DE10249005A1

DE10249005A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10249005A1
Application number: DE10249005A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Bolte; Bruno Santarossa
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-06
Also published as: FR2846188A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung mit einem in einem Wellenlängenbereich optisch durchlässigen Schaltungsträger (1), auf dem Schaltungsträger (1) angeordneten Leiterbahnen (2) und mindestens einem mit den Leiterbahnen (2) verbundenen elektrischen Bauelement (4), wobei das Bauelement (4) an Lötstellen durch Löten mit den Leiterbahnen (2) verbunden wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Löten mittels eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs erfolgt, in dem der Schaltungsträger (1) optisch durchlässig ist, und der Laserstrahl durch den Schaltungsträger (1) hindurch zu den Lötstellen geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung mit einem in einem Wellenlängenbereich optisch durchlässigen Schaltungsträger, auf dem Schaltungsträger angeordneten Leiterbahnen und mindestens einem mit den Leiterbahnen verbundenen elektrischen Bauelement, wobei das Bauelement an Lötstellen durch Löten mit den Leiterbahnen verbunden wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 100 19 888 A1 bekannt. Der Schaltungsträger besteht dabei aus einem transparenten Substrat, auf das eine leitfähige, im sichtbaren Wellenlängenbereich transparente Schicht aufgebracht ist, die zur Herstellung der Leiterbahnen mittels eines Lasers strukturiert wird. Der Schaltungsträger wird mit Bauelementen bestückt, die mit den Leiterbahnen verlötet werden. Das Löten erfolgt in einem Reflow-Ofen oder in einem Wellenlötbad. Als Materialien für den Schaltungsträger sind sowohl Glas- als auch Kunststoffsubstrate genannt. Aufgrund der hohen Prozesstemperaturen beim Lötprozess können nur hochtemperaturfeste Kunststoffe eingesetzt werden, die jedoch teuer sind und eine besondere Verarbeitung erfordern.

Aus der von der Firma Bayer AG herausgegebenen Anwendungstechnischen Information ATI 1131 „Räumliche, spritzgegossene Schaltungsträger" ist es weiterhin bekannt, Kunststoffbauteile nach der sogenannten 3-D MID-Technologie herzustellen.

Hierbei können Oberflächen nahezu beliebig geformter Spritzgussteile aus thermoplastischen Kunststoffen gleichzeitig als Träger elektrischer Schaltungen und Bauelemente verwendet werden. Als gängiges Verfahren zur Herstellung von 3-D MID-Bauteilen wird dort der 2K-Spritzguss mit anschließender selektiver Metallisierung sowie das Heißprägen von Metallfolien auf spritzgegossenen Substratoberflächen genannt. Als weite res Verfahren wird das Hinterspritzen von mit Leiterbahnen strukturierten Folien genannt. Hierbei werden zunächst Schaltbilder auf die Folie aufgebracht und anschließend wird die so hergestellte Folie hinterspritzt. Insbesondere werden dabei ein dekorativer Druck auf der einen und das Schaltbild auf der anderen Seite der Folie aufgebracht. Ein Hinweis auf ein geeignetes Lötverfahren zum Verbinden von Bauelementen mit den Leiterbahnen findet sich nicht.

Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 102 34 125.7 ist ebenfalls ein Kunststoffspritzgussteil bekannt, das als dreidimensionales Formteil ausgebildet ist und mit Leiterbahnen versehen ist. Das Kunststoffformteil kann beispielsweise als Tastenkappe ausgebildet sein. Hinweise zu einem geeigneten Lötverfahren zum Verbinden von Bauelementen mit den Leiterbahnen finden sich auch hier nicht.

