DE10204151B4

DE10204151B4 - Verfahren zum definierten Tiefenbohren von Sacklöchern ( blind vias ) in mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer)

Info

Publication number: DE10204151B4
Application number: DE2002104151
Authority: DE
Inventors: Volker Nissen; Lev Avakimov
Original assignee: Nissen Volker Dr
Current assignee: NISSCON LTD., 96450 COBURG, DE
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: DE10204151A1

Abstract

Verfahren zum definierten Tiefbohren von Sacklöchern (blind-vias) in mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) bei dem
• in nicht für Leiterstrukturen benötigten Bereichen der Leiterplatte/Innenlagen (IL) deckungsgleiche Sondierungspads (Kontaktierungsflächen) aus leitfähigem Material für Testbohrungen vorgesehen werden, wobei diese mit dem metallischen Randrahmen der jeweiligen Innenlage elektrisch verbunden sind,
• ein vollständiges Durchbohren des Randrahmens und Metallisieren der Bohrung vorgenommen wird,
• im Bereich der Sondierungspads Probebohrungen/Testbohrungen vorgenommen werden unter Verwendung eines Kontaktmessgerätes zur genauen Tiefenbestimmung zwischen Leiterplattenoberfäche und jeweiliger Innenlage, wobei die Durchmesser der Bohrer sukzessiv verringert werden (Vermeidung von unerwünschten elektrischen Kontakten),
• die ermittelten Tiefen bzw. deren abgenommene elektrische Signale gespeichert werden und
• die Sacklöcher (Nutzungsbohrungen) unter Verwendung der ermittelten Tiefenwerte gebohrt werden, nach Patent DE 100 40 303 C2 , dadurch gekennzeichnet, dass
beim Bohren der Nutzungsbohrungen
• zunächst nur bis zur vorletzten der zu kontaktierenden metallischen Innenlage gebohrt wird,
• dann...

Description

Einleitung und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum definierten Tiefenbohren von mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) oder vergleichbaren Verbundmaterialien. Sie baut auf Hauptpatent DE 100 40 303 C2 auf.
Im Hauptpatent DE 100 40 303 C2 wird eine Erfindung offenbart, die sich darauf bezieht, dass bei der Herstellung der Leiterplatte jede zu bohrende Innenlage nach dem Herstellen des Leiterbildes zusätzliche Sondierungs-Pads, also Beschichtungen aus leitfähigem Material auf der Unter- bzw. Oberseite der Innenlagen erhält. Diese Sondierungs-Pads erhalten die Innenlagen an den gleichen Stellen. Die Sondierungs-Pads werden über Leiterbahnen mit dem metallisierten Rand jeder Innenlage verbunden. Durch den metallisierten Rand erfolgt eine Durchbohrung und Aufbringen einer leitenden Beschichtung. Bei anschliessenden Sondierungsbohrungen mit automatisierter Kontaktmessung im Bereich der Sondierungs-Pads unter sukzessiver Verkleinerung des Bohrwerkzeug-Durchmessers werden die Tiefen von der Oberfläche bis zu jeder Innenlage bzw. Abstände der Innenlagen gemessen, gespeichert und später die Sacklöcher (Nutzungsbohrungen) unter Verwendung der gespeicherten Tiefenwerte gebohrt.

US 52 27 013 (Kumar)

Das Patent beschreibt ein spezielles Herstellungsverfahren, das für mehrlagige Leiterplatten angewendet werden kann. Ein Hauptanliegen des Patentes ist die Reduzierung der Herstellungsschritte und damit der Kosten des Herstellungsprozesses. Die Kernidee besteht darin, die integrierten Leiterbilder so versetzt anzuordnen, dass Sacklöcher von der nicht metallisierten Oberfläche zu jedem Pad ausgeführt werden können, ohne dass Metall getroffen wird bis das Pad der gewünschten Innenlage erreicht ist. Dabei kann optional der Bohrdurchmesser sukzessiv verringert werden. Die Bohrungen der verschiedenen Sacklöcher können sukzessiv oder parallel ausgeführt werden. Anschließend werden die Sacklöcher (und die Oberfläche) metallisiert.

Aufgabe/Problemstellung

Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren für das Bohren von Sacklöchern in mehrlagigen, durch Verpressen hergestellten Leiterplatten (Multilayer) oder vergleichbaren Verbundmaterialien zu entwickeln. Dabei soll der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die exakte Tiefe einer. Innenlage auf derselben Leiterplatte herstellungsbedingt variieren kann, was in der betrieblichen Praxis dazu führt, dass Nutzungsbohrungen zu flach oder zu tief ausgeführt werden, so dass nach der anschließenden galvanotechnischen Kontaktierung kein korrekter elektrischer Kontakt zustande kommt und Ausschuss erzeugt wird.

