DE102022122186A1 - Process for producing a printed circuit board - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, das die reproduzierbare Herstellung von Lötverbindungen von SMD-Bauelementen im Wege des Reflow-Lötens auf den Anschlussflächen von Leiterbahnen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen auf der Leiterplatte ermöglicht. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Aufbringen einer porösen Schicht aus Metallpartikeln zumindest auf die Anschlussflächen der Leiterbahnen,- Aufbringen eines Aluminiumoxid reduzierenden Flussmittels auf die poröse Schicht aus Metallpartikeln, welches thermisch aktivierbar ist,- Aufbringen einer Zinnlegierung auf die poröse Schicht,- Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels bis zum Aufschmelzen der Zinnlegierung und dem thermischen Aktivieren des Flussmittels, sodass sich eine intermetallische Bindung zwischen der Zinnlegierung und der Oberfläche der Leiterbahnen aus Aluminium mit darin eingeschlossenen Metallpartikeln der porösen Schicht ausbildet.The invention relates to a method for producing a printed circuit board, which enables the reproducible production of solder connections of SMD components by means of reflow soldering on the connection surfaces of conductor tracks made of aluminum or aluminum alloys on the printed circuit board. The method includes the following steps: - applying a porous layer of metal particles at least to the connection surfaces of the conductor tracks, - applying an aluminum oxide reducing flux to the porous layer of metal particles, which can be activated thermally, - applying a tin alloy to the porous layer, - heating the applied tin alloy and the applied flux until the tin alloy melts and the flux is thermally activated, so that an intermetallic bond is formed between the tin alloy and the surface of the aluminum conductor tracks with metal particles of the porous layer enclosed therein.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit Leiterbahnen, die Anschlussflächen für SMD-Bauelemente aufweisen, wobei die Leiterbahnen und die Anschlussflächen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.The invention relates to a method for producing a printed circuit board with conductor tracks that have connection surfaces for SMD components, the conductor tracks and the connection surfaces being made of aluminum or an aluminum alloy.
SMD steht für „surface mounted device“. SMD-Bauelemente haben im Gegensatz zu Bauelementen der Durchsteckmontage keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Kontaktflächen direkt auf Anschlussflächen der Leiterbahnen auf einer Leiterplatte gelötet. Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontagetechnik (SMT - Surface-Mount Technology).SMD stands for “surface mounted device”. In contrast to through-hole mounting components, SMD components do not have wire connections, but are soldered directly to connection surfaces of the conductor tracks on a circuit board using solderable contact surfaces. The associated technology is surface mounting technology (SMT - Surface-Mount Technology).
Durch die Oberflächenmontagetechnik (SMT) werden sehr dichte Bestückungen und vor allem eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte möglich. Die elektrischen Eigenschaften der Schaltungen werden speziell bei höheren Frequenzen positiv beeinflusst. Der Platzbedarf der Bauelemente verringert sich. Dadurch können die Geräte kleiner und zugleich wesentlich kostengünstiger hergestellt werden.Surface mounting technology (SMT) makes very dense assembly and, above all, assembly of the circuit board on both sides possible. The electrical properties of the circuits are positively influenced, especially at higher frequencies. The space required by the components is reduced. This means that the devices can be manufactured smaller and at the same time much more cost-effectively.
Bei der Oberflächenmontage werden die SMD-Bauelemente über die lötfähigen Kontaktflächen an ihren Unterseiten und zuvor auf die Anschlussflächen der Leiterplatte aufgebrachte Lotpaste unmittelbar mit den Leiterplatte verbunden. Das Reflow-Löten ist das Standard Verfahren zum Löten von SMD-Bauelementen. SMD-Bauelemente, Lot und Flussmittel befinden sich bereits auf den Anschlussflächen der Leiterbahnen, so dass im Reflow-Lötprozess lediglich Wärmeenergie in einem genau definierten Temperatur-Zeit-Profil zugeführt werden muss.During surface mounting, the SMD components are connected directly to the circuit board via the solderable contact surfaces on their undersides and solder paste previously applied to the connection surfaces of the circuit board. Reflow soldering is the standard method for soldering SMD components. SMD components, solder and flux are already on the connection surfaces of the conductor tracks, so that in the reflow soldering process only thermal energy needs to be supplied in a precisely defined temperature-time profile.
Auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen und Anschlussflächen aus Kupfer ist die Oberflächenmontagetechnik (SMT) etabliert und stellt einen effizienten und kostengünstigen Prozess dar. Übliche SMD-Bauelemente haben Abmessungen von teilweise unter 100pm x 100pm und stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Lötprozesses.Surface mounting technology (SMT) is established on a circuit board with conductor tracks and connection surfaces made of copper and represents an efficient and cost-effective process. Common SMD components sometimes have dimensions of less than 100pm x 100pm and place high demands on the reliability of the soldering process.
Derzeit besteht eine massive Nachfrage nach Alternativen zur klassischen Leiterplatte mit Leiterbahnen aus Kupfer. Hierzu wird seit den 1980er Jahren intensiv im Bereich der „Gedruckten Elektronik“ geforscht. Ziel ist es dabei die Kupferfolien durch funktionale Druckfarben zu ersetzten. Um die Leitfähigkeit der metallischen Kupferfolien zu erreichen werden als Basismaterial Silberpartikel oder in neuerer Zeit auch Kupferpartikel verwendet. Die erreichten Leitfähigkeiten liegen trotzdem nur in Bereichen von 10-20% der Kupferfolien.There is currently massive demand for alternatives to the classic circuit board with copper conductor tracks. Intensive research has been carried out in the area of “printed electronics” since the 1980s. The aim is to replace the copper foils with functional printing inks. In order to achieve the conductivity of the metallic copper foils, silver particles or, more recently, copper particles are used as the base material. The conductivities achieved are still only in the range of 10-20% of the copper foils.
Neben den gedruckten Leiterbahnen wäre die Verwendung von Aluminiumfolien anstelle der Kupferfolien ein Lösungsansatz um hinsichtlich Leitfähigkeit, Kosten und Lieferfähigkeit eine Alternative zu klassischen Leiterplatten mit Leiterbahnen aus Kupfer bereitzustellen.In addition to the printed conductor tracks, the use of aluminum foils instead of copper foils would be a solution to provide an alternative to classic circuit boards with copper conductor tracks in terms of conductivity, costs and delivery capability.
Seitens der Elektronikindustrie besteht seit längerem der Wunsch Aluminium mit seinen Vorteilen bei Kosten, Gewicht und Verfügbarkeit als Leiterbahnmaterial nutzbar zu machen. Dem steht allerdings ein gravierendes Problem bei der Nutzung der in der Elektronikfertigung weit verbreiteten Oberflächenmontagetechnik (SMT) in Kombination mit Aluminiumoberflächen entgegen. Das Metall ist sehr unedel und reagiert an frisch angeschnittenen Stellen bei Raumtemperatur mit Luft und Wasser zu Aluminiumoxid. Dies bildet sofort eine dünne, für Luft und Wasser undurchlässige Schicht (Passivierung) und schützt so das Aluminium vor Korrosion.The electronics industry has long wanted to use aluminum, with its advantages in terms of cost, weight and availability, as a conductor track material. However, there is a serious problem when using surface mounting technology (SMT), which is widely used in electronics production, in combination with aluminum surfaces. The metal is very base and reacts with air and water in freshly cut areas at room temperature to form aluminum oxide. This immediately forms a thin layer that is impermeable to air and water (passivation) and thus protects the aluminum from corrosion.
Aus dem Stand der Technik ist zum Löten von SMD-Bauelementen auf Leiterplatten mit Aluminiumleiterbahnen eine Vorbehandlungspaste von Averatec bekannt geworden. Es handelt sich um ein das Aluminiumoxid reduzierendes Flussmittel. In einem ersten Schritt wird zunächst die Vorbehandlungspaste auf die Anschlussflächen gedruckt. Erst nach einem etwa 3 Minuten dauernden Aushärten der aufgedruckten Vorbehandlungspaste bei etwa 85° C kann in einem zweiten Schritt eine herkömmliche Lotpaste für das Reflow-Löten aufgebracht werden, die neben einer Zinnlegierung ein Flussmittel umfasst (abgerufen am 28. August 2022 unter https://www.averatekcorp.com/chemical/mina/) .From the prior art, a pretreatment paste from Averatec has become known for soldering SMD components on circuit boards with aluminum conductor tracks. It is a flux that reduces aluminum oxide. In a first step, the pretreatment paste is printed onto the connection surfaces. Only after the printed pretreatment paste has hardened for around 3 minutes at around 85° C can a conventional solder paste for reflow soldering be applied in a second step, which includes a tin alloy and a flux (accessed on August 28, 2022 at https:/ /www.averatekcorp.com/chemical/mina/) .
