DE10208910A1 - Schaltungsträger und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Leiterplatte (11), bestückt mit einem Bauelement (13), vorgestellt, bei dem die Kontaktflächen (12a, b, c) durch Nuten (18a, b) voneinander getrennt sind, so dass diese ein Hindernis für den Lotwerkstoff (14a, b, c) darstellen und so einen evtl. Kurzschluss zwischen den Kontakten des Bauelementes (13) verhindern. Alternativ können die Nuten auch auf den Kontaktflächen oder den sich an diese anschließenden Leiterbahnen vorgesehen werden, wobei die Kontaktflächen und die Leiterbahnen elektrisch verbunden bleiben. Im Vergleich zu herkömmlichen Lötstoppschichten, welche als Barriere z. B. durch Beschichtung auf die Leiterplatte (11) aufgebracht werden, genügen die Nuten höheren Anforderungen an die Lagetoleranz. Die Nuten eignen sich als Hindernis für den Lotwerkstoff daher besonders bei beengten Platzverhältnissen auf der Leiterplatte, wie sie beispielsweise bei der Montage von Flip-Chips auftritt. Die Nuten können durch Fräsen oder einen Laser hergestellt werden.

Description

• Leiterplatten mit einem Schaltungsträger als Substrat aus Isolierstoff sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 09 786 A1 bekannt. Fig. 6 dieses Dokumentes zeigt eine Leiterplatte mit zwei Bauteilen, welche unter Verwendung von auf der Leiterplatte als Verbindungsstoff aufgebrachten Lotdepots durch eine Wärmebehandlung elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden wurden. Die Lotdepots befinden sich im Bereich von Aussparungen einer maskenartigen Lötstoppschicht auf Kontaktflächen der Leiterplatte. Die Lötstoppschicht kann als Folie oder Lack aufgebracht werden und verhindert, dass der Werkstoff der Lotdepots außerhalb der Aussparungen mit der Leiterplatte in Kontakt kommt.
• Wie Fig. 7 des genannten Dokumentes zu entnehmen ist, kann die Lötstoppschicht auch zwischen benachbarten Lotdepots vorgesehen werden, die für die Anschlüsse von Chips vorgesehen werden. Hierdurch können zwischen den einzelnen Anschlüssen des Chips Kurzschlüsse verhindert werden, die während des Verlötens des Chips mit der Leiterplatte zwischen benachbarten Lotdepots auftreten können, da die Lötstoppschicht zwischen den einzelnen Lotdepots ein Hindernis bildet.
• Die fortschreitende Miniaturisierung bei der Leiterplattenbestückung führt jedoch zu immer geringeren Abständen zwischen den einzelnen Kontakten der Bauelemente bzw. der korrespondierenden Kontaktflächen auf der Leiterplatte. Als Kontaktflächen können dabei Lötpads und sich an diese anschließende Leiterbahnen mit einer Breite von weniger als 100 µm als Schaltungen auf die Bereiche zur Aufnahme des Verbindungsstoffes auf Schaltungsträger aufgebracht werden. Bei dieser Größenordnung ist die Verwendung herkömmlicher Lötstoppschichten zur Bildung zuverlässiger Hindernisse zwischen den Kontakten kaum noch möglich, da eine gleichmäßige Aufbringung der Lötstoppschicht auf den schmalen Bereichen zwischen den Leiterbahnen nicht garantiert werden kann. In solchen Fällen hat man daher häufig auf eine Lötstoppschicht zwischen den Kontakten komplett verzichtet, wodurch jedoch die Anforderungen an die Präzision des Bestückungsverfahrens enorm angestiegen sind.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Hindernisse für elektrisch leitfähige Verbindungsstoffe zur Kontaktierung von Bauelementen auf Schaltungsträgern mit einer vergleichsweise hohen Lagegenauigkeit herstellen zu können.
• Erfindungsgemäß ist ein Schaltungsträger mit einem Substrat aus Isolierstoff vorgesehen, welche Nuten zwischen jeweils eng benachbart liegenden, zur Aufnahme eines elektrischen Verbindungsstoffes vorgesehenen Bereichen aufweist. Unter Verbindungsstoff wird dabei vor allem ein Lotwerkstoff verstanden. Dieser wird vor dem Bestücken des Schaltungsträgers in Form von Pasten auf dessen Kontaktflächen oder die Kontakte des Bauelementes aufgebracht. Alternativ kann auch ein leitfähiger Kleber verwendet werden.
