DE1943933A1

DE1943933A1 - Gedruckte Schaltung

Info

Publication number: DE1943933A1
Application number: DE19691943933
Authority: DE
Inventors: Burke Jun Peter Joseph
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-09-03
Filing date: 1969-08-29
Publication date: 1970-03-12
Also published as: US3530229A; JPS4819466B1; FR2017228A1; GB1234314A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen GeeelUchaft mbH

Böblingen, 27. August 1969 mö-rz

Anmelder in:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket OW 968 009 Gedruckte Schaltung

Die Erfindung betrifft eine gedruckte Schaltung, bestehend aus auf einem kupferkaschierten Isoliermaterial ausgebildeten Schaltungsmuster, dessen mittels eines Wärmezufuhrprozesses, z.B. Löten, zu kontaktierende Bereiche an sich unterschiedlich große Flächen aufweisen.

Elektrische Schaltungen werden heute allgemein in sogenannter gedruckter Schaltungstechnik ausgeführt. Zum Herstellen von gedruckten Schaltungen verwendet man kupferkaschierte Isolierplatten. Auf die z.B. 50 um dicken Kupferfolien werden die Schal· tungen auf fototechnischem oder drucktechnischem Wege als ätzfeste Schichten aufgebracht. Dann ätzt man die von diesen Schichten nicht bedeckten Kupferflächen heraus, so daß nur die Schaltung in Kupfer übrigbleibt. Anschließend werden die Platten

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mit den für die Anschlußstifte nötigen Löchern versehen. Die Anschlußstifte selbst werden meist nach einem Lötverfahren in diesen Löchern befestigt und dabei elektrisch mit den entsprechenden Leiterzügen bzw. Leiterebenen verbunden. Infolge der immer komplexer werdenden elektrischen Netzwerke ging man von einseitig kaschierten Trägerplatten zu beidseitig kaschierten Platten und später zu ausgesprochenen Mehrschicht-Platten über. Eine weitere Entwicklung in diesem Schaltungkonzept stellen die ^ flexiblen Verdrahtungen und Flachkabel dar. Durch sie wurde eine weitere Steigerung der Packungsdichte erreicht. Bedingt durch die sehr dünnen Trägerfolien lassen sich beliebige elektrische Funktionen in ein Verdrahtungssystem mit einbeziehen.

Bei derartigen, mehrere Metallisierungsebenen aufweisenden Schaltkarten bzw. Flachkabeln sind die einzelnen Ebenen nicht selten bestimmten elektrischen Aufgaben zugeordnet. Beispielsweise ist eine Ebene die eigentliche Signalebene, auf der die gegenseitige Verbindung der auf der Platte aufgebrachten Bauelemente mittels w schmaler flächenhafter Leiterzüge vorgenommen wird. Andere Ebenen dienen beispielsweise als Abschirmflächen oder als Spannungsebenen, z.B. Masse-Ebene, und bestehen demzufolge nicht aus schmalen Leiterzügen sondern stellen eine relativ großflächige zusammenhängende Kupferschicht dar. Diese großflächigen Kupferebenen weisen nur an den Durchverbindungsstellen, mit denen sie keinen Kontakt haben sollen, Aussparungen auf. Sollen nun durch Lötung einwandfreie elektrische Verbindungen zu einzelnen Leiterzügen und/oder zu einer solchen durchgehenden

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Kupferebene hergestellt werden, treten recht erhebliche technische Probleme infolge der unterschiedlichen Anschlußflächen und damit der unterschiedlichen Wäraw ableitung auf. Die Löttemperatur, die Lötzeit bzw. die Wärmekapazität der Lötspitze ■ttssen zur Erzielung einer einwandfreien Lötung entsprechend der Fora und Größe der zugehörigen Anschlußstelle bzw. des Lötauges geändert werden. Die Wahl einer zu hohen Temperatur bzw. einer zu langen Lötzeit würde bei einem flächenmäßig sehr kleinen Lötauge, wie es am Ende eines schmalen Leiterzugs auftritt, zu einer Zerstörung des Basismaterials bzw. zu einer Auflösung des Klebers führen. Andererseits wären aber genau diese Bedingungen exakt richtig, wenn eine Lötverbindung zu einer relativ großflächigen durchgehenden Kupferebene hergestellt werden sollte. Wählt man die Lötbedingungen entsprechend den Verhältnissen eines an einen schmalen Leiterzug angeordneten Lötauges, würden gerade diese Bedingungen zu einer kalten oder jedenfalls nicht einwandfreien Lötung an der großflächigen Kupferschicht führen.

