DE3233225C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Hybridschal­ tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3.
Eine derartige integrierte Hybridschaltungsanordnung bzw. ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus der US-PS 33 81 081 bekannt. Bei dieser bekannten Hybrid­ schaltungsanordnung erfolgt die Verbindung zwischen den T- oder L-förmigen Köpfen der Zuleitungen und den Anschlußflecken über dünne Hart­ lötschichten, in die die Köpfe teilweise eingebettet sind, bzw. durch zusätzlich angebrachte Weichlötschichten, welche die Hartlötstelle und den Ansatz des Kopfes der Zuleitung einbetten.
Bei dem aus der US-PS 33 81 081 bekannten Herstellungsverfahren wird die Hartlötung durch Aufsetzen geeignet geformter Elektroden auf die der herzustellenden Lötstelle abgewandten Seite des Kopfes und Erhitzen des Kopfes durch einen durch die Elektroden geführten Strom hergestellt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die mecha­ nische Belastbarkeit, insbesondere die Abreißfestig­ keit, der Zuleitungen der bekannten Hybridschaltungs­ anordnung zumindest beizubehalten oder zu vergrößern und ein vereinfachtes Verfahren zur Herstel­ lung einer solchen Hybridschaltungsanordnung anzugeben, welches weitgehend automatisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Hybridschal­ tungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. bei einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Hybridschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 3 erfindungsgemäß durch die in den jeweiligen kennzeichnenden Teilen dieser Patentansprüche enthalte­ nen Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 4 angegeben.
In der DE-AS 10 34 274 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung eines draht- oder band­ förmigen elektrischen Leiters mit einer Elektrode eines Halbleiterelementes beschrieben, bei dem der anzuschlie­ ßende Draht bzw. das anzuschließende Band auf einer kurzen Strecke seiner Länge gegen die Elektrode des Halbleiterelementes gelegt wird. Anschließend werden auf dieser Strecke des Drahtes bzw. des Bandes zwei weitere Elektroden mit geringer gegenseitiger Entfer­ nung aufgesetzt und kurzzeitig an Spannung gelegt. Dadurch wird der Draht bzw. das Band mit der Elektrode des Halb­ leiterelements verschweißt.
Weiterhin ist in der DE-OS 29 27 580 eine lötfreie Verbindung zwischen einem im Längsschnitt T-förmigen Kopf einer Zuleitung und einem zugehörigen Anschlußflecken beschrieben, welche durch Thermokom­ pressions-Schweißen hergestellt wird.
Details beim Löten und Schweißen sind in DIN 8505 er­ läutert.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das mit dem Lötmate­ rial versehene Metallstück mit dem Anschlußflecken des gedruckten Schaltungsleitermusters verlötet, und die Zuleitung ist mit dem Metallstück verlötet und ver­ schweißt. Wenn somit der Anschlußflecken elektrisch mit der Zuleitung verbunden wird, dann kann keine Beschä­ digung des Anschlußfleckens eintreten, was auf das Metall­ stück zurückzuführen ist. Da weiterhin der Anschluß­ flecken mit dem auf das Metallstück geschichteten Löt­ material verlötet und weiterhin mit Lötmaterial belegt ist, wird eine sichere und feste Verbindung der Zuleitung mit dem Metallstück gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung schafft so eine integrierte Hybridschaltungsanordnung, bei der eine einfache und zuverlässige sowie sichere Verbindung mit hoher Abreiß­ festigkeit zwischen Zuleitungen und Schaltungsleitermuster gewährleistet ist.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer integrierten Hybridschaltungsanordnung ge­ mäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt­ ansicht einer Zuleitung in der integrierten Hybridschaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 bis 5 schematische Schnittansichten zur Dar­ stellung eines Gebildes im Verlauf der Herstel­ lung der integrierten Hybridschaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 5,
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Zugfestigkeit einer Zuleitung und
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Biegefestigkeit einer Zuleitung.
