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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kontakten mit in einer Platine eingebetteten metallischen Einlegestücken, sowie eine mit diesem Verfahren hergestellte Platine, welche vor einer Anordnung innerhalb der Platine eine geeignete Vorbehandlung erfahren. Ferner wird eine mit dem Verfahren hergestellte Platine mit mindestens einem metallischen Einlegestück beansprucht.
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Während gewöhnliche Platinen bzw. Leiterplatten in der Regel mit einer gewissen Anzahl von Kupferlagen mit einer Dicke von etwa 35 Mikrometer bis 70 Mikrometer Dicke gefertigt werden, gibt es inzwischen Möglichkeiten, mit sehr ähnlichem Herstellungsverfahren Platinen mit einigen Lagen mit einer jeweiligen Dicke von 400 Mikrometer und mehr zu fertigen. Wie bei Standardplatinen wird die Kupferlage vollflächig elektrolytisch, also galvanisch, abgeschieden oder als Metallfolie auflaminiert. Anschließend erfolgt eine Beschichtung mit einem Photolack, welcher mit einem entsprechenden Muster positiv oder negativ belichtet, entwickelt und anschließend partiell abgetragen wird, um abschließend die nicht mehr von Photolack bedeckten Flächen nasschemisch zu ätzen.
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Da das Ätzen von Dickkupfer zumeist auf Schichtdicken deutlich unter einem Millimeter begrenzt ist, werden bei stärkeren Dicken von wenigen Millimetern oft sogenannte Inlays erzeugt. Inlays werden aus Kupfer gemäß einer benötigten Form zugeschnitten, bspw. mit Wasserstrahlschneiden, gefräst oder gestanzt. Anschließend müssen die Inlays in eine Leiterplatte eingebettet werden. Das Inlay wird in der Regel in eine Innenlage der Leiterplatte eingesetzt. Leerräume, die auf Ebene der Inlays, d. h. der eingesetzten massiven Kupferelemente entstehen, müssen mit Material, in der Regel mit als Prepreg abgekürzten preimpregnated fibers, bzw. präimpregnierten Glasfasern, bspw. FR4 oder dergleichen, geschlossen werden. Dies kann entweder direkt geschehen, indem die Leerräume mit entsprechenden Glasfaserverbundwerkstoffen gefüllt werden, die dann ausgehärtet werden, oder indirekt, indem aus den Glasfaserverbundwerkstoffen, in der Regel voll durchgehärtet ohne noch härtbares Harz, mindestens ein Negativelement der Inlays gefertigt wird, in das die Kupferteile, d. h. die Inlays, eingesetzt werden und das mindestens eine Negativelement zusammen mit den Inlays zwischen mindestens zwei präimpregnierte Glasfasermatten geschoben und anschließend verpresst wird. Die Imprägnierung der mindestens zwei präimpregnierten Glasfasermatten geschieht dabei mit bspw. geliertem Harz, das unter geeigneter Temperatur und ggfs. Druck aus den mindestens zwei Glasfasermatten entweicht, alle Zwischenräume ausfüllt und aushärtet. Sollte das Harz der präimpregnierten Glasfasermatten nicht ausreichen, um Zwischenräume, bspw. zwischen Rahmen und Inlays, zu füllen, kann ggfs. zusätzliches Harz in flüssiger oder gelierter Form an den entsprechenden Stellen vor dem Verpressen zugesetzt werden. Die Herstellung einer solchen Leiterplatte mit einer Mehrzahl von Inlays wird bspw. in der Druckschrift
DE 10 2014 008 148 A1 beschrieben.
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Bei den in das Innere von Leiterplatten in Form von Inlays eingelegten Metallteilen bzw. metallischen Einlegestücken wird zumeist Kupfer verwendet. Nachtteilig ist jedoch, dass Kupfer vergleichsweise teuer ist und ein hohes Gewicht aufweist. Hier bietet sich eine Verwendung von einem Leichtmetall an, welches bspw. im Falle von Aluminium bezogen auf Kupfer nur etwa ein Drittel des spezifischen Gewichtes und näherungsweise eine doppelt so hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit pro Gewichtsäquivalent besitzt.
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Die Druckschrift
DE 198 47 946 A1 offenbart hierzu eine Mehrlagen-Leiterplatte mit einem flächigen Einlagenteil aus Aluminium. Die Aluminiumeinlage wird hierbei als Kondensator eingesetzt.
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Aluminium bringt jedoch auch eine Reihe von Nachteilen mit sich, bei einer Einbettung in eine Leiterplatte als Aluminium-Inlay dabei am vordringlichsten eine fehlende Wärmezyklenfestigkeit. Während Kupfer mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16.2 ppm/K und FR4 oder vergleichbare Leiterplattendielektrika mit 12-17 ppm/K in einem ähnlichen Bereich liegen, verfügt Aluminium über einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 22 ppm/K.
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Die
DE 20 2013 001 560 U1 zeigt ein Verfahren zur Kontaktierung einer metallischen Leiterbahn, bei der diese mit einer flexiblen Schicht aus einem leitenden Material mit hoher Elastizität beschichtet und über einen leitenden Kanal mit einer leitenden Schicht an der Oberseite der Leiterplatte verbunden wird.