Der bekannte Prozess ist in jedem Fall zweistufig, verursacht hohe Prozesskosten und ist mit den herkömmlichen Linien für die Oberflächenmontagetechnik (SMT) nicht kompatibel. Des Weiteren kommt es zu einer unzureichenden Benetzung der Anschlussflächen durch die Zinnlegierung aus der Lotpaste. Hierdurch kommt es zu einem Verschwimmen der SMD-Bauelemente beim Lötprozess. Als Verschwimmen wird eine Verschiebung des SMD-Bauelements in X- und/oder Y-Richtung bezeichnet. Gleichzeitig kann ein zusätzliches Verdrehen des SMD-Bauelements auftreten. Das Verschwimmen wird aufgrund der Oberflächenspannung und Kugelbildung des flüssigen Lotes verursacht.In any case, the known process is two-stage, entails high process costs and is not compatible with conventional surface mount technology (SMT) lines. Furthermore, there is insufficient wetting of the connection surfaces by the tin alloy from the solder paste. This causes the SMD components to blur during the soldering process. Blurring refers to a displacement of the SMD component in the X and/or Y direction. At the same time, additional twisting of the SMD component can occur. The blurring is caused due to the surface tension and ball formation of the liquid solder.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte vorzuschlagen, dass die reproduzierbare Herstellung von Lötverbindungen von SMD-Bauelementen im Wege des Reflow-Lötens auf den Anschlussflächen von Leiterbahnen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen auf der Leiterplatte ermöglicht.Based on this prior art, the invention is based on the object of proposing a method for producing a circuit board that enables the reproducible production of solder connections of SMD components by means of reflow soldering on the connection surfaces of conductor tracks made of aluminum or aluminum alloys on the circuit board .
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch folgende Schritte gelöst
- - Aufbringen einer porösen Schicht aus Metallpartikeln zumindest auf die Anschlussflächen der Leiterbahnen,
- - Aufbringen eines Aluminiumoxid reduzierenden Flussmittels auf die poröse Schicht aus Metallpartikeln, welches thermisch aktivierbar ist,
- - Aufbringen einer Zinnlegierung auf die poröse Schicht,
- - Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels bis zum Aufschmelzen der Zinnlegierung und dem thermischen Aktivieren des Flussmittels, sodass sich eine intermetallische Bindung zwischen der Zinnlegierung und der Oberfläche der Leiterbahnen aus Aluminium mit darin eingeschlossenen Metallpartikeln der porösen Schicht ausbildet.
- - Applying a porous layer of metal particles at least to the connection surfaces of the conductor tracks,
- - Applying an aluminum oxide-reducing flux to the porous layer of metal particles, which can be thermally activated,
- - applying a tin alloy to the porous layer,
- - Heating the applied tin alloy and the applied flux until the tin alloy melts and the flux is thermally activated, so that an intermetallic bond is formed between the tin alloy and the surface of the aluminum conductor tracks with metal particles of the porous layer enclosed therein.
Wenn die Schmelztemperatur der Metallpartikel der porösen Schicht höher als die Schmelztemperatur der Zinnlegierung und höher als die Temperatur zum thermischen Aktivieren des Flussmittels ist, führt das Erhitzen der zuvor aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels nicht zum Aufschmelzen der Metallpartikel, so dass die poröse Struktur der Schicht nicht beeinträchtigt wird.When the melting temperature of the metal particles of the porous layer is higher than the melting temperature of the tin alloy and higher than the temperature for thermally activating the flux, heating the previously applied tin alloy and the applied flux does not cause the metal particles to melt, so that the porous structure of the layer is not affected.
