DE1515885A1

DE1515885A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbindungen ? chen leitenden Teilen von elektrischen Schaltungsplatten

Info

Publication number: DE1515885A1
Application number: DE19651515885
Authority: DE
Inventors: Bolda Frank Joseph; Hazel Herbert Ken; Gulliksen John Thomas
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-06-26
Filing date: 1965-06-24
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3320658A; GB1099906A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 7735

Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen leitenden Teilen von elektrischen Schaltungsplatten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen leitenden Teilen von elektrischen Schaltungsplatten, insbesondere Mikromoduln, mittels lötbarer Elemente, bei dem eine diese Elemente aufnehmende isolierende Trägerplatte zwischen den zu verbindenden Leitern angeordnet ist und in einem anschließenden Lötvorgang die Elemente erhitzt werden. *

Die Entwicklung der Datenverarbeitungstechnik ist wesentlich durch die Miniaturisierung der Bauelemente und Schaltungeinheiten geprägt. Während in früheren, mit Elektronenröhren bestückten Maschinen ausschließlich Einzelteile Verwendung fanden, deren Handhabung bei der Herstellung keine nennenswerten Schwierigkeiten mit sich brachte, wobei auch die einzelnen Schaltungäkarten ohne weiteres manuell gehandhabt und bestückt werden konnten, herrschen seit der Einführung von Festkörper elementen bei den Bauelementen und Schaltung seinheiten in vermehrtem Maße Größenordnungen vor, die manuell nicht mehr zu beherrschen sind. Es wurden daher zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, mittels derer die Herstellung von Mikroschaltung seinheiten automatisiert werden konnte.

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Neue Unterlagen «Art. 7 * I Abs. 2 Nr. l Satz 3 des Änderunesees. v. 4. C

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Die dabei auftretenden Probleme werden ohne weiteres erkennbar, wenn man sich die Abmessungen und die Bestückungsdichte von Schaltungeinheiten neuerer Datenverarbeitungsanlagen verdeutlicht. Ein Mikromodul, als Schaltungseinheit den früheren Schaltungskarten entsprechend, weist beispielsweise eine Fläche von 1,5 bis 2 cm auf; auf dieser Fläche befinden sich vielfach 1500 oder mehr Kontaktpunkte, entsprechend einer Dichte von 600 bis 900 cm . Es ist offensichtlich, daß man bei der Herstellung derartiger Mikromoduln mit den bekannten Verfahren außergewöhnlichen ^ Schwierigkeiten begegnet.

Zur Herstellung von Kontaktverbindungen zwischen zwei Leitern ist es in der Mikormodultechnik bekannt, kleinste Kügelchen oder ähnliche Elemente zu verwenden. Deren Zuführung und Handhabung ist aber äußerst schwierig, da solche Kügelchen Abmessungen bis zu 0, 1 oder gar 0,05 cm als Durchmesser haben und die Kontaktpunkte mit großer Genauigkeit ausgeführt werden müssen. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sieht die Erfindung vor, daß die Elemente in der gewünschten Flächenanordnung unter Wärmeeinwirkung in eine aus thermoplastischem Werkstoff bestehende isolierende Trägerplatte eingebettet werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erleichtert die Handhabung der Elemente und die Herstellung der Mikromoduln ganz erheblich. Erstens ist nämlich die genaue Einhaltung der gewünschten Anordnung der Kontaktpunkte auf einfache Weise gewährleistet, und zweitens kann der Vorgang der Herstellung der Kontaktverbindung ohne manuelles Zutun auf sichere Weise ausgeführt werden, auch wenn die zur Herstellung der Kontakt verbindung verwendeten

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Etonente, ζ.B, KUselchen, die genannten äussorst geringen Abmessungen hiKm.

Die Wärmeeinwirkung zum Einbetten der Elemente in die Trägerplatte kann nach einer vorteilhaften Massnahme gemäsc der Erfindung vor bzw. während des Einbettens der Elemente auf diese selbst ausgeübt v/erden, oder auch, wenn dies Im Einzelfall vorteilhafter erscheint, auf die.betreffenden Stellen der Trägerplatte.

Bevorzugte Materialzusammcnsetzungen sowohl für die Trägerplatte als auch für die Kontaktelemente Bind in den Unteransprüchen genannt. Für die Trägerplatte Bind demnach solche thermoplastischen Materialien besonders geeignet, die bei ihrer Erwärmung gleichzeitig eine gewisse Klebewirkung ausüben; auf diese Weise haften die eingesetzten Elemente sofort im Trägermaterial fest und behalten ihre Lage bei, bis sie bei der nachfolgenden Abkühlung fest in der Trägerplatte gelagert sind.

