DE10235277B4 - Method for attaching non-solderable components to electronic circuit boards - Google Patents

Method for attaching non-solderable components to electronic circuit boards Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Befestigung von nicht lötbaren Komponenten (10) auf elektronischen Leiterplatten (12), wobei die nicht lötbaren Komponenten (10) zumindest teilweise aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten oder Ferritkernen bestehen, umfassend folgende Schritte:
– unmittelbar auf die nicht lötbaren Komponenten (10) wird eine Plasmapolymerschicht als Haftschicht (16) aufgedampft;
– zumindest an Teilbereichen der nicht lötbaren Komponenten (10) wird eine lötbare Metallschicht (14) aufgedampft, und
– die mit der Metallschicht (14) versehenen Teilbereiche der Komponenten (10) werden auf der elektronischen Leiterplatte (12) mittels Verlöten befestigt.A method of attaching non-solderable components (10) to electronic circuit boards (12), wherein the non-solderable components (10) consist at least partially of high temperature resistant thermoplastics or ferrite cores, comprising the steps of:
- Immediately on the non-solderable components (10) a plasma polymer layer is deposited as an adhesive layer (16);
- At least at portions of the non-solderable components (10) a solderable metal layer (14) is evaporated, and
- The provided with the metal layer (14) portions of the components (10) are mounted on the electronic circuit board (12) by means of soldering.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von nicht lötbaren Komponenten auf elektronischen Leiterplatten.The The invention relates to a method for fixing non-solderable components on electronic circuit boards.

Aus der DE 196 52 238 A1 ist bekannt, ein mechanisch beanspruchtes Bauelement mittels verlötbarer Verbindungselemente auf einer Leiterplatte zu befestigen. An der Unterseite des Bauelementgehäuses sind metallisierte oder heißkleberbeschichtete Teilbereiche als fester Bestandteil des Bauelementgehäuses ausgebildet, wobei die Teilbereiche beim Lötvorgang mit der Leiterplattenoberseite verbunden werden. Ein derartiger Aufbau des Bauelementgehäuses erfordert relativ hohen konstruktiven Aufwand, da für jedes Bauteildesign der lötbare Teilbereich angepaßt werden muss.From the DE 196 52 238 A1 It is known to attach a mechanically stressed component by means of solderable fasteners on a circuit board. On the underside of the component housing metallized or heat-adhesive coated portions are formed as an integral part of the component housing, wherein the portions are connected during the soldering process with the circuit board top. Such a structure of the component housing requires relatively high design complexity, since for each component design of the solderable portion must be adjusted.

Die DE 43 16 497 A1 beschreibt ein Verfahren zur Befestigung eines nicht lötbaren Bauteils auf einer Leiterplatte. Zumindest auf einen Teilbereich des nicht lötbaren Bauteils wird eine lötbare Metallschicht aufgedampft. Der mit der Metall schicht versehene Teilbereich des nicht lötbaren Bauteils wird auf der elektronischen Leiterplatte mittels Verlöten befestigt. Bei diesem bekannten Verfahren ist es schwierig die Metallschicht durch Aufsprühen oder Aufdampfen an dem nicht lötbaren Bauteil aufzubringen.The DE 43 16 497 A1 describes a method of attaching a non-solderable component to a printed circuit board. At least on a portion of the non-solderable component, a solderable metal layer is vapor-deposited. The provided with the metal layer portion of the non-solderable component is attached to the electronic circuit board by means of soldering. In this known method, it is difficult to apply the metal layer by spraying or vapor deposition on the non-solderable component.

Aus der DE 693 21 904 T2 ist ein Verfahren zum Bonden eines ersten Körpers mit einem zweiten Körper bekannt. Bei einem derartigen Bondverfahren sind beide Komponenten nicht lötbar. Unter Bonden ist dabei eine Fügetechnik zur mechanischen oder elektrischen Verbindung von Substraten, Wafern und Mikrokomponenten mit Montageflächen zu verstehen. Mit dieser Technik wir gemäß der DE 693 21 904 T2 ein Halbleiterlaserchip mit einem Trägerteil aus Silizium oder Diamant verbunden.From the DE 693 21 904 T2 For example, a method of bonding a first body to a second body is known. In such a bonding process, both components are not solderable. Bonding means a joining technique for the mechanical or electrical connection of substrates, wafers and microcomponents with mounting surfaces. With this technique we according to the DE 693 21 904 T2 a semiconductor laser chip connected to a support member of silicon or diamond.

