DE2451343C3

DE2451343C3 - Gedruckte Schaltung

Info

Publication number: DE2451343C3
Application number: DE2451343A
Authority: DE
Inventors: Eiichi Hirakata Osaka Tsunashima (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1973-10-26
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1978-10-05
Also published as: US3953664A; DE2451343A1; GB1482784A; CA1008971A; DE2451343B2

Description

Die Erfindung betrifft eine gedruckte Schaltung aus einer isolierenden Platte aus einem ein Kunstharz enthaltenden Grundmaterial mit mindestens zwei Leiterbahnen, von denen eine auf der Fläche der Platine und die andere auf der entgegengesetzten Fläche der Platine liegt, mit einem Loch und einer leitenden Schicht die sich durch das Loch hindurch erstreckt und die Oberfläche der Leiterbahnen mindestens teilweise bedeckt, um die Leiterbahnen auf den beiden Flächen der Platine durch das Loch hindurch zu verbinden.

Gedruckte Schaltungen werden in elektrischen Geräten — wie beispielsweise Rundfunk- und Fernsehempfängern, Tonbandgeräten, Meß- und Prüfgeräten, Elektronenrechnern usw. — in großem Maß verwendet. Um die elektronischen Schaltkreise zu vereinfachen und so klein wie möglich zu halten und ihren Zusammenbau zu vereinfachen und um weiterhin die Platinen so wirkungsvoll wie möglich auszunutzen, bildet man die die Bauteile verbindenden Leiterbahnen herkömmlicherweise nicht nur auf einer Seite der Platine aus, sondern auf beiden Flächen und/oder evtl. auch auf einer Innenfläche (mehrschichtige gedruckte Schaltungen). In diesem Fall müssen die Leiterbahnen miteinander über Stromflußwege verbunden werden, die so kurz wie möglich sind. Derartige Verbindungen erhält man, indem man in die Platine ein Loch einbringt und in diesem Loch ein leitendes Element vorsieht — beispielsweise einen Hohlniet, Leitlack, einen Verbindungsdraht, den Anschlußdraht eines auf die Platine aufzulötenden elektronischen Bauteils — oder im Loch eine leitende Schicht durch chemisches oder kombiniert chemisches und galvanisches Durchkontaktieren aufbringt. Weiterhin wird dieses Loch mit Lot gefüllt, um das elektronische Bauteil, das durch dieses Loch hindurch auf der Platine befestigt wird, mechanisch stabil abzustützen.

Das Isoliermaterial der Platine hat einen Ausdehnungskoeffizienten und einen Kontraktionskoeffizienten, die sich von den entsprechenden Werten der leitenden Verbindung in der Bohrung erheblich unterscheiden und damit zu dem Problem einer Spannung zwischen dem Leiter im Loch und der Isolierplatte infolge der unterschiedlichen Expansion und Kontraktion führen. Wird für die Platine ein Schichtmaterial verwendet, sind dessen Wärmeexpansions- und -kontraktionskoeffizienten in der Dickenrichtung etwa zwei- bis zehnmal so hoch wie in der Längsrichtung. Verwendet man weiterhin, wie es weithin üblich ist, ein Isoliermaterial aus auf einer Papierbasis aufgebrachtem Harz, ist die Feuchtigkeitsexpansion mehr als zehnmal so hoch wie die Wärmeexpansion. Diese Umstände führen zu einer starken Spannung zwischen dem elektrischen Leiter in der Bohrung und deren Wand; der Leiter im Loch bricht

allmählich auf und öffnet damit die Verbindung zwischen den beiden Flächen der Platine.

Die Temperatur in der Umgebung der Platine nimmt fortwährend zu und ab und die Feuchtigkeit wird vom Platinenmaterial fortwährend aufgenommen und wieder abgegeben. Damit dehnt die Platine sich fortwährend aus und zieht sich zusammen. Der Leiter in der Platinenbohrung speichert die entstehenden Spannungen und bricht schließlich.