Lösung der Aufgabe und Vorteile des neuen Verfahrens

Beim Herstellen der Nutzungsbohrungen wird zunächst nur bis zur vorletzten der zu kontaktierenden metallischen Innenlage gebohrt. Dann wird in Analogie zum Hauptpatent DE 100 40 303 C2 auf ein Bohrwerkzeug mit kleinerem Durchmesser gewechselt und bis zur Kontaktierung mit der gewünschten metallischen Innenlage gebohrt. Um das Ziel einer optimalen Kontaktierung zur Leiterplattenoberfläche nach Metallisierung des Sackloches zu erreichen, wird nach dem Kontakt mit der Kontaktierungsfläche der gewünschten Innenlage die Bohrung noch bis zu maximal dem Wert der Dicke der Kontaktierungsfläche der betreffenden Innenlage fortgesetzt.

Mit der Fortbildung des Verfahrens nach Hauptpatent DE 100 40 303 C2 kann das Ziel erreicht werden, ein noch präziseres und wirtschaftlich realisierbares Tiefenbohren von Sacklöchern in mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) oder anderen Verbundmaterialien durchzuführen, wobei äußerst geringe Ausschussraten erzeugt werden.

Der angenommene Aufbau der Leiterplatte entspricht dem industrieüblichen Standard (Verpressung von Lagen aus leitfähigem Material und isolierenden Lagen). Die Dicke der Leiterplatte ist bei unserem Verfahren grundsätzlich beliebig (realistisch für die Praxis sind bei mechanischer Bearbeitung bis ca. 6,0 mm Dicke), ebenso die Tiefe der zu treffenden Innenlage. Das Verfahren kann, anders als der im Patent US 52 27 013 beschriebene Ansatz, auch bei moderatem Versatz der Innenlagen noch erfolgreich eingesetzt werden und lässt sich auf wirtschaftliche Weise vollständig automatisieren.

