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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplattenanordnung entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektrische
Leiterplatten bestehen im einfachsten Fall aus einer dielektrischen
Trägerplatte, die
einseitig oder auch beidseitig ein elektrisches Leiterbild trägt. Im letzteren
Fall stehen die Leiterbilder regelmäßig über sogenannte Durchkontaktierungen elektrisch
in Verbindung. Letztere werden durch durchgängige, innenseitig mit einer
metallischen Beschichtung überzogene
Bohrungen gebildet, so dass diese Beschichtung ein Element der durch
die Leiterbilder dargestellten Schaltung bildet. Neben durchgängigen metallisierten
Bohrungen sind die Leiterplatten auch durch sacklochartige metallisierte
Bohrungen gekennzeichnet, die immer dann benutzt werden, wenn keine
durchgängigen
Bohrungen erforderlich sind. Die Leiterplatten sind zur Bestückung mit elektrischen
Bauelementen bestimmt, und zwar regelmäßig durch Verlötung.
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Derartige
Leiterplatten kommen auch in der Form der sogenannten Mehrebenen-Leiterplatten zum
Einsatz, bei denen mehrere Trägerplatten übereinander
angeordnet sind, zwischen denen sich elektrische Leiterbilder befinden,
die zur Gänze
oder zumindest teilweise über
Durchkontaktierungen untereinander in elektrischer Verbindung stehen.
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Die
großtechnische
Herstellung dieser Leiterplatten erfolgt üblicherweise auf der Grundlage von
Fertigungspaneelen, die als Trägerplatten
fungieren, aus einem dielektrischen Werkstoff bestehen und regelmäßig mehrere
flächige,
mit Abstand nebeneinander angeordnete, jeweils eine Leiterplatte bildende
Leiterbilder tragen. Die Flächenabschnitte der
Trägerplatte
zwischen den Leiterbildern werden nach erfolgter Herstellung beim
Vereinzeln der Leiterplatten verworfen.
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Im
Zuge einer fortschreitenden Miniaturisierung und einer hiermit einher
gehenden Erhöhung der
Bestückungsdichte
kommen heute beispielsweise sacklochartige Bohrungen zum Einsatz
deren Durchmesser in der Größenordnung
von 0,1 mm und deren Tiefe in der Größenordnung von 0,05 mm liegt. Dies
wirft zunehmend Probleme auf, die die Sicherung einer durch gleichförmige elektrische
Parameter gekennzeichneten, reproduzierbaren Metallisierung insbesondere
im Bereich dieser Bohrungen betreffen.
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Regelmäßig erfolgt
die Herstellung der Leiterplatten und deren Bestückung mit elektrischen Bauteilen
in unterschiedlichen Unternehmen, so dass an der Schnittstelle zwischen
Hersteller und Nutzer Leiterplatten mit einer definierten Qualität übergeben
werden müssen.
Dies macht herstellerseitig besondere Maßnahmen zur Qualitätssicherung bzw.
zur Qualitätskontrolle
erforderlich. Es ist zwar bekannt, das auf einer fertigen Leiterplatte
installierte Leitungsnetzwerk einer elektrischen Funktionsprüfung zu
unterziehen, und zwar mit dem Ziel unerwünschte Verbindungen zwischen
Leitungselementen bzw. unterbrochene Leitungsverbindungen zu erkennen.
Diese Testmethode führt
jedoch insbesondere bei sehr kleinen Strukturen zu fehlerhaften
Aussagen, da z. B. die Metallisierungen u. U. örtlich geschwächt sein
können,
wobei diese Schwächungen unmittelbar
nach der Herstellung mit der vorstehenden Testmethode nicht erkennbar
sind. Wird jedoch nutzerseitig die Leiterplatte mit elektrischen
Bauelementen bestückt,
kann es infolge der durch den Lötvorgang örtlich eingebrachten
Wärme zu übermäßigen Dehnungen
und örtlichem
Trennen von Verbindungen im Bereich dieser Schwächungen kommen. Die ausgerüstete Leiterplatte
ist somit nicht einsetzbar und muss verworfen werden.