Aus der JP 55105422 A (abstract) ist ein Lötverfahren bekannt, das bei Erhitzen unter Vakuumatmosphäre durchgeführt wird, so dass keine Oxidation während der Durchführung des Lötverfahrens zu erwarten ist.From the JP 55105422 A (Abstract) is a soldering process is known, which is carried out when heated under vacuum atmosphere, so that no oxidation is expected during the performance of the soldering process.

Aus der JP 02278743A und der WO 01/92185 A1 ist bekannt, eine nicht lötbare Komponente mit einer Haftschicht, einer Sperrschicht und einer lötbaren Metallschicht zu versehen.Out JP 02278743A and WO 01/92185 A1 is known, not one solderable Component with an adhesive layer, a barrier layer and a solderable metal layer to provide.

Die US 56 69 548 A offenbart, zur Verbindung zweier lötbarer Kupferanschlüsse, diese jeweils mit einem Lot zu versehen und bei Kontakt der beiden Lotmetalle zwischen diesen eine Hilfsschicht einzufügen, um Korrosion zu vermeiden.The US 56 69 548 A discloses, for connecting two solderable copper terminals, to provide each with a solder and to insert an auxiliary layer on contact of the two solder metals between them in order to avoid corrosion.

Weiterhin ist bekannt, elektronische Bauelemente, welche nicht direkt verlötbar sind, mittels eines Befestigungsbügels, welcher teilweise um das Bauelement herumgelegt ist, fest an der Leiterplatte zu verlöten. Eine derartige Konstruktion erfordert einen hohen Platzbedarf auf der Leiterplatte und ist bei unterschiedli chen Bauformen von Bauelementen aus geometrischen Gründen nicht universell einsetzbar. Für jedes Bauteildesign muss ein spezielles Stanzbiegewerkzeug zur Ausformung des Befestigungsbügels hergestellt werden.Farther is known, electronic components, which are not directly solderable, by means of a mounting bracket, which is partially wrapped around the device, firmly on the Solder circuit board. Such a construction requires a lot of space the circuit board and is at unterschiedli chen types of components for geometric reasons not universally applicable. For Every component design must have a special stamping tool for forming of the mounting bracket getting produced.

Des weiteren ist bekannt, nicht lötbare Komponenten durch Nieten, Schrauben oder Kleben mit der Leiterplatte zu verbinden. Diese Befestigungsverfahren erfordern jedoch einen zusätzlichen Aufwand bei der Leiterplattenbestückung.Of Another is known, not solderable Components by riveting, screwing or gluing to the circuit board connect to. However, these attachment methods require one additional Effort in the PCB assembly.

Dies bedeutet, dass lötbare elektronische Bauelemente beispielsweise im SMT-Verfahren (Surface Mount Technology), die nicht lötbaren Komponenten jedoch mit Durchstecktechnik auf die Leiterplatte aufgebracht werden müssen. Hierbei sind zwei Bestückungsvorgänge notwendig, wobei eine vollautomatische Bestückung der Bauelemente in Durchstecktechnik nicht möglich ist. Zudem ist ein zusätzlicher Lötprozess für die mechanischen Bauelemente erforderlich. Dadurch entstehen hohe Fertigungskosten.This means that solderable electronic components, for example in the SMT process (Surface Mount Technology), the not solderable However, components applied with through-hole technology on the circuit board Need to become. Here two assembly processes are necessary being a fully automatic assembly the components in Durchstecktechnik is not possible. There is also an additional one soldering process for the mechanical components required. This results in high production costs.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Befestigung von nicht lötbaren Komponenten auf elektronischen Leiterplatten anzugeben, welches auf einfache Weise eine ausreichend feste und von intermetallischer Wirkungen weitgehend unbeeinflusste Verbindung zwischen der nicht lötbaren Komponente und der Leiterplatte schafft. Zudem soll die nicht lötbaren Komponente mittels eines einfachen Lötverfahrens an der Leiterplatte anzubringen und gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt sein.It is therefore the task of a method for producing a Fixing of non-solderable Specify components on electronic circuit boards, which in a simple way a sufficiently strong and intermetallic Effects largely unaffected connection between the not solderable Component and the circuit board creates. In addition, the non-solderable component means a simple soldering process to be attached to the circuit board and protected against environmental influences.