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Aufgrund des großen Unterschieds bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten bauen sich bei Temperaturänderungen entweder Spannungen zwischen FR4 sowie in anderen Schichten verwendeten Kupferleiterbahnen auf der einen Seite und dem Aluminium-Inlay auf der anderen Seite auf oder die jeweiligen Schichten verschieben sich geringfügig gegeneinander. Bei typischen Inlay-Dicken von 1 Millimeter und mehr sowie großen Inlays bzw. Einlegestücken dominiert das Aluminium dabei die Mechanik der Leiterplatte, während sich das FR4 und das Kupfer der anderen Schichten (beispielsweise 35 µm dick) der Leiterplatte anpassen müssen. Obwohl die Spannungen oder geringfügigen Verschiebungen selbst an sich kein Problem darstellen, führen sie an Kontakten zu anderen Lagen bzw. Schichten zu Schwierigkeiten.
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Üblicherweise werden die Inlays elektrisch und/oder thermisch durch sogenannte Vias oder Durchkontaktierungen mit anderen Metallisierungsschichten verbunden. Diese werden i. d. R. durch Bohrlöcher gebildet, die anschließend z. B. durch Galvanisierung metallisiert werden. Für diese Metallisierungen steht eine Reihe von Materialien bereit. Eine Auswahl findet sich bspw. in der US-amerikanischen Druckschrift
US 7,262,444 B2 , in der ein Leistungshalbleiterchip auf einem metallischen Trägerelement, das aus Aluminium sein kann, angeordnet wird. Zur Kontaktierung kann je nach in einem Betrieb auftretender Temperatur ein Lot aus Zinn-Blei, Gold-Zinn, Gold-Germanium, Gold-Indium, oder auch Zinn-Silber, Zinn-Kupfer und Zinn-Wismut etc. verwendet werden.
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Typische Bohrlochdurchmesser sind oft 1 Millimeter und kleiner, bei Laser-Löchern sogar deutlich kleiner (sogenannte Microvias), wobei deren Metallisierung, bspw. aus Kupfer, oft nur wenige 10 µm dick ist. Solche Durchkontaktierungen können folglich nicht sonderlich viel Kraft - im Fall von Verschiebungen der Schichten einer Leiterplatte gegeneinander nicht viel Scherkraft - aufnehmen. Außerdem führen geringe Ausdehnungen oder Verschiebungen von Schichten einer Leiterplatte gegeneinander zu erheblichen Verschiebungen bezogen auf die Größe eines Bohrlochs oder die Dicke der Metallisierung. Eine Verschiebung um 100 µm kann hier bereits einem halben oder ganzen Bohrlochdurchmesser entsprechen. Die Folge ist ein Abriss der Kontaktierung.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kontaktierung von metallischen Leichtmetall-Einlegestücken innerhalb einer Platine bzw. Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, bei dem in der Platine gewährleistet ist, dass es durch die in einem Betrieb auftretenden Wärmeausdehnungen nicht zum Abreißen von senkrechten Kontaktierungen zwischen einzelnen zum Teil metallische Einlegestücke umfassenden Schichten der Platine oder zwischen einem von einer Schicht umfassten metallischen Einlegestück und auf einer Oberfläche der Platine angeordneten Bauelementen kommt. Gegebenenfalls sollen die hierzu verwendeten Materialien durch ihre Materialbeschaffenheit auch eine ausgleichende Wirkung besitzen. Ferner soll eine Platine bereitgestellt werden, welche mit dem Verfahren hergestellte Kontakte aufweist.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Kontaktierung mindestens eines metallischen Einlegestückes bzw. Inlays in einer Platine vorgeschlagen, bei dem die Platine aus mehreren Schichten gefertigt wird. Mindestens eine Schicht wird aus einem isolierenden Material gebildet und mindestens eine weitere Schicht wird zumindest teilweise aus einem leitenden Material gebildet. Das mindestens eine metallische Einlegestück wird in die mindestens eine isolierende Schicht eingebettet, wobei es einen sich vom umgebenden Material unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das mindestens eine metallische Einlegestück wird an mindestens einer Stelle mit einem Beschichtungsmetall, welches im Vergleich zu dem mindestens einen metallischen Einlegestück mit einer hohen Elastizität und/oder einer hohen Plastizität und/oder einer hohen Zähigkeit gewählt wird, in einer vorgegebenen Schichtdicke beschichtet. An dieser mindestens einen Stelle werden das mindestens eine metallische Einlegestück und die mindestens eine leitende Schicht durch mindestens einen mit einem Metall ausgekleideten oder verfüllten Kanal mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende miteinander kontaktiert, wobei der mindestens eine mit einem Metall ausgekleidete oder verfüllte Kanal an dem ersten Ende fest mit dem Beschichtungsmetall verbunden wird und an dem zweiten Ende fest mit der mindestens einen leitenden Schicht verbunden wird. Durch eine Verformung des Beschichtungsmetalls wird eine Wärmeausdehnung des metallischen Einlegestückes kompensiert, wodurch eine elektrische und/oder thermische Verbindung zwischen dem Beschichtungsmetall und dem Metall des Kanals gewährleistet wird.
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Im Allgemeinen wird ein zu den Schichten der Platine meist senkrecht verlaufender Kanal zwischen leitenden Schichten, welche durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind, oder zwischen in isolierenden Schichten eingebetteten Inlays oder zwischen Inlays und leitenden Schichten auch als Durchkontaktierung oder „Via“ bezeichnet und ist mit einem Metall, bspw. Kupfer, ausgekleidet oder verfüllt. Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kanal handelt es sich demnach ebenfalls um eine Durchkontaktierung bzw. „Via“.
