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Die
Erfindung betrifft die Aufbau und Verbindungstechnik von elektrischen
Leiterplatten mit elektrischen Aufbauten.
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Mechanische
Spannungen lassen sich in der Aufbau und Verbindungstechnik von
elektrischen Aufbauten nicht vermeiden, solange Materialien mit unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Da sich daran
auch in naher und mittelfristiger Zukunft nichts ändern wird, können konstruktive
Maßnahmen
ergriffen werden, um die mechanischen Spannungen zu minimieren und
an den optimalen Stellen entstehen zu lassen.
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Im
Stand der Technik nach 1 sind
sowohl Bauelemente als auch Leiterplatten verhältnismäßig starr ausgelegt. Kein integrativer
Bestandteil des Leiterplattenverbundes soll eine relative Bewegung
bezogen auf den anderen Bestandteil durchführen können. Dies führt schlichtweg
zur Tatsache, dass die Verbundstelle zwischen Bauelement und Leiterplatte
das schwächste
Glied in der elektrischen Anbindung ist. Unterstützt wird dies noch durch die vergleichsweisen
schlechten mechanischen Eigenschaften von Lot- und Klebwerkstoffen
bezogen auf die Leiterplatten- und Bauteilmaterialien bei erhöhten Temperaturen.
Liegt nun eine Hochtemperaturanwendung (d.h. über 125°C Betriebstemperatur) der Elektronik
vor, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug vorkommen kann,
so führt
die im Zusammenhang mit den stark temperatur- und zeitabhängigen mechanischen
Materialeigenschaften von Klebern und Lotwerkstoffen zu einer weiteren
Schwächung
der Verbindungsstelle.
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Daher
ist Zielsetzung der hier vorgestellten Aufbautechnik, die mechanischen
Spannungen aus der Verbindungsstelle zwischen Leiterplatte und Bauelement
herauszuhalten und an einen anderen Ort im Leiterplattenaufbau zu
verlagern. Da die Bauelemente für
eine Aufnahme von mechanischen Spannungen ungeeignet sind und die
Aufbautechnik spannungsfrei gehalten werden soll, bleibt nur noch
die Leiterplatte für
die Spannungsaufnahme übrig.
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Die
Lösung
gelingt mit einer Aufbau und Verbindungstechnik mit den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
und in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
enthalten.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einer Leiterplatte, deren Anschlusspads flexibel konstruiert sind
und somit die mechanischen Spannungen zwischen Bauelement und Leiterplatte
nicht in die Verbindungsstelle zwischen beiden umgesetzt werden. Die
Verbindungsstelle soll lediglich noch als Übertragungselement der mechanischen
Belastung dienen, aber selbst nicht mehr in vollem Maße belastet
werden. Für
aktive Bauelemente, speziell solche mit vielen Ball-Anschlüssen, wie
z.B. BGAs (Ball Grad Arrays) oder CSPs (Chip Size Packaging), bleibt
hierbei lediglich die Möglichkeit
der Kontaktierung an deren Unterseite. Um Spannungen zu vermeiden,
werden die Anschlusspads auf der Leiterplatte in horizontaler Richtung,
parallel zur Leiterplattenoberfläche
beweglich ausgeführt.
Hierbei wird das Anschlusspad mit dem Leiterplatten Material so
ausgelegt, dass hauptsächlich
elastische Verformungen in der Verbindungsstelle zwischen Bauelement
und Leiterplatte entstehen und keine irreversiblen Verformungen
in der Verbindungsstelle entstehen, oder zumindest nur geringe irreversible
Verformungen in der Verbindungsstelle entstehen.
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Eine
Möglichkeit
den Anschlusspads eine Ausgleichsbewegung parallel zur Leiterplattenoberfläche zu ermöglichen,
besteht darin, dass das Anschlusspad mit einem Spalt, der das Anschlusspad
je nach Entflechtungsstrategie fast vollständig bis vollständig umschließt, in der
Leiterplatte freigeschnitten wird, so dass das Anschlusspad in dem
freigeschnittenen Spalt hin und herschwingen kann.
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Je
nach Winkelstellung und Einschnitttiefe des freischneidenden Spaltes
in der Leiterplatte kann der verbleibende und tragende Querschnitt,
mit dem das Anschlusspad mit der Leiterplatte verbunden bleibt,
konstruktiv so gestaltet werden, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen
Flexibilität
und Tragfähigkeit
des Anschlusspads eingestellt werden kann.
