DE102019220451A1 - Method of manufacturing a printed circuit board and printed circuit board - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (1, 1'), umfassend mindestens eine elektrisch isolierende Substratlage (SL), die mit einer vorgegebenen Anzahl elektrisch leitender Metallstrukturen (MS) und einer vorgegebenen Anzahl von, Durchkontaktierungen bildenden, elektrisch leitfähig ausgeführten Bohrlöchern (4) zur elektrischen Verbindung der elektrisch leitenden Metallstrukturen (MS) versehen ist, wobeidie außen liegenden Metallstrukturen (MS1, MS2) aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% hergestellt werden.A method for producing a printed circuit board (1, 1 '), comprising at least one electrically insulating substrate layer (SL) which is provided with a predetermined number of electrically conductive metal structures (MS) and a predetermined number of electrically conductive drilled holes (4) which form through-contacts electrical connection of the electrically conductive metal structures (MS) is provided, the outer metal structures (MS1, MS2) being made of brass with a zinc content greater than 10%.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leiterplatte.The invention relates to a method for producing a printed circuit board. The invention also relates to a printed circuit board.
Leiterplatten werden beispielsweise in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge zur elektronischen Regelung und Steuerung eines Automatikgetriebes eingesetzt. Üblicherweise sind die Leiterplatten hier als starre Leiterplatten ausgebildet, die einerseits diskrete Bauelemente und hochintegrierte Bausteine elektrisch miteinander verbinden und andererseits als Träger dieser Komponenten dienen.Circuit boards are used, for example, in control units for motor vehicles for the electronic regulation and control of an automatic transmission. Usually, the circuit boards are designed here as rigid circuit boards, which on the one hand electrically connect discrete components and highly integrated modules and on the other hand serve as a carrier for these components.
Die Leiterplatten bestehen dazu aus einer oder mehreren Substratlagen aus glasfaserverstärktem, ausgehärtetem Epoxidharz, die zur Ausbildung von elektrisch leitenden Strukturen, insbesondere Leiterbahnen ein- oder beidseitig kupferkaschiert sind. Bei mehrlagigen Leiterplatten werden eine oder mehrere dieser Substratplatten mittels sogenannter Prepregs und teilweise auch zusätzlich mit Kupferfolien verpresst. Die Substratlagen und Prepregs bilden elektrisch isolierende Substratlagen der mehrlagigen Leiterplatte. Derartige Leiterplatten werden beispielsweise in der
Die isolierten Leiterbahnen zwischen elektrisch isolierenden Substratlagen werden insbesondere durch metallisierte Bohrungen, auch als Durchkontaktierung oder Vias (= Vertical Interconnect Access) bekannt, in der Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden. Die verschiedenen Herstellungsverfahren von Durchkontaktierungen sind dem Fachmann zum Beispiel aus der
Als Blind Via (= Vertical Interconnect Access) wird ein Via bezeichnet, das als Sackloch mit einer Durchkontaktierung ausgebildet ist, die die oberste oder unterste Leiterplattenlage mit wenigstens einer inneren Leiterplattenlage einer mehrlagigen Leiterplatte verbindet.A via is referred to as a blind via (= vertical interconnect access) which is designed as a blind hole with a through-hole plating that connects the top or bottom circuit board layer to at least one inner circuit board layer of a multilayer circuit board.
Als Buried oder vergrabenes Via wird ein Via bezeichnet, das im Inneren einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet ist und wenigstens zwei innere Leiterplattenlagen verbindet.A via is referred to as a buried or buried via, which is arranged in the interior of a multi-layer circuit board and connects at least two inner circuit board layers.
Nachfolgend wird die dem Fachmann bekannte Reihenfolgen zur Herstellung einer ein- oder mehrlagigen Leiterplatte beschrieben. Dazu werden dem Fachmann bekannte Materialien, wie Prepregs und Innen- oder Core-Lagen (ein- oder beidseitig kupferkaschierte elektrisch isolierenden Substratlagen aus glasfaserverstärktem Epoxidharz), Verfahren und Prozessfolgen, wie Bohren, Desmearing (Entfernung von Harzverschmierungen im Bohrloch), Metallisierung, Verpressen, Fotolithografie, Durchkontaktierungsverfahren, usw. eingesetzt und verwendet:
- Zunächst wird eine oder eine Mehrzahl von elektrisch isolierenden Substratlagen bereitgestellt, die aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. glasfaserverstärktem Epoxidharz, gebildet und einseitig oder beidseitig kupferkaschiert sind.