Demgemäss wird unmittelbar auf die nicht lötbaren Komponenten, die zumindest teilweise aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten oder Ferritkernen bestehen, eine Plasmapolymerschicht als Haftschicht aufgedampft. Zumindest an Teilbereichen der nicht lötbaren Komponenten wird eine lötbare Metallschicht aufgedampft, und die mit der Metallschicht versehenen Teilbereiche der Kompo nenten werden auf der elektronischen Leiterplatte mittels Verlöten befestigt.Accordingly directly on the non-solderable Components that are at least partially made of high temperature resistant thermoplastics or ferrite cores, a plasma polymer layer as an adhesive layer evaporated. At least on parts of the non-solderable components becomes a solderable Metal layer vapor-deposited, and provided with the metal layer Subareas of the components are printed on the electronic circuit board by soldering attached.

Mit Hilfe der Metallschichten lassen sich die Komponenten in einem Lötprozess, beispielsweise mittels Reflowlöten, Wellenlöten oder Handlöten auf der Leiterplatte befestigen. Nicht lötbare Komponenten können mit dieser Lösung zusammen mit den Pins elektronischer Bauelemente in einem Lötvorgang verlötet und sicher an der Leiterplatte befestigt werden. Die nicht lötbaren Komponenten lassen sich auf einfache Weise mittels des SMT-Verfahrens direkt an der Leiterplattenoberfläche anbringen, wobei ein Verlöten in der konventionellen Durchstecktechnik vermieden wird.With the help of the metal layers, the components can be fixed in a soldering process, for example by means of reflow soldering, wave soldering or manual soldering on the printed circuit board. Non-solderable components can be used with this solution together with the Soldered pins of electronic components in a soldering and securely attached to the circuit board. The non-solderable components can be attached in a simple manner by means of the SMT method directly to the circuit board surface, wherein a soldering in the conventional through-hole technique is avoided.

Um eine sichere Verbindung zwischen der Metallschicht und den Teilbereichen der nicht lötbaren Komponenten sicherzustellen, wird eine Haftschicht, welche aus einer Plasmapolymerschutzschicht besteht, aufgedampft. Damit es zu keiner intermetallischen Wirkung zwischen der Haftschicht und noch weiteren Metallschichten kommen kann, kann auf der Haftschicht eine Sperrschicht aufgedampft werden. Die Sperrschicht kann dabei aus Chrom/Nickel, Chrom oder Nickel bestehen.Around a secure connection between the metal layer and the subregions the not solderable To ensure components, an adhesive layer, which consists of a Plasma polymer protective layer is evaporated. So that it does not belong to anybody intermetallic effect between the adhesive layer and even more Metal layers can come on the adhesive layer a barrier layer be evaporated. The barrier layer can be made of chromium / nickel, Chrome or nickel exist.

Die lötbare Metallschicht, welche aus Silber, Gold oder Zinn bestehen kann, wird auf die Sperrschicht aufgedampft.The solderable Metal layer, which may consist of silver, gold or tin, is evaporated on the barrier layer.

Insbesondere bei einer schnell oxidierenden, lötbaren Metallschicht kann zum Schutz vor Korrosion zusätzlich eine Schutzschicht bestehend aus einem durch Plasma vernetzten Polymer aufgebracht werden.Especially in a fast-oxidizing, solderable metal layer can for Protection against corrosion in addition a protective layer consisting of a plasma-crosslinked polymer be applied.

Die nicht lötbaren Komponenten bestehen zumindest teilweise aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, Ferritkernen oder dergleichen für unterschiedliche Lötverfahren, wie zum Beispiel Reflow-, Wellenlöten oder Handlöten geeig neten Materialien.The not solderable Components consist at least partially of high-temperature resistant thermoplastics, Ferrite cores or the like for different soldering methods, such as reflow, wave soldering or hand soldering suitable Materials.

Um ein besonders gutes Anhaften der aufgedampften Beschichtung zu gewährleisten, können die nicht lötbaren Komponenten vor der Bedampfung mittels einer Plasmavorbehandlung gereinigt werden.Around to ensure a particularly good adhesion of the vapor-deposited coating, can they not solderable Components before evaporation by plasma pretreatment getting cleaned.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be described below with reference to an illustrated in the drawing embodiment explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt schematisch in Seitenansicht und im Schnitt den Schichtaufbau für eine Befestigung von nicht lötbaren Komponenten auf elektronischen Leiterplatten.The Drawing shows schematically in side view and in section the Layer structure for an attachment of non-solderable Components on electronic circuit boards.