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Bei
einer Ausführungsform
mit einem vollständigen
Umschließen
des Anschlusspads mit einem freischneidenden Spalt erfolgt die Anbindung der
Kontaktfläche
des Anschlusspads an das Leiternetzwerk auf oder in der Leiterplatte
vom Anschlusspad senkrecht nach unten in die Leiterplatte hinein.
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Bei
einer Ausführungsform
mit einem teilweise Umschließen
des Anschlusspads mit einem freischneidenden Spalt erfolgt die Anbindung
der Kontaktfläche
des Anschlusspads entweder über
den verbleibenden Steg an der Oberfläche der Leiterplatte oder von
dem Anschlusspad senkrecht nach unten in die Leiterplatte hinein.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Einen
Leiterplattenaufbau in SMD-Technik (Surface Mounted Devices), wie
er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
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2 Einen
erfindungsgemäßen Leiterplattenaufbau
mit zumindest teilweise freigeschnittenen Anschlusspads;
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3 Einen
vergrößerten Ausschnitt
eines freigeschnittenen Anschlusspads;
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4 Einen
erfindungsgemäßen Leiterplattenaufbau
mit vollständig
freigeschnittenen Anschlusspads;
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5 Einen
erfindungsgemäßen Leiterplattenaufbau
mit teilweise freigeschnittenen Anschlusspads.
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Einen
typischen SMD-Aufbau aus dem Stand der Technik zeigt 1.
Auf einem Trägersubstrat 1 ist
eine Schicht 2 mit Leiterbahnen 3 in verschiedenen
Ebenen nebeneinander und übereinander
angeordnet. Es können
auch sogenannte Durchkontaktierungen 4 in der Leiterplatte
integriert sein. Mit Durchkontaktierungen werden leitfähige Verbindungen
zwischen Leiterebenen in verschiedenen Tiefen der Leiterplatte hergestellt.
Bauelemente werden auf die Anschlusspads in der Leiterplatte senkrecht
von oben aufgelötet.
Bei dieser Aufbau- und Verbindungstechnik bildet sich eine parallel
zur Leiterplattenoberfläche
orientierte Lotverbindung zwischen Bauelement 5 und Anschlusspad 6 aus.
Bei thermischen Belastungen unterliegt diese Lotverbindung großen Scherkräften, die
alleine von der Lotverbindung kompensiert werden müssen. Dies
führt zu den
bereits eingangs diskutierten Nachteilen der Schwächung der
Verbindungsstelle.
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Mit
der hier offenbarten Erfindung wird genau an dieser Stelle abgeholfen.
Für Bauelemente
bietet die Erfindung die Möglichkeit
das Anschlusspad flexibel auszuführen.
Eine Möglichkeit
die Anschlusspads auf der Leiterplatte zu flexibilisieren ist in 2 schematisch
dargestellt. Auch bei dieser Leiterplatte sind auf einem Trägersubstrat 21 in
einem Leiterplattenmaterial 22 mehrere Leiterbahnen 23 angeordnet. Die
Leiterbahnen führen
in der Regel zu sogenannten Anschlusspads 26, an deren
Kontaktierungsoberfläche
die Bauelemente mit ihren Kontaktierungsflächen 27 angelötet werden
sollen. Die Flexibilisierung der Anschlusspads gelingt durch deren
Freischneidung 28, in Form eines das Anschlußpad zumindest teilweise
umfassenden Spaltes.
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Eine
vergrößerte, dreidimensionale
Darstellung eines freigeschnittenen Anschlusspads zeigt 3.
Eine Lösungsmöglichkeit
eine Ausgleichsbewegung der Anschlusspads mit zumindest einer Bewegungskomponente
parallel zur Leiterplattenoberfläche
zu ermöglichen,
besteht darin, dass eine Freischneidung 28 in Form eines
Spaltes in die Leiterplatte 22 eingearbeitet wird. Je nach
Entflechtungsstrategie der Leiterplatte kann die Freischneidung das
Anschlusspad 26 ganz oder zumindest teilweise umschließen. Durch
die Winkellstellung und die Einschnitttiefe kann der verbleibende
tragende Querschnitt an Leiterplattenmaterial so weit verringert werden,
dass ein ausgewogenes Verhältnis
zwischen Flexibilität
und Tragfähigkeit
für das
Anschlusspad entsteht. Diese Maßnahme
führt dazu,
dass der Lotball 29 die mechanischen Spannungen weiterleitet
und der durch die Freischneidung gebildete Kegelstumpf aus Leiterplattenmaterial
elastisch verformt wird. Der relativ niedrige Elastizitätsmodul
des Leiterplattenmaterials sorgt weiterhin dafür, dass die Spannungen nicht
groß werden
und relativ schnell Ausgleichsbewegungen stattfinden. Durch die
Ausgleichsbewegung wird die unterschiedliche thermische Ausdehnung
der Materialien von Leiterplatte und Bauelement 5 über die
Freischneidung 28 aufgenommen.