- First, one or a plurality of electrically insulating substrate layers is provided, which are made of an electrically insulating material, e.g. B. glass fiber reinforced epoxy resin, formed and copper-clad on one or both sides.
Zur Ausbildung elektrisch leitender Kupferstrukturen werden die kupferkaschierten Oberflächen der elektrisch isolierenden Substratlagen in einer dem Fachmann bekannten Prozessfolge aus Fotolithografie und Ätzprozess strukturiert.To form electrically conductive copper structures, the copper-clad surfaces of the electrically insulating substrate layers are structured in a process sequence made up of photolithography and an etching process that is known to the person skilled in the art.
Nachdem auf die kupferkaschierten Oberflächen Lötstopplack aufgebracht wurde, werden ausgewählte Bereiche dieser Oberflächen UV-Licht ausgesetzt. Das UV-Licht bewirkt ein Härten des Lötstopplacks, so dass dieser nicht mit Ätzchemikalien reagiert. Diese Oberfläche wird dann einem zusätzlichen Ätzverfahren unterzogen, so dass die freiliegenden Bereiche die elektrisch leitenden Kupferstrukturen ergeben.After solder mask has been applied to the copper-clad surfaces, selected areas of these surfaces are exposed to UV light. The UV light causes the solder mask to harden so that it does not react with etching chemicals. This surface is then subjected to an additional etching process so that the exposed areas produce the electrically conductive copper structures.
Anschließend werden in einem weiteren Verfahrensschritt die Substratplatten miteinander verpresst und gegebenenfalls stoffschlüssig miteinander verbunden.Subsequently, in a further process step, the substrate plates are pressed together and, if necessary, connected to one another in a materially bonded manner.
Die miteinander verpressten Substratlagen werden dann zur elektrischen Verbindung der elektrisch leitenden Kupferstrukturen mit einer vorgegebenen Anzahl an Durchkontaktierungen versehen.The substrate layers pressed together are then provided with a predetermined number of plated-through holes for the electrical connection of the electrically conductive copper structures.
Diese werden als Bohrungen, die zuerst gesäubert (Desmearing-Prozess) und nachfolgend metallisiert werden, in die Substratplatten eingebracht.These are drilled into the substrate plates as bores that are first cleaned (desmearing process) and then metallized.
Im Kraftfahrzeugbau ist es nunmehr seit längerer Zeit üblich, Steuergeräte für Motor oder Getriebe in die zu steuernde Kraftfahrzeugbaugruppe, also Motor oder Getriebe, zu integrieren. Vor allem die Getriebesteuergeräte bilden als so nannte Vorortsteuergerät eine äußerst kompakte Einheit.
Die Integration des Steuergerätes in das Getriebe stellt hohe Anforderungen an seine thermische und mechanische Belastbarkeit. Die Funktionalität muss sowohl über einen breiten Temperaturbereich (etwa -40°C bis hin zu 200°C) als auch bei mechanischen Vibrationen (bis zu etwa 40g) gewährleistet sein. Da das Steuergerät von aggressiven Medien wie Getriebeöl umgeben ist, muss es zudem öldicht ausgeführt sein.In motor vehicle construction it has now been customary for a long time to integrate control devices for the engine or transmission into the motor vehicle assembly to be controlled, that is to say the engine or transmission. Above all, the transmission control units form an extremely compact unit as a so-called local control unit.
The integration of the control unit in the transmission places high demands on its thermal and mechanical load capacity. The functionality must be guaranteed over a wide temperature range (approx. -40 ° C up to 200 ° C) as well as with mechanical vibrations (up to approx. 40g). Since the control unit is surrounded by aggressive media such as transmission oil, it must also be oil-tight.