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Es
ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplattenanordnung
der eingangs genannten Art mit Hinblick auf eine zumindest herstellerseitig
verbesserte Möglichkeit
einer realistischen Qualitätskontrolle
hin auszugestalten. Gelöst ist
diese Aufgabe bei einer solchen Leiterplattenanordnung durch die
Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich
ist hiernach die Anordnung wenigstens eines Teststreifens, nämlich eines elektrischen
Leiterelements, das in gleicher Weise wie die Leiterbilder im übrigen hergestellt
worden ist und das zumindest eine metallisierte Bohrung einbindet.
Der Teststreifen endet in Messpunkten, die beispielsweise eine Widerstandsmessung
ermöglichen, wobei
der Widerstandsmesswert, gegebenenfalls unter Zugrundelegung eines
Toleranzfeldes als Kriterium für
eine mögliche
Fehlerhaftigkeit des zu prüfenden
Produktes herangezogen wird. Die Prüfung wird herstellerseitig
zweckmäßigerweise
erst durchgeführt,
nachdem in einem Ofen eine definierte Wärmebehandlung durchgeführt worden
ist, die darauf abzielt, die durch ein Lötverfahren gegebene thermische
Belastung möglichst
realistisch nachzubilden, und zwar sowohl hinsichtlich der Höhe der einwirkenden
Temperaturen als auch deren Zeitablaufs. Zum Zweck der Durchführung dieser
Prüfung
wird der Teststreifen aus dem Fertigungspaneel beispielsweise durch
Fräsen
herausgetrennt und anschließend der
genannten Wärmebehandlung
zugeführt.
Es wird somit nicht das Fertigungspaneel in seiner Gesamtheit sondern
nur der/die Teststreifen dieser Behandlung unterzogen. Metallisierungen,
deren Qualität
als nicht tolerierbar anzusehen ist, deren Fehlerhaftigkeit ansonsten
erst bei einem Lötprozess,
somit auf einer anderen Fertigungsstufe erkennbar wird, können somit
bereits herstellerseitig anhand des Verhaltens des Teststreifens
unter einem definierten Wärmeeinfluss
erkannt werden. Zweckmäßigerweise
werden mehrere derartiger Teststreifen entlang der Trägerplatte
vorgesehen, um ein hohes Maß an
statistischer Absicherung der aus der Widerstandsmessung/den Widerstandsmessungen
abgeleiteten Aussage zu gewinnen.
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Die
Merkmale der Ansprüche
2 und 3 sind auf die nähere
Ausgestaltung eines Teststreifens gerichtet. Dieser bildet keinen
Bestandteil des eigentlichen Leiterbildes und wird nach erfolgtem
Funktionstest, z. B. einer Widerstandsmessung verworfen. Die Teststreifenmessung
kann mit der Erhebung einer statistischen Stichprobe verglichen
werden, so dass diese mit der Maßgabe in der Fläche der
Trägerplatte verteilt
angeordnet werden, dass ein hohes Maß an Wahrscheinlichkeit für das Erkennen
fehlerhafter, nicht mehr zu tolerierender Qualitätsabweichungen gegeben ist.
Von dem Ergebnis der an den einzelnen Teststreifen vorgenommenen Messungen
wird somit auf den Zustand des Fertigungspaneels als Ganzes geschlossen.
Der Teststreifen besteht hiernach aus einer Mehrzahl an Widerstandselementen,
die untereinander über
metallisierte Bohrungen in Verbindung stehen. Die Leitungselemente,
die somit eine Widerstandskette bilden erstrecken sich beispielsweise oberhalb
und unterhalb einer Trägerplatte.
Durch das Einbinden mehrerer metallisierter Bohrungen verbessern
sich die Aussichten, fehlerhafte Metallisierungen erkennen zu können.
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Die
Merkmale der Ansprüche
4 bis 6 sind auf die flächenhafte
und räumliche
Verteilung der Teststreifen gerichtet. So ist bei einer Mehrebenen-Leiterplatte
stets jeder der Trägerplatten
wenigstens ein Teststreifen zugeordnet. Die Teststreifen befinden sich
im übrigen
in den Randbereichen der Trägerplatte
bzw. des Fertigungspaneels, die nach erfolgtem Funktionstest verworfen
werden können.