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Das
Prinzip lässt
sich grundsätzlich
für alle Entflechtungsstrategien
anwenden. Also sowohl für vertikale
Entflechtungsstrategien, wie in 3 und 4 gezeigt,
als auch für
horizontale Entflechtungen, wie in 5 gezeigt.
Dennoch sollte bei horizontalen Entflechtungsstrategien, wie in 5 gezeigt,
darauf geachtet werden, dass der Leiterbahnsteg 50 für die elektrische
Anbindung des Anschlusspads an die Steuerleitungen nicht in die
gleiche Richtung zeigt, in der auch die größte Relativbewegung aufgrund
der Temperaturunterschiede und der unterschiedlichen Materialien
von Leiterplatte und Bauelement zu erwarten ist. Am einfachsten
und am besten ist es, wenn die elektrische Anbindung im 90° Winkel zur
größten Relativbewegung
abgeführt
wird. Dies ist bei vertikalen Entflechtungsstrategien oder vertikalen
Kontaktierungen der Anschlusspads durch den Kegelstumpf hindurch
immer gegeben.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 4 zeigt eine Aufsicht auf die Leiterplattenoberfläche. Die Freischneidung 28 umschließt bei diesem
Ausführungsbeispiel
die Anschlusspads 26 vollständig. Eine Kontaktierung der
Anschlusspads erfolgt, wie in der vergrößerten Darstellung der 3 gezeigt,
von unten durch den Kegelstumpf des Leiterplattenmaterials hindurch.
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Bei
horizontalen Anbindungen der Anschlusspads auf der Leiterplattenoberfläche, können die Anschlusspads
von der Freischneidung 28 lediglich nahezu vollständig in
einem Umfangswinkel von 270° bis
300°, je
nach Breite des Leiterbahnstegs 50, umschlossen werden.
Dieses Ausführungsbeispiel
ist als Aufsicht auf die Leiterplatte mit 5 gezeigt.
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Die
Freischneidung kann bei allen Ausführungsbeispielen mit einem
Laser in das Leiterplattenmaterial eingearbeitet werden. Das Prinzip
der Laserbearbeitung wird bei der Herstellung von μVias eingesetzt
und kann auf Grund der ähnlichen
Bearbeitung auch für
die Herstellung der Freischneidung eingesetzt werden. Das Prinzip
der Ausgleichsbewegung über
die Freischneidung führt
nicht dazu, dass die gesamten Spannungen aus der Lötstelle
herausgehalten werden, sondern dass es eine merkliche Minderung
der Belastung in der Lötstelle
gibt und somit die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Kontaktierung
steigt.
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Damit
der fertigungstechnische Aufwand überschaubar und die Anwendung
der Flexibilisierung ursachenbezogen bleibt, ist es nicht notwenidg alle
Anschlusspads auf einer Leiterplatte mit einer umlaufenden Freischneidung
zu versehen. Es genügt
nur diejenigen Anschlusspads mit einer umlaufenden Freischeidung
zu versehen, die großen
Belastungen durch thermische Längenänderungen
unterliegen.
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Optimierungsgrößen sind
in allen Ausführungsbeispielen
die Einschnitttiefe und die Winkelstellung der Freischneidung sowie
die Entflechtungsstrategie für
die Leiterplatte.
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In
allen Ausführungsbeispielen
zu den mit Freischneidungen versehenen Anschlusspads, können diese
Freischneidungen in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
mit einem elastischen Material verfüllt werden, damit sich in den
Freischneidungen keine Verschmutzungen absetzen können. Als Füllmaterialien
kommen hierbei weiche, gut kompressible Werkstoffe, wie z.B. Silikonwerkstoffe
oder Kunststofflacke, in Frage. Derartige Werkstoffe müssten in
ihren mechanischen Eigenschaften so ausgelegt sein, dass sie nur
geringe mechanische Spannungen aufnehmen können und sich leicht zusammendrücken lassen.
Somit wäre
am Ende des Fabrikationsprozesses kein expliziter Hohlraum durch
die Freischneidung auf der Leiterplatte vorhanden.