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Die leitende Schicht wird in der Regel von leitendem Material, bspw. Kupferleiterbahnen durchzogen. Es ist auch denkbar, dass die leitende Schicht vollständig aus einem leitenden Material, wie bspw. Kupfer gebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall kompensiert durch seine hohe Elastizität und/oder hohe Plastizität und/oder hohe Zähigkeit eine Wärmeausdehnung des beschichteten mindestens einen metallischen Einlegestückes. In einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm wird bei einer steigenden an dem Beschichtungsmetall anliegenden Kraft, zunächst ein elastischer Bereich gebildet, in dem die durch die Kraft bedingte Verformung sich bei Wegnahme der Kraft wieder vollständig zurückbildet. Bei dieser Kraft kann es sich bspw. um eine durch eine Haftung an dem metallischen Einlegestück und dessen Wärmeausdehnung in einem Betrieb hervorgerufene Scherkraft handeln. Der elastische Bereich wird durch ein Young'sches Elastizitätsmodul, im Weiteren als Elastizitätsmodul bezeichnet, als Materialkenngröße beschrieben, wobei ein Material umso elastischer ist, je kleiner das Elastizitätsmodul ist. Bei größer werdender Kraft erfolgt ein Übergang in einen plastischen Bereich, in dem die anliegende Kraft zur Verformung des Beschichtungsmetalls führt. Dieser Bereich kann bspw. durch eine Zugfestigkeit gekennzeichnet werden, welche als höchste bis zu einem Bruch auftretende Spannung definiert ist. Das erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtungsmetall zeichnet sich daher durch ein im Vergleich mit dem metallischen Einlegestück geringes Elastizitätsmodul und/oder durch eine hohe Zugspannung bzw. Zugfestigkeit aus.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall kann aber auch vorteilhaft im Vergleich mit dem mindestens einen metallischen Einlegestück eine hohe Zähigkeit aufweisen. Während bei Materialeigenschaften die Plastizität meist synonym zu einer Duktilität oder auch Verformbarkeit gebraucht wird, meint eine Zähigkeit generell die Fähigkeit eines Materials, einwirkende Kräfte durch plastische Verformung zu absorbieren und einem Bruch oder einer Rissausbreitung zu widerstehen. Es herrscht dabei ein ausgewogenes Verhältnis aus einer Festigkeit, deren Messgröße wiederum die Zugfestigkeit ist, und einer Duktilität bzw. Verformbarkeit.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall erlaubt bei vergleichsweise geringer Scherkraft eine hohe Verformung, insbesondere eine höhere Verformung als die benachbarten Materialien, bspw. das metallische Einlegestück, das isolierende Material der Platine, der mit Metall ausgekleidete oder verfüllte Kanal, bei vergleichbarer Scherkraft/Scherdruck. Ferner sollte das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall entsprechend über eine hohe Abrisskraft/-druck verfügen.
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Als Beispiel für ein Beschichtungsmetall sei hier Blei genannt, welches ein Elastizitätsmodul (Angaben für Werte bei 20° C) von etwa 18 GPa besitzt und damit wesentlich elastischer ist als bspw. Aluminium mit 70 GPa oder Kupfer mit 100 bis 130 GPa. Elastischer als die beiden letztgenannten Metalle und somit in möglicher Ausgestaltung ebenfalls als Beschichtungsmetall verwendbar, sind Indium mit 11 GPa, Wismut mit 34 GPa oder auch Zinn mit 50 GPa. Jedoch ist zu beachten, dass diese Werte temperaturabhängig sind. Als eine der Kenngrößen für Festigkeit sei hier die Zugfestigkeit genannt, welche für das Beispiel Blei zwischen 10 und 15 MPa beträgt, für Zinn bei 15 MPa liegt, und bei Aluminiumlegierungen zwischen 200 und mehr als 450 MPa liegen kann. All diese Größen sind jedoch unter den speziell in der Platine vorherrschenden Bedingungen zu betrachten, nämlich insbesondere unter Berücksichtigung der Einbettung des mindestens einen metallischen Einlegestückes samt Beschichtungsmetall in die isolierende Schicht, durch welche bei Verformungen hervorrufenden Kräften formerhaltende Kräfte bzw. Drücke ausgeübt bzw. entgegengesetzt werden, sowie unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen durch Auftreten hoher elektrischer Leistungsflüsse in dem mindestens einen metallischen Einlegestück sowie in mindestens einem Kanal zu mindestens einem an der Platine montierten und auf einer leitenden Schicht der Platine aufgebrachten Leistungshalbleiterelement.