Im Falle mehrerer Teststreifen sind diese in der Ebene vorzugsweise
gleichförmig
verteilt.
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Gemäß den Merkmalen
der Ansprüche
7 und 8 ist ein Fertigungspaneel als größte herstellerseitige Fertigungseinheit
in mehrere Nutzen unterteilt, deren jeder als Träger einer oder mehrerer Leiterplatten fungiert.
Sowohl die herstellerseitige Fertigungseinheit als auch die Nutzen
weisen Randbereiche auf, die zur Aufnahme von Teststreifen eingerichtet
sind. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass der
Empfänger
des Fertigungspaneels einen jeden der regelmäßig mehreren Nutzen vor der
Bestückung mit
elektrischen Bauelementen nochmals prüfen kann, und zwar in gleicher
Weise wie vorstehend bereits beschrieben. Dass heißt, es werden
die Teststreifen vereinzelt und nach erfolgter Wärmebehandlung einer Prüfung, beispielsweise
einer Widerstandsmessung unterzogen. Auf diese Weise ist eine noch
differenziertere Prüfung
möglich,
und damit ein weiter erhöhtes
Maß an
statistischer Sicherheit.
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Wesentlich
ist, dass sich entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 9 die Messpunkte
in einer frei zugänglichen
Oberfläche
des Fertigungspaneels befinden, so dass diese mit einer Messeinrichtung
in Verbindung bringbar sind.
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Eine
erfindungsgemäß ausgestaltete
Leiterplatte bzw. eine Leiterplattenanordnung bieten sowohl dem
Hersteller als auch dem Nutzer dieser Produkte in einfacher Weise
ein hohes Maß an
Sicherheit, schadhafte Leiterplatten zu erkennen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Fertigungspaneels;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines in das Fertigungspaneel integrierten Teststreifens in einer
Draufsicht entsprechend dem Pfeil II der 3;
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3 eine
Schnittdarstellung des Teststreifens gemäß 2 in einer
Ebene III-III;
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4.
eine vergrößerte Darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines in ein Fertigungspaneel integrierten Teststreifens in der
Draufsicht entsprechend Pfeil IV der 5;
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5 eine
Schnittdarstellung des Teststreifens gemäß 4 in einer
Ebene V-V;
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6 eine
Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Fertigungspaneels.
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Mit 1 ist
in 1 ein global rechteckiges Fertigungspaneel bezeichnet,
welches vier Leiterplatten 2, 2', 2", 2"' trägt,
die jeweils ein zeichnerisch nicht dargestelltes kundenspezifisches
elektrisches Leiterbild tragen. Das Fertigungspaneel 1 wird
im einfachsten Fall durch eine aus einem dielektrischen Werkstoff
bestehende Trägerplatte 8 gebildet,
auf der in dem Flächenbereich
der genannten Leiterplatten in an sich bekannter Weise Leiterbilder
aufgetragen worden sind. In Betracht kommen jedoch auch sogenannte
Mehrebenen-Leiterplatten, bei denen eine Trägerplatte beidseitig mit Leiterbildern
belegt ist, die untereinander über
Durchkontaktierungen leitfähig
in Verbindung stehen. Schließlich
kann es sich auch um solche Mehrebenen-Leiterplatten handeln, bei
denen mehrere, sich parallel zueinander erstreckende dielektrische,
wenigstens einseitig mit Leiterbildern bestückte Trägerplatten zu einer Funktionseinheit
zusammengefasst sind, bei der die Leiterbilder der einzelnen Trägerplatten
wenigstens teilweise über Durchkontaktierungen
leitfähig
miteinander in Verbindung stehen.
