DE3300549C2

DE3300549C2 - Gedruckte Schaltungsplatine und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE3300549C2
Application number: DE3300549A
Authority: DE
Inventors: Hisaji Higashiosaka Osaka Tanazawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-01-14
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1985-01-17
Also published as: US4545119A; GB2115985B; GB8300836D0; JPS58106971U; GB2115985A; DE3300549A1

Abstract

Eine auf einer oder auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Struktur (2) versehene gedruckte Schaltungsplatine (1) weist durchgehende Öffnungen (3) auf, in die ein elektrisch leitendes Material (4) eingesetzt ist, das metallisch mit der elektrisch leitenden Struktur (2) verbunden ist. Zur Herstellung der gedruckten Schaltungsplatine wird das elektrisch leitende Material in die Öffnung eingesetzt, in einem Endbereich abgewinkelt oder gestaucht und durch Ultraschall-Schweißen metallisch mit der elektrisch leitenden Struktur verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Anschlußkontakten auf Leiterplatten aus harzgetränkten Papierschichtplatten, bei dem elektrisch leitende Niethülsen in Durchbrüche von Leiterplatten eingesetzt und unter Bildung von Flanschen beidseitig bis zur Anlage gegen die Leiterplatte bzw. die aufgedruckten Leiterbahnen gestaucht werden.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik, wie er in der US-PS 33 34 395, insbesondere Fig. 5 und der US-PS 33 21 570, insbesondere Fig. 1, jeweils mit zugehörigem Text zum Ausdruck kommt.

Harzgetränkte Papierschichtenmaterialien werden in der elektrischen und elektronischen Industrie in großem Umfang verwendet, da sie billiger als Plattenmaterialien aus Glasfasern oder Keramik sind. Zum Einbringen von leitendem Material in das Innere von Durchbrüchen der Leiterplatten zur Verbindung von Leiterbahnen auf beiden Seiten der Platte sind verschiedene Verfahren bekannt. Es kann mit Hilfe eines galvanischen Verfahrens, durch Einbringen einer leitenden Paste oder auch durch Einsetzen einer leitenden Hülse geschehen. Das galvanische Verfahren ist teuer und zeitaufwendig, da zahlreiche Arbeitsschritte erforderlich sind. Kostengünstiger ist ein Verfahren, bei dem eine leitende Paste verwendet wird, jedoch besitzt diese einen höheren Widerstandswert als galvanisch hergestellte Verbindungen, und es können Luftblasen oder Risse in der Paste entstehen, die die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung beeinträchtigen.

Zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem eine leitende öse verwendet wird, soll bereits hier auf F i g. 2 der Zeichnung Bezug genommen werden. Die Öse 4 wird nach dem Einsetzen in die Öffnung 3 der Leiterplatte 1 an beiden Enden gestaucht, so daß Flansche 41, 42 entstehen, die mit den Leiterbahnen 2 auf der Oberfläche der Leiterplatte in Berührung stehen. Nach dem herkömmlichen Verfahren wird jedoch keine metallische Verbindung dieser Flansche mit den Leiterbahnen ίο 2 erreicht. Aus diesem Grunde ist die elektrische Verbindung nicht stabil. Zwar braucht zur Verbesserung der elektrischen Verbindung lediglich der beim Stauchen der Öse aufgewendete Druck erhöht zu werden, so daß sich die Flansche in die Leiterbahnen eindrücken. Dieser höhere Druck kann jedoch wiederum nicht bei i.arzgetränkten Papierschichtplatten aufgebracht werden, da diese beschädigt würden. Andererseits läßt sich die elektrische Verbindung auch nicht durch Löten verbessern, da das in harzgetränkten Papierschichtplatten vorhandene Harz bei der üblichen Löttemperatur verdampft, so daß die Plattendicke abnimmt. Dies führt wiederum dazu, daS sich die Flansche der Niethülser. von der Plattenaußenseite und damit von den Leiterbahnen entfernen, so daß die zunächst hergestellte elektrische Verbindung wieder aufgehoben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem bei harzgetränkten Papierschicht-Leiterplatter, zuverlässige und dauerhafte elektrische Verbindungen zwischen den Leiterbahnen auf den beiden Plattenseiten hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Flansche der Niethülse von beiden Seiten her mit einem Ultraschall-Schweißwerkzeug erfaßt und mit einem Druck von höchstens 500 kg/cm² gegen die Leiterbahnen angedrückt und mit diesen bei einer Frequenz der Ultraschallschwingung von 15 bis 80 kHz und einer Amplitude von 0,5 bis 100 μπι verschweißt werden.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eiae in eine gedruckte Leiterplatte eingesetzt Öse;

l· i g. 2 ist ein Schnitt durch eine öse, die in herkömmlicher Weise mit der Leiterplatte verbunden ist;