In der Figur ist eine nicht lötbare Komponente 10, welche beispielsweise das Gehäuse eines elektromechanischen Bauelements wie etwa eines Schalters ist, gezeigt. Die Komponente 10 besteht aus einem Kunststoff, welcher eine für das Löten geeignete Temperaturbeständigkeit aufweist. So werden beispielsweise beim Handlöten technische Kunststoffe verwendet. Für das Reflow- und Wellenlöten können hochtemperaturbeständige Thermoplaste, wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polycycloterephthalat (PCT), sowie flüssigkristalline Polymere (LCP) oder aber Ferritkerne verwendet werden.In the figure is a non-solderable component 10 which is, for example, the housing of an electromechanical device such as a switch. The component 10 consists of a plastic which has a temperature resistance suitable for soldering. For example, hand soldering uses engineering plastics. For reflow and wave soldering, high-temperature resistant thermoplastics such as polyphenylene sulfide (PPS), polyphthalamide (PPA), polycycloterephthalate (PCT), as well as liquid crystal polymers (LCP) or ferrite cores can be used.

Die Werkstoffe sollten über 10 Sekunden bei 265 °C eine Formbeständigkeit aufweisen, beim Löten keine Blasen bilden, metallisierbar sein und eine ausreichende Haftfestigkeit für die Metallschichten bieten. Darüber hinaus lassen sich Kunststoffe im Spritzgussverfahren leicht verarbeiten und weisen eine ausreichende mechanische Festigkeit auf.The Materials should be over 10 seconds at 265 ° C a dimensional stability when soldering do not form bubbles, be metallizable and have sufficient adhesive strength for the Offer metal layers. About that In addition, plastics can be easily processed by injection molding and have sufficient mechanical strength.

Für eine optimale Haftung der Schichten auf der Oberfläche der Komponenten 10 ist es notwendig, die Oberflächen vor der Beschichtung zu reinigen bzw. zu aktivieren. Hierbei können mechanische, chemische und physikalische Verfahren angewendet werden. Es soll die Oberflächentopographie so verändert werden, dass die wirksame Oberfläche vergrößert und die mechanische Verankerung für aufgedampfte Schichten verbessert wird. Zudem soll eine chemische Veränderung der Oberfläche erreicht werden, welche zur Bildung einer chemischen Bindung führt. Insbesondere eine Plasmavorbehandlung führt zu einer deutlich höheren Haftfestigkeit an der Oberfläche zwischen Kunststoff und Metallschichten.For optimum adhesion of the layers on the surface of the components 10 it is necessary to clean or activate the surfaces before coating. In this case, mechanical, chemical and physical methods can be used. The aim is to modify the surface topography to increase the effective surface area and to improve the mechanical anchoring for vapor deposited layers. In addition, a chemical change of the surface is to be achieved, which leads to the formation of a chemical bond. In particular, a plasma pretreatment leads to a significantly higher adhesive strength at the surface between plastic and metal layers.

Auf die Oberfläche der nicht lötbaren Komponente 10 wird in einer Metallisierungsanlage (Bedampfungs- oder Sputter-Anlage) eine Haftschicht 16 aus einem Polymer (HMDS) aufgedampft. Auf die Haftschicht 16 wird eine Sperrschicht 18 aufgedampft, welche verhindert, dass intermetallische Wirkungen zwischen der Haftschicht 16 und noch weiteren aufgebrachten Metallschichten, beispielsweise der Metallschicht 14, auftreten.On the surface of the non-solderable component 10 becomes an adhesive layer in a metallization plant (sputtering or sputtering system) 16 evaporated from a polymer (HMDS). On the adhesive layer 16 becomes a barrier layer 18 evaporated, which prevents intermetallic effects between the adhesive layer 16 and still further deposited metal layers, such as the metal layer 14 , occur.

Die Sperrschicht 18 kann dabei aus Chrom/Nickel, Chrom oder Nickel bestehen.The barrier layer 18 can consist of chromium / nickel, chromium or nickel.

