DE19543021A1 - Verfahren und Mittel zur Behandlung von Durchkontaktlöchern in mit Tauchvergoldung beschichteten Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Durchkontaktlöchern, die für Bauteile mit einer Tauchvergoldung beschichteter Leiterplatten beabsichtigt sind, wobei die Wandung der Durchkontakt­ löcher verkupfert und tauchvergoldet sind, bei welchem Verfahren eine Leiterplatte einem Schwallötprozeß aus­ gesetzt wird, in dem Lötmittel, vorzugsweise Zinn-Blei- Legierung, beim Löten der Bauteile in die Durchkontakt­ löcher geleitet wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf Mittel zum Beschichten tauchvergoldeter Durchkon­ taktlöcher in durch Feinteilungstechnik (fine pitch technology) verwirklichten Leiterplatten mit einem Löt­ mittel, das vorzugsweise einen überwiegenden Zinn-Blei- Anteil aufweist.

Bei Verfertigung LSI-Bauteile enthaltender, bestückter Leiterplatten durch "Feinteilungstechnik" ist es vorteilhaft, nach dem Tauchvergoldungsverfahren be­ schichtete Leiterplatten zu verwenden, weil durch Tauch­ vergoldung eine sehr glatte Anschlußoberfläche und ein ziemlich guter Schutz vor Korrosionen erreicht werden. Die bestückten Leiterplatten sind typisch Mehrlagenplatten, die sowohl oberflächenmontierbare Bauteile aufweisen als auch Bauteile, deren Beine durch Durchkontaktlöcher in der bestückten Leiterplatte verlaufen.

Eine Tauchvergoldungsbeschichtung ist seiner­ seits im Vergleich zu herkömmlicher Zinn-Blei-Beschich­ tung problematischer in einem Schwallötprozeß von Bau­ teilen, in dem die Bauteile an die Leiterplatte gelötet werden. Besonders wenn moderne Lötmittel mit niedriger Aktivität bei einem Schwallötprozeß ohne Waschen (no­ clean wave soldering process) verwendet werden, müssen die Prozeßparameter (Temperatur, Zeit, usw.) sich in einem bestimmten, schmalen Bereich befinden, damit ein annehmbarer Anschluß erreicht werden kann. Somit ist ein annehmbares Prozeßfenster sehr schmal. Eine Tauchvergol­ dungsbeschichtung wird im Schwallötprozeß verhältnismäßig langsam in Zinn-Blei-Legierung gelöst, was den Prozeß langsam macht. Eine Abschwächung der Lötbarkeit wird weiter von einer im Tauchvergoldungsprozeß entstehenden Dickenvariation der Beschichtung und von auf der Ober­ fläche oft vorkommenden, organischen u. a. Unreinheiten verursacht. Ein besonderes Problem besteht darin, daß die Zinn-Blei-Legierung im Schwallötprozeß nicht in der in den Qualitätsanforderungen vorausgesetzter Weise in die Durchkontakt-, d. h. Verbindungskontaktlöcher, steigt. Die Qualitätsanforderungen setzen voraus, daß die Zinn-Blei-Legierung mindestens um 75% der Höhe eines Verbindungskontaktlochs steigt.

Infolge des Obenangeführten und dem gemäß ist es notwendig, lange Prozeßzeiten beim Schwallötprozeß anzuwenden, und es ist beschwerlich, die Prozeßparameter zu beherrschen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile zu eliminieren. Um das zu verwirklichen, ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die tauchvergoldeten Durchkontaktlöcher vor dem Ende des Schwallötprozesses nach Druckverfahren von Lötpaste mit dem Lötmittel vor­ beschichtet werden, wobei an Lötaugen der Durchkontakt­ löcher mittels eines Drucksiebs Lötpaste ausgebreitet wird, die aufgeheizt wird, so daß sie schmilzt und sich als eine gleichmäßige, dünne Schicht auf den Wandungen der Durchkontaktlöcher ausbreitet. Die Tauchvergoldungs­ beschichtung ermöglicht eine sehr kleine Variation des Pastenvolumens, wenn ein Drucksieb verwendet wird. In der Praxis ist es leicht, die erwähnte Vorbeschichtung mit dem Lötmittel auszuführen, bevor die Leiterplatte dem Schwallötprozeß ausgesetzt wird, vorzugsweise in Verbindung mit dem Pastendruck und Löten von Oberflächen­ montagen. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den beigefügten Patentansprüchen 2 bis 6 angeführt.

