindest bereichsweise durch eine Stützfläche des Spritzgusswerkzeugs gestützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei welchem der ablösbare Lötstopplack nach dem Anspritzen durch Abziehen entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterplatte (10) mit einem Thermoplasten umspritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Leiterplatte (10) mit einem Duroplasten umspritzt wird.