In der US-PS 35 71923 wird eine gedruckte Schaltung beschrieben, die sich von auf verschiedenen Seiten eines Basismaterials bzw. innerhalb des Basismaterials befindlichen Leiterbahnen redundante Durchverbindungen aufweist. Diese Durchverbindungen sind vorgesehen, um Unterbrechungen der auf verschiedenen Seiten der Platine oder innerhalb der Platine befindlichen Leiterbahnen zu verhindern. Ein derartiger Aufbau reicht jedoch nicht aus, um eine sichere Verbindung mittels der in den Durchverbindungen befindlichen Leiter auch dann gewährleisten, wenn die Platine aufgrund von bspw. Temperaturschwankungen Volumenänderungen unterworfen ist

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgab? besteht darin, eine gedruckte Schaltung zu schaffen, bei der die an den Durchgangslöchern der Platine vorgesehenen Kontaktstellen zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen auf beiden Seiten der Platine stabil und zuverlässig gemacht werden können, so daß eine Unterbrechung des Kontaktes auch unter hoher Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsbeanspruchung vermieden wird, unter deren Einfluß eine starke Volumenänderung der Platine auftreten kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Füllmaterial aus elektrisch isolierendem Harz das Loch ausfüllt und die Oberfläche der leitenden Schicht bedeckt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Anhand der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 sind Schnittansichten der gedruckten Schaltung nach der vorliegenden Erfindung.

Für die Isolierstoffplatte der gedruckten Schaltung, auf der elektrische Bauteile wie Leiterbahnen, Widerstände und Kondensatoren ausgebildet werden sollen, wird weitgehend ein organisches Kunstharz wie Phenolharz, das eine Papierbasis durchtränkt, oder mit Epoxyharz getränktes Glasfasergewebe verwendet. Um die elektrischen Schaltungen so klein wie möglich zu halten und zu vereinfachen und um die gedruckten Schaltungen wirkungsvoll auszunutzen, werden gewöhnlich beide Oberflächen für die Ausbildung der elektrischen Bauteile ausgenutzt. Zuweilen wird auch eine mehrschichtige gedruckte Schaltung mit einer Innenschicht, die Leiterbahnen führt, verwendet. Beispielsweise bildet man auf einer Fläche die Leiterbahn oder die Leiterbahn mit einem Bauteil wie einem gedruckten Widerstand aus; auf der anderen Fläche bildet man die andere Leiterbahn aus und bringt dort auch ein diskretes Bauelement an. Die Leiterbahnen auf den beiden Flächen der Platine müssen so kurz wie möglich miteinander verbunden werden. Gewöhnlich geschieht die Verbindung durch eine in die gedruckte Schaltung eingebrachte Bohrung. Es wurde festgestellt, daß sich ein Bruch des durch das Loch verlaufenden leitenden Pfades wirkungsvoll vermeiden läßt, wenn man die Bohrung mit einem elektrisch isolierenden Harz ausfüllt und das eingefüllte Harz mit Wärme aushärtet, In diesem Fall ist die Wirkung besonders groß, wenn man ein Harz einsetzt, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa so groß ist wie der des für die gedruckte Schaltung verwendeten Harzes.
Die F i g, 1 zeigt einen Schnitt durch eine gedruckte Schaltung, bei der auf einer elektrisch isolierten Platte, die mit dem Bezugszeichen »i« gekennzeichnet ist und aus einem Kunstharz enthaltenden Grundmaterial besteht, mindestens zwei Leiterbahnen vorliegen, d. h.