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Mit 3, 4 sind
erfindungsgemäß Teststreifen bezeichnet,
deren jeder, wie die 2 und 3 im Einzelnen
zeigen durch Messpunkte 5, 6 charakterisiert ist,
welche im Bereich einer freien Oberfläche 7 einer Trägerplatte 8 angeordnet
sind. Diese Messpunkte 6, 7 sind als extern abgreifbare
Schnittstellen für
elektrische Funktionsprüfungen
korrigiert, hier zur Prüfung
des elektrischen Widerstands zwischen diesen Punkten, die somit
die Enden einer Widerstandskette definieren, die aus einer Folge
von Leitungselementen 9, 10 besteht, die sich
jeweils abwechselnd auf der Oberseite der Trägerplatte 8 bzw. auf
der Unterseite, zum Teil in die Substanz der Trägerplatte eingebunden erstrecken.
Die Leitungselemente 9, 10 stehen untereinander über Durchkontaktierungen 11 in
Verbindung, somit durchgängige
Bohrungen der Trägerplatte 8, über welche
eine elektrisch leitfähige Verbindung
zwischen den ober- und unterseitigen Leitungselementen 9, 10 hergestellt
ist. Wesentlich ist, dass sich die Messpunkte 5, 6 für die Durchführung einer
Widerstandsmessung zwischen diesen stets in einer frei zugänglichen
Oberfläche
des Fertigungspaneels 1 befinden.
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Die
Trägerplatte 8 ist
in zeichnerisch nicht dargestellter Weise mit zahlreichen sacklochartigen Bohrungen,
sogenannten Microvias versehen, die bezüglich der Trägerplatte 8 ober-
und/oder unterseitig angeordnet sein können. Diese, mit Mitteln der
Lasertechnik hergestellten, extrem kleinen Bohrungen sind metallisiert
und dienen als Anbindungspunkte zur elektrischen Verknüpfung unterschiedlicher
Leiterbahnebenen der mehreren Leiterbahnebenen einer Mehrebenen-Leiterplatte.
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Eine
jede auf vorstehende Weise definierbare, mit derartigen Bohrungen
versehene Trägerplatte 8 bildet
eine "Microvia-Lage". Erfindungsgemäß ist bei
einer Mehrebenen-Leiterplatte jede Microvia-Lage mit wenigstens
einem Teststreifen 3' versehen, dessen
Messpunkte 5', 6' wiederum in
einer äußeren freien
Oberfläche 7 gelegen
sind, wie z.B. in den 4 und 5 erkennbar
ist, welche ein Ausführungsbeispiel
eines Teststreifens 3' zeigt,
der ausgehend von einer freien Oberfläche 7 einer zweiten
Trägerplatte 8' zugeordnet
ist, die sich unterhalb einer ersten Trägerplatte 8 befindet.
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Der
grundsätzliche
Aufbau dieses Teststreifens 3' entspricht demjenigen der 2, 3,
wobei die Messpunkte 5', 6' über Durchkontaktierungen 12, 13,
welche die bezüglich
der Darstellung gemäß 5 obere
Trägerplatte 8 durchdringen,
mit den Enden der durch die Leitungselemente 9', 10' und die Durchkontaktierungen 11' gebildeten
Widerstandskette in einer elektrisch leitfähigen Verbindung stehen.
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In
vergleichbarer Weise sind sämtliche
der mehreren Leiterbahnebenen der Mehrebenen-Leiterplatte mit Teststreifen 3' versehen, deren
jeweilige Messpunkte sich in einer äußeren freien Oberfläche befinden.
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Wesentlich
ist, dass sich die Teststreifen außerhalb der Flächenbereiche
der Leiterplatten 2 bis 2''' befinden.
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Derartige
Teststreifen 3, 4, 3' befinden sich regelmäßig in einem
Randbereich des Fertigungspaneels 1, wie in 1 gezeigt.
Sie können
jedoch auch an unterschiedlichen Stellen, einschließlich der sich
zwischen den Leiterplatten 2, 2', 2", 2''' erstreckenden
Flächenbereiche
angeordnet sein, um eine möglichst
realistische Funktionsprüfung
durchführen zu
können.
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Die
auf diese Weise hergestellten Teststreifen werden aus dem Fertigungspaneel
ausgefräst und
anschließend
einer Wärmebehandlung
in einem Durchlaufofen unterzogen, welche darauf abzielt, den Teststreifen
einem definierten Wärmeeinfluss auszusetzen,
der sowohl hinsichtlich der zugrundeliegenden Temperaturen als auch
des zeitlichen Ablaufs einem Lötprozess
nachgebildet ist. Der Zweck dieser Wärmebehandlung besteht darin,
die durch einen Lötprozess
während
des Bestückens
der Leiterplatte mit elektrischen Bauelementen erzeugte thermische
Beanspruchung nachzubilden.