Wenn man andererseits bedenkt, daß gerade die Lötstellen in der Praxis für die Betriebssicherheit und die Ausfallursachen hauptsächlich verantwortlich sind, sieht man die Notwendigkeit von technischen Verbesserungen gerade bezüglich dieses Problems ein. Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Weg vorzuschlagen, bei dessen Beschreitung alle Lötungen unabhängig ob sie nun zur elektrischen Verbindung mit schmalen Leiterzücen oder großflächigen durchgehenden Metallisierungen dienen sollen, unter gleichen Lötbedingen ausgeführt werden können.

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Ausgehend von einer gedruckten Schaltung, bestehend aus auf einem kupferkaschierten Isoliermaterial ausgebildeten Schaltungmuster, dessen mittels eines Wärmezufuhrprozesses, z.B. Löten, zu kontaktierende Bereiche an sich unterschiedlich große Flächen aufweisen, ist die Lösung der obigen Aufgaben erfindungsgemäß dadurch ge· kennzeichnet, daß die unmittelbaren Anschlußflächen bezüglich ihrer Wärmeableitung gleich ausgebildet sind. Gemäß einem vorteilhaften Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sind die unmittelbaren Anschlußflächen einer an sich großflächigen zusammenhängenden Kupferebene elektrisch über schmale Stege mit dem übrigen Teil der großflächigen Kupferebene verbunden. Die Breite dieser Stege wird dabei etwa die normale Leiterzugbreite sein können. Ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß alle unmittelbaren Anschlußflächen der Schaltung flächenmäßig gleich groß sind und daß zur Bildung eines elektrischen Anschlusses an einer relativ großflächigen Kupferebene die unmittelbare Anschlußfläche von einem diese bis auf schmale Stege umschließenden Isolationsgebiet umgeben (getrennt) ist. Vorzugsweise werden diese Isolationsgebiete durch Ätzprozesse auf der kupferkaschierten Platte freigelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf das Endstück eines Flachkabels,

in der die mit den verschiedenen Leiterebenen verlöte-

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- 5 ten Anschlußelemente zu sehen sind;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Flachkabelstück nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2;

Fig. 3 eine Ansicht von unten auf ein einzelnes Anschlußstück des Kabels nach den Fign. 1 und 2, aus dem die Details der erfindungsgemäßen Anschlußweise hervorgehen und

Fig. 4 einen Ausschnitt des Flachkabelstücks nach Fig. 1, bei dem die Anschlußstifte entfernt sind, so daß die Ausbildung der den Wärmefluß beim Lötvorgang bestimmenden Kupferebenen deutlich wird.

In den Fign. 1 und 2 besteht das Flachkabelstück 10 aus einer dielektrischen Schicht 11, auf deren Oberseite mehrere einzelne Leiterstreifen 12 und auf deren Unterseite eine Masse-Ebene 13 aufgebracht sind. Die Leiterebenen 12 und 13 bestehen aus den Metallschichten 14 und 15, die auf den entsprechenden Oberflächen der dielektrischen Schicht 11 haften. Zum Zwecke der Bildung eines Anschlusses ist die Metallschicht 14 des Leiterstreifens 12 zu einem Anschlußstück νerbreitert, in dem sich zentrisch eine öffnung befindet. Diese Öffnung deckt sich mit einem durch die dielektrische Schicht 11 verlaufenden zylindrischen Kanal 16 (through hole). Auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 11 ist ebenfalls ein rundes Anschlußstück 17 in der die Masse-Ebene 13 bildenden Metallschicht 15 ausgebildet, das ebenfalls