2 Neues Verfahren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die Innenlage 4 (IL4) gebohrt werden soll.
Die 1 und 2 zeigen schematisch die neue Vorgehensweise bei Nutzungsbohrungen, die durch den Wechsel auf ein Bohrwerkzeug mit geringerem Durchmesser vor dem Erreichen der gewünschten Innenlage gekennzeichnet ist.
3 illustriert unsere alte Vorgehensweise aus Hauptpatent DE 100 40 303 C2 und die Fortbildung dieses Verfahrens im Überblick.
Legende für alle Figuren: BS = Bestückungsseite, LS = Lötseite, ILn = Innenlage n, 1 = Nutzungs-Pad, 2 = Leiterbahnen der Innenlage, 3 = Pad für Sondierungsbohrung, 4 = Leiterbahn vom Sondierungs-Pad zum metallisierten Rand, 5 = der metallisierte Rand, 6 = die Bohrung für die galvanische Durchkontaktierung von BS nach LS durch die Ränder der Innenlagen, 7 = Sondierungsbohrung, 8 = Nutzungsbohrung (Sackloch) gebohrt wie in Hauptpatent T 100 40 303 beschrieben, 9 = Nutzungsbohrung (Sackloch) gebohrt nach unserem neuen Verfahren. Fett schwarz markierte Stellen kennzeichnen leitfähige Bereiche (Cu).
Kern des veränderten Verfahrens um Tiefenbohren bei mehrschichtigen Leiterplatten ist es, die in Hauptpatent DE 100 40 303 C2 beschriebene Idee des Wechsels auf ein Bohrwerkzeug mit geringerem Durchmesser nicht nur bei Sondierungsbohrungen, sondern nun auch bei Nutzungsbohrungen anzuwenden. Dadurch kann noch präziser gebohrt werden als in Hauptpatent DE 100 40 303 C2 beschrieben wurde, so dass sich die Ausschussquote noch einmal deutlich reduzieren lässt.
Moderne Bohrmaschinen zum Kontaktbohren für die Leiterplattenindustrie haben im allgemeinen ein Potenzial an der Spitze des Bohrwerkzeuges. Dies ist für das von uns entwickelte Verfahren nützlich, da wir von einer solchen Beschaffenheit des Bohrwerkzeuges ausgehen. Wir treffen bei den nachfolgenden Erläuterungen unseres Verfahrens die Annahme, dass unser Bohrwerkzeug so beschaffen ist, dass es ein elektrisch positives Potenzial hat. Diese Annahme hat keinen grundsätzlichen Charakter und dient nur der besseren Erläuterung unseres Verfahrens. Die Vorrichtung zur Kontaktmessung beim Bohren ist auch in der Fortbildung unseres Verfahrens so beschaffen, wie in Hauptpatent DE 100 40 303 C2 beschrieben.
Verfahrensschritt 1: Ausführung der Sondierungs-Pads und Durchbohrungen
Wie in Hauptpatent DE 100 40 303 C2 beschrieben.
Verfahrensschritt 2: Sondierungsbohrungen:
Wie in Hauptpatent DE 100 40 303 C2 beschrieben.
Verfahrensschritt 3: Nutzungsbohrungen:
Die mit den Sondierungsbohrungen ermittelten Tiefen der Innenlagen bzw. Abstände der einzelnen Innenlagen zueinander werden im Prozess des eigentlichen Tiefenbohrens verwendet. Auch bei den Nutzungsbohrungen wird immer mit Kontaktmessgerät gebohrt, damit festgestellt werden kann, wann das Bohrwerkzeug die Oberfläche der Leiterplatte kontaktiert (Nullpunkt! Ab hier zählen die gespeicherten Tiefen der Innenlagen).
Die automatische Bohrung des Sackloches auf Basis der gespeicherten Tiefenwerte aus den Sondierungsbohrungen erfolgt zunächst nur bis zur vorletzten der zu kontaktierenden metallischen Innenlage (1). Dann wird das Bohrwerkzeug gewechselt. Man verwendet nun ein Bohrwerkzeug mit kleinerem Durchmesser und bohrt, bis ein Kontakt mit der gewünschten metallischen Innenlage gegeben ist. Das ein solcher Kontakt hergestellt ist, wird dadurch festgestellt, dass das positive Potenzial am Bohrwerkzeug beim Treffen der metallisierten Oberfläche der Innenlage verschwindet (2). Herstellungsbedingt kann die Bohrtiefe dabei kleiner, größer oder gleich der für die gewünschte Innenlage auf Basis der Sondierungsbohrungen abgespeicherten Tiefe sein. Die tatsächliche Tiefe der gewünschten Innenlage an dieser Stelle der Leiterplatte kann als zusätzliche Information abgespeichert werden. Um das Ziel einer optimalen Kontaktierung zur Leiterplattenoberfläche nach Metallisierung des Sackloches zu erreichen, wird nach dem Kontakt mit der Kontaktierungsfläche der gewünschten Innenlage die Bohrung noch bis zu maximal dem Wert der Dicke der Kontaktierungsfläche der betreffenden Innenlage fortgesetzt.
Mit der geschilderten Erweiterung des Verfahrens kann die Genauigkeit der Bohrung gegenüber dem Basisverfahren nach Hauptpatent DE 100 40 303 C2 noch einmal gesteigert und die Ausschussquote dadurch noch weiter gesenkt werden.
Man kann das hier vorgestellte Sondierungsbohren und Nutzungsbohren auch ganz ohne automatisierte Kontaktmessung durchführen. In diesem Fall muss die erreichte Bohrtiefe vom Bediener durch optische Kontrolle mit Hilfe von Lupe oder Mikroskop festgestellt werden. Dieses Vorgehen ist allerdings weniger exakt und schwer automatisierbar.

Claims

Verfahren zum definierten Tiefbohren von Sacklöchern (blind-vias) in mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer) bei dem • in nicht für Leiterstrukturen benötigten Bereichen der Leiterplatte/Innenlagen (IL) deckungsgleiche Sondierungspads (Kontaktierungsflächen) aus leitfähigem Material für Testbohrungen vorgesehen werden, wobei diese mit dem metallischen Randrahmen der jeweiligen Innenlage elektrisch verbunden sind, • ein vollständiges Durchbohren des Randrahmens und Metallisieren der Bohrung vorgenommen wird, • im Bereich der Sondierungspads Probebohrungen/Testbohrungen vorgenommen werden unter Verwendung eines Kontaktmessgerätes zur genauen Tiefenbestimmung zwischen Leiterplattenoberfäche und jeweiliger Innenlage, wobei die Durchmesser der Bohrer sukzessiv verringert werden (Vermeidung von unerwünschten elektrischen Kontakten), • die ermittelten Tiefen bzw. deren abgenommene elektrische Signale gespeichert werden und • die Sacklöcher (Nutzungsbohrungen) unter Verwendung der ermittelten Tiefenwerte gebohrt werden, nach Patent DE 100 40 303 C2 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Bohren der Nutzungsbohrungen • zunächst nur bis zur vorletzten der zu kontaktierenden metallischen Innenlage gebohrt wird, • dann auf ein Bohrwerkzeug mit kleinerem Durchmesser gewechselt und • bis zur Kontaktierung mit der gewünschten metallischen Innenlage gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • nach dem Kontakt mit der Kontaktierungsfläche der gewünschten Innenlage, zwecks optimaler Kontaktierung, bis maximal um den Wert der Dicke der Kontaktierungsfläche der betreffenden Innenlage weitergebohrt wird.