ίο eine Leiterbahn 2a auf der einen Fläche und eine Leiterbahn Ib auf der anderen Fläche. Die Platte 1 kann im Fall einer mehrschichtigen gedruckten Schaltung mit einer Innenschicht der Leiterbahn 2c versehen sein, Diese Leiterbahnen 2a, 26 und 2c sind durch eine leitende Schicht 3 miteinander verbunden, die durch ein Loch 4 in der Platte 1 verläuft und die Oberflächen der Leiterbahnen auf der gedruckten Schaltung mindestens teilweise abdeckt (vgl. F i g. 1). Das Loch 4 ist mit einem elektrisch isolierenden Harz 5 gefüllt, das auch einen Teil der leitenden Schicht, d. h. der Schicht auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung und Teile der Leiterbahnen 2aund 2bbedeckt (vgl. Pig. I)und durch Wärme gehärtet wird. Da das Harz 5 etwa die gleiche Ausdehnung und Kontraktion bei Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderungen erfährt wie das Kunstharz der Platte, entsteht keine Spannung zwischen der Platte 1 und der leitenden Schicht 3. Die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 2a und 2b ist also äußerst zuverlässig.

Gewöhnlich sind auf der gedruckten Schaltung einige diskrete elektrische Bauteile befestigt. In der Fig. 1 ist ein Bauteil 6 wie beispielsweise ein Widerstand oder ein Kondensator auf der Platte 1 befestigt, wobei die beiden Zuleitungsdrähte 7 durch die Löcher 8 und 9 verlaufen.

Einer der beiden Zuleitungsdrähte 7 soll elektrisch mit den Leiterbahnen 2a und 2b verbunden werden. Die Zuleitungsdrähte 7 sind an der Platte 1 durch die Löcher 8 und 9 hindurch durch das Lot 10 befestigt. Weiterhin wirkt das Lot 10 als Leiter zur Verbindung des Zuleitungsdrahtes 7 mit der leitenden Schicht 3. Hierbei tritt herkömmlicherweise das Problem auf, daß die leitende Schicht 3 — wie z. B. die Durchkontaktierungsschicht — beim Löten durch den auftretenden Wärmeschock reißt Um diesen Wärmeschock zu vermeiden, enthält die Ausführungsform der Erfindung nach der F i g. 1 zwei Löcher 4,8 in der Platte 1 für den gleichen leitenden Pfad zwischen den Leiterbahnen 2a und 2b auf den beiden Flächen der Platte 1. Das heißt, daß das Loch 4 mit dem Harz 5 gefüllt und das Loch gelötet wird, wie oben beschrieben. Selbst wenn also die leitende Schicht 3 durch das Loch 8 beim Löten reißt, bleibt die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 2a, 2b durch das Loch 3 erhalten. Zusätzlich dazu kann das Bauteil 6 durch das Lot 10 auf dei Platte 1 stabil befestigt werden.

Für den gleichen leitenden Pfad kann je nach eier auszuführenden Schaltung eine Vielzahl von Löchern durch die Platte gebohrt werden, um eine sehr zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen auf den beiden Flächen der gedruckten Schaltung zu schaffen, wird mindestens eine der Bohrungen mit dem Harz ausgefüllt. Natürlich können auch zwei oder mehr der Bohrungen mit dem Harz gefüllt werden, sofern sie nicht zum Verlöten· bzw. Durchstecken der Anschlußdrähte diskreter Bauelemente benötigt werdjp.. Wenn die leitenden Schichten weiterhin durch zwei Arten der Überzugsbildung hergestellt werden (beispielsweise galvanisch und

chemisch), kann das Loch mit der chemisch aufgebrachten leitenden Schicht nur mit dem Harz gefüllt werden, da die chemisch aufgebrachte Schicht schwächer ist als eine galvanisch aufgebrachte. Gewöhnlich wird als Überzugsmetall Kupfer, Nickel oder Silber verwendet. Da eine Versilberung — trotz der überlegenen elektrischen Eigenschaften — vom Standpunkt des Lötens her nachteilig ist, bietet sich mit Vorteil an, das Loch mit galvanisch eingebrachter Silberschicht mit dem Harz auszufüllen. Das gleiche gilt bei einer leitenden Schicht aus Leitlack, insbesondere Silberleit lack. Im Fall einer Versilberung ist es erwünscht, erst eine Versilberung als Substrat und dann ein weiteres Metall wie Kupfer oder Nickel aufzubringen.