Das Aufschmelzen der Zinnlegierung erfolgt in einem Temperaturbereich von 120 °C bis 300 °C, vorzugsweise in einem Niedertemperaturbereich bei 120-150 °C oder in einem Hochtemperaturbereich bei 200-250 °C. Unabhängig von der Schmelztemperatur der verwendeten Zinnlegierung in dem vorgenannten Temperaturbereich muss stets so lange Wärme zugeführt werden, dass in jedem Fall das Flussmittel thermisch aktiviert wird, um die erforderliche Reduktion der Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der Leiterbahnen zu bewirken. Die Aktivierung des Flussmittels erfolgt bei einer Temperatur von 120-240 °C.The tin alloy is melted in a temperature range of 120 ° C to 300 ° C, preferably in a low temperature range at 120-150 ° C or in a high temperature range at 200-250 ° C. Regardless of the melting temperature of the tin alloy used in the aforementioned temperature range, heat must always be supplied for such a long time that the flux is in any case thermally activated in order to bring about the necessary reduction of the aluminum oxide layer on the surface of the conductor tracks. The flux is activated at a temperature of 120-240 °C.
Das Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels kann über Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung erfolgen:
- • Das Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels über Wärmeleitung erfolgt vorzugsweise durch mechanische Berührung der Unterseite der Leiterplatte mit einer Heizplatte.
- • Das Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels über Konvektion erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von heißem Dampf oder heißer Luft.
- • Das Erhitzen der aufgebrachten Zinnlegierung und des aufgebrachten Flussmittels über Wärmestrahlung erfolgt mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere mit Hilfe eines Infrarotstrahlers.
- • Heating of the applied tin alloy and the applied flux via heat conduction is preferably carried out by mechanically touching the underside of the circuit board with a heating plate.
- • Heating of the applied tin alloy and the applied flux via convection is preferably carried out using hot steam or hot air.
- • The applied tin alloy and the applied flux are heated via thermal radiation using electromagnetic waves, in particular with the help of an infrared heater.
Wenn sich durch das Erhitzen die intermetallische Bindung zwischen der Zinnlegierung und der Oberfläche der Leiterbahnen aus Aluminium mit darin eingeschlossenen Metallpartikeln der porösen Schicht ausgebildet hat, ist die Leiterplatte lagerfähig und für das sogenannte Reflow-Löten oder Wiederaufschmelzlöten von SMD-Bauteilen nach Aufbringen einer Lotpaste auf die Anschlussflächen geeignet. Im Wege des Reflow-Lötens, insbesondere mittels einer Heizplatte, eines Infrarotstrahlers oder im Wege des Dampfphasenlötens werden die Kontaktflächen der SMD-Bauelemente mit den Anschlussflächen der Leiterplatte verbunden.If the intermetallic bond between the tin alloy and the surface of the aluminum conductor tracks with metal particles of the porous layer enclosed therein has formed as a result of heating, the circuit board is storable and can be used for so-called reflow soldering or reflow soldering of SMD components after applying a solder paste the connection surfaces are suitable. The contact surfaces of the SMD components are connected to the connection surfaces of the circuit board by means of reflow soldering, in particular by means of a heating plate, an infrared radiator or by means of vapor phase soldering.
Wenn eine Lagerung der Leiterplatten zwischen Herstellung und dem Reflow-Löten nicht erforderlich ist, kann die Leiterplatte mit den SMD- Bauelementen nach dem Aufbringen des Flussmittels und der Zinnlegierung, jedoch vor dem Schritt des Erhitzens bestückt werden. In diesem Fall werden mit dem Schritt des Erhitzens die Kontaktflächen der SMD-Bauelemente mit den Anschlussflächen auf der Leiterplatte direkt verbunden, d.h. verlötet.If storage of the circuit boards between manufacturing and reflow soldering is not required, the circuit board can be populated with the SMD components after the application of the flux and tin alloy, but before the heating step. In this case, the heating step involves directly connecting, i.e. soldering, the contact surfaces of the SMD components to the connection surfaces on the circuit board.