• Das Substrat des Schaltungsträgers bildet das Basismaterial beispielsweise der herzustellenden Leiterplatte und damit einen Grundkörper, auf den im allgemeinen Schichten aufgebracht werden, die beispielsweise die Herstellung von die Schaltung bildenden Leiterbahnen ermöglichen. Der Schaltungsträger ist hauptverantwortlich für die mechanische Stabilität der so hergestellten Leiterplatte. Der Schaltungsträger muss jedoch nicht unbedingt eine Leiterplatte bilden. Er kann alternativ auch aus einer Folie bestehen, die sich optimal an die Konturen des Einbauortes anpasst, oder aus einer Gehäusestruktur oder ähnlichen dreidimensionalen Bauteilen, welche eine Schaltung tragen. In jedem Falle ist der Schaltungsträger genügend dick, damit eine Nut genügender Tiefe eingebracht werden kann, um als Hindernis für den Verbindungsstoff zu wirken.
• Im Vergleich zu maskenartigen Lötstoppschichten gemäß dem eingangs aufgeführten Stand der Technik hat die Ausbildung der Hindernisse als Nuten den Vorteil, dass die Nuten mit einer hohen Lagegenauigkeit in den Schaltungsträger eingebracht werden können. Die während des Herstellungsprozesses dieser Hindernisse auftretenden Toleranzen sind damit vorteilhafterweise lediglich von der Güte des Fertigungsverfahrens abhängig. Außerdem lässt sich die Prozess-Sicherheit bei der Bestückung der Schaltungsträger verbessern, wodurch ein Ausschuss bei der Fertigung auf ein Minimum reduziert werden kann. Auch dies wirkt sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit der Leiterplattenbestückung aus.
• Bei der Herstellung einer Folie bzw. einer Schablone zur Aufbringung des Lackes entstehen nämlich bereits fertigungsbedingte Toleranzabweichungen, welche betragsmäßig mit denen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für die Nuten vergleichbar sind; diese Toleranzen werden jedoch zusätzlich durch Positionierungsungenauigkeiten überlagert, welche bei der Aufbringung der Folie bzw. der Positionierung der Schablone zur Aufbringung des Lackes auftreten.
• Die Funktion der Nut als Hindernis für den Verbindungsstoff wird hauptsächlich durch den Einfluss der Nutkante bestimmt.
• Aufgrund der Oberflächenspannung des Verbindungsstoffes bleibt dieser nämlich an der Kante stehen. Sollte er jedoch in Einzelfällen dieses Hindernis überwinden, so stellt das Volumen der Nut ein Reservoir für den Verbindungsstoff dar, so dass der Lotwerkstoff die gegenüberliegende Kante der Nut nicht überwinden kann.
• Der beschriebene Funktionsmechanismus der Nut als Hindernis wird selbstverständlich auch gegenüber einem eventuell verwendeten Flussmittel wirksam, welches beispielsweise vor der Aufbringung des als Lotwerkstoff ausgeführten Verbindungsstoffes auf den Schaltungsträger aufgebracht wird. Die Nut gewährleistet dann, dass das Flussmittel in dem zur Aufnahme des elektrisch leitenden Verbindungsstoffes vorgesehenen Bereich verbleibt. Alternativ zur Aufbringung eines gesonderten Flussmittels kann jedoch auch der Lotwerkstoff als solcher eine Flussmittelkomponente enthalten.
• Gemäß einer alternativen Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Schaltungsträger mit Kontaktpads zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Verbindungsstoffes und sich an diese anschließenden, leitfähigen Strecken sowie Nuten in den Kontaktpads und/oder den leitfähigen Strecken als Hindernis für ein Fließen des leitendes Verbindungsstoffes vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung des Schaltungsträgers bleibt zwischen den Kontaktpads und den sich anschließenden, leitfähigen Strecken eine elektrische Verbindung bestehen. Die elektrisch leitfähigen Strecken können beispielsweise aus einer Leiterbahn oder aber aus einem sich an das erste Kontaktpad anschließenden zweiten Kontaktpad bestehen.
• Die Nuten in den Kontaktpads und/oder den leitfähigen Strecken dienen, wie oben bereits beschrieben, als Hindernis für den Verbindungsstoff, da dieser die durch den Rand der Nut gebildete Kante nicht zu überwinden vermag. Die Einbringung der Nuten in die Kontaktpads und/oder die leitfähigen Strecken hat den Vorteil, dass die zur Aufnahme eines elektrisch leitfähigen Verbindungsstoffs vorgesehenen Bereiche, welche aus eben dem Kontaktpad und eventuell einen Teil der sich an diesen anschließenden leitfähigen Strecke ergibt, eine definierte Fläche aufweisen. Hierdurch kann vorteilhaft der Verbindungswerkstoff exakter dosiert werden, weil verhindert wird, dass sich dieser ausgehend vom Kontaktpad über die Nut hinaus auf der leitfähigen Strecke ausbreitet. Selbstverständlich erfüllen die Nuten die beschriebene Funktion eines Hindernisses auch im Bezug auf eventuell verwendete Flussmittel, die zur Verbesserung der Eigenschaften der Lötverbindungen gesondert auf die Kontaktpads aufgetragen werden.