Ein Vorortsteuergerät, insbesondere in einem Getriebe ist ständig von Öl umgeben. Das Öl soll als Schmierstoff in erster Linie Verschleiß an den sich drehenden Teilen im Getriebe verhindern und Reibung reduzieren. Die Güte dieser Eigenschaften hängt insbesondere vom Schwefelgehalt im Öl ab. Unter Belastung kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen den metallischen Rauheitsspitzen der Metalloberflächen und den Schwefelmolekülen. Dabei bildet sich an den Oberflächen eine Reaktionsschicht, die den Verschleiß und die Reibung reduziert. Das Material in der Reaktionsschicht ist etwas weicher, so dass ein Abbrechen oder örtliches Verschweißen der Rauheitsspitzen vermieden wird.A local control unit, especially in a transmission, is constantly surrounded by oil. As a lubricant, the oil is primarily intended to prevent wear and tear on the rotating parts in the gearbox and reduce friction. The quality of these properties depends in particular on the sulfur content in the oil. Under load, a chemical reaction occurs between the metallic roughness peaks of the metal surfaces and the sulfur molecules. A reaction layer forms on the surfaces, which reduces wear and friction. The material in the reaction layer is somewhat softer, so that breaking off or local welding of the roughness peaks is avoided.
In der Vergangenheit, als noch keine Hochleistungsgetriebe verwendet wurden und die Ansprüche an die Öle daher niedriger waren, wurden in Automatikgetrieben Getriebeflüssigkeiten insbesondere so genannte ATF-Öle (ATF: Automatic Transmission Fluid) mit einem Schwefelanteil kleiner ca. 1200 ppm eingesetzt.In the past, when no high-performance gearboxes were used and the demands on the oils were therefore lower, so-called ATF oils (ATF: Automatic Transmission Fluid) with a sulfur content of less than approx. 1200 ppm were used in automatic transmissions.
Bei neuen Hochleistungsgetrieben kommen angepasste Hochleistungsgetriebeöle mit verbesserten Schmiereigenschaften mit einem höheren Schwefel-Gehalt, insbesondere von ca. 1200-20000 ppm zum Einsatz.In the case of new high-performance gears, adapted high-performance gear oils with improved lubricating properties and a higher sulfur content, in particular of approx. 1200-2000 ppm, are used.
Diese Schmierflüssigkeiten mit dem erhöhten Schwefel-Gehalt haben aber den Nachteil, dass sie vor allem bei höheren Temperaturen, insbesondere bei circa 90°C und höher, ein hohes Korrosionspotential gegenüber Kupferwerkstoffen insbesondere der Leiterplatten in den Steuergeräten aufweisen.However, these lubricating fluids with the increased sulfur content have the disadvantage that they have a high corrosion potential with respect to copper materials, especially the printed circuit boards in the control units, especially at higher temperatures, in particular at around 90 ° C. and higher.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte und eine Leiterplatte anzugeben, wobei die Leiterplatte auch in einer korrosiven Umgebung möglichst gefahrlos eingesetzt werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide a method for producing a printed circuit board and a printed circuit board, wherein the printed circuit board can be used as safely as possible even in a corrosive environment.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch isolierenden Substratlage und elektrisch leitenden Metallstrukturen werden die außen liegenden Metallstrukturen aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% hergestellt.
Dadurch wird eine besonders hohe Robustheit der Leiterplatte, insbesondere der elektrisch leitenden Metallstrukturen der Leiterplatte, gegenüber Korrosion, bedingt durch aggressive Medien in der Umgebung, erreicht und insbesondere potentielle Kurzschlüsse vermieden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a printed circuit board having the features of claim 13.
In the method according to the invention for producing a printed circuit board with at least one electrically insulating substrate layer and electrically conductive metal structures, the external metal structures are made of brass with a zinc content of greater than 10%.
As a result, the printed circuit board, in particular the electrically conductive metal structures of the printed circuit board, is particularly robust with respect to corrosion caused by aggressive media in the environment and, in particular, potential short circuits are avoided.