Mit dem erflndungsgemässen Verfahren können nicht nur leitende Verbindungen,sondern auoh nichtleitende Verbindungen zwischen zwei Metallischen Leitern hergestellt werden. Zu diesem Zweck gelangt als Material, wie gemUss einer Weiterbildung des erfindungeraäsöom Verfahrens vorgeschlagen, Glas zur Verwendung. Anstelle des üblichen Sclweiss-oder Lötverfahrens setzt man in einem solchen Fall Elektronenstrahlen oder Laser ein, um das Glas über seinen Schmelzpunkt hinaus zu erwärmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert, Es zeigen:

Fig.1 in schematiocher Darstellung eine Einrichting zum Einsetzfeen von Kleinstelementen in eine Trägerplatte aus thermoplastischem Material,

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Flß.2 eine Einrichtung wie In Fig.1, bei der die

TrUgerplntte vor ti.r.n Einsetzen der Elemente mit Offnungen versehen wurde«

Fig.3 eine mit Hilfe der Einrichtungen nach FIg.1 oder 2 betstUokte Trägerplatte,

Fig.4 einen Schnitt In der Linie 4-4 durch die Trägerplatte naoh Fig.5,

Fig.$L eine schematische Darstellung der Herstellung einer leitenden Verbindung mit Hilfe einer Trägerplatte wie in Fig.J,

Flg.6 einen Schnitt durch die gemäße Fig.5 hergestellte Verbindung zwischen zwei Leitern«

Fig.7 eine zur Herstellung einer zweifachen Verbindung vorbereitete Trägerplatte und

Fig.8 die Anordnung von drei mit Hilfe der Trägerplatte gemäes Fig.7 zu verbindenden Leitern.

In Flg.1 1st ein Behälter 10 zur Aufnahme von Kugeln 11 au» leitendem Werkstoff gezeigt, die in die Trägerplatte 16 aus thermoplastischem Material in bestimmter Anordnung eingebettet werden sollen. Zur Entnahme der Kugeln 11 aus dem Behälter 12 dient ein mit Unterdruck betriebener Saugarm 10« der hierzu in den Behälter 10 eingeschwenkt und ansohliessend zur Oberfläche der Trägerplatte 16 bewegt wird. Zum Erhitzen der auf diese Weise auf die Trägerplatte 16 aufgeatzten Kugel i4 dient eine Heizeinrichtung in Fora einer um den Saugar« gewickelten

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Heizspirale 13» die an eine Stromquelle angeschlossen 1st. Dor Erhitzungsvorgang findet wUhrend der Saugansbewegung - statt» und die Kugel wird auf eine Temperatur erhitzt» die sum Erweichen des Materials der Trägerplatte 16 ausreioht» aber keine Deformierung der Kugel 14 bewirken kann·

Während des Aufsetzend der Kugel 14 auf dlo Trägerplatte 16 wird diese daher verformt und die Kugel 14 in die Platte 16 eingebettet* Anschließend wird der Saugarm 12 von der Kugel 14 abgehoben, wobei letztere von der Trägerplatte 16 infolge deren Klebewirkung in erwärmten Zustand festgehalten wird. Ein kurzzeitiges Abschalten des Vakuums 1st also in allge»einen zun Abheben des Saugarmes 12 nicht erforderlioh. Nun werden die Kugel 14 und der sie umsohlfeosende Bereioh der Trägerplatte 16 gekühlt, und die Trägerplatte 16 zieht sieh währenddessen urä die Kugel 14 zusamenund gibt Ihr einen festen Halt. Auf die beschriebene Welse wurden auf die in der Pig.1 gezeigte Trägerplatte bereits weitere Kugeln 18, 20, 22, 24,und 26 aufgebracht.

Die in FIg.2 gezeigte Trägerplatte 50 ist zur Festlegung der ge wünschten KugelpOBltloxmbereits vorher mit entsprechenden Offnungen 52» 54, 56, 58 und 60 versehen worden. In übrigen stlmt die in der Fig.2 gezeigt· Anordnung mit der in Pig.1 gezeigten Uberelnt Ein Behälter 62 enthält einen Vorrat von Kugeln 6^ au· leitendem Material» und ein Saugarn 64 nlt einer Heisspiral· 65 dient zur Entnahme» zun Transport und ium Erhitzen der In dl« Offnungen 52 usw. einzubringenden Kugeln. Di· vor den Einlegen «rwärnt· Kugel überträgt Ihre Wäre· auf den Randbereich der betreffenden Öffnung der Trägerplatte 15, wodurch, In entsprechender Weise, wie vorher beschrieben· dieser Randbereioh weich wird. Nach den Abkühlen erhärtet sich der betreffende Bereioh der Trägerplatte 15

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wieder und hält die Kugel fest» wie für die in der Öffnung 6*0 befindliche Kugel 70 gezeigt.