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Die vorgegebene Schichtdicke des Beschichtungsmetalls orientiert sich an einer jeweiligen horizontalen Ausdehnung des metallischen Einlegestückes, einer Dicke der isolierenden Schicht und einer Dicke einer Kupferbahnenauflage einer Leiterplatte eines Leiterplattenfertigungsprozesses, aber vor allem an den Materialeigenschaften des Beschichtungsmetalls, bspw. wieviel Spannung ein Volumenäquivalent aus Schichtdicke mal Beschichtungsfläche im jeweiligen Beschichtungsmetall aufnehmen kann. Mit einem Harz aus getränkten Prepreg-Matten lässt sich mindestens eine Lücke, die in photostrukturierten Metallisierungsschichten zwischen den Kupferbahnen auftritt, typischerweise bis zu einem Leiterplattenfertigungsprozess von 70 Mikrometer, sehr einfach füllen. Ab 105 Mikrometer werden meist vorteilhaft zusätzliche Lagen Prepreg verwendet, so dass auch Höhenunterschiede bis zu einem halben Millimeter ausgeglichen werden können. Bei einer lokal begrenzten Beschichtung orientiert sich die Beschichtung in etwa an folgenden vorbestimmten Schichtdicken: Prinzipiell ist eine Dicke bis 400-500 Mikrometer denkbar, bevorzugt 30 Mikrometer bis 210 Mikrometer. Bei vollflächiger Beschichtung oder Vertiefung sind Eingrenzungen entsprechend weicher zu wählen, wobei bei einem lediglich 1-3 mm dicken metallischen Einlegeteil sich eine Beschichtung von kleiner als 500 Mikrometer als vorteilhaft erweist. Die Beschichtungsfläche lässt sich wie folgt eingrenzen. Während Vias oft nur im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich liegen, sollte das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall das Problem des Abreißens vermeiden und damit möglichst in der Belastungsrichtung für thermische Spannungen eine zumindest doppelt so große horizontale Ausdehnung wie Schichtdicke haben. Da bei Inlays aber meist große Strom- und Wärmemengen übertragen werden müssen, ist meist nicht nur ein Via sondern eine Vielzahl an Vias angelegt, die beispielsweise Flächen von bspw. mindestens 9 Quadratmillimeter (bspw. 3 x 3 Quadratmillimeter) und mehr im Raster bedecken. Die Beschichtung sollte idealerweise diese Fläche an einem Fußpunkt des Feldes elektrisch paralleler Vias in einem zusammenhängenden Flächenstück abdecken.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Material für das metallische Einlegestück Aluminium oder eine seiner Legierungen, bspw. AlMgSil mit ähnlicher Leitfähigkeit wie reines Aluminium, gewählt. Eine Auswahl weiterer Legierungen des Aluminiums, wie bspw. AlCuMg1, AlMg5 oder AICuNi weisen demgegenüber eine 30-bis 50- prozentige geringere Leitfähigkeit auf, sind aber im Wärmeausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul beinahe gleich zu Aluminium. All diese Materialien verursachen vorteilhaft wesentlich geringere Kosten als z. B. Kupfer, und sind auch bezogen auf Leitfähigkeit pro Gewichtsäquivalent zu bevorzugen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt bei Aluminium und AlMgSil etwa 23 ppm/K, und steht damit im kritischen Verhältnis zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des umgebenden isolierenden Materials der isolierenden das metallische Einlegestück einbettenden Schicht, welcher bspw. bei Prepreg als isolierendem Material etwa 12-17 ppm/K beträgt, und zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten für die zu kontaktierende mindestens eine metallische Schicht, die meist aus Kupfer gebildet wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 16 ppm/K beträgt.
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Als Material für die mindestens eine isolierende Schicht kann bspw. Prepreg gewählt werden. „Prepreg“ ist die im Fachjargon übliche Bezeichnung für mit Epoxidharz verpresste Glasfasern, sogenannte „preimpregnated fibers“, und wird, ebenfalls im Fachjargon, auch mit seiner Flammschutzklasse „FR4“ bezeichnet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine metallische Einlegestück an der mindestens einen Stelle, welche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet werden soll bzw. zu beschichten ist, in Höhe, d. h. entsprechend der Höhe des aufzubringenden Beschichtungsmetalls vertieft. Somit stellt das mindestens eine metallische Einlegestück an der mindestens einen Stellte eine Art Negativform für das aufzubringende Beschichtungsmetall dar. Dies kann bspw. durch Fräsen oder Ätzen realisiert werden. Damit kann die Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall so erfolgen, dass vorteilhaft keine nennenswerte Zunahme einer Dicke des in die isolierende Schicht einzubettenden Einlegestückes zu verzeichnen ist, ggfs. sogar in Verbund mit dem Beschichtungsmetall eine plane Oberfläche auf dem metallischen Einlegestück entsteht.