Die Metallpartikel der porösen Schicht werden vorzugsweise im Wege des atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht. Das atmosphärische Plasmaspritzen ist ein thermisches Beschichtungsverfahren, bei dem in einem Plasmabrenner eine Anode und mindestens eine Kathode durch einen schmalen Spalt getrennt sind. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen der Anode und der mindestens einen Kathode erzeugt. Ein durch den Plasmabrenner strömendes Gas oder Gasgemisch, welches durch den Lichtbogen geleitet wird bildet einen Plasmastrom, in den die pulverförmigen Metallpartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 1-100 µm, vorzugsweise 5-50 µm, besonders bevorzugt mit 10-20 µm, eingedüst werden, die durch die hohe Plasmatemperatur angeschmolzen bzw. aufgeschmolzen werden. Der Plasmastrom reißt die pulverförmigen Metallpartikel mit und bringt sie auf den Leiterbahnen auf. Die Plasmabeschichtung erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen.The metal particles of the porous layer are preferably applied by atmospheric plasma spraying. Atmospheric plasma spraying is a thermal coating process in which an anode and at least one cathode are separated by a narrow gap in a plasma torch. A direct voltage creates an arc between the anode and the at least one cathode. A gas or gas mixture flowing through the plasma torch, which is passed through the arc, forms a plasma stream into which the powdery metal particles with a particle size in the range of 1-100 µm, preferably 5-50 µm, particularly preferably 10-20 µm, are injected which are melted or melted by the high plasma temperature. The plasma current entrains the powdery metal particles and deposits them on the conductor tracks. Plasma coating takes place under atmospheric conditions.
Der Begriff poröse Schicht ist im Sinne der Erfindung als porig und durchlässig bis zu der Oberfläche der Leiterbahn, insbesondere der Anschlussflächen zu verstehen. Mittels der Geschwindigkeit der Plasmabeschichtung, der Menge der in den Plasmastrom eingedüsten Metallpartikel und der Temperatur des Plasmastroms wird die Porösität der aufgebrachten Schicht beeinflusst. Die aufgebrachten Metallpartikel bilden auf der Oberfläche der Leiterbahnen keine geschlossene Schicht aus, sondern bedecken die Anschlussflächen der Leiterbahnen minimal zu 50 % und maximal zu 80 %. Vorzugsweise werden die Metallpartikel lediglich einlagig aufgebracht, um zu verhindern, dass die derart gebildeten Poren in der Schicht durch eine weitere Lage der Metallpartikel wieder verschlossen werden. Folglich entspricht die Schichtdicke der porösen Schicht aus Metallpartikeln der gewählten Partikelgröße im Bereich von 1-100 µm, vorzugsweise 5-50 µm, besonders bevorzugt mit 10-20 µm.In the context of the invention, the term porous layer is to be understood as porous and permeable up to the surface of the conductor track, in particular the connection surfaces. By means of the speed of the plasma coating, the amount of metal particles injected into the plasma stream and the temperature The porosity of the applied layer is influenced by the plasma flow. The applied metal particles do not form a closed layer on the surface of the conductor tracks, but rather cover the connection surfaces of the conductor tracks by a minimum of 50% and a maximum of 80%. The metal particles are preferably only applied in one layer in order to prevent the pores formed in this way in the layer from being closed again by another layer of metal particles. Consequently, the layer thickness of the porous layer of metal particles corresponds to the selected particle size in the range of 1-100 μm, preferably 5-50 μm, particularly preferably 10-20 μm.
Alternativ kann die poröse Schicht aus Metallpartikeln im Wege eines Druckprozesses mit anschließendem Einbringen der Poren, beispielsweise mittels eines Lasers, aufgebracht werden. Die Laserenergie ist derart zu steuern, dass lediglich die im Wege des Druckprozesses aufgebrachte Schicht der Metallpartikel bis zur Oberfläche der Leiterbahn aus Aluminium abgetragen wird.Alternatively, the porous layer of metal particles can be applied by means of a printing process with subsequent introduction of the pores, for example by means of a laser. The laser energy must be controlled in such a way that only the layer of metal particles applied during the printing process is removed down to the surface of the aluminum conductor track.
Als Material der porösen Schicht wird ein elektrisch gut leitfähiges und verhältnismäßig günstiges Material mit guten Korrosionsschutzeigenschaften benötigt. Die vorzugsweise in Pulverform vorliegenden Metallpartikel der porösen Schicht bestehen daher vorzugsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Zink oder einer Zinklegierung.The material required for the porous layer is an electrically highly conductive and relatively inexpensive material with good corrosion protection properties. The metal particles of the porous layer, which are preferably in powder form, therefore preferably consist of copper, a copper alloy, zinc or a zinc alloy.