Obwohl die gezeigte Erwärmung des Materials der Trägerplatte ν bzw. 30 durch die einzubettende Kugel besonders vorteilhaft ist, kann natUrlioh die Erwärmung auch unmittelbar auf die Trägerplatte 16 bzw. 50 gerichtet werden, und zwar konzentriert jeweils auf diejenige Stelle, in die unmittelbar darauf eine Kugel eingebettet werden soll.

Genäse den Fig.3 und 4, in denen eine mit Kugeln 80-88 fertig B bestUokte Trägerplatte 90 gzeigt ist, ragen die Kugeln 80 -88 sowohl über die obere als auoh Über die untere Fläche der Trägerplatte 80 hinaus, wenn sie auf die beschriebene Weis· eingebettet worden sind. Jede der Kugeln 80-88 1st somit -auf einem Großkreis ihres Umfange durch das thermoplastische Materfal der Trägerplatte 90 festgehalten·

In FIg»5« durch die db Anwendung einer auf die beschriebene Welse bestückten Trägerplatte 106 erläutert wird, ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Leitern 0.00 und 102 herzustellen, und zwar jeweils auf einem ganz bestimmten, eng begrenzten Bereioh der betreffenden Leiter. Die Trägerplatte 106 mit der ^ eingesetzten Kugel 104 aus leitendem Material dient in den gezeigten Beispiel als Handhabe ftlr die Kugel 104 zu ihrer punktgenauen Einstellung, so dass die Kugel 104 selbst nicht berührt werden muss. Auf diese Weise wird verhindert, daes sich auf der Kugel 104 Schmutz oder Oxyde absetzen, so dass eine gute elektrische Leitfähigkeit der herzustellenden Verbindung gewährleistet 1st.

Di· Verbindung zwlsohen der Kugel 104 einerseits und den Leitern 100 und 102 andererseits erfolgt vorzugsweise durch Verschwelseen oder durch Hartlusten. Zum Schwelssan werden an eine Stromquelle

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109 eingeschlossene Elelctroden 100 und110 nit den Leitern 100 br.w. 102 in T-orUhriuir: n;cbrocht und dnbei dio Elektroden 108 und 110 alt der Kugel 104 axial ausgerichtet.

Die durch die Elektroden 108 und 110 bewirkte Erwärmung konzentriert nsich in dtr Kugol 10*}, und dor Strom wird soweit gesteigert, bis die Kugel 104 schmilzt. Düböl fliocst ei« in den Bereich zwischen den Leitern 100 und 10S₉ und die erzeugte Wärme welohtgleichzeitig die thermoplastische Trägerplatte 106 auf. Beim ansohllesäenden Abkühlen erhörten sich c ο wohl die Kußol 104 als auch die Tr&cerplntto 1C6, bo dass einerseits eint· foste elektrische Verbindung zwischen den Leitern 100 und 102 entstanden lot und andererseits eine Isolierschicht zwischen den Leitern 100 und 102 in dem die jetzt deformierte Kugel 10*1 unsebenden Bei'eich, wie in Pig.6 gezeigt.

Im folgenden werden einige Beispiele für die Crtfsse und Werkstoffwahl der verwendeten Elemente gegeben. Der Durohmesser der verwendeten Kugeln betrU&t Im allgemeinen zwischen 0,05 und 0,1 Rita. Als Werkstoff6 für die Trägerplatte, (Sie bein Erhitzen eine klebrige Konsistenz haben« haben sich die folgenden Materialien bewiihrt (die zugehörigen Verformuitgetemperaturen sind jeweils,in Klammer gesetzt): Polyethylenterephthalat (2?2° C)_#/Polyäthylen beschichtetes Polyätbylen-Terephthalat (93-121° C), mit PolyKthylen besohlohtetes Polytetrafluoraläthylen (93-121° C), Poly-TetrafluorUthylen (26o°C), ßJLyäthylen (93-121 °C) und UatronkaStGlas (963⁰C). Für die Kugeln sind Losierungen zu bevorzugen, die an den zu verbindenden Leitern gut anhaften! zum Verbinden von Kupferleitern sind beispielsweise Kugeln aus 8056 Kupfer, 15^ Silber und *>f Bnsphor geeignet oder aus 95Ji Kupfer und 5$ Phosphor. Mit solchen Kugeln können auch zwei als Leiter dienende Molybdänstreifen verbunden werden.