Bei einer leitenden Schicht aus Silber oder Silberleitlack kann ein Problem dadurch entstehen, das im Betrieb das Silber von einem Punkt höheren Potentials zu einem Punkt niedrigeren Potentials wandert. Um iliPSCS prnhlprn ;/n Ιηςρη SICH¹. ΓΡ.2Π VOT dem Aufbringen der Versilberung oder Silberleitlackschicht an der für diese vorgesehenen Stelle eine Unterschicht vor, die einen die Silberwanderung unterdrückenden Inhibitor enthält. Die F i g. 2 zeigt eine solche Unterschicht 20 durch das Loch 14. die einen Teil der gedruckten Schaltung Il um das Loch 14 herum abdeckt. Die leitende Schicht 13 wird durch eine Versilberung oder einen Silberleitlackaufirag auf der Unterschicht 20 ausgebildet und das Loch 14 mit dem Harz 15 ausgefüllt. Die Unterschicht 20 besteht aus Harz und dem Inhibitor. Als Harz wird vorzugsweise ein wärmehärtendes Epoxiharz, ungesättigtes Polyesterharz. Polybutadienharz usw. eingesetzt, ebenso ist es möglich. Melaminharz. Alkydharz. Phenolharz. Polyurethanharz usw. zu verwenden. Als Inhibitor verwendet man vorzugsweise Λπιιπν erbindungen wie Diethylamin und Triethylamin sowie Azolverbindungen wie Benzotriazol und Benzoimida/ol. I m cmc Silberwanderung zu verhindern, ist ■weiterhin nützlich, eine Deckschicht der gleichen Zusammensetzung v>,ie die Unterschicht oder auch sowohl eine Unter- als auch eine Deckschicht zu verwenden.

Wie bereits beschrieben, verhindert die gedruckte Schaltung nicht nur sehr wirkungsvoll einen Wärmeschock an der Lötstelle, sondern sorgt auch für eine sehr zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen auf den beiden Seiten der gedruckten Schaltung unter wiederholten großen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. Die Harze, mit denen die Platinenbohrung ausgefüllt werden kann, sind beispielsweise Phenol-. Epoxv-, Silikon- und Polyesterharze sowie thermoplastische Harze wie Polyimid-, Polyäthyier- und Polyfluoräthvlenharz: '"rzugsweise handelt es sich um ein starres Harz wie Epoxy- und bromiertes Epoxyharz, da sich damit bessere Ergebnisse erreichen lassen, denn für das Material der gedruckten Schaltung wird oft Epoxyharz oder phenoldenaturiertes Epoxyharz verwendet werden. Beispielsweise wird in der Praxis Epoxyharz eines Epoxyäquivalents von 100 mit Diäthyltriamin als Härter und Benzoimidazol als Inhibitor eingesetzt. Weiterhin gibt man ein organisches Lösungsmittel wie Methylethylketon oder Butylacetat zu. um einen besseren Druck oder eine bessere Füllung zu erreichen. Diese Lösungsmittel verdampfen vor dem Härten des Harzes aus der Lösungsmittelzusammensetzung. Die oben beschriebene Epoxyharzzusammensetzur.g wird geeigr.etepA-eise bei 120'C dreißig Minuten lang ausgehärtet. Für die Sicherheit des elektronischen Gerätes ist erwünscht, das Harz selbstlöschend zu

machen — beispielsweise durch Zugabe eines nichtbrennbaren Mittels wie eines Halogenids oder von Phosphor zum Harz. Weiterhin können zusätzliche selbstlöschende Hilfsmittel im Harz dispergiert werden — wie z. B.Talkum, Kieselerde und Antimontrioxid.