Fig.3 ist ein Schnitt durch eine öse, die metallisch mit einer leitenden Struktur der Leiterplatte verbunden ist;

Fig.4 ist eine schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweißvornchtung;

F i g. 5 ist eine Querschnittsdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung soll als Beispiel für ein Stück aus elektrisch leitendem Material, das mit der Schaltungsplatine zu verbinden ist, eine Öse oder Lötöse betrachtet werden.

Eine gedruckte Leiterplatte 1 ist durch eine mit Epoxid- oder Phenolharz imprägnierte isolierende Schichtplatte gebildet. Die Leiterplatte 1 ist auf beiden Seiten mit einer leitenden Struktur aus Kupfer-Folie von etwa 35 μπι Stärke versehen. An Leiterbahn-Enden 2a der leitenden Strukturen ist eine durchgehende öffnung 3 vorgesehen.

Eine öse 4 wird von Hand oder maschinell in die Öffnung 3 eingesetzt und durch Stauchen derart in der öffnung verstemmt, daß Flansche 41, 42 gebildet werden, die die Leiterbahn-Enden 2a überlappen. Die im gezeigten Beispiel verwendete Öse 4 weist die Form

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eines Zylinders mit einem Außendurchmesser von annähernd 1 mm auf. Die Durchmesser der beiden Flansche 41, 42 betragen annähernd 1,5 mm. Vorzugsweise besteht die öse 4 aus dem gleichen Material wie die leitende Struktur 2 und weist eine Materialstärke von vorzugsweise 10 bis 100 μπι auf. Wenn die Materialstärke der öse kleiner als to μπι ist, wird die Herstellung der Öse schwierig, während andererseits bei einer Materialstärke von mehr als 100 μπι die öse ungeeignet ist, da die zum Verbinden der öse mit der leitenden Struktur durch Ultraschall-Schweißen benötigte Energie zunimmt. Anstelle der Ösen aus Kupfer können auch Ösen aus Aluminium, Messing oder dergleichen verwendet werden, wie sie im Handel erhältlich sind. Als Material für die öse sind verhältnismäßig weiche Materialien vorzuziehen. Für das Stauchen und die Ultraschall-Schweißung sind geglühte Ösen besonders geeignet.

Die in der öffnung 3 verstemmte öse 4 wird anschließend durch Ultraschall-Schweißen kontaktiert. Gemäß F i g. 4 wird die Leiterplatte 1 zwischen zwei Halteplatten 65 aus Eisen eingespannt oder unmittelbar in einem Schraubstock 67 befestigt. Die in die Leiterplatte 1 eingesetzte Öse4 befindet sich dabei zwischen El-ktroden 63 und 64 einer Ultraschall-Schweißvorrichtung 6. An den Oberflächen der Schallgeber-Elektroden 63 und der Reflexions-Elektrode 64, die einander auf entgegengesetzten Seiten der Leiterplatte gegenüberliegen, ist eine feine Auszahnung ausgebildet, die ein Verschieben der Flansche 41, 42 gegenüber den Leiterbahn-Enden 2a verhindert Während die Elektroden 63, 64 gegen die öse 4 angedrückt werden, wird von einem Schwingungsgeber 61 eine Schwingung entweder auf die Schallgeber-Elektrode 63 oder auf die Reflexions-Elektrode 64 übertragen. Hierdurch wird auch die jeweils andere Elektrode in Schwingung versetzt. Auf diese Weise werden die Flansche 41, 42 der öse 4 mit den leitenden Strukturen 2 metallisch verbunden.

Wenn nur auf einer Seite der Schaltungsplatine eine leitende Struktur vorgesehen ist, braucht die Ultraschall-Schweißung nur an dieser Struktur und dem damit in Berührung stehenden Flansch ausgeführt zu werden.