Die erfindungsgemäßen Mittel zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Drucksieb, d. h. eine Schablone, aufweisen, in der wenigstens ein Loch zum Aus­ breiten von Lötpaste auf dem Lötauge eines Durchkontakt­ lochs ausgeformt ist. Vorzugsweise ist das Loch zum Aus­ breiten von Lötpaste auf dem Lötauge des Durchkontakt­ lochs so ausgeformt, daß es sich wesentlich ganz außer­ halb des Durchkontaktlochs befindet, aber wenigstens einen Teil des erwähnten Lötauges deckt. Dadurch wird verhindert, daß Lötpaste beim Ausbreiten in das Durch­ kontaktloch hineindringt, was dem Schaffen einer kon­ trollierten Dicke der Beschichtung hinderlich sein könnte. Vorzugsweise weist das Drucksieb für jedes Durch­ kontaktloch der Leiterplatte zwei Löcher auf, die sich an diametral entgegengesetzten Seiten des Durchkontakt­ lochs befinden. Richtig dimensioniert garantieren solche Löcher dem Durchkontaktloch eine ausreichende Vorbe­ schichtung vor der endgültigen Beschichtung im Schwall­ lötprozeß und vor der Befestigung des Bauteils. Die be­ vorzugten Ausführungsformen des Drucksiebs sind in den beigefügten Patentansprüchen 8 bis 11 beschrieben.

Die wichtigsten Vorteile der vorliegenden Er­ findung sind, daß die Qualität der Bauteilanschlüsse der Leiterplatten besser wird, der Schwallötprozeß be­ schleunigt werden kann und die Herstellungskriterien der Tauchvergoldungsbeschichtung gemildert werden können sowie die Anzahl der Maßnahmen bei Abnahmeprüfung ver­ mindert werden kann. Infolge des Obenangeführten wird die Ausbeute bestückter Leiterplatten besser und die Herstellungsgeschwindigkeit höher, und die Material- und Herstellungskosten sinken. Das für die Erfindung erfor­ derliche Drucksieb ist bei CAD-Planung leicht zu ver­ wirklichen, wobei die Durchlochung der Lötaugen der Durchkontaktlöcher in den Zeichnungen verwirklicht wird. Das zum Ausführen des Verfahrens erforderliche Drucksieb kann dasselbe sein, das zum Pastendruck bei Oberflächen­ montagen verwendet wird, wobei das Drucksieb nur mit zum Ausführen des Verfahrens erforderlichen Zusatzlöchern versehen ist. Das Ausbreiten von Paste in die Durchkon­ taktlöcher kann in derselben Arbeitsphase verwirklicht werden wie der Pastendruck bei Oberflächenmontagen.

Im folgenden wird die Erfindung mittels einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren als Teil der Herstellung einer bestückten Leiterplatte und

Fig. 2 eine Positionierung und Dimensionierung der Löcher eines Drucksiebes.