Fig. 1 veranschaulicht eine integrierte Hybridschaltungs­ anordnung, bei welcher auf einem isolierenden Substrat 11, z. B. einem Keramiksubstrat, Leiter bzw. Leitungszüge 12, Widerstände 13 und Anschlußflecken bzw. Verbindungsflächen 14 ausgebildet sind. Die auf dem Substrat 11 vorgesehenen Verbindungsflächen 14 sind dabei mit Halbleiterelementen, wie IC-Elementen und Transistoren, sowie Schaltungselementen, wie Konden­ satoren und Induktivitäten bzw. Spulen, verbunden. Jede Verbindungsfläche 14 ist gemäß Fig. 2 mit einem Leiter­ stück, z. B. mit einem Metallstück 15 aus Stahl oder einer Eisenlegierung verlötet. Ein T-förmiger Kopf 16 a einer Zuleitung 16 ist mit dem Metallstück 15 so verschweißt, daß die Zuleitung 16 vom Substrat 11 nach oben ragt.
Im folgenden ist anhand der Fig. 3 bis 5 das Verfahren zur Herstellung der integrierten Hybridschaltungsanord­ nung gemäß Fig. 1 erläutert.
Gemäß Fig. 3 werden Pasteschichten 12 a, 13 a und 14 a, die jeweils den Leitern 12, einem Widerstand 13 bzw. einem Anschlußflecken oder einer Verbindungsfläche 14 entsprechen, mittels eines Druck­ verfahrens auf das z. B. aus Keramik bestehende Substrat 11 aufgebracht. Das die Pasteüberzüge tragende Sub­ strat 11 wird sodann getrocknet und gebrannt. Bei diesem Brennvorgang werden die Pasteschichten 12 a, 13 a und 14 a fest mit dem Substrat 11 verbunden, so daß sie, wie vor­ gesehen, als Leiter 12, Widerstand 13 bzw. Verbindungs­ fläche 14 benutzt werden können. Hierauf werden Lötpasten 16 und 17 auf die Verbindungsfläche 14 bzw. die die Schaltungselemente verbindenden Abschnitte der Leiter 12 aufgetragen (vgl. Fig. 4).
Nach dem Trocknen der Lötpasten 16 und 17 wird ein mit Nickel oder Zinn überzogenes oder galvanisiertes Metall­ stück 15 auf die Lötpaste 16 aufgelegt, während auf die Lötpastenbereiche 17 ein Schaltungselement aufgesetzt wird. Nachdem alle Metallstücke 15 und Schaltungselemen­ te 18 auf dem Substrat 11 in den vorbestimmten Positionen angeordnet worden sind, wird das Substrat 11 in einen Ofen eingebracht. Beim Durchlauf des Substrats 11 durch diesen Ofen werden die Lötpastenbereiche 16, 17, . . . aufgeschmolzen, so daß die Metallstücke 15 und die Schaltungselemente 18 mit den Verbindungsflächen 14 bzw. den Leitern 12 verlötet werden. Nach erfolgtem Lötvorgang wird das Substrat 11 gewaschen.
Nach dem Waschvorgang erfolgen das Verdrahten der IC-Ele­ mente sowie das Trimmen der Widerstände 13 und die Über­ prüfung der Eigenschaften. Diese Arbeitsgänge lassen sich leicht durchführen, weil die Zuleitungen 16 noch nicht in lotrechter Stellung auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Nach den beschriebenen Arbeitsgängen werden die Zu­ leitungen 16 mit den Metallstücken 15 verbunden. Dieser Arbeitsgang ist in Fig. 5 veranschaulicht. Hierbei wird jede Zuleitung 16 an ihrem vom mit Lot überzogenen T-för­ migen Kopfteil abgewandten Ende durch ein Abnahmeglied 21 erfaßt und mit dem Kopf 16 a auf das betreffende Metall­ stück 15 aufgesetzt. Sodann werden auf die in Fig. 6 nä­ her dargestellte Weise Schweißelektroden 22 a, 22 b so am Zuleitungskopf 16 a angesetzt, daß sie die Zuleitung 16 zwischen sich einschließen. Die Elektroden 22 a und 22 b sind dabei an die beiden Seiten der Primärwicklung eines Transformators 23 angeschlossen. Wenn ein Schalter 24 ge­ schlossen wird, fließt ein Schweißstrom zu den Elektroden 22 a und 22 b. Der Schalter 24 ist ein Druckschalter, der dann