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Unvollkommene
Metallisierungen, insbesondere im Bereich der genannten sacklochartigen
Bohrungen, welche bei einem bloßen
Funktionstest der Leiterplatten im thermisch unbelasteten Zustand
unentdeckt blieben, die bei einem Lötprozess jedoch beispielsweise
zu Unterbrechungen von Leitungsverbindungen führen würden, können bei einem in diesem Sinne
thermisch vorbehandelten Teststreifen zuverlässig erkannt werden, nämlich durch
eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen jeweils zwei
Messpunkten 5, 6 bzw. 5', 6'. Für den Fall, dass der ermittelte
Widerstandsmesswert außerhalb
eines vorgegebenen Toleranzfeldes liegt, kann von einer zumindest
qualitativ unzureichenden Metallisierung insbesondere im Bereich
der genannten sacklochartigen Bohrung und damit einem defekten Paneel
ausgegangen werden. Dies bedeutet, dass alle betroffenen Leiterplatten
dieses Paneels, die anhand ihrer Kennzeichnung, z. B. Nummerierung
identifizierbar sind, aussortiert und verworfen werden.
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Ergibt
ein auf diese Weise durchgeführter Funktionstest
hingegen, dass die gemessenen Widerstandswerte innerhalb eines Toleranzfeldes
liegen, können
die den Leiterplatten 2, 2', 2", 2''' zugeordneten
Flächenabschnitte
vereinzelt, als qualitativ geprüfte
elektrische Leiterplatten veräußert und
mit elektrischen Bauteilen, nämlich
durch Verlötung
bestückt
werden.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Fertigungspaneels 14, welches wiederum mit Teststreifen 15, 16 in
gleicher Weise wie das Fertigungspaneel 1 bestückt ist.
Unterschiede zu dem erstgenannten Paneel ! bestehen darin, dass
anstelle von vier Leiterplatten 2 bis 2''' nunmehr
drei Bestückungsnutzen 17, 18, 19 vorgesehen
sind, die voneinander beabstandet sind und die jeweils zwei Leiterplatten 17', 17", 18', 18", 19', 19" aufweisen.
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Ein
jeder der drei Bestückungsnutzen
ist wiederum mit Teststreifen 20, 21 versehen,
wobei der Aufbau und die Anordnung dieser Teststreifen in gleicher
Weise wie bei dem erstgenannten Ausführungsbeispiel angelegt sind.
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Dieses
Fertigungspaneel 14 ermöglicht
seitens des Herstellers ein Abtrennen der Teststreifen 15, 16 nach
einer vorausgegangenen Wärmebehandlung
eine globale Qualitätsprüfung, und
zwar vor der Auslieferung an einen Kunden der Leiterplatten 17', 17" usw., der diese
in der Form der genannten Bestückungsnutzen
erhält.
Kundenseitig besteht nunmehr nach Vereinzelung der Bestückungsnutzen 17 bis 19 die
Möglichkeit,
einen weiteren Funktionstest mittels der Teststreifen 20, 21 durchzuführen, wobei
diese Teststreifen 20, 21 abgetrennt, einer Wärmebehandlung
und anschließend
einer Widerstandsmessung unterzogen werden.
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Ein
im Sinne der 6 konzipiertes Fertigungspaneel
ist somit für
eine hersteller- und
eine kundenseitige Qualitätskontrolle
eingerichtet. Im Ergebnis und bezogen auf die einzelne Leiterplatte 17', 17", 18' usw. ergibt
sich auf diese Weise ein höherer Grad
an statistischer Absicherung der Richtigkeit des Rückschlusses
von dem Ergebnis der Widerstandsmessung des Teststreifens/der Teststreifen
auf den qualitativen Zustand, insbesondere im Bereich der genannten
Metallisierungen der Leiterplatten.