Eine Mehrlagenleiterplatte umfasst insbesondere mehrere elektrisch isolierende Substratlagen, die mit einer vorgegebenen Anzahl elektrisch leitender Metallstrukturen und einer vorgegebenen Anzahl von,
Durchkontaktierungen bildenden, elektrisch leitfähig ausgeführten Bohrlöchern zur elektrischen Verbindung der elektrisch leitenden Metallstrukturen versehen sind. Vorteilhafterweise sind die beiden außen liegenden Metallstrukturen aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% und die innen liegenden Metallstrukturen aus Kupfer hergestellt. Dabei können vor dem Verpressen der mit elektrisch leitenden Metall-strukturen versehenen elektrisch isolierenden Substratlagen die Bohrlöcher zur Ausbildung einer elektrischen Leitfähigkeit vorteilhafterweise mit einer Kupfer- oder Silberpartikel enthaltenden, korrosionsstabilen Paste gefüllt werden.A multilayer printed circuit board comprises, in particular, several electrically insulating substrate layers, which are provided with a predetermined number of electrically conductive metal structures and a predetermined number of,
Forming through-contacts, electrically conductive drilled holes are provided for the electrical connection of the electrically conductive metal structures. The two metal structures on the outside are advantageously made of brass with a zinc content of greater than 10% and the metal structures on the inside are made of copper. In this case, prior to the pressing of the electrically insulating substrate layers provided with electrically conductive metal structures, the drill holes can advantageously be filled with a corrosion-resistant paste containing copper or silver particles in order to establish electrical conductivity.
Vor dem Verpressen der mit elektrisch leitenden Metall-strukturen versehenen elektrisch isolierenden Substratlagen werden die Bohrlöcher vorteilhafterweise zur Ausbildung einer elektrischen Leitfähigkeit an deren Wandung jeweils mit einer Metallisierungsschicht aus Kupfer oder aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% versehen.Before pressing the electrically insulating substrate layers provided with electrically conductive metal structures, the boreholes are advantageously provided with a metallization layer made of copper or brass with a zinc content of greater than 10% on their wall to form an electrical conductivity.
Beispielsweise wird zur Ausbildung der Metallisierungsschicht Kupfer oder Messing galvanisch abgeschieden.For example, copper or brass is electrodeposited to form the metallization layer.
In einer weiteren Ausgestaltungsform können die Bohrlöcher, deren Wandung mit einer Metallisierungsschicht aus Kupfer oder aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% versehen ist, anschließend mit einer Epoxy-Paste gefüllt werden, wobei die Epoxy-Paste auch elektrisch leitfähig sein kann.In a further embodiment, the boreholes, the walls of which are provided with a metallization layer made of copper or made of brass with a zinc content of greater than 10%, can then be filled with an epoxy paste, the epoxy paste also being able to be electrically conductive.
In einer weiteren Ausgestaltungsform können vor dem Verpressen der mit elektrisch leitenden Metallstrukturen versehenen elektrisch isolierenden Substratlagen diejenigen Bohrlöcher, die innen liegende Kupferstrukturen verbinden, an ihrer Wandung jeweils mit einer Metallisierungsschicht aus Kupfer oder aus Messing mit einem Zinkgehalt größer 10% versehen sein. Dagegen werden insbesondere die Bohrlöcher, die eine außen liegende Messingstruktur mit der jeweils nächsten, innen liegenden Kupferstruktur verbinden, zur Ausbildung einer elektrischen Leitfähigkeit mit einer Kupfer- oder Silberpartikel enthaltenden, korrosionsstabilen Paste gefüllt.In a further embodiment, before the electrically insulating substrate layers provided with electrically conductive metal structures are pressed, those drill holes that connect internal copper structures can be provided with a metallization layer of copper or brass with a zinc content of greater than 10% on their walls. In contrast, the drill holes that connect an outside brass structure with the next inside copper structure are filled with a corrosion-resistant paste containing copper or silver particles in order to establish electrical conductivity.