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eine nit dem durch die elektrische Schicht 11 verlaufenden Kanal 16 deckungsgleiche zentrische Öffnung aufweist. In Fig. 4 ist gezeigt, daß dieses Anschlußstück 17 in der Metallschicht 15 durch eine ringförmige Aussparung 18 elektrisch gegen die Masse-Ebene 13 isoliert ist. Zur elektrischen Verbindung des auf der den Leiterstreifen 12 tragenden Metallschicht 14 gebildeten Anschlußstücks mit dem Anschlußstück 17 auf der Metallschicht ist die gesamte Metallschicht 14 des Leiterstreifens 12, der fe Kanal 16 und das Anschlußstück 17 auf der Metallschicht 15 mit einer durchgehenden Metallschicht 19 plattiert. Zur elektrischen Verbindung eines externen Schaltungsteils mit dem Leiterstreifen 12 dient ein mittels der Lötmaterialschicht 21 befestigter Anschlußstift 20. Die Lötmaterialschicht 21 bedeckt dabei die Verbindungsschicht 19 auf dem Leiterstreifen 12, im Kanal 16 und auf dem Anschlußstück 17.

Zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses mit der Masse-Ebene 13, ist auf der Metallschicht 15 auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 11 ein Anschlußstück 22 ausgebildet, das mit dem übrigen Teil der Masse-Ebene 13 über die relativ kleinen Stege 23 und 24 verbunden ist. Die eigentliche Anschlußfläche 22 weist wiederum eine mit dem Kanal 27 in der dielektrischen Schicht 11 deckungsgleiche öffnung auf. Auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 11 ist aus der Metallschicht 14 ein rundes Anschlußstück 28, ähnlich dem Anschlußstück 17, geformt, das ebenfalls eine mit dem Kanal 27 deckungsgleiche öffnung besitzt. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung Docket OW 968 009 009811/1297

zwischen den Anschlußstücken 22 und 28 ist die gesamte Oberfläche der Metallschicht 15 einschließlich des Anschlußstücks 22 und der Brückenflächen 23 und 24, der Innenflächen des Kanals 27 und der Anschlußfläche 28 mit einer durchgehenden Metallschicht 29 plattiert. Der äußere Anschluß der Masse-Ebene 13 wird über den Anschlußstift 30 hergestellt. Dieser ist mittels der Lötmaterialschicht 31 befestigt, die sich ihrerseits über der Verbindungsschicht 29 im Bereich des Anschlußstücks 22, im Kanal 27 und im Bereich des Anschlußstücks 22 auf der Masse-Ebene 13 erstreckt. Die Löteaterialschicht 31 bedeckt dabei nicht die Stege 25 und 26. Nur über diese Stege 25 und 26 erfolgt die elektrische Verbindung des Anschlußstiftes 30 zur Masse-Ebene 13. Die Leiterstreifen 12 und die Masse-Ebene 13 sind mit dielektrischen Schichten 32 und 33 bedeckt. Diese Schichten sind auf dem Kabelstück zwischen den Anschlußbereichen zur elektrischen Isolation und mechanischen Verfestigung aufgebracht.

Obgleich verschiedene Materialien im Zusammenhang mit dieser Erfindung Verwendung finden können, besteht das in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzte dielektrische Material 11 aus einem flexiblen Polyimid-Material, dessen Außenflächen mit Kupfer kaschiert sind. Die Schichten 19 und 29 werden vorzugsweise stromlos aus einem Kupferbad niedergeschlagen. Neben der eigentlichen elektrischen Verbindung dienen diese plattierten Schichten als Korrosionsschutz für die Metallschichten 14 und 15, sowie für die Anschlußflächen und die Stegbereiche

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23 und 24.

Zur Herstellung eines derartigen Kabels werden zweckmäßig zunächst alle benötigten Bohrungen vorgenommen und anschließend das ganze Leitungsmuster mit den Anschlußflächen geätzt. Ausgehend von der kupferkaschierten Grundplatte werden diese Bohrungen an den Endstücken des Kabels in einer oder mehreren Reihen angebracht. Ein Fotolack, z.B. KPR, wird anschließend auf die Kupferschicht

) aufgetragen, wobei darauf zu achten ist, daß der Fotolack nicht in die Bohrungen gerät. Nach einer genauen Justierung der Bohrungen wird ein fotografisches Bild des gewünschten Leitungs-■usters mit den Anschlußflächen gleichzeitig auf beide Seiten des Flachkabels 10 projiziert. Die übrige Fotolackschicht wird darauf entfernt und die freigelegten Kupferflächen weggeätzt. Als Ätzmittel kann Eisen(III)-Chlorid verwandt werden. Nachdem auf diese Weise die Leiterzüge 12, die Anschlußflächen 17 und 27 sowie 22 mit den Stegen 23 und 24 hergestellt worden sind,