Die Zuverlässigkeit der Verbindung durch das Loch wurde auf folgende Weise ausgewertet. Als gedruckte Schaltung für die Vergleichsversuche wurde ein feuersicheres Phenolharzlaminat auf Papierbasis (NEMA-Qualität FR-2) verwendet, aus dem folgende Proben hergestellt wurden. |ede Probengruppe bestand aus 50 gedruckten Schaltungen des angegebenen Materials mit jeweils 1000 Löchern von 1,0 mm Durchmesser in Abstanden von 2,5 mm.

Probe A-O

Die leitende Schicht wurde durch chemische Verkupferung zu 0.5 μ Dicke in den Löchern und galvanische

Vprliiinfpnino 7ii 9^u ["Iu¹Wp hprapctpllt

Probe B-O

Auf die Lochinnenwände wurde eine leitende Schicht durch chemisches Verkupfern zu 5 μ Dicke aufgebracht.

Probe C-O

Auf die Innenwand der Löcher wurde die leitende Schicht aus Si'berleitlack in 15 μ Dicke aufgebracht und 10 min b-·.' 120' C gehärtet.

Probe A-\

Die Löcher mit der gleichen Lochbestimmung wie bei der Probe -4-0 wurden mit einem Epoxyharzkleber mittels einer Injektionsvorrichtung ausgefüllt; das injizierte Harz wurde 30 min bei 120^cC gehärtet.

Probe B-1

Die Löcher mit der gleichen Beschichtung wie bei der Probe B-O wurden mittels einer Injektionsvorrichtung mit F.poxyharzkleber gefüllt und das i larz 30 min bei

120 Cgehärtet. „ , ...

^e Probe C-I

Die Löcher mit der gleichen Silberleitlackbeschichtung wie bei der Probe C-O wurden mittels einer Injektionsvorrichtung mit Epoxyharzkleber gefüllt, der dann 30 min bei 120''C gehärtet wurde.

Um die Wirkung des Füllens der Löcher mit dem Isolierharz zu bewerten, wurden Temperaturwechseltests durchgeführt. Hierzu wurden die Proben wiederholt von einem Maximum von — 55^CC abgekühlt und auf beiden Temperaturen jeweils 30 min vorgehalten. Die Widerstandswerte wurden unter Anlegen einer ^cnannung von 100 μν von IkHz gemessen. Hatte der gemessene Widerstandswert sich um mehr als 20% vom Ausgangswert erhöht, wurde die Probe als mit einem Verbindungsbruch behaftet bewertet. Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der gedruckten Schaltungen mit Verbindungsbruch für jede der Probengruppen.

Probe	Anzahl	der	Temperaturzyklen	100	200
	10	30	50	38	50
4-0	0	5	11	—	—
B-O	50	—	—	2	5
C-O	0	0	1	0	2
4 — 1	0	0	η	18	31
ß-1	0	5	9	0	I
C-]	0	0	0

Aus dieser Tabelle erweist sich, daß die Zuverlässigkeit einer Durchkontaktierverbindung, wie sie derzeit üblich ist, im Fall einer chemisch aufgebrachten leitenden Schicht (Probe S-O) sehr niedrig ist. Auch bei einer galvanisch aufgebrachten leitenden Schicht (Probe A-O) und selbst beim Silberleitlack (C-O) treten erhebliche Ausfälle auf. Demgegenüber wird durch die gedruckten Schaltungen nach der Erfindung die Zuverlässigkeit erheblich erhöht.

Hinsichtlich der Silberwanderung wurden leitende Schichten aus Silberleitlack in den Löchern sufgebracht, wobei diesen einen Abstand von 2,5 mm hatten und elektrisch voneinander unabhängig waren. Sodann wurden die Proben 1000 Stunden bei 40⁰C in einer relativen Feuchtigkeit von 90 bis 95% gehalten, während eine Gleichspannung von 100 V angelegt wurde. Es wurde die Zeit bis zum Kurzschluß gemessen.