• Gemäß einer Ausgestaltung dieser Erfindung ist die leitfähige Strecke im Bereich der Nut verbreitert. Hierdurch wird vorteilhaft einer Verringerung des Querschnitts der leitfähigen Strecke entgegengewirkt, welche durch die Einbringung der Nut in die Oberfläche der leitfähigen Strecke zwangsläufig zustande kommt. Wird die Querschnittsverminderung ausgeglichen, kann vorteilhaft auch der elektrische Wiederstand der leitfähigen Strecke im Bereich der Nut konstant gehalten werden.
• Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung setzt sich die Nut über den Seitenrand der leitfähigen Strecke hinaus in dem Schaltungsträger fort. Hierdurch entsteht vorteilhaft auch eine Wirkung der Nut als Hindernis, wenn der Verbindungswerkstoff den Kontaktpad oder die leitfähige Strecke verlässt. Außerdem lassen sich vorteilhaft gewisse Toleranzen bei der Fertigung der Nut ausgleichen.
• Ausgehend vom eingangs erläuterten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung weiterhin darin, ein vergleichsweise präzises Fertigungsverfahren für Hindernisse anzugeben, welche auf Schaltungsträgern für elektrisch leitfähige Verbindungsstoffe für Bauelemente vorgesehen werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers, bei dem zwischen jeweils eng benachbart auf dem Schaltungsträger liegenden Bereichen zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Verbindungsstoffes Nuten in den Schaltungsträger eingebracht werden, gelöst. Die nach diesem Verfahren hergestellten Nuten weisen die oben erläuterten Vorteile auf.
• Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Nut in den als Rohling vorliegenden Schaltungsträger eingebracht werden.
• Da der Schaltungsträger den Ausgangspunkt für den Herstellungsprozess der bestückten Leiterplatte oder anderweitigen elektronischen Baugruppe darstellt, kann vorteilhaft die Nut in einem frühen Verfahrensstadium hergestellt werden, so dass dabei keine anderen Komponenten der herzustellenden Baugruppe beschädigt werden können. Die Nut kann selbstverständlich auch in späteren Verfahrensstadien eingebracht werden, solange eine Zugänglichkeit für die Herstellungsvorrichtung gegeben ist.
• So sieht zum Beispiel eine Variante der Erfindung vor, dass der Schaltungsträger mit einer Leitschicht beschichtet wird und später die Nuten eingebracht werden. Auch in diesem Fall kann die Nut noch in einem vergleichsweise frühen Verfahrensstadium der herzustellenden, elektronischen Baugruppen gefertigt werden, wenn noch keine Bauelemente vorgesehen sind. Vorteilhaft kann die Nut beispielsweise in mit der Leitschicht kaschierte Leiterplatten eingebracht werden, die kostengünstig als Halbzeug erhältlich sind.
• Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass die Nuten in die Leitschicht eingebracht werden, wobei ihre Tiefe größer als die Dicke der Leitschicht ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die Kante der Nut durch die auf dem Schaltungsträger aufgebrachte Leitschicht gebildet. Daher wird durch die Nut gleichzeitig der Rand der Kontaktfläche und eventuell einer an diese sich anschließenden Leiterbahn definiert. Die Nut trennt damit die Leitschicht in zwei benachbarte Kontaktflächen, wobei der Nutgrund der Nut durch den Schaltungsträger gebildet ist. Nur so ist eine elektrische Isolation zwischen den benachbarten Kontaktflächen möglich.
• Wird die Herstellung der Nut gleichzeitig zur Ausbildung der Kontaktflächen verwendet, kann vorteilhaft der Fertigungsschritt zur Herstellung der Leiterbahnen, beispielsweise mittels Ätzen, eingespart werden. Hierdurch können auch im Bereich der Kontaktflächen die Fertigungstoleranzen verringert werden, was den Einsatz miniaturisierter Bauelemente begünstigt.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Nut durch einen Laserstrahl hergestellt. Der Laser eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung der Nut, da ein hochpräzises Arbeiten möglich ist. Außerdem kann mit Hilfe des Lasers auf unproblematische Weise sowohl eine Leitschicht als auch das Basismaterial der Leiterplatte gleichzeitig bearbeitet werden, da der Laserstrahl unspezifisch hinsichtlich des zu bearbeiteten Werkstoffs ist.