schließt, wenn die Elektroden 22 a und 22 b den Zu­ leitungskopf 16 a mit einem vorbestimmten Druck beauf­ schlagen. Der den Elektroden 22 a und 22 b zugeführte Schweißstrom fließt von der Elektrode 22 a über den Zu­ leitungskopf 16 a in das Metallstück 15 und dann von letz­ terem über den Zuleitungskopf 16 a zur Elektrode 22 b, wie dies durch den Pfeil in Fig. 5 angedeutet ist. Wenn der Schweißstrom über die Grenzfläche zwischen dem Zuleitungs­ kopf 16 a und dem Metallstück 15 fließt, werden der Zulei­ tungskopf 16 a und das Metallstück 15 durch diesen Strom und unter der durch die Elektroden 22 a und 22 b ausgeübten Andruckkraft miteinander verschweißt. Hierbei wird das auf den Zuleitungskopf 16 a aufgetragene Lötmaterial ge­ schmolzen, so daß es sich um die Verbindung bzw. Stoßfuge zwischen Kopf 16 a und Metallstück 15 sammelt. Nach dem Erstarren dieses Lots verstärkt es die Verbindung zwischen dem Zuleitungskopf und dem Metallstück. Das Verschweißen bzw. Verlöten findet an der Grenzfläche zwischen dem Zu­ leitungskopf 16 a und dem Metallstück 15 quer über den Stromweg statt, so daß der Zuleitungskopf 16 a sowohl in seinem Mittelbereich als auch in seinen Randbereichen verlötet wird.
Wenn eine Zuleitung 16 mit einem Metallstück 15 verbunden worden ist, wird das Abnahmeglied 21 zum Erfassen einer anderen Zuleitung 16 und zum Aufsetzen derselben auf ein anderes Metallstück 15 betätigt. Sodann erfolgt das Ver­ löten des Kopfteils 16 a dieser Zuleitung mit dem betref­ fenden Metallstück 15 auf die vorher beschriebene Weise. Die Zuleitungen 16 werden auf diese Weise automatisch und aufeinanderfolgend an den betreffenden Metallstücken 15 angelötet. Wenn alle Zuleitungen 16 an den zugeordne­ ten Metallstücken 15 angelötet worden sind, ist die in­ tegrierte Hybridschaltungsanordnung gemäß Fig. 1 fertig­ gestellt.
Im folgenden ist anhand der Fig. 7 und 8 die mechanische Festigkeit, die durch Verbindung der Zuleitung 16 mit dem Leiter 14 auf dem Substrat 11 mittels des Metallstücks 15 erreicht werden kann, in Gegenüberstellung zu der beim bisherigen Thermokompressions-Schweißen erzielbaren mechanischen Festig­ keit erläutert.
In Fig. 7 ist auf der Ordinate die Zugfestigkeit aufge­ tragen, während auf der Abszisse die Zahl der Prüflinge aufgetragen ist. Die kreisförmigen Markierungen stehen dabei für die mit der Erfindung erzielte Zugfestigkeit, während die dreieckigen Markierungen die beim Thermokompres­ sions-Schweißen erzielbare Zugfestigkeit angeben. Die verwende­ ten Zuleitungen bestanden aus verzinnten Kupferdrähten eines Durchmessers von 0,5 mm. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Zugfestig­ keit in der Größenordnung von 8 kg erreicht, während die­ se Zugfestigkeit beim Thermokompressions-Schweißen in der Größenord­ nung von 7 kg liegt. Es kann somit die Zug­ festigkeit praktisch um 1 kg erhöht werden.
In Fig. 8 ist auf der Ordinate die Biegefestigkeit aufge­ tragen, d. h. die Häufigkeit, mit welcher die Zuleitungen um 45° abgebogen werden können. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, bricht eine nach dem bisherigen Thermokompressions-Schweißverfahren befestigte Zuleitung nach nur etwa zwei Biegevorgängen an ihrem Verbindungsabschnitt, während die nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren befestigte Zuleitung fünf bis sechs Biegevorgänge aushält. Es kann somit sowohl die Zugfestigkeit als auch die Biegefestigkeit verbessert werden.