. wird das Flachkabel 10 gewässert und getrocknet. Vor dem anschließenden Aufplattieren der Schichten 19 und 29 werden die durchgehenden Bohrungen in einer alkalischen Reinigungslösung behandelt, um eine bessere Haftung der aufzuplattierenden Metallschicht in den Bohrungen zu erzielen. Nach diesem WaschvorgaYig wird das Flachkabel zur stromlosen Auf plattierung der Verbindungsschichten 19 und 29 in ein Kupferbad getaucht. Nach einem weiteren Wasch- und Trocknungsvorgang wird auf die dielektrischen Schichten 32 und 33 sowie auf die entsprechenden Kabelstücke ein Lötmittel aufgetragen
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und anschließend diese dielektrischen Schichten 32 und 33 unter Druck auf die entsprechenden Kabelflächenstücke auflaminiert und schließlich auf die genaue Länge abgeschnitten, so daß die Anschlußstücke freibleiben* Schließlich werden die Anschlußstifte 20 und 30 einzeln oder in Gruppen nach an sich bekannten Verfahren in die zugehörigen Anschlußflächen bzw. die Bohrungen eingelötet.

Infolge der besonderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anschlußflächen mit den einen unerwünscht hohen Wärmeabfluß eindämmenden Stegen 23 und 24 ist die für die Anschlußstifte 30 und 20 benötigte Wärmezufuhr im wesentlichen gleich. In beiden Fällen ist die zugeführte Wärme ausreichend, um eine gute Lötverbindung innerhalb der Anschlußflächen und der Bohrung zu erzielen, jedoch braucht sie nicht so groß zu sein, daß Gefahr für die dielektrischen Eigenschaften der Schicht 11 bestehen oder daß andere in unmittelbarer Nähe angeordnete Stifte ausgelötet werden könnten. Da die Anschlußstifte 20 und 30 unter Zufuhr derselben Wärmemenge gelötet werden können, ist eine schnellere Herstellung zu erzielen.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel mit nur zwei Leiterebenen beschränkt, sondern es kann ohne weiteres und mit Vorteil auch bei Mehrschichtstrukturen mit mehreren metallischen und damit als Wärmeabfluß anzusenenden Ebenen Verwendung finden. Desgleichen ist die Erfindung nicht auf dielektrisches Material wie Polyimid oder auf flexible Flachkabel beschränkt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Gedruckte Schaltung bestehend aus auf einem kupferkaschierten Isoliermaterial ausgebildeten Schaltungsmuster, dessen mittels eines Wärmezufuhrprozesses, z.B. Löten, zu kontaktierende Bereiche an sich unterschiedlich große Flächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbaren Anschlußflächen bezüglich ihrer Wärmeableitung gleich ausgebildet sind.
2. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbaren Anschlußflächen einer an sich großflächigen zusammenhängenden Kupferebene elektrisch über schmale Stege mit dem übrigen Teil der großflächigen Kupferebene verbunden sind.
3. Gedruckte Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß alle unmittelbaren Anschlußflächen der Schaltung flächenmäßig gleich groß sind und daß zur Bildung eines elektrischen Anschlusses an einer relativ großflächigen Kupferebene die unmittelbare Anschlußlfäche von einem diese bis auf schmale Stege umschließenden Isolationsgebiet umgeben ist.
4. Gedruckte Schaltung nach den Ansprüchen 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das die unmittelbare Anschlußfläche bis auf schmale Stege umgebende Isolationsgebiet durch Ätzung freigelegt ist.

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5. Gedruckte Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren in einer elektrischen Schaltung vorkommenden Anschlußflächen, die ihrerseits ■it unterschiedlich großen und dabei unterschiedlich wärmeleitenden Nachbarbereichen zusammenhängen, die unmittelbaren Anschlußflächen in einem relativ großflächigen Gesamtbereich von diesem durch ein die Wärmeableitung eindämmendes Isolationsgebiet getrennt sind, das lediglich durch relativ schmale Stege Überbrückt ist.

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