Auch beim Verlöten von Bauelementen auf 3-D-Formteilen ergibt sich der oben bereits genannte Nachteil, dass teure hochtemperaturfeste Kunststoffe eingesetzt werden müssen. Hohe Temperaturen im Reflow-Prozess können zudem zum Verzug des 3-D MID-Formteils führen. Ein weiterer Nachteil kann eine unterschiedliche Qualität der Lötergebnisse aufgrund der Temperaturgradienten im Reflow-Ofen sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung anzugeben, das während des Lötprozesses nur eine geringe thermische Belastung des Schaltungsträgers bewirkt, so dass auch Schaltungsträger aus Kunststoffmaterialien ohne besondere Temperaturstabilität eingesetzt werden können.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Löten mittels eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs erfolgt, in dem der Schaltungsträger optisch durchlässig ist, und der La serstrahl durch den Schaltungsträger hindurch zu den Lötstellen geleitet wird.

Der verwendete Schaltungsträger besteht aus einem für den Laserstrahl durchlässigen Material. Nachfolgend wird diese Eigenschaft des Schaltungsträgers auch als „lasertransparent" bezeichnet. Bei dem Schaltungsträger kann es sich dabei beispielsweise um ein glasklares Material handeln, also um ein Material, das innerhalb des gesamten optischen Wellenlängenbereichs durchlässig ist. Es können jedoch auch Materialien eingesetzt werden, deren optische Durchlässigkeit nur in einem begrenzteren Wellenlängenbereich vorliegt. Wesentlich ist, dass das Material des Schaltungsträgers für den eingesetzten Laserstrahl optisch durchlässig ist. Der Laserstrahl wird durch den Schaltungsträger hindurch zu den einzelnen Lötstellen geleitet. Augrund der optischen Durchlässigkeit des Schaltungsträgers erwärmt dieser sich praktisch nicht. Die zum Löten eingesetzte Energie des Laserstrahls wird direkt zu der Lötstelle geleitet. An der Lötstelle wird die Energie des Laserstrahls absorbiert und führt zu einer Erwärmung der Lötstelle, wodurch ein Verlöten erzielt wird.

Das Verfahren ist grundsätzlich mit allen lasertransparenten Schaltungsträgern einsetzbar, insbesondere auch mit Glasschaltungsträgern. Aufgrund der geringen Wärmebelastung des Schaltungsträgers ist es insbesondere jedoch für den Einsatz mit Schaltungsträgern aus Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise PC glasklar, geeignet.

Als Bauelemente werden insbesondere SMD-Bauelemente jeglicher Art bevorzugt. Diese können direkt mit Hilfe eines speziellen Bestückungsautomaten auf den Schaltungsträger bzw. die Leiterbahnen aufgesetzt werden. Eine weitere Bearbeitung des Schaltungsträgers ist dazu nicht erforderlich.

Vorzugsweise wird auf die Leiterbahnen zumindest an den Lötstellen zunächst eine Zinnschicht aufgebracht, anschließend der Schaltungsträger mit den Bauelementen bestückt und schließlich verlötet. Dabei erfolgt das Aufschmelzen der Zinnschicht auf der Leiterbahn indem der Laserstrahl durch das lasertransparente Material hindurch die Leiterbahn an der Lötstelle partiell erhitzt. Hierbei wird die Wärme auf die Lötstelle des Bauteils durch Wärmeleitung übertragen, so dass auch hier der Zinnauftrag aufschmilzt und sich mit dem Lötzinn der Leiterbahn zu einem festen Lötpunkt verbindet.

Die Zinnschicht kann auf die Leiterbahn durch verschiedene Verfahren aufgebracht werden, wobei insbesondere ein galvanischer Auftrag oder ein Aufbringen durch ein PVD-Verfahren bevorzugt werden.

Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauelemente auf 3-dimensionalen Formteilen, wie beispielsweise einem 3-D MID-Formteil, verlötet werden. Aufgrund der Lasertransparenz des Schaltungsträgers kann das Laserlöten auch an sonst eher unzugänglichen Stellen des 3-dimensionalen Formteils erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch die Schaltungsanordnung.
Der Schaltungsträger kann insbesondere als 3-D MID-Formteil ausgebildet sein. Das Aufbringen von Leiterbahnen auf das 3-D-Formteil kann mittels unterschiedlicher Strukturierungsmethoden erfolgen. Beispielsweise können die Leiterbahnen mittels 2K-Spritzguss, Heißprägen, partieller Galvanik, laseraktivierbarer Kunststoffe oder PVD-Beschichtung auf den Schaltungsträger aufgebracht werden. Der Einfachheit halber ist in der Fig. lediglich ein ebener Schaltungsträger 1 dargestellt, auf den eine Leiterbahn 2 aufgebracht ist. Auf der Leiterbahn 2 ist an einer Stelle, an der die Leiterbahn 2 mit einem SMD-Bauelement 4 bestückt wird, eine Zinnschicht 3 auf die Leiterbahn 2 aufgetragen. Mit Hilfe der Bestückerpipette 5 eines Bestückungsautomaten wird das SMD-Bauelement 4 an der entsprechenden Lötstelle auf die Leiterbahn 2 mit der Zinnschicht 3 aufgesetzt. Mittels eines Lasers 6 wird ein Laserstrahl erzeugt, der durch den Schaltungsträger 1 zur Leiterbahn 2 an der Lötstelle geleitet wird. Aufgrund der Lasertransparenz des Kunststoffmaterials des Schaltungsträgers 1 findet in diesem keine oder nur eine sehr geringe Absorption des Laserstrahls statt, so dass eine Aufheizung des Schaltungsträgers 1 weitgehend vermieden wird. Die Leiterbahn 2 absorbiert dagegen den Laserstrahl, wodurch an der Lötstelle eine Erhitzung auftritt, durch die die Zinnschicht 3 schmilzt und ein Verlöten der Leiterbahn 2 mit dem SMD-Bauelement 4 erfolgt.
Anschließend wird der Laserstrahl zur nächsten Lötstelle geleitet und an dieser das SMD-Bauelement ebenfalls mit einer weiteren Leiterbahn verlötet. Dieser Prozess wird wiederholt, bis alle Bauelemente mit dem Schaltungsträger verlötet sind.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Lötverfahrens ist es möglich, für den Schaltungsträger ein Standardspritzgussmaterial einzusetzen, wodurch die üblichen Werkzeugtechnologien und Spritzgussprozesse zur Fertigung eines 3-D MID-Formteils einsetzbar sind. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile aufgrund des geringeren Materialpreises gegenüber hochtemperaturfesten Kunststoffmaterialien. Der übliche Reflowlötprozess mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich der Wärmebelastung des Schaltungsträgers entfällt vollständig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nur eine geringe oder keine thermische Belastung des Schaltungsträgers während des Lötprozesses verbunden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung mit einem in einem Wellenlängenbereich optisch durchlässigen Schaltungsträger (1), auf dem Schaltungsträger (1) angeordneten Leiterbahnen (2) und mindestens einem mit den Leiterbahnen (2) verbundenen elektrischen Bauelement (4), wobei das Bauelement (4) an Lötstellen durch Löten mit den Leiterbahnen (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten mittels eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs erfolgt, in dem der Schaltungsträger (1) optisch durchlässig ist, und der Laserstrahl durch den Schaltungsträger (1) hindurch zu den Lötstellen geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1) ein Kunststoffmaterial ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (4) ein SMD-Bauelement ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Leiterbahnen (2) zumindest an den Lötstellen eine Zinnschicht (3) aufgebracht wird, anschließend der Schaltungsträger (1) mit dem Bauelement (4) bestückt wird und schließlich das Löten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnschicht (3) galvanisch oder durch ein PVD-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1) mit mehreren Bauelementen (4) bestückt wird, die mittels des Laserstrahls mit den Leiterbahnen (2) verlötet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1) als dreidimensionales Formteil ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträgern (1) als 3D-MID Formteil ausgebildet ist.