Bei Herstellung von LSI-Bauteile enthaltenden, bestückten Leiterplatten durch Feinteilungstechnik wird kurz in der Weise verfahren, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Zuerst werden in einer Epoxybasisplatte, oder in irgendeiner anderen, zu diesem Zweck geeigneten Isolier­ platte, Durchkontaktlöcher und kupferne Leiterbilder ausgeformt, welche Phasen in diesem Zusammenhang nicht erläutert werden, weil sie dem Fachmann selbstverständ­ liche Tatsachen sind. Danach werden die Leiterbilder und die Durchkontaktlöcher vergoldet. Die Vergoldung wird durch Tauchvergoldung angeführt. Eine Tauchvergoldung weist mehrere chemische Phasen auf und wird ohne Ver­ wendung elektrischen Stromes durchgeführt. Unmittelbar unter der Goldbeschichtung bleibt eine dünne Nickel­ schicht. Weil auch Tauchvergoldung, d. h. "immersion gold"-Prozeß, bei der Herstellung von Leiterplatten bekannt ist, wird dieses Verfahren in diesem Zusammen­ hang nicht beschrieben. Nach der Vergoldung bestehen die Wandungen des Durchkontaktlochs aus einer Metallhülse, auf deren Oberfläche eine dünne Goldschicht vorgesehen ist. Auf die Herstellung von Leiterplatten spezialisier­ te Fabriken sorgen für die Herstellung der Leiterplatte bis hierher. Für Positionierung und Befestigung von Bau­ teilen an der Leiterplatte sorgen die Hersteller be­ stückter Leiterplatten, die gewöhnlich nicht dieselben sind wie die Leiterplattenhersteller. Die vorliegende Erfindung betrifft wesentlich Phasen nach der Tauchver­ goldung und die Weise, wie die Bauteile an der Leiter­ platte gut befestigt werden können. Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Durchkontaktlöcher vor dem Schwallötprozeß, oder bevor es zu Ende ist, nach Druck­ verfahren von Lötpaste mit einem Zinn-Blei-Lötmittel be­ schichtet werden. Dank dessen wird der Schwallötprozeß nicht nur schneller, sondern die Qualität des Anschlusses ist gut und die Ausbeute größer.

Die erwähnte Vorbeschichtung nach Druckverfahren von Lötpaste wird mittels eines Drucksiebs ausge­ führt. Mit dem Drucksieb wird Lötpaste auf der Primär­ seite der Leiterplatte ausgebreitet, d. h. auf der Seite, wo Bauteile hauptsächlich angebracht werden. Die entge­ gengesetzte Seite der Leiterplatte wird sich somit bei dem künftigen Schwallötprozeß gegen den Schwall legen. Zum Ausbreiten von Lötpaste ist im Drucksieb ein Loch oder mehrere Löcher vorgesehen, das unmittelbar an dem Lötauge des Druckkontaktlochs liegt. Dann kann vorzugs­ weise nach der in Fig. 2 gezeigten Lochgeometrie ver­ fahren werden. Bezugszeichen 1 bezeichnet ein vergolde­ tes Lötauge eines Durchkontaktlochs in einer Leiterplatte 5 von oben und Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen in einem Drucksieb 6 ausgeformte Löcher. Ein Zirkel 4a bezeichnet den Außenumfang des Lötauges 1 und ein Zirkel 4b die tauchvergoldete Wandung des Umfangs des Durchkon­ taktlochs. Die Größe und Positionierung der Löcher 2, 3 des Drucksiebs sind wichtig, damit eine richtige Menge Lötmittel nach Druckverfahren von Lötpaste in das Durch­ kontaktloch zugeführt werden kann.

Nach der Ausbreitung der Lötpaste in die Löcher 2, 3 des Drucksiebes wird das Drucksieb beseitigt, wobei den Löchern entsprechende Lötmittelbeschichtungen ("Löt­ pastenklümpchen") auf der Leiterplatte bleiben. Danach wird die Leiterplatte in einem Schmelzofen hineinge­ führt, in dem die Lötmittelbeschichtungen schmelzen und das Durchkontaktloch 4 und das Lötauge 1 mit einer Zinn- Blei-Legierung beschichten, und die Leiterplatte wird aus dem Schmelzofen beseitigt. Die Dicke der entstehen­ den Zinn-Blei-Beschichtung des Durchkontaktlochs ist vorzugsweise 10 bis 20 µm. Der Dickenbereich kann auch weiter sein, beispielsweise 7 bis 30 µm. Danach und nach der Positionierung der Bauteile wird die Leiterplatte dem Schwallötprozeß ausgesetzt, in dem ein geschmolze­ ner Zinn-Blei-Schwall die Beine der Bauteile und die Verbindungskontaktlöcher taucht und die Bauteile an den vorbehandelten Durchkontaktlöchern befestigt. Dank der Vorbehandlung der Durchkontaktlöcher saugt das Lötmittel des Schwallötprozesses schnell in die Löcher hinein und beschichtet sie um über 75% von deren Höhe.