In einer weiteren Ausgestaltungsform erstrecken sich insbesondere die Bohrlöcher, die eine außen liegende Messingstruktur mit der jeweils nächsten, innen liegenden Kupferstruktur verbinden, auch in die außen liegenden Messingstrukturen.In a further embodiment, in particular the drill holes which connect a brass structure on the outside with the next copper structure on the inside also extend into the brass structures on the outside.
Nach dem Verpressen der mit elektrisch leitenden Metall-strukturen versehenen elektrisch isolierenden Substratlagen
werden die außenliegenden Kupferstrukturen zum Schutz vor Korrosion und zur Weiterverarbeitung wie Löten oder Bonden von eine elektronische Schaltung bildenden Komponenten mit einer Funktionalisierungsschicht versehen. Dabei wird beispielsweise eine Nickel-Gold-Verbindung (ENIG) oder eine Nickel-Palladium-Gold-Verbindung (ENEPIG) als dünne Schicht chemisch abgeschieden. Als chemisches Abscheideverfahren kann eine chemische Badabscheidung durchgeführt werden.After pressing the electrically insulating substrate layers provided with electrically conductive metal structures
the external copper structures are provided with a functionalization layer to protect against corrosion and for further processing such as soldering or bonding of components forming an electronic circuit. For example, a nickel-gold compound (ENIG) or a nickel-palladium-gold compound (ENEPIG) is chemically deposited as a thin layer. A chemical bath deposition can be carried out as a chemical deposition process.
Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit kann die Paste Beimengungen von Aluminium, Kupfer, Magnesium, Messing, Nickel, Silber, Zink oder Mischungen enthalten. Insbesondere kann die Paste mittels eines Druckverfahrens in ein Bohrloch eingebracht werden.To increase the electrical conductivity, the paste can contain additions of aluminum, copper, magnesium, brass, nickel, silver, zinc or mixtures. In particular, the paste can be introduced into a borehole by means of a printing process.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Leiterplatte mit Bohrlöchern mit Metallisierungsschicht, -
2 eine Leiterplatte mit Bohrlöchern ohne Metallisierungsschicht, -
3 Leiterplatte wie in2 , mit Paste auch in Metallisierungsschicht, -
4 Leiterplatte wie in1 , mit mehreren Lagen, -
5 Mehrlagenleiterplatte wie in4 , äußere Bohrlöcher ohne Metallisierungsschicht, -
6 Mehrlagenleiterplatte wie in5 , mit Paste auch in Metallisierungsschicht, und -
7 Mehrlagenleiterplatte wie in6 , alle Bohrlöcher ohne Metallisierungsschicht.
-
1 a printed circuit board with drill holes with a metallization layer, -
2 a printed circuit board with drill holes without a metallization layer, -
3 PCB as in2 , with paste also in the metallization layer, -
4th PCB as in1 , with several layers, -
5 Multi-layer circuit board as in4th , outer drill holes without a metallization layer, -
6th Multi-layer circuit board as in5 , with paste also in the metallization layer, and -
7th Multi-layer circuit board as in6th , all drill holes without a metallization layer.
Die Bohrlöcher
Die beiden außen liegenden Metallstrukturen
Die beiden außen liegenden Metallstrukturen
Im Gegensatz zu
Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit kann die Paste
Im Unterschied zu
Die Leiterplatte
Die Bohrlöcher
In
Wie insbesondere in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1, 1'1, 1 '
- LeiterplatteCircuit board
- 44th
- BohrlochBorehole
- 4.1, 4.24.1, 4.2
- Bohrloch, außen liegendBorehole, lying on the outside
- 55
- MetallisierungsschichtMetallization layer
- 66th
- Paste, elektrisch leitfähigPaste, electrically conductive
- 77th
- Pastepaste
- 88th
- FunktionalisierungsschichtFunctionalization layer
- MSMS
- MetallstrukturMetal structure
- MS1, MS2MS1, MS2
- Außen liegende MetallstrukturExternal metal structure
- MS3.1, MS3.2MS3.1, MS3.2
- Innen liegende MetallstrukturInternal metal structure
- SLSL
- SubstratlageSubstrate layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 19514495 A1 [0004]DE 19514495 A1 [0004]
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