DE10327767A1

DE10327767A1 - Schaltungsbaugruppe und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE10327767A1
Application number: DE2003127767
Authority: DE
Inventors: Reinhold Schmitt; Klaus Scholl; Willibald Konrath
Original assignee: Marconi Communications GmbH
Current assignee: Telent GmbH
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-05
Also published as: US20070274056A1; EP1634486A1; CN1810066A; ATE408326T1; EP1634486B1; WO2004114734A1; DE602004016505D1

Abstract

Bei einer Schaltungsbaugruppe mit einer Leiterplatte (2), wenigstens einer mit der Leiterplatte durch Drahtbonden verbundenen Schaltungskomponente (7) und einer Grundplatte (1), auf der die Leiterplatte (2) befestigt ist, ist ein Spalt (12) zwischen der Grundplatte (1) und der daran befestigten Leiterplatte (2) wenigstens lokal mit wenigstens einem Füllkörper (14) aus einem in dem Spalt (12) erhärteten Material ausgefüllt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsbaugruppe mit einer Leiterplatte, wenigstens einer mit der Leiterplatte durch Drahtbonden verbundenen Schaltungskomponente und einer Grundplatte, auf der die Leiterplatte befestigt ist. Derartige Schaltungsbaugruppen kommen insbesondere in der Hochfrequenztechnik zum Einsatz, zum Beispiel bei Mikrowellensendern/-empfängern, wo Schaltungsteile, die bei niedrigen bis mittleren Frequenzen arbeiten, häufig auf gedruckten Leiterplatten aufgebaut werden, wohingegen für Schaltungsteile, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten, keramische Substrate bevorzugt werden.
Signalverbindungen zwischen den niedrig- bis mittelfrequenten Schaltungsteilen und den hochfrequenten Schaltungsteilen werden mit der aus der IC-Fertigung bekannten Technik des Drahtbondens hergestellt. Dabei stellt sich heraus, dass beim Bonden zwischen der Leiterplatte und den Hochfrequenz-Schaltungskomponenten häufig Bondverbindungen schlechter Qualität, mit hohem Übergangswiderstand und/oder geringer mechanischer Festigkeit, entstehen. Wenn eine Schaltungsbaugruppe, die eine solche schlechte Bondstelle enthält, von Anfang an nicht funktioniert, so wird dies bei der Qualitätsprüfung festgestellt, und die Baugruppe kann entweder ausgeschieden werden, oder der Fehler muss gesucht und behoben werden. Beides ist für den Hersteller mit erheblichen Kosten verbunden. Noch störender ist, wenn eine solche schlechte Bondstelle erst mit einer Verzögerung, wenn die Baugruppe bereits bei einem Benutzer in Betrieb genommen worden ist, zum Ausfall führt. In diesem Fall ist die Reparatur oder ein Austausch noch erheblich aufwändiger, da in der Regel ein Servicetechniker zum Benutzer geschickt werden muss, um die Ursache der Störung zu finden, die betroffene Baugruppe auszubauen, etc.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Schaltungsbaugruppe mit verbesserter Zuverlässigkeit sowie ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt, eine solche Baugruppe mit guter Ausbeute zu fertigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10.
Das Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den herkömmlichen Schritten des Platzierens einer Leiterplatte und wenigstens einer Schaltungskomponente auf einer Grundplatte und des Anbringens wenigstens eines Bonddrahtes zwischen der Schaltungskomponente und einem Bondfeld der Leiterplatte ein härtbares Material in einen Spalt eingebracht wird, der sich z. B. beim Befestigen der Leiterplatte an der Grundplatte aufgrund inter ner Spannungen der Platten ergeben kann, und dass durch Härten des Materials in dem Spalt eine form- und materialschlüssige Verbindung zwischen den beiden Platten entsteht.
Das Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass die Leiterplatte und die Grundplatte einander häufig nicht mit der erforderlichen Planität berühren, so dass unterhalb eines Bondfeldes zwischen der Leiterplatte und der Grundplatte ein Spalt vorhanden sein kann, der es der Leiterplatte ermöglicht, unter dem Druck eines Bondwerkzeuges nachzugeben oder zu vibrieren. Dieses Problem macht sich insbesondere beim Ultraschallbonden bemerkbar, wo in einem solchen Fall die Leiterplatte durch vom Bondwerkzeug eingespeisten Ultraschall zu Schwingungen angeregt werden kann, die das Zustandekommen einer zuverlässig leitenden Verbindung zwischen Bondfeld und -draht behindern.
Eine unbefriedigende Planität, die das Bonden erschwert, kann insbesondere auch durch die Art der Befestigung der Leiterplatte an der Grundplatte zustande kommen. Insbesondere wenn die Leiterplatte an der Grundplatte verschraubt ist, neigt sie dazu, diese nur in unmittelbarer Nachbarschaft der Schrauben zu berühren und sich in den dazwischenliegenden Bereichen von der Grundplatte fortzuwölben.
Indem erfindungsgemäß dieser Spalt wenigstens an ausgewählten Orten mit einem härtbaren Material wie insbesondere einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgefüllt wird, wird an diesen Orten die Leiter platte in Bezug auf die Grundplatte fixiert, so dass sie weder dem Druck eines Bondwerkzeuges ausweichen noch schwingen kann, wenn das eingefüllte Material ausgehärtet ist.
Vorzugsweise werden Kapillarkräfte zwischen Leiterplatte und Grundplatte einerseits und dem härtbaren Material andererseits ausgenutzt, um das – zu dieser Zeit noch fließfähige – Material in den Spalt einzubringen.
Der Spalt kann z. B. von einem Rand der Leiterplatte aus aufgefüllt werden; vorzugsweise wird das Material allerdings durch ein Loch der Leiterplatte hindurch eingebracht, da ein solches Loch grundsätzlich an jeder beliebigen, auch randfernen Stelle der Leiterplatte erzeugt werden kann, an der eine Unterstützung der Leiterplatte durch einen Füllkörper gewünscht wird.