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Beschichtungsmetall aus einem einzigen Metall oder Legierungen von Metallen aus folgender Gruppe gewählt: Blei, Indium, Silber, Wismut, Zinn, SnPb40Cu2, SnCu2, Field'sches Metall. Gegebenenfalls kann durch eine Legierung vorgenannter Metalle, u. U. mit Beigaben anderer Stoffe, eine geeignete verringerte Festigkeit des Beschichtungsmetalls erreicht werden, so dass die Wärmeausdehnung des mindestens einen metallischen Einlegestückes kompensiert wird, bzw. Spannungen von dem mindestens einen metallischen Einlegestückes zu dem mindestens einen über das Beschichtungsmetall verbundenen Kanal abgebaut werden. Aus der voranstehend genannten Liste sind hier besonders vorteilhaft ein sogenanntes Weichlot, wie bspw. SnPb40Cu2 oder SnCu2 oder Legierungen hiervon, aber auch das Field'sche Metall zu nennen. Wird das erfindungsgemäße Beschichtungsmetall aus einem dieser Materialien gebildet, so kann es besonders vorteilhaft als Lot auf das mindestens eine metallische Einlegestück aufgebracht werden, bspw. in einem Reflow-Ofen oder einem Diffusionslötofen durch Schmelzen von Lot bzw. Lotpaste, d. h. sich in Lösungsmittel befindlichen Weichlotpartikel, Weichlotgranulat oder andere Weichlotdarbringungsformen, auf dem mit Aluminium gebildeten Einlegestück. Auch ein Eintauchen in ein Lötbad ist denkbar. Ferner wird dabei vorzugsweise entweder ein Flussmittel zugegeben oder die mindestens eine zu beschichtende Stelle des mindestens einen Einlegestückes vor der Beschichtung mit dem Flussmittel behandelt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine umso größere Wärmeausdehnung des mindestens einen metallischen Einlegestückes durch die Wahl einer umso höheren Schichtdicke des Beschichtungsmetalls zumindest annähernd oder vollständig kompensiert, indem die Schichtdicke des Beschichtungsmetalls in einem festen und vorbestimmten Verhältnis zu der Längenausdehnung des metallischen Einlegestückes, in deren Richtung die Wärmeausdehnung kompensiert werden soll, innerhalb der mindestens einen isolierenden Schicht gewählt wird. Mit gleicher Zielsetzung wird das Beschichtungsmetall großflächig auf dem metallischen Einlegestück aufgebracht.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an der mindestens einen Stelle des mindestens einen Einlegestückes eine zur Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehene Oberfläche des mindestens einen metallischen Einlegestückes mit einem Haftvermittler aus folgender Gruppe vorbehandelt, d. h. beschichtet: Titan, Chrom, Nickel. Diese Beschichtung kann bspw. galvanisch, vorzugsweise jedoch durch chemische Abscheidung erfolgen. Ferner verhindert der Haftvermittler, dass das Aluminium eine passivierende Oxidschicht bildet. Gegebenenfalls muss das Aluminium jedoch vor der zumindest örtlichen Beschichtung an der mindestens einen Stelle des mindestens einen Einlegestückes mit dem Haftvermittler gebeizt werden, damit das bereits vorhandene Oxid aufgelöst wird.
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Ferner wird eine Platine mit mindestens einem eingebetteten metallischen Einlegestück beansprucht, wobei die Platine aus mehreren Schichten gefertigt ist, wovon mindestens eine Schicht durch ein isolierendes Material gebildet ist und mindestens eine weitere Schicht zumindest teilweise durch ein leitendes Material gebildet ist. Das mindestens eine metallische Einlegestück ist in der mindestens einen isolierenden Schicht eingebettet und weist einen sich vom umgebenden Material unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. An mindestens einer Stelle ist das mindestens eine metallische Einlegestück mit einem Beschichtungsmetall in einer vorgegebenen Schichtdicke beschichtet, wobei sich das Beschichtungsmetall im Vergleich zu dem mindestens einen metallischen Einlegestück durch eine hohe Elastizität und/oder eine hohe Plastizität und/oder eine hohe Zähigkeit auszeichnet. An dieser mindestens einen Stelle sind das metallische Einlegestück und die mindestens eine leitende Schicht durch bzw. via einen mit einem Metall ausgekleideten oder verfüllten Kanal, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, miteinander kontaktiert, wobei der Kanal an dem ersten Ende fest mit dem Beschichtungsmetall und an dem zweiten Ende fest mit der mindestens einen leitenden Schicht verbunden ist.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine ist das mindestens eine metallische Einlegestück durch Aluminium oder eine Aluminium-Legierung gebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine ist das Beschichtungsmetall aus einem einzigen Metall oder Legierungen von Metallen aus folgender Gruppe gebildet: Blei, Indium, Silber, Wismut, Zinn, SnPb40Cu2, SnCu2, Field'sches Metall.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine weist das mindestens eine metallische Einlegestück an der mindestens einen Stelle, welche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet ist, entsprechend der Höhe des aufgebrachten Beschichtungsmetalls eine dazu korrespondierende Vertiefung auf.
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Schließlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine an der mindestens einen Stelle des mindestens einen Einlegestückes eine zur Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehene Oberfläche des mindestens einen metallischen Einlegestückes mit einem Haftvermittler aus folgender Gruppe vorbehandelt, d. h. beschichtet: Titan, Chrom, Nickel.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt schematisch ein Schnittbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Platine.
- 2 zeigt schematisch eine Aufbringung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtungsmetalls auf ein metallisches Einlegestück.