Im Druckverfahren von Lötpaste ist es vorteilhaft, zirkelförmige Löcher 2, 3 nach Fig. 2 zu verwenden, weil sie leichter herzustellen sind und weil es leicht ist, die Menge der darin eingehenden Lötpaste zu rechnen, wenn die Dicke des Drucksiebes bekannt ist. Die Dicke des Drucksiebes befindet sich im Bereich von 100 bis 200 µm. Zirkelförmige Löcher weisen keine Lötpasten­ klümpchen brechende Kanten auf und sind auch nicht sonst zum Brechen geneigt. Aus der Figur ist zu sehen, daß die Löcher 2, 3 gleich groß sind und sich außerhalb des ver­ goldeten Durchkontaktlochs 4 befinden, was ein Sinken von Lötpaste beim Ausbreiten in das Durchkontaktloch verhindert. In der Figur befinden sich die Löcher 2, 3 an den diametral entgegengesetzten Seiten des Durchkon­ taktlochs 4, und der Durchmesser B der Löcher 2, 3 im Drucksieb ist C-A, wobei C der Abstand zwischen den Mittelpunkten O, O der Löcher 2, 3 ist und A der Durch­ messer des Durchkontaktlochs 4 nach der Tauchvergoldung ist. Wenn die Dicke der Leiterplatte 1,4 bis 1,8 mm und die Dicke des Drucksiebes 6 von 100 bis 200 µm ist, ist es bei geltender Geometrie für das Schlußresultat sehr empfehlenswert, daß der Durchmesser B der Löcher 2, 3 in Millimetern ausgedrückt nahezu 0,2C + 0,5 ist. Dann wird die Menge der Lötpaste richtig sein. Im Fall der Figur decken die Löcher 2, 3 ungefähr 10% der Fläche des Lötauges 1. Je dünner das verwendete Drucksieb ist, je größere Löcher 2, 3 müssen verwendet werden, und um­ gekehrt. Entsprechend verlangt ein tiefes Durchkontakt­ loch (dicke Leiterplatte) mehr Lötpaste als ein niedri­ ges Durchkontaktloch (dünne Leiterplatte) zum Schaffen einer gewünschten Dicke (10 bis 20 µm) der Zinn-Blei- Beschichtung.