Ein Vorspringen des Füllkörpers über die Ränder des Lochs hinaus sorgt für eine feste, belastbare Unterstützung.
Eine Metallisierung der Löcher ist nicht erforderlich, so dass die zu ihrer Realisierung erforderliche Leiterplattenfläche minimal ist.
Das Verfahren ist mit geringem Aufwand realisierbar, da als das härtbare Material ein Klebstoff verwendet werden kann, der auch benutzt wird, um beim Bestücken der Leiterplatte Schaltungskomponenten darauf zu verkleben. Vorzugsweise erfolgt das Auftragen des Klebers zum Festkleben dieser Schal tungskomponenten und das Einbringen in den Spalt in einem Arbeitsgang im Rahmen der automatischen Bestückung der Leiterplatte.
Besonders wirkungsvoll ist es, wenn der Füllkörper benachbart zu einem Bondfeld angeordnet ist, das auf diese Weise fixiert wird. Vorzugsweise sind jeweils wenigstens zwei Füllkörper an verschiedenen Seiten eines Bondfeldes vorgesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine perspektivische schematische Ansicht einer Schaltungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2A bis 2D Schnitte durch die Schaltungsbaugruppe der 1 entlang der Linie II-II aus 1 in verschiedenen Stadien der Fertigung der Baugruppe.
Die in 1 perspektivisch gezeigte Baugruppe umfasst eine Grundplatte 1 aus Metall, auf der eine gedruckte Leiterplatte 2 mit Hilfe von Schrauben 3 befestigt ist. Einige SMD-Bausteine 4 und ein Steckverbinder 5 sind als Beispiele von auf der Leiterplatte 2 montierten Bausteinen gezeigt.
In einem randoffenen Ausschnitt 6 der Leiterplatte 2 sind zwei Hochfrequenz-Schaltungskomponenten 7 unmittelbar auf der Grundplatte 1, zum Beispiel durch Kleben, befestigt. Am Rand des Ausschnittes 6, benachbart zu den Hochfrequenz-Schaltungskomponenten 7, sind mehrere Bondfelder 8 auf der Leiterplatte 2 gebildet, von denen aus sich Bonddrähte 9 zu entsprechenden Bondfeldern 10 der Schaltungskomponenten 7 erstrecken. Die Bondfelder 8 der Leiterplatte 2 sind jeweils auf zwei Seiten von Bohrungen 11 umgeben, die keine Metallisierung aufweisen und auch mit keiner der Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2 in Kontakt stehen. Die Bohrungen 11 sind mit dem gleichen elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgefüllt, mit dem auch die Hochfrequenz-Schaltungskomponenten 7 auf der Grundplatte 1 verklebt sind. Einzelne der Schrauben 3 sind in der Nähe der Bondfelder 8 angeordnet, um diese eng an die Grundplatte 1 anpressen zu können, z. B. zwischen zwei Gruppen von Bondfeldern 8 und/oder an einer vom Ausschnitt 6 abgewandten Seite einer Gruppe von Bondfeldern 8.
2A zeigt ein erstes Stadium der Montage der Schaltungsbaugruppe aus 1 anhand eines Teilschnittes entlang der Linie II-II aus 1. In diesem Stadium ist die Leiterplatte 2 lose auf die Grundplatte 1 aufgelegt. Da die zwei einander zugewandten Oberflächen der Grundplatte 1 und der Leiterplatte 2 niemals ideal eben sind, existiert ein wenn auch schmaler Spalt 12 zwischen den beiden Platten. Der Schnitt zeigt auch zwei Bohrungen 11 und zwischen diesen, an der Oberseite der Leiterplatte 2, drei Bondfelder 8.
2B zeigt den gleichen Schnitt wie 2A in einem Stadium, in dem die Leiterplatte 2 mit Hilfe der Schrauben 3 an der Grundplatte 1 verschraubt ist. Die Köpfe der Schrauben 3 üben lokal einen starken Druck auf die Leiterplatte 2 aus, der dazu führt, dass in unmittelbarer Umgebung der Schrauben 3 die Leiterplatte 2 die Grundplatte 1 berührt, wobei sich die Leiterplatte 2 stellenweise wölbt, so dass in größerer Entfernung von der Schraube der Spalt 12 sogar verbreitert sein kann. Wollte man in diesem Zustand Drähte auf die Bondfelder 8 mit Ultraschall bonden, so müsste man die Leiterplatte 2 am Ort der Bondfelder 8 flach gegen die Grundplatte 1 drücken, um zu verhindern, dass diese unter dem Einfluss des Ultraschalls in Schwingungen gerät. Ein solcher Druck kann aber nicht mit dem Bondwerkzeug ausgeübt werden, denn dies würde dazu führen, dass die Bonddrähte an der Oberfläche der Felder 8 zerquetscht würden, so dass kein belastbarer Kontakt zustande käme.
2C zeigt den Schnitt, nachdem die Bohrungen 11 durch die Spitze 13 eines Dispensers mit Klebstoff 14 gefüllt worden sind. Der Klebstoff dringt durch Kapillarwirkung von den Bohrungen 11 aus seitwärts in den Spalt 12 vor und füllt diesen teilweise aus. Nach dem Aushärten des Klebstoffs 14 ist die Leiterplatte 2 über den Klebstoff formschlüssig an der Grundplatte 1 abgestützt. Bereiche der Leiterplatte, die nicht unmittelbar auf dem Klebstoff ruhen, wie etwa das mittlere Bondfeld 8 in 2C, sind zumindest soweit versteift, dass sie nicht mehr nennenswert schwingfähig sind.
Die Bonddrähte 9 können nun reproduzierbar und mit guter Qualität kontaktiert werden, wie in 2D gezeigt.
Es ist nicht zwingend notwendig, den gleichen elektrisch leitfähigen Klebstoff für die Abstützung der Leiterplatte 2 an der Grundplatte 1 zu verwenden, der auch zum Befestigen der Bauelemente 4 oder 5 auf der Leiterplatte 2 Verwendung findet. Wenn eine leitfähige Massefläche an der Unterseite der Leiterplatte 2 und die Grundplatte 1 durch den Druck der Schrauben in einem hinreichend großflächigen, gut leitenden Kontakt stehen, kann es genügen, einen preiswerten elektrisch isolierenden Klebstoff einzusetzen; denkbar ist auch, anstelle des Klebstoffs Lot in die Bohrungen 11 einzuspritzen.