In der Metallisierungsanlage wird auf die Sperrschicht 18 eine lötbare Metallschicht 14 aus Silber, Gold oder Zinn aufgedampft. Diese Schicht ist für eine Lötverbindung zur Leiterplatte geeignet.In the metallization plant is on the barrier layer 18 a solderable metal layer 14 made of silver, gold or tin vapor-deposited. This layer is suitable for a solder connection to the printed circuit board.

Um insbesondere bei schnell oxidierenden Metallschichten, wie beispielsweise Silber, ein Oxidieren zu vermeiden, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf die lötbare Metallschicht 14 eine Korrosionsschutzschicht 20 aufgebracht. Diese Korrosionsschutzschicht 20 wird beim Verlötvorgang mit der Leiterplatte 12 zerstört, so dass sich eine feste Verbindung direkt zwischen der Metallschicht 14 und der Leiterplatte 12 ergibt. Die in der Figur gezeigte Ausführungsform stellt den nicht verlöteten Zustand dar.In order to avoid oxidation, in particular in the case of rapidly oxidizing metal layers, such as, for example, silver, the solderable metal layer is in the illustrated exemplary embodiment 14 a corrosion protection layer 20 applied. This corrosion protection layer 20 becomes during the soldering process with the circuit board 12 destroys, leaving a solid bond directly between the metal layer 14 and the circuit board 12 results. The embodiment shown in the figure represents the non-soldered state.

Claims (7)

Verfahren zur Befestigung von nicht lötbaren Komponenten (10) auf elektronischen Leiterplatten (12), wobei die nicht lötbaren Komponenten (10) zumindest teilweise aus hochtemperaturbeständigen Thermoplasten oder Ferritkernen bestehen, umfassend folgende Schritte: – unmittelbar auf die nicht lötbaren Komponenten (10) wird eine Plasmapolymerschicht als Haftschicht (16) aufgedampft; – zumindest an Teilbereichen der nicht lötbaren Komponenten (10) wird eine lötbare Metallschicht (14) aufgedampft, und – die mit der Metallschicht (14) versehenen Teilbereiche der Komponenten (10) werden auf der elektronischen Leiterplatte (12) mittels Verlöten befestigt.Method for fixing non-solderable components ( 10 ) on electronic circuit boards ( 12 ), the non-solderable components ( 10 ) consist at least partially of high-temperature resistant thermoplastics or ferrite cores, comprising the following steps: - directly on the non-solderable components ( 10 ) is a plasma polymer layer as an adhesive layer ( 16 ) evaporated; At least at subregions of the non-solderable components ( 10 ) is a solderable metal layer ( 14 ), and - with the metal layer ( 14 ) provided portions of the components ( 10 ) are printed on the electronic circuit board ( 12 ) fastened by soldering. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Aufdampfens der Haftschicht (16) auf der Haftschicht (16) eine Sperrschicht (18) zur Verhinderung intermetallischer Wirkungen zwischen der Haftschicht (16) und weiteren Metallschichten aufgedampft wird.A method according to claim 1, characterized in that after the step of vapor deposition of the adhesive layer ( 16 ) on the adhesive layer ( 16 ) a barrier layer ( 18 ) for preventing intermetallic effects between the adhesive layer ( 16 ) and further metal layers is vapor-deposited. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (18) aus Chrom/Nickel, Chrom oder Nickel besteht.Method according to claim 2, characterized in that the barrier layer ( 18 ) consists of chromium / nickel, chromium or nickel. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Aufdampfens der Sperrschicht (18) die lötbare Metallschicht (14) auf die Sperrschicht (18) aufgedampft wird.Method according to claim 2 or 3, characterized in that after the step of vapor deposition the barrier layer ( 18 ) the solderable metal layer ( 14 ) on the barrier layer ( 18 ) is evaporated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Metallschicht (14) aus Silber, Gold oder Zinn besteht.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the solderable metal layer ( 14 ) consists of silver, gold or tin. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die lötbare Metallschicht (14) eine Korrosionsschutzschicht (20) aus einem durch Plasma vernetzten Polymer aufgebracht wird.Method according to claim 4 or 5, characterized in that the solderable metal layer ( 14 ) a corrosion protection layer ( 20 ) is applied from a plasma crosslinked polymer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht lötbaren Komponenten (10) vor der Bedampfung mit Metall- oder Polymerschichten mittels einer Plasmavorbehandlung gereinigt werden.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the non-solderable components ( 10 ) are cleaned prior to the vapor deposition with metal or polymer layers by means of a plasma pretreatment.
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