Grundsätzlich können das Flussmittel und die Zinnlegierung nacheinander auf die poröse Schicht aufgebracht werden. Der Herstellungsprozess wird jedoch beschleunigt und vereinfacht, wenn das Aufbringen gleichzeitig erfolgt, insbesondere dadurch, dass das Flussmittel und die Zinnlegierung in Form einer Lotpaste gleichzeitig auf die poröse Schicht aufgebracht werden. Die Lotpaste ist eine pastöse Mischung aus Metallpulver und Flussmittel .In principle, the flux and the tin alloy can be applied to the porous layer one after the other. However, the manufacturing process is accelerated and simplified if the application takes place simultaneously, in particular by applying the flux and the tin alloy in the form of a solder paste to the porous layer at the same time. The solder paste is a pasty mixture of metal powder and flux.
Die Lotpaste lässt sich in einem automatisierten Verfahren im Wege des Schablonendrucks besonders einfach auf die Anschlussflächen der Leiterbahnen aufbringen. Der Schablonendruck ist ein im Bereich der Leiterplattenbestückung erprobtes und bewährtes Verfahren zur Aufbringung von Lotpaste auf die Anschlussflächen einer Leiterplatte. Dabei wird die Druckschablone genau zur Leiterplatte ausgerichtet und anschließend auf sie gelegt. Mit einem Rakel wird dann die Lotpaste über die Schablone gezogen, in die Öffnungen gedrückt und anschließend durch die scharfe Rakelkante exakt auf der Schablonenoberfläche abgezogen. Die Lotpaste verbleibt als Lotpastendepot auf den gemäß der Erfindung zuvor mit der porösen Schicht versehenen Anschlussflächen zurück.The solder paste can be applied particularly easily to the connection surfaces of the conductor tracks in an automated process using stencil printing. Stencil printing is a tried and tested method for applying solder paste to the connection surfaces of a circuit board in the field of circuit board assembly. The printing template is aligned precisely with the circuit board and then placed on it. The solder paste is then drawn over the stencil with a squeegee, pressed into the openings and then pulled off exactly onto the stencil surface using the sharp squeegee edge. The solder paste remains as a solder paste deposit on the connection surfaces previously provided with the porous layer according to the invention.
Der Anteil der Zinnlegierung beträgt 75-95 Gew.% der Lotpaste. Als Zinnlegierung kann beispielsweise Sn64-Bi35-Ag1, Sn96.5Ag3.0Cu0.5 oder eine vergleichbare Zinnlegierung verwendet werden. Die Lotpaste weist die Zinnlegierung vorzugsweise in Pulverform mit einer Korngröße des Typs 3 bis 7 nach der Richtline IPC-J-STD-004B auf, besonders bevorzugt in der Korngröße 3 (25-45 pm) oder 4 (20-38 µm).The proportion of tin alloy is 75-95% by weight of the solder paste. For example, Sn64-Bi35-Ag1, Sn96.5Ag3.0Cu0.5 or a comparable tin alloy can be used as the tin alloy. The solder paste preferably has the tin alloy in powder form with a grain size of
Der Anteil des Flussmittels an der Lotpaste beträgt zwischen 5-25 Gew.% der Lotpaste, abhängig vom Anteil der Zinnlegierung. Als Flussmittel kommt insbesondere ein von der Firma Averatek, 550 Nuttman St. Santa Clara, CA 95054 unter der Produktbezeichnung „Mina“ angebotenes Flussmittel zur Vorbehandlung von Aluminium in Betracht (abgerufen am 28. August 2022 unter https://www.averatekcorp.com/chemical/mina/). In Versuchen hat sich herausgestellt, dass der Anteil des vorgenannten Flussmittels vorzugsweise 10-15 Gew.%, insbesondere 14 % Gew.% an der Lotpaste beträgt.The proportion of flux in the solder paste is between 5-25% by weight of the solder paste, depending on the proportion of tin alloy. A particularly suitable flux is a flux for the pretreatment of aluminum offered by Averatek, 550 Nuttman St. Santa Clara, CA 95054 under the product name “Mina” (accessed on August 28, 2022 at https://www.averatekcorp.com /chemical/mina/). Experiments have shown that the proportion of the aforementioned flux is preferably 10-15% by weight, in particular 14% by weight, of the solder paste.