• Eine weitere Variante der Erfindung ergibt sich, wenn die Nut durch einen Fräser hergestellt ist. Der Fräser stellt vorteilhaft eine kostengünstige Fertigungseinrichtung zur Herstellung der Nut dar. Ein Fräser eignet sich insbesondere, um eine Nut in einem frühen Verfahrensstadium direkt in den Schaltungsträger einzubringen.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Zeichnung hervor. Es zeigen
• Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ausschnittes einer mit einem Bauelement bestückten Leiterplatte und
• Fig. 2 verschiedene Ausführungsbeispiele von Kontaktpads mit angrenzenden, leitfähigen Strecken als schematische Aufsicht.
• Eine Leiterplatte 11 besteht aus einem Schaltungsträger 16 und einer Leitschicht 17. In den Schaltungsträger 16 sind Nuten 18a, b eingebracht, die die Kontaktflächen 12a, b, c voneinander trennen.
• Die Leiterplatte 11 ist mit Kontaktflächen 12a-c ausgestattet, auf denen ein Bauelement 13, z. B. ein sogenannter Flip- Chip, mittels eines Verbindungswerkstoffes 14a-c, z. B. Lotpaste, elektrische kontaktiert ist. Der Verbindungsstoff schließt Kontakte 15 des Bauelementes vollständig ein, die in den geschnitten dargestellten Verbindungsstoffen 14a-c zu erkennen sind.
• Die Nut 18a ist in die Leiterplatte 11, also nach der Beschichtung des Schaltungsträgers 16 mit der Leitschicht 17 eingebracht. Die Bildung der Nut gewährleistet daher auch eine isolierende Trennung der Leitschicht 17, wobei ein Nutgrund 19 bis in das Basismaterial hineinreicht. Am Rande der Nut entstehen Kanten 20a, welche die an die Nut 18a angrenzenden Ränder der Kontaktflächen 12a, b bilden.
• Eine andere Möglichkeit für die Herstellung der Kontaktflächen besteht in einem Ätzen der Leitschicht 17, wodurch ein Abtrag bis auf den Schaltungsträger 16 zustande kommt. In diesem geätzten Bereich kann die Nut 18b beispielsweise durch Fräsen eingebracht werden, wobei Kanten 20b der Nut durch den Schaltungsträger 16 gebildet sind.
• Anhand der skizzierten Lötverbindungen mit dem Verbindungsstoff 14a, b, c lässt sich die Wirkung der Nuten 18a, b schematisch nachvollziehen. Auf der Kontaktfläche 12a hat sich der Verbindungsstoff 14a in der eigentlich vorgesehenen Weise um den Kontakt 15 gelegt. Die Kontaktfläche 12a wird dabei nicht vollständig durch den Verbindungsstoff 14a benetzt, sondern es bleibt der äußere Rand der Kontaktfläche bis zur Kante 20a frei von Verbindungsstoff.
• Anders verhält sich dies bei dem Verbindungsstoff 14b. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten bei der Bestückung der Leiterplatte 11 ist der Verbindungsstoff 14b bis zur Kante 20a der Nut 18a gelaufen und aufgrund der Oberflächenspannung des Verbindungsstoffes von dieser Kante aufgehalten worden. Eine Kontaktierung des hier nicht zu sehenden Kontaktes des Bauelementes 13 bleibt dabei gewährleistet. Weiterhin bewirkt die Nut 18a eine elektrische Isolation zwischen den Verbindungsstoffen 14a, b.
• Auf der Kontaktfläche 12c ist auf Grund eines Fertigungsfehlers zu viel Verbindungsstoff 14c aufgetragen worden. Bei der Kontaktierung des Bauelementes 13 ist daher der überschüssige Verbindungsstoff in die Nut 18b gelaufen, welche als Reservoir für den Verbindungsstoff fungiert. Die an die Kontaktfläche 12b grenzende Kante 20b verhindert, dass der Verbindungsstoff 14c in der Nut 18b mit dem Verbindungsstoff 14b elektrisch kontaktiert wird.
• Die Fig. 1 zeigt beispielhaft, wie ein als Flip-Chip ausgeführtes Bauelement 13 mit seiner der Leiterplatte 11 zugewandten Seite über die Kontakte 15 mit der Leiterplatte verbunden werden kann. Selbstverständlich kann die Nut auch bei der Kontaktierung anders gestalteter Bauelemente Verwendung finden, beispielsweise bei der Bestückung der Leiterplatte mit Bauelementen, welche seitlich angebrachte Kontakte aufweisen.