Es wurden hierzu drei Arten von Proben hergestellt: (Π Es wurde Silberleitlack unmittelbar auf die

Innenwand der Löcher im Laminatmaterial der Qualität FR-2 aufgebracht (Probe /4-2); (2) Es wurden Unterschichten aus Epoxyharz mit sowohl der Aminverbindung als auch Benzoimidazol als Inhibitoren auf die

s Innenwände der Löcher und auf diese dann Silberleitlack aufgebracht (Probe ß-2): (3) Bei Proben entsprechend den Proben Ö-2 wurden die Löcher mit Epoxyharz gefüllt, das als Inhibitoren sowohl die Aminverbindung als auch Benzoimidazol enthielt

ίο (Probe C-2). Die folgende Tabelle zeigt den Mittelwert der Zeit bis zum Kurzschluß von jeweils 10 Probenplatinen:

l'robe

Mittelwert von
10 Proben

4-2
/i-2
C- 2

25 Std.
470 Std.
960 Std.

MiLMv.u I Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche;

1. Gedruckte Schaltung aus einer isolierenden Platte aus einem ein Kunstharz enthaltenden s Grundmaterial mit mindestens zwei Leiterbahnen, von denen eine auf einer Fläche der Platine und die andere auf der entgegengesetzten Fläche der Platine liegt, mit einem Loch und einer leitenden Schicht, die sich durch das Loch hindurch erstreckt und die Oberfläche der Leiterbahnen mindestens teilweise bedeckt, um die Leiterbahnen auf den beiden Flächen der Platine durch das Loch hindurch zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Füllmaterial aus elektrisch isolierendem Harz das Loch ausfüllt und die Oberfläche der leitenden Schicht bedeckt

2. Gedruckte Schaltung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß sie mit mindestens einem diskreten elektronischen Bauelement mit einem Zuleitungsdraht versehen ist, der mit dem Leiterbahnen auf deji beiden Flächen der gedruckten Schaltung verbindbar ist, wobei ein Loch nach der Ausbildung der leitenden Schicht durch chemische oder galvanische Materialablagerung mit dem Harz gefüllt und dann der Zuleitungsdraht des elektrischen Bauteils durch das andere Loch geführt und verlötet wird

3. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht des mit dem Harz zu füllenden Lochs aus chemisch abgelagertem Kupfer besteht

4. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitend.: Schicht des mit dem Harz zu füllenden Lochs aus Leitlack besteht.

5. Gedruckte Schaltung nach Atrpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitlack Silberleitlack ist, der auf eine Unterschicht eines elektrisch isolierenden Harzes mit einem die Silberwanderung unterdrückenden Zusatz im Silberleitlack aufgebacht ist, wobei die Unterschicht vor dem Aufbringen des Silberleitlacks in den der leitenden Schicht aus Silberleitlack entsprechenden Flächen aufgebracht wird.

6. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht des mit dem Harz zu füllenden Lochs durch Versilbern ausgebildet ist und eine Unterschicht aus elektrisch isolierendem Harz mit einem die Silberwanderung unterdrückenden Zusatz in der aufgebrachten Silberschicht aufweist, wobei die Unterschicht vor dem Aufbringen der Silberschicht in den der leitenden Schicht aus Silber entsprechenden Flächen aufgebracht wird.

7. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht des mit dem Harz zu füllenden Lochs durch eine Versilberung und nachfolgende Aufbringung eines weiteren, der aus Kupfer und Nickel bestehenden Gruppe gewählten Metalls ausgebildet ist.

8. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz selbstlöschend ist.

9. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstlöschende Harz ein anorganisches Pulver aus der aus Talkum, Kieselerde und Anttmontrioxid bestehenden Gruppe als Selbstlöschhilfsmittel enthält.

10. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Harz aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus den wärmehärtenden Phenol-, Epoxy-, Silikon- und Polyesterharzen und den thermoplastischen Polyimid-, Polyäthylen- und Polyfluoräthylenharzen.

U. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine innere Schicht in Form einer Leiterbahn enthält, die mit den anderen Leiterbahnen durch das Loch hindurch mittels der leitenden Schicht verbunden ist