Der zum Erfassen und Einspannen der Öse 4 mit Hilfe der Elektroden 63, 64 erforderliche Druck braucht lediglich so groß zu sein, daß die Flansche 41.42 der Öse 4 an den leitenden Strukturen festgelegt werden, und beträgt nicht rt.ehr als 500 kg/cm². Wenn nur ein sehr geringer Druck auf die öse ausgeübt wird, so wird hierdurch die Zuverlässigkeit d?r metallischen Verbindung zwischen der öse und der leitenden Struktur vermindert. Andererseits kann ein Druck, der den Wert von 500 kg/cm² übersteigt, zur Beschädigung der Leiterplatte 1 am RanJ der Öffnung 3 oder an den Flanschen der öse führen. Dies hätte eine unzuverlässige elektrische Verbindung zur Folge. Ferner bestünde in diesem Fall die Gefahr, daß die Leiterplatte zerbricht.

Bei der im vorliegenden Beispiel verwendeten öse sollte der ausgeübte Druck nicht größer als 300 kg/cm², vorzugsweise nicht größer als 100 kg/cm² sein.

Die Frequenz der Ultraschall-Schwingung wird auf 15 bis 80 kHz eingestellt.

Wenn die Frequenz kleiner als 15 kHz ist, kann eine metallische Verbindung nur schwer erreicht werden. Wenn andererseits die Frequenz größer als 30 kHz ist, wird die Fläche, auf die der Druck ausgeübt wird, kleiner, so daß aus dieseni Grund der Innendurchmesser der Öse verringert werden müßte. Dies hätte den Nachteil, daß ein elektrischer Ansc'.ikiß eines elektronischen Bauteils nur schwer in die öse eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus wäre in diesem Fall die Herstellung des Schwingungsgebers erschwert. Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten öse ist eine Frequenz von 20 bis 60 kHz, insbesondere 25 bis 35 kHz vorzuziehen.

Die Amplitude der Ultraschall-Schwingung beträgt vorzugsweise 0,5 bis 100 μπι. Wenn die Amplitude den Wert von 100 μίτι übersteigt, besteht die Gefahr einer

ίο Beschädigung der Öse 4 oder der leitenden Struktur 2. Wenn dagegen die Amplitude kleiner als 0,5 μπι wäre, so wäre eine entsprechende Erhöhung der Frequenz erforderlich, die aus den oben angegebenen Gründen unerwünscht ist.

is Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Amplitude vorzugsweise 1 bis 50 μπι, insbesondere 10 bis 40 μπι.

Hinsichtlich des Grades der metallischen Verbindung ist es ausreichend, daß die Verbindung eine stabile elektrische Leitfähigkeit gewährleistet. Eine Festigkeit der Verbindung, wie sie üblicherweise be>n Schweißen angestrebt wird, ist erfindungsgemäß F«oht erforderlich. Die Kraft, mit der der Flansch der Öse mit der leitenden Struktur an den einzelnen öffnungen verbunden ist, beträgt beispielsweise 500 g bis 10 kg. Demgegenüber wird bei üblichen Schweißvorgängen in der Industrie angestrebt, daß die Festigkeit der verschweißten Teile ebenso groß ist wie die des Ausgangsmaterials, so daß bei einem Zugfestigkeitstest der Bruch an einer anderen Stelle des Materials als an der Schweißnaht erfolgt. Folglich brauchen die Flansche 41,42 der öse 4 nicht in ihrer Gesamtheit metallisch mit den leitenden Strukturen 2 verbunden zu sein, sondern es genügt, wenn jeweils ein hinreichend großer Teil der Flansche mit der entsprechenden leitenden Struktur verbunden ist.

Wenn die Flansche 41, 42 der Öse 4 zumindest in einem Teilabschnitt mit den leitenden Strukturen 2 verbunden sind, kann eine vollständige und ausreichende Festlegung der öse 4 in bezug auf die leitenden Strukturen 2 dadurch erreicht werden, daß ein Leitungsdraht eines nicht gezeigten elektronischen Bauteils in die Öffnung der Öse 4 eingeführt und darin festgelötet wird.