Nach dem Schritt des Erhitzens der aufgebrachten Zinnlegierung und des Flussmittels werden neben den derart erstellten Anschlussflächen etwa noch befindliche Metallpartikel abgereinigt, vorzugsweise im Wege des CO2-Schneestrahlens. Beim CO2-Schneestrahlen wird als Strahlmittel flüssiges Kohlenstoffdioxid eingesetzt, welches zu einem Schnee/Gas-Gemisch entspannt wird. Die Energie der entstehenden CO2-Schneepartikel wird zur Abreinigung der überschüssigen Metallpartikel eingesetzt. Die Vorteile des CO2-Schneestrahlens liegen vor allem in der sehr guten Automatisierbarkeit durch die kontinuierliche Strahlmittelversorgung. Durch die recht geringe kinetische Energie der Kohlenstoffdioxidpartikel ist das CO2-Schneestrahlen deutlich weniger abrasiv als das Trockeneisstrahlen und daher für die Reinigung der feinstrukturierten Leiterbahnen gut geeignet.After the step of heating the applied tin alloy and the flux, any metal particles still present next to the connecting surfaces created in this way are cleaned off, preferably by means of CO 2 snow blasting. When CO2 snow blasting, liquid carbon dioxide is used as the blasting agent, which is expanded to form a snow/gas mixture. The energy of the resulting CO2 snow particles is used to clean off the excess metal particles. The advantages of CO2 snow blasting lie primarily in the very good automation thanks to the continuous supply of blasting media. Due to the relatively low kinetic energy of the carbon dioxide particles, CO2 snow blasting is significantly less abrasive than dry ice blasting and is therefore well suited for cleaning finely structured conductor tracks.
Das Verfahren ist geeignet für die Herstellung von Leiterplatten mit einem starren oder flexiblen Träger aus elektrisch isolierendem Trägermaterial für die Leiterbahnen. Das elektrisch isolierende Trägermaterial umfasst Papier, Glasvlies, Glasfasergewebe oder Folien aus Kunststoffen, wie z.B. PI, PET, PP, PC. Die starren Leiterplatten weisen eine Dicke insbesondere in einem Bereich von 0,5 mm bis 5 mm auf. Für die starren Platten werden insbesondere Glasfasergewebe verwendet. Die flexiblen Leiterplatten weisen eine Dicke in einem Bereich von insbesondere 0,1 mm bis 0,25 mm auf.The process is suitable for the production of printed circuit boards with a rigid or flexible carrier made of electrically insulating carrier material for the conductor tracks. The electrically insulating carrier material includes paper, glass fleece, glass fiber fabric or plastic films such as PI, PET, PP, PC. The rigid circuit boards have a thickness in particular in a range of 0.5 mm to 5 mm. Glass fiber fabrics are used in particular for the rigid panels. The flexible printed circuit boards have a thickness in a range of in particular 0.1 mm to 0.25 mm.
Die Leiterbahnen bestehen aus Aluminiumlegierungen vorzugsweise der Gruppen 1xxx oder 8xxx. Die Aluminiumlegierungen werden in einem numerischen System in Gruppen nach der Norm EN 573-3 geordnet, welche sich auf die Hauptlegierungsbestandteile beziehen. Die Aluminiumlegierungen der Gruppe 1xxx weisen als Hauptlegierungselement mindestens 99 % Aluminium auf. Die Aluminiumlegierungen der Gruppe 8xxx weisen als Hauptlegierungselement andere Elemente auf.The conductor tracks are made of aluminum alloys, preferably from groups 1xxx or 8xxx. The aluminum alloys are sorted into groups in a numerical system according to the EN 573-3 standard, which refers to the main alloy source components. The aluminum alloys of group 1xxx have at least 99% aluminum as the main alloying element. The Group 8xxx aluminum alloys have other elements as the main alloying element.
Für starre Leiterplatten eignet sich insbesondere die Legierung EN-AW 1100 als Leiterbahnmaterial, sogenanntes Reinaluminium. Diese Aluminiumlegierung hat einen Aluminiumgehalt von mindestens 99%. Sie verfügt über eine hohe Formbarkeit und eine starke Korrosionsbeständigkeit.The alloy EN-AW 1100 is particularly suitable as a conductor track material for rigid circuit boards, so-called pure aluminum. This aluminum alloy has an aluminum content of at least 99%. It has high formability and strong corrosion resistance.