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Zur elektrischen Verbindung von Wolframstreifen sind Kugeln nur, oin«r !.-"'-icrunc; v.\i 10;' nh'j.Uuiii und ^CJG,' Platin su bevoiT» zugon. Die auf die Kugel 104 gemäss Fig.5 einwirkende Erhitzung mittels der Elektroden 108 und 110 wird auf etwa 650⁰ C gesteigert, um eine einwandfreie Schweißsverbindung herzustellen.

Bei Anwendung eines Lötverfahrens anstelle der SchweiBSung 1st die Kugel 104 vorher mit einem der üblichen Flussmittel zu beschichten. Das Flussmittel kann dann beim Lötvorgang In den Bereich zwischen den Leitern 100 und 102 abfliessen. φ Lässt man dabei eingeeignetes Edelgas auf den Lötbereioh einwirken, so werden die aus dem Flussmittel entstehenden Dämpfe abgezogen. Mit Hilfe dieser Massmvhme können auch oxydierende Metalle, wie z.B. Aluminium, miteinander verbunden werden.

Das beschriebene Verfahren dient nicht nur zur Herstellung einer leitenden Verbindung von zwei Lettern, sondern kann auch angewendet werden zur Herstellung von nichtleitenden Verbindungen zweier Leiter. Z.B. werden zwei Leiter aus Tantal mittels einer in einer thermoplactIschen Trägerplatte eir .gebetteten Kugdl fest miteinander verbunden, wobei zur Erhitzung des Glases vorzugsweise ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl dient.

W In Fig.8 sind drei Leiter 200, 202 und 204 gezeigt« von denen die ersten beiden zueinander parallel und bezüglich des Leiters 204 im rechten Winkel und in einer anderen Ebene angeordnet sind. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung sowohl zwischen dem Leiter 200 und 204 als auch zwischen dem Leiter 202 und an einer ganz bestimmten Stelle dient die in Fig.7 gezeigte Trägerplatte 210 mit den beiden Kugeln 206 und 208* l>iese Kugeln sind in die Trägerplatte 210 nach dem beschriebenen Verfahren in einem vorbestimmten Abstand eingebettet, der deraAbstand

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der Mittellinien dee Leiters 200 und des Leiters 202 entspricht.

Zur Herstellung der gewünschten Verbindung zwischen den Leitern 200, 202 und 204 wird geraäss Fig.8 die in Fig.7 gezeigte Trägerplatte 210 zwischen die betreffenden Leiter gelegt, und mittels eines anschliensend durchgeführten Schweiss-oder Lötverfahrens werden die Loiter elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Nach den Herateilen der Verbindungen dient in der beschriebenen Welse die Trägerplatte 210 als Isolierung der übrigen, nicht miteinander verbundenen Bereiche der Leiter 200 und 204 bzw. 202 und 204.

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Claims

1 ο 15885 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen leitenden Teilen von elektrischen Schaltungsplatten, insbesondere Mikromoduln, mittels lötbarer Elemente, bei dem eine diese Elemente aufnehmende isolierende Trägerplatte zwischen den zu verbindenden Leitern angeordnet und in einem anschließenden Lötvorgang die Elemente erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in der gewünschten Flächenanordnung unter Wärmeeinwirkung in eine aus thermoplastischem Werkstoff bestehende isolierende Trägerplatte eingebettet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor bzw. während ihres Einbettens die Elemente selbst erwärmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte vor bzw. während des Einbettens der Elemente erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus einem der folgenden Materialien besteht: Polyäthylen-Terephthalat, mit Polyäthylen beschichtetes Polyäthylen-Terephthalat, mit Polyäthylen beschichtetes PoIy-Tetrafluoraläthylen, Poly-Tetrafluoräthylen, Polyäthylen oder Natronkalk-Glas.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3 zur Herstellung einer leitenden Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus einer Legierung von 80 % Kupfer, 15 % Silber und 5 % Phosphor oder aus einer Legierung von 95 % Kupfer und 5 % Phosphor oder aus einer Legierung von 10 % Rhodium und 90 % Platin bestehen.

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Neue Unterlagen iah. ί _ä ι aus. 2 Nr. 1 öau 3 des Änuerungeeee. v. 4.'., ■■

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6, Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, zur Herstellung einer nichtleitenden Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Glas bestehen.

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