• Um eine möglichst große Wirtschaftlichkeit des Bestückungsvorganges zu gewährleisten, sollte nicht der gesamte Schaltungsträger mit Nuten als Barriere für den Verbindungsstoff versehen werden. Die Nuten lassen sich mit einer herkömmlichen Lötstoppschicht kombinieren, wobei die Lötstoppschicht in Bereichen Anwendung findet, welche hinsichtlich der Packungsdichte der Bauelemente unkritisch gegenüber Lagetoleranzen zwischen Lötstoppschicht und Leiterplatte sind. In kritischen Bereichen, beispielsweise einem Bereich, der zur Bestückung mit einem Flip-Chip vorbereitet werden soll, wird keine Lötstoppschicht aufgetragen, sondern es werden Nuten als Hindernis beispielsweise zwischen den Kontaktflächen vorgesehen.
• Gemäß Fig. 2a ist ein Kontaktpad 21 mit sich an dieses anschließender, leitfähiger Strecke 22 als Aufsicht dargestellt, wobei Kontaktpad 21 und leitfähige Strecke 22 beispielsweise durch Ätzen einer Leitschicht, wie in Fig. 1 dargestellt, gebildet werden können. Das Kontaktpad bildet eine Kontaktfläche (ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Kontaktflächen 12a, b, c), welche alternativ durch eine der Nuten 18c, 18d oder 18e begrenzt werden kann. Diese Nuten verhindern entsprechendes in Fig. 1 dargestellten Mechanismus ein Fließen des auf der Kontaktfläche aufzubringenden Verbindungsstoffes.
• Die Nut 18c befindet sich auf dem Kontaktpad selbst. Ihre Enden erreichen nicht ganz die Seitenränder des Kontaktpads. Die Nut 18c befindet sich in einem Bereich, welcher im Vergleich zur leitenden Strecke 22 schon verbreitert ist, so dass die durch die Nut hervorgerufene Verringerung der Dicke des Kontaktpads und die sich daraus ergebende Querschnittsverminderung im Verhältnis zum Querschnitt der leitenden Strecke 22 ausgeglichen wird.
• Ähnlich verhält es sich mit der Nut 18e, welche in einem Bereich einer Verbreiterung 23 der leitenden Strecke 22 angebracht ist. Hier wird die Verringerung des Querschnitts der leitenden Strecke 22 durch die Verbreiterung aufgefangen, so dass der Querschnitt der leitenden Strecke unterhalb des Nutgrundes der Nut 18e dem Querschnitt der unverbreiterten leitenden Strecke entspricht.
• Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2b dargestellt. Der Kontaktpad 21 grenzt direkt an einen weiteren Kontaktpad 24 an, welcher als leitfähige Strecke aufgefasst wird. Die beiden Kontaktpads können beispielsweise einer elektrischen Kontaktierung zweier Bauelemente untereinander dienen. Zwischen den Kontaktpads 21, 24 ist eine Nut 18f angebracht, welche in ihrer Funktion den Nuten 18c bis 18e gemäß Fig. 2a entspricht.

Claims (10)

1. Schaltungsträger (11) mit einem Substrat aus Isolierstoff, welches Nuten (18a, b) zwischen jeweils eng benachbart liegenden, zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Verbindungsstoffes (14, a, b, c) vorgesehenen Bereichen aufweist.

2. Schaltungsträger (11) mit
Kontaktpads (21) zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Verbindungsstoffes und sich an diese anschließenden, leitfähigen Strecken (22)
sowie Nuten (18c-f) in den Kontaktpads (21) und/oder den leitfähigen Strecken (22) als Hindernis für ein Fließen des leitenden Verbindungsstoffes.

3. Schaltungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Strecke (22) im Bereich der Nut (18e) verbreitert ist.

4. Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut (18d, 18f) über den Seitenrand der leitfähigen Strecke (22) hinaus in dem Schaltungsträger fortsetzt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers (11), bei dem zwischen jeweils eng benachbart auf dem Schaltungsträger liegenden Bereichen zur Aufnahme eines elektrisch leitenden Verbindungsstoffes (14, a, b, c) Nuten (18a, b) in den Schaltungsträger eingebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (18a, b) in den als Rohling vorliegenden Schaltungsträger eingebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger mit einer Leitschicht (17) beschichtet wird und später die Nuten (18a, b) eingebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das die Nuten in die Leitschicht (17) eingebracht werden, wobei ihre Tiefe größer als die Dicke der Leitschicht ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (18a, b) durch einen Laserstrahl hergestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (18a, b) durch einen Fräser hergestellt werden.