- 3 zeigt schematisch einen ersten Beschichtungsprozess mit Reflow-Beschichtung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt schematisch einen zweiten Beschichtungsprozess mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt schematisch einen dritten Beschichtungsprozess mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger nasschemischer Vertiefungserzeugung in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 6 zeigt schematisch einen vierten Beschichtungsprozess mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger mechanischer Vertiefungserzeugung in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 7 zeigt schematisch einen alternativen fünften Beschichtungsprozess mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger mechanischer Vertiefungserzeugung in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 8 zeigt schematisch einen sechsten Beschichtungsprozess mit Diffusionslötofen-Beschichtung in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 wird schematisch ein Schnittbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Platine 100 gezeigt. Die Platine 100 ist aus mehreren Schichten 102, 104, 106 und 108 aufgebaut. Die Schicht 102 wird aus einem isolierenden Material, bspw. Prepreg bzw. FR4 gebildet, stellt also eine isolierende Schicht dar. Darin eingebettet befinden sich zwei Aluminium-Einlegestücke bzw. Aluminium-Inlays 104 und mehrere leitende Schichten 106, die jeweils aus einem leitenden Material gefertigt sind. An einer Oberseite und einer Unterseite der Platine 100 befindet sich eine metallische Schicht mit Kupferleiterbahnen 108, welche in einem separaten Fertigungsprozess, bspw. in 35 Mikrometer-Technologie, auf die Platine 100 aufgebracht wurden. Auf diesen sind elektronische Bauelemente, bspw. zwei Leistungshalbleiterschalter 116 und ein SMD-Kondensator 118, angeordnet, die mittels eines Lots 120 in elektrischer Verbindung mit den Kupferleiterbahnen 108 stehen. Zwischen einer Auswahl der leitenden Schichten 106 und den Kupferleiterbahnen 108 sowie zwischen den Kupferleiterbahnen 108 an Ober- und Unterseite der Platine 100 befinden sich Durchkontaktierungen bzw. Vias 114. Diese können in einem Fertigungsprozess bspw. gebohrt oder Laser-geschnitten sein, wonach anschließend das entstandene Loch mit einem Metall, bspw. Kupfer, elektrolytisch ausgekleidet oder verfüllt wird. Das rechte Aluminium-Einlegestück 104 ragt aus der isolierenden Schicht 102 seitlich heraus und bildet dort eine Verankerungsmöglichkeit mit einem Gehäuseblech 124, mit dem die Platine 100 durch eine Schraube 122 mit Mutter 126 verschraubt ist. Die Aluminium-Einlegestücke 104 sind jeweils an vorgegebenen Stellen an der Oberfläche mit einem Beschichtungsmetall 110 beschichtet und befinden sich an diesen Stellen über Durchkontaktierungen 112 mit anderen Schichten 106 und 108 in elektrischem und thermischem Kontakt. In einem Betrieb kann es bspw. durch die Leistungshalbleiterschalter 116 zu einer Wärmeentwicklung kommen, die zu einer Wärmeausdehnung in dem umgebenden Material führt. Da Aluminium mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 22 ppm/K sich von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Prepreg-Schicht bzw. FR4-Schicht 102 zwischen 12 und 17 ppm/K und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kupfers mit 16.2 ppm/K unterscheidet, wird es innerhalb der Platine 100 zwischen den Aluminium-Einlegestücken 104 und der die Aluminium-Einlegestücke 104 zumindest teilweise umgebenden isolierenden FR4-Schicht 102 zu Verschiebungen 128 kommen, wohingegen sich die Durchkontaktierungen 112 (oder 114) in der Prepreg-Schicht 102 wegen der ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Prepreg nicht gegeneinander verschieben. Dies ist in der Darstellung 199 vergrößert gezeigt. Auf das auf dem Aluminium-Einlegestück 104 erfindungsgemäß haftende Beschichtungsmetall 110, bspw. eine Blei-Legierung, wirkt durch die Wärmeausdehnung des Aluminium-Einlegestückes 104 eine Scherkraft, welche das erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtungsmetall 110 deformiert. An einer Unterkante des Beschichtungsmetalls 110, d. h. auf der Seite des Aluminium-Einlegestückes 104, wird es durch einen Haftkontakt mit dem Aluminium-Einlegestück 104 bis zu der Verschiebung 128 mitgenommen, an einer Oberkante des Beschichtungsmetalls 110, d. h. in Richtung isolierende Schicht 102, bleibt es hingegen mit der bspw. aus Kupfer gebildeten Durchkontaktierung 112 verbunden. Erfindungsgemäß kompensiert das Beschichtungsmetall 110 durch seine elastischen und/oder plastischen und/oder zähen Materialeigenschaften die auf es einwirkenden Scherkräfte durch eine Verformung, ohne dass es zu einem Bruch bzw. Abriss des Kontaktes zu dem Aluminium-Einlegestück 104 oder der Durchkontaktierung 112 kommt.
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In 2 wird schematisch eine Aufbringung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtungsmetalls 233 auf ein metallisches Einlegestück 211, 221, 231, hier beispielhaft ein Aluminium-Inlay, gezeigt. Auf das ausgeschnittene Aluminium-Einlegestück 211 wird im Schaubild 210 zwecks Oxidentfernung eine Beize 212 aufgebracht. Die Beize 212 ist in Schaubild 220 vom dem Aluminium-Einlegestück 221 wieder abgespült, wobei an der abgebeizten Stelle 222 eine reine Aluminium-Oberfläche verbleibt. Im Schaubild 230 wird an dieser Stelle des Aluminium-Einlegestückes 231 ein Haftvermittler 232, bspw. aus Nickel, und das erfindungsgemäß vorzusehende Beschichtungsmetall 233 aufgebracht.