Claims

Schaltungsbaugruppe mit einer Leiterplatte (2), wenigstens einer mit der Leiterplatte (2) durch Drahtbonden verbundenen Schaltungskomponente (7) und einer Grundplatte (1), auf der die Leiterplatte (2) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (12) zwischen der Grundplatte (1) und der daran befestigten Leiterplatte (2) wenigstens lokal mit wenigstens einem Füllkörper (14) aus einem in dem Spalt (12) erhärteten Material ausgefüllt ist.
Schaltungsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (14) an einem Loch (11) der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
Schaltungsbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (14) in das Loch (11) eingreift.
Schaltungsbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (14) in dem Spalt (12) über die Ränder des Lochs (11) hinaus verbreitert ist.
Schaltungsgruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (11) frei von einer Metallisierung ist.
Schaltungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erhärtete Material ein Klebstoff ist.
Schaltungsbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff elektrisch leitend ist.
Schaltungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Füllkörper (14) benachbart zu wenigstens einem Bondfeld (8) angeordnet ist.
Schaltungsbaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Füllkörper (14) an verschiedenen Seiten eines Bondfelds (8) angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsbaugruppe mit den Schritten: a) Befestigen einer Leiterplatte (2) und wenigstens einer Schaltungskomponente (7) auf einer Grundplatte (1), b) Anbringen wenigstens eines Bonddrahts (9) zwischen der Schaltungskomponente (7) und einem Bondfeld (8) der Leiterplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten a) und b) ein härtbares Material in einen Spalt (12) zwischen der Leiterplatte (2) und der Grundplatte (1) eingebracht und in dem Spalt (12) gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das härtbare Material unter Ausnutzung der Kapillarkraft in den Spalt (12) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das härtbare Material durch ein Loch (11) in der Leiterplatte (2) in den Spalt (12) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das härtbare Material ein Kleber ist, der auch zum Kleben von Bauteilen (4, 5, 7) auf die Leiterplatte (2) und/oder die Grundplatte (1) verwendet wird, und dass in einem Arbeitsgang der Klebstoff in den Spalt (12) eingebracht und zum Kleben der Bauteile (4, 5, 7) auf die Leiterplatte (2) und/oder die Grundplatte (1) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (9) durch Ultraschallschweißung angebracht wird.