Für flexible Leiterplatten eignet sich insbesondere die Legierung EN-AW 8079 als Leiterbahnmaterial. Bei der Legierung EN AW 8079 wird durch Zusatz von Eisen und Silizium eine hohe Zugfestigkeit erreicht und sie ist daher gut geeignet als Material für Leiterbahnen in Form von Aluminiumfolien bis etwa 0,05 mm Dicke.The alloy EN-AW 8079 is particularly suitable as a conductor track material for flexible circuit boards. The EN AW 8079 alloy achieves high tensile strength through the addition of iron and silicon and is therefore well suited as a material for conductor tracks in the form of aluminum foils up to around 0.05 mm thick.
Die Leiterbahnen aus den vorgenannten Aluminiumlegierungen werden mit einer Dicke im Bereich von 5-500 µm, vorzugsweise 30-200 µm auf den Träger aufgebracht.The conductor tracks made of the aforementioned aluminum alloys are applied to the carrier with a thickness in the range of 5-500 µm, preferably 30-200 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der
-
1 zeigt eine Aufsicht und eine Seitenansicht einer Leiterplatte (1) umfassend einen Träger (3) auf dessen Oberfläche Leiterbahnen (2) aus Aluminium angeordnet sind. Die beispielsweise als Aluminiumfolien ausgebildeten Leiterbahnen (2) sind mit dem Träger (3) über eine Klebeschicht (4) verbunden. Der Träger (3) kann starr oder flexibel sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen starren Träger (3).
-
1 shows a top view and a side view of a circuit board (1) comprising a carrier (3) on the surface of which conductor tracks (2) made of aluminum are arranged. The conductor tracks (2), which are designed, for example, as aluminum foils, are connected to the carrier (3) via an adhesive layer (4). The carrier (3) can be rigid or flexible. The exemplary embodiment shown is a rigid support (3).
Auf der Leiterplatte (1) mit den Leiterbahnen (2) ist eine Lötstoppmaske (5) aufgebracht, die die Leiterbahnen (2) vor Korrosionen und mechanischer Beschädigung schützt und beim Löten das Benetzen der mit der Lötstoppmaske überzogenen Flächen auf der Leiterplatte verhindert.A solder mask (5) is applied to the circuit board (1) with the conductor tracks (2), which protects the conductor tracks (2) from corrosion and mechanical damage and prevents the surfaces on the circuit board covered with the solder mask from being wetted during soldering.
Wie insbesondere aus
In einem anschließenden, in
Nach dem Erstarren der Schicht (13) oberhalb der Anschlussflächen (6) ist die derart hergestellte Leiterplatte (1) lagerfähig und kann zeitversetzt im Bereich der Anschlussflächen (6) mit SMD-Bauelementen (14) bestückt werden, deren Kontaktflächen mit den erstarrten Schichten (13) oberhalb der Anschlussflächen (6) im Wege des Reflow-Lötens verbunden werden. Der herkömmliche Reflow-Lötprozess des SMD-Bauelementes (14) mit einer Lotpaste (15) auf den erstarrten Schichten (13) oberhalb der Anschlussflächen (6) der Leiterbahnen (2) ist in
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Leiterplatte (1) mit SMD-Bauelementen (14) nach dem Aufbringen porösen Schicht (8) und der Lotpaste (10) (vgl.
Beim anschließenden Erhitzen im Verfahrensschritt nach
- 1
- Leiterplatte
- 2
- Leiterbahn
- 3
- Träger
- 4
- Klebeschicht
- 5
- Lötstoppmaske
- 6
- Anschlussfläche
- 8
- Poröse Schicht
- 9
- Anlage zum Plasmaspritzen
- 9.1
- Pfeil
- 10
- Lotpaste
- 11
- Rakel
- 12
- Heißluft
- 13
- Schicht
- 14
- SMD-Bauelement
- 15
- Lotpaste (weitere)
- 1
- Circuit board
- 2
- Conductor track
- 3
- carrier
- 4
- adhesive layer
- 5
- Solder mask
- 6
- Connection surface
- 8th
- Porous layer
- 9
- Plasma spraying system
- 9.1
- Arrow
- 10
- Solder paste
- 11
- Squeegee
- 12
- Hot air
- 13
- layer
- 14
- SMD component
- 15
- Solder paste (other)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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2022
- 2022-09-01 DE DE102022122186.5A patent/DE102022122186A1/en active Pending
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