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In 3 wird schematisch ein erster Beschichtungsprozess 300 mit Reflow-Beschichtung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 302 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 304 kann optional eine Photostrukturierung erfolgen, d. h. mit Photolack werden alle nicht mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche des Einlegestückes bedeckt. Dies können all diejenigen Bereiche bzw. Stellen sein, an denen keine Durchkontaktierungen bzw. Vias sein werden. In einem dritten Fertigungsschritt 306 kann optional ein Beizen zu einer Entfernung einer Passivierungsschicht, bspw. einer Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen. Dies kann auch nur lokal an den Stellen geschehen, die zu einer Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem vierten Fertigungsschritt 308 kann ein optionales Spülen von jeweiligen Beizmitteln und des Photolackes erfolgen. Eine nach dem Beizen strukturierte Passivierungsschicht kann anschließend als Beschichtungsmaske verwendet werden. Auf nicht abgebeizten Stellen der Oberfläche wird durch die Passivierungsschicht sowohl ein chemisches als auch ein galvanisches Abscheiden von Beschichtungsmetall unterbunden. Ebenso haftet dort kein Lot an. In einem fünften Fertigungsschritt 310 kann ein optionales Beschichten der Oberfläche des Einlegestückes mit einem Haftvermittler, bspw. durch chemische Abscheidung von Nickel, erfolgen. In einem sechsten Fertigungsschritt 312 erfolgt ein Aufbringen von weichem bzw. elastischem und/oder plastischem und/oder zähem Beschichtungsmetall auf die Oberfläche des mindestens einen Einlegestückes, welches eine Legierung sein kann, bspw. als Lot. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. In einem siebten Fertigungsschritt 314 erfolgt ein Schmelzen des Beschichtungsmetalls, das eine Legierung sein kann, in einem sogenannten Reflow-Ofen. Schließlich wird in einem achten Fertigungsschritt 316 das so beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
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In 4 wird schematisch ein zweiter Beschichtungsprozess 400 mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 402 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 404 kann optional eine Photostrukturierung erfolgen, d. h. mit Photolack werden alle nicht mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtenden Bereiche bzw. Stellen der Oberfläche des Einlegestückes bedeckt. Dies können all diejenigen Bereiche bzw. Stellen sein, an denen keine Durchkontaktierungen bzw. Vias sein werden. In einem dritten Fertigungsschritt 406 kann optional ein Beizen zu einer Entfernung einer Passivierungsschicht, bspw. einer Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen. Dies kann auch nur lokal an den Stellen des Einlegestückes geschehen, die zu einer Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem vierten Fertigungsschritt 408 kann das optionale Spülen von jeweiligen Beizmitteln und des Photolackes erfolgen. Eine nach dem Beizen strukturierte Passivierungsschicht kann anschließend als Beschichtungsmaske verwendet werden. Auf nicht abgebeizten Stellen der Oberfläche wird durch die Passivierungsschicht sowohl ein chemisches als auch ein galvanisches Abscheiden von Beschichtungsmetall unterbunden. Ebenso haftet dort kein Lot an. In einem fünften Fertigungsschritt 410 erfolgt auf der Oberfläche des Einlegestückes eine chemische Abscheidung eines Haftvermittlers, der bspw. Nickel sein kann. In einem sechsten Fertigungsschritt 412 erfolgt die galvanische Abscheidung von weichem bzw. elastischem und/oder plastischem und/oder zähem Beschichtungsmetall auf die Oberfläche des Einlegestückes, welches eine Legierung sein kann, bspw. Blei oder Zinn. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. Schließlich wird in einem siebten Fertigungsschritt 414 das so beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
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In 5 wird schematisch ein dritter Beschichtungsprozess 500 mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger nasschemischer Vertiefungserzeugung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 502 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 504 kann optional eine Photostrukturierung erfolgen, d. h. mit Photolack werden alle nicht mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtenden Bereiche bzw. Stellen der Oberfläche des Einlegestückes bedeckt. Dies können all diejenigen Bereiche bzw. Stellen sein, an denen keine Durchkontaktierungen bzw. Vias sein werden.
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In einem dritten Fertigungsschritt 506 kann optional das Beizen zu der Entfernung der Passivierungsschicht, bspw. der Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen. Dies kann auch nur lokal an den Stellen des Einlegestückes geschehen, die zu der Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem vierten. Fertigungsschritt 508 erfolgt an diesen Stellen eine Tiefenätzung des mindestens einen metallischen Einlegestückes. In einem fünften Fertigungsschritt 510 kann das optionale Spülen von jeweiligen Beizmitteln und ein Strippen des Photolackes erfolgen. In einem sechsten Fertigungsschritt 512 erfolgt auf der Oberfläche des Einlegestückes die chemische Abscheidung des Haftvermittlers, der bspw. Nickel sein kann. In einem siebten Fertigungsschritt 514 erfolgt die galvanische Abscheidung von weichem bzw. elastischem und/oder plastischem und/oder zähem Beschichtungsmetall auf die Oberfläche des Einlegestückes, welches eine Legierung sein kann, bspw. Blei oder Zinn. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. Schließlich wird in einem achten Fertigungsschritt 516 das beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
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In 6 wird schematisch ein vierter Beschichtungsprozess 600 mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger mechanischer Vertiefungserzeugung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 602 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 604 erfolgt an zur späteren Beschichtung mit einem Beschichtungsmetall vorgesehenen Stellen des Einlegestückes eine Tiefenfräsung des mindestens einen metallischen Einlegestückes. In einem dritten Fertigungsschritt 606 kann optional eine Photostrukturierung erfolgen, d. h. mit Photolack werden alle nicht mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtenden Stellen bedeckt. Dies können all diejenigen Stellen sein, an denen keine Durchkontaktierungen bzw. Vias sein werden. In einem vierten Fertigungsschritt 608 kann optional das Beizen zu der Entfernung der Passivierungsschicht, bspw. der Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen.