Oben wird die Erfindung mittels einer bevorzug­ ten Ausführungsform beschrieben und dazu wird bemerkt, daß die Einzelheiten der Erfindung in vielen Weisen im Rahmen der beigefügten Patentansprüche variieren können. Somit kann die Anzahl der Löcher im Drucksieb von der in Figur gezeigten abweichen: es ist möglich, nur ein Loch zu verwenden, oder mehrere Löcher, deren Flächen insgesamt der summierten Fläche der Löcher 2, 3 in Fig. 2 im großen und ganzen entsprechen. Mit einem einzigen zirkel­ förmigen Loch wird jedoch kein gutes Ergebnis er­ reicht, und deshalb soll die Form des Loches, wenn nur ein Loch verwendet wird, mit der Form des Lötauges über­ einstimmen und zum Beispiel der Form einer bogenförmigen Banane oder eines Halbmonds ähnlich sein. Statt zirkel­ förmiger Löcher 2, 3 können ovale Löcher verwendet werden. Die Formen der Löcher sind jedoch nicht darauf be­ schränkt, was oben angeführt worden ist, sondern im Prinzip können die Löcher jede beliebige Form haben, die es ermöglicht, eine ausreichende Menge Lötpaste auf den Lötaugen der Durchkontaktlöcher auszubreiten. Es ist auch denkbar, daß die Lötpaste einen überwiegenden An­ teil Silber aufweist oder daß ihre Zusammensetzung sonst von der Zusammensetzung der herkömmlichen Zinn-Blei-Löt­ paste abweicht. Es ist weiter denkbar, daß die mittels des Drucksiebs geschaffenen Lötpastenklümpchen in dem eigentlichen Schwallötprozeß geschmolzen werden, wobei erforderliche Schmelzmittel für diesen Zweck zu dem Schwallötprozeß hinzugefügt werden müssen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Behandlung von Durchkontakt­ löchern (4), die für Bauteile mit einer Tauchvergoldung beschichteter Leiterplatten (5) beabsichtigt sind, wobei die Wandungen der Durchkontaktlöcher verkupfert und tauchvergoldet sind, bei welchem Verfahren eine Leiter­ platte einem Schwallötprozeß ausgesetzt wird, in dem Lötmittel, vorzugsweise Zinn-Blei-Legierung, beim Löten der Bauteile in die Durchkontaktlöcher geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die tauchver­ goldeten Durchkontaktlöcher (4) vor dem Ende des Schwallötprozesses nach Druckverfahren von Lötpaste mit dem Lötmittel vorbeschichtet werden, wobei an Lötaugen (1) der Durchkontaktlöcher mittels eines Drucksiebs (6) Lötpaste ausgebreitet wird, die aufgeheizt wird, so daß sie schmilzt und sich als eine gleichmäßige, dünne Schicht auf den Wandungen (4b) der Durchkontaktlöcher ausbreitet.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbeschichtung mit dem Lötmittel ausgeführt wird, bevor die Leiterplatte (5) dem Schwallötprozeß ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lötpaste durch mindestens zwei Löcher (2, 3) im Drucksieb (6) auf dem Löt­ auge (1) des Durchkontaktlochs (4) ausgebreitet wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2, 3) im Drucksieb (6) rund sind.

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2, 3) im Drucksieb (6) sich wesentlich ganz außerhalb des Durch­ kontaktlochs (4) befinden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Lötaugen (1) der Durchkontaktlöcher (4) ausgebreitete Lötpaste einen überwiegenden Anteil Zinn und Blei aufweist und daß die Lötpastenmenge so gewählt wird, daß die Beschichtungsdicke des Lötmittels an den Durchkontaktlöchern (4) 10 bis 20 µm sein wird.

7. Mittel zum Beschichten tauchvergoldeter Durchkontaktlöcher (4) in Leiterplatten mit einem Löt­ mittel, das vorzugsweise einen überwiegenden Anteil Zinn und Blei aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein Drucksieb (6) aufweisen, in dem mindestens ein Loch (2, 3) zum Ausbreiten von Löt­ paste auf einem Lötauge (1) eines Druchkontaktlochs (4) ausgeformt ist.

8. Mittel nach Patentanspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Loch (2, 3) zum Aus­ breiten von Lötpaste auf dem Lötauge (1) des Durchkon­ taktlochs (4) so ausgeformt ist, daß es sich wesentlich ganz außerhalb des Durchkontaktlochs befindet, aber mindestens einen Teil des erwähnten Lötauges deckt.

9. Mittel nach Patentanspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Drucksieb (6) mindestens zwei Löcher (2, 3) zum Ausbreiten von Lötpaste auf dem Lötauge (1) des Durchkontaktlochs aufweist.

10. Mittel nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksieb zwei gleich große, zirkelförmige Löcher (2, 3) aufweist, deren Position so gewählt ist, daß sie sich wenigstens hauptsächlich an diametral entgegengesetzten Seiten des Durchkontaktlochs (4) befinden, wobei die Durchmesser B der zirkelförmigen Löcher der Gleichung B = C - Afolgen, in der C der Abstand zwischen den Mittelpunkten O, O der Löcher ist und A der Durchmeser des Durchkon­ taktlochs nach der Tauchvergoldung ist.

11. Mittel nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser B der Löcher (2, 3) im Drucksieb (6) in Millimetern ausge­ drückt ungefähr der Gleichung B = 0,2 C + 0,5folgen, der der C der Abstand zwischen den Mittelpunkten 0, 0 der Löcher in Millimetern ausgedrückt ist.