Mit der Erfindung werden somit eine integrierte Hybrid­ schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung derselben geschaffen, wobei Schaltungs­ elemente und Zuleitungsanschluß-Metallstücke durch Fließ­ löten mit Zuleitungen verbunden werden, die durch Pastendruck auf einem Keramiksubstrat ausgebildet worden sind, und wobei Zuleitungsköpfe später auf die Metallstücke aufge­ setzt und dann mit diesen mittels eines Stroms, der über den Zuleitungskopf in das Metallstück und von diesem wie­ der in den Zuleitungskopf geleitet wird, verschweißt und verlötet werden. Es ist somit das Trimmen und Verdrahten nach dem Fließlöten einfach durchführbar, weil diese Arbeisgänge nicht durch vom Substrat abste­ hende Zuleitungen behindert werden. Im Gegensatz zu bis­ herigen Verfahren können darüber hinaus die Zuleitungen mit dem Substrat verbunden werden, ohne daß sie umständ­ lich durch Bohrungen hindurchgezogen zu werden brauchen. Der Arbeitsgang der Anbringung der Zuleitung kann somit ohne weiteres automatisiert werden.
Während bei der beschriebenen Ausführungsform der Zulei­ tungskopf eine T-förmige Gestalt besitzt, kann er auch L-förmig ausgebildet sein. Während weiterhin bei der be­ schriebenen Ausführungsform die Zuleitung vollständig mit Lötmaterial überzogen ist, ist es auch möglich, zumindest die Zuleitung oder das Metallstück mit Lötmaterial zu be­ schichten.

Claims (5)

1. Integrierte Hybridschaltungsanordnung mit
  • - einem isolierenden Substrat (11) mit zwei gegen­ überliegenden Oberflächen und einem Schaltungs­ leitermuster (12, 13) und Anschlußflecken (14) auf einer der Oberflächen des Substrats (11),
  • - Schaltungselementen (18), die mit dem Schaltungs­ leitermuster (12, 13) verlötet sind, und
  • - Zuleitungen (16) mit einem im Längsschnitt T-förmigen oder L-förmigen Kopf (16 a), welcher jeweils mit dem zugehörigen Anschlußflecken (14) über mindestens eine Lötstelle mechanisch und elek­ trisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf jedem Anschlußflecken (14) jeweils ein mit Lötmaterial überzogenes, plattenförmiges Metall­ stück (15) angeordnet ist, welches an einigen Stellen seiner der Zuleitung zugewandten Seite mit entsprechenden Stellen des Kopfes zusätzlich zu der Lötverbindung der Lötstelle verschweißt und mit seiner den Anschlußflecken (14) zugewand­ ten Seite mit dem Anschlußflecken (14) verlötet ist.
2. Integrierte Hybridschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück (15) mit Zinn überzogen ist, und daß die Zuleitung ein mit Löt­ material überzogener Kupferdraht ist.
3. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Hybrid­ schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schaltungselemente (18) auf das Schaltungslei­ termuster (12, 13) aufgesetzt, verlötet und die Zu­ leitungen an der Stelle der Anschlußflecken (14) aufgelötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Schaltungselemente (18) auf das Schal­ tungsleitermuster (12, 13) und die Metallstücke (15) auf die Anschlußflecken (14) aufgesetzt und mittels Wiederaufschmelzlöten aufgelötet werden und daß danach in einem getrennten Herstellungsschritt die Zuleitungen (16) an ihren Köpfen (16 a) mit den Metallstücken (15) zugleich verlötet und verschweißt werden, indem jeweils geeignet geformte Elektroden (22 a, 22 b) auf die der herzustellenden Löt- und Schweißstelle abgewandten Seite des Kopfes (16 a) der Zuleitung (16) aufgesetzt, der Kopf (16 a) mit den Elektroden (22 a, 22 b) auf das Metallstück (15) für die Verschweißung ausreichend stark angedrückt und die Elektroden (22 a, 22 b) mit einem Schweißstrom beaufschlagt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Zuleitung (16) oder das Metall­ stück (15) mit Lötmaterial beschichtet wird.
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