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Dies kann auch nur lokal an den Stellen des Einlegestückes geschehen, die zu der Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem fünften Fertigungsschritt 610 kann das optionale Spülen von jeweiligen Beizmitteln und das Strippen des Photolackes erfolgen. In einem sechsten Fertigungsschritt 612 erfolgt die chemische Abscheidung des Haftvermittlers, der bspw. Nickel sein kann, auf der Oberfläche des Einlegestückes. In einem siebten Fertigungsschritt 614 erfolgt die galvanische Abscheidung von weichem bzw. elastischem und/oder plastischem und/oder zähem Beschichtungsmetall, welches bspw. Blei oder Zinn oder eine Legierung sein kann, auf der Oberfläche des Einlegestückes. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. Schließlich wird in einem achten Fertigungsschritt 616 das so beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
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In 7 wird schematisch ein alternativer fünfter Beschichtungsprozess 700 mit chemischer Nickelaufbringung und galvanischer Beschichtungsmetallaufbringung nach vorheriger mechanischer Vertiefungserzeugung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 702 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 704 erfolgt eine Beschichtung mit Passivierungslack, welcher unstrukturiert, also nicht photostrukturiert, auf einer gesamten Oberfläche des Einlegestückes aufgebracht wird. In einem dritten Fertigungsschritt 706 erfolgt an zur späteren Beschichtung mit einem Beschichtungsmetall vorgesehenen Stellen der Oberfläche des Einlegestückes die Tiefenfräsung des mindestens einen metallischen Einlegestückes. Durch diese Tiefenfräsung erfolgt automatisch eine vorbestimmte Strukturierung der Oberfläche, ohne dass ein Photoprozess nötig ist. In einem vierten Fertigungsschritt 708 kann optional das Beizen zu der Entfernung der Passivierungsschicht, bspw. der Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen. Dies kann auch nur lokal an den Stellen der Oberfläche des Einlegestückes geschehen, die zu der Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem fünften Fertigungsschritt 710 kann das optionale Spülen von jeweiligen Beizmitteln und das Strippen des Photolackes erfolgen. In einem sechsten Fertigungsschritt 712 erfolgt die chemische Abscheidung des Haftvermittlers, der bspw. Nickel sein kann, auf der Oberfläche des Einlegestückes. In einem siebten Fertigungsschritt 714 erfolgt die galvanische Abscheidung von weichem bzw. elastischem und/oder plastischem und/oder zähem Beschichtungsmetall, welches bspw. Blei oder Zinn oder eine Legierung sein kann, auf der Oberfläche des Einlegestückes. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. Schließlich wird in einem achten Fertigungsschritt 716 das so beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
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In 8 wird schematisch ein sechster Beschichtungsprozess 800 mit Diffusionslötofen-Beschichtung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Fertigungsschritt 802 wird das mindestens eine metallische Einlegestück ausgeschnitten oder ausgestanzt. In einem zweiten Fertigungsschritt 804 kann optional die Photostrukturierung erfolgen, d. h. mit Photolack werden alle nicht mit dem Beschichtungsmetall zu beschichtenden Stellen auf einer Oberfläche des Einlegestückes bedeckt. Dies können all diejenigen Stellen sein, an denen keine Durchkontaktierungen bzw. Vias sein werden. In einem dritten Fertigungsschritt 806 kann optional das Beizen zu der Entfernung der Passivierungsschicht, bspw. die Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium, erfolgen. Dies kann auch nur lokal an den Stellen geschehen, die zu einer Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehen sind. In einem vierten Fertigungsschritt 808 kann das optionale Spülen von jeweiligen Beizmitteln und des Photolackes erfolgen. Eine nach dem Beizen strukturierte Passivierungsschicht kann anschließend als Beschichtungsmaske verwendet werden. Auf r nicht abgebeizten Stellen der Oberfläche des Einlegestückes wird durch die Passivierungsschicht sowohl ein chemisches als auch ein galvanisches Abscheiden von Beschichtungsmetall unterbunden. Ebenso haftet dort kein Lot an. In einem fünften Fertigungsschritt 810 erfolgt die chemische Abscheidung eines Haftvermittlers, der bspw. Nickel sein kann, auf der Oberfläche des Einlegestückes, zumindest an den zur Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehenen Stellen der Oberfläche des Einlegestückes. In einem sechsten Fertigungsschritt 812 wird auf der Oberfläche des Einlegestückes an den zur Beschichtung mit dem Beschichtungsmetall vorgesehenen Stellen die Beschichtung mit dem weichen bzw. elastischen und/oder plastischen und/oder zähen Beschichtungsmetall, welches bspw. Blei oder Zinn oder eine Legierung sein kann, in einem Diffusionsofen durchgeführt. Durch die als Beschichtungsmaske fungierende Passivierungsschicht werden nur die zu beschichtenden Stellen des Einlegestückes an der jeweiligen Oberfläche mit dem Beschichtungsmetall beschichtet. Schließlich wird in einem siebten Fertigungsschritt 814 das so beschichtete metallische Einlegestück in eine isolierende Schicht der Platine eingebettet.