Der Durchmesser der Flansche 41, 42 der Öse 4 ist kleiner als das Leiterbahn-Ende 2a der leitenden Struktür 2. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine Benetzung mit Lötmittel sauber ausgeführt weiden kann, indem der Anschluß eines elektronischen Bauteils in der oben beschriebenen Weise in die Öse 4 eingelötet wird.
Das Einlöten des Leitungsdrahtes des elektronischen

Bauteils in die Öse kann dadurch verbessert werden, daß vorher eine Beschichtung aus lötfähigem Metall wie etwa Lötzinn oder dtrgleichen in einer Stärke von 0,5 bis 50 μπι durch Tauchlöten oder Galvanisieren auf die Oberfläche der öse aufgebracht wird.

Uie Durchführung der Ultraschall-Schweißung zur Verbindung der öse mit der leitenden Struktur wird durch das Vorhandensein einer solchen Lötmittelschicht zwischen den Oberflächen der öse und der leitenden Struktur nicht behindert, da die Lötmittelschicht beim Ultraschall-Schweif jn zusammen mit Verunreinigungen auf der Metalloberfläche durch den lokalen Druck und die entstehende Reibungswärme aus der Berührungsfläche des Flansches 41 mit der leitenden Struktur 2 herausgedrängt wird.

Beim Ultraschall-Schweißen ist eine Vorbereitung der Oberflächen für J*;n Schweißvorgang entbehrlich. Hierdurch wird die zum Anschweißen der Öse 4 an die Leiterplatte 1 erforderliche Zeit erheblich verkürzt und

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die Produktivität entsprechend gesteigert.

Wenn die Lötmittelschicht durch Tauchlöten aufgebracht wird, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die öse zugleich ausgeglüht und erweicht wird.

In einem Versuch wurden nach dem erfindungsgemä-Ben Verfahren an 100 Stellen metallische Verbindungen zwischen Messing-Ösen und der leitenden Struktur hergestellt. Die Werte des elektrischen Widerstands zwischen der öse und der leitenden Struktur lagen im Bereich von 2 bis 4 πιΩ und wiesen kaum eine Streuung auf. Dieses Ergebnis ist zu vergleichen mit herkömmlichen elektrischen Verbindungen zwischen Silberleitpaste und der leitenden Struktur, deren elektrischer Widerstandswert mit sehr großer Streuung im Bereich von 12 bsi 20 mn liegt.

Wie bereits erwähnt wurde, ist das Verfahren, die Öse in einer durchgehenden Öffnung der gedruckten Leiterplatte zu verstemmen, einfach und kostensparend. Der bisher mit diesem Verfahren verbundene Nachteil einer instabilen elektrischen Verbindung wird erfindungsgemaß dadurch überwunden, daß durch Ultraschall-Schweißen eine metallische Verbindung zwischen dem Flansch der öse und der leitenden Struktur der Leiterplatte hergestellt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt während der Durchführung der Ultraschall-Schweißung keinerlei Wärmeeinwirkung auf, und der erforderliche Druck ist nur gering. Dies gestattet es, als Träger für die leitenden Strukturen Leiterplatten aus einem Harz zu verwenden, das nur eine geringe Druck- und Hitzebeständigeit aufweist.

Beispiel

Bei einer praktischen Erprobung der Erfindung wurden als gedruckte Schaltungsplatinen Papier-Schichtplatten verwendet, die mit Phenolharz imprägniert waren und auf beiden Seiten eine 35 μπι starke Kupferfolie aufwiesen. Die in die Öffnungen der Leiterplatte eingesetzten und dort verstemmten ösen waren ebenfalls aus Kupfer mit einer Stärke von 35 μπι hergestellt.

Bei der Ultraschall-Schweißung wurde auf die öse ein Druck von 10 kg/cm² ausgeübt und die Amplitude der Ultraschall-Schwingungen betrug 23 μπι.

Der elektrische Widerstand zwischen dem Flansch der öse und der leitenden Struktur der Leiterplatte betrug nur 4 σιΩ. Dies ist ein Indiz dafür, daß eine metallische Verbindung der Öse mit der leitenden Struktur hergestellt wurde.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die öse durch einen Metalidraht oder eine Metallfo- se He 81 ersetzt, wie ^:n F i g. 5 gezeigt ist. Die beiden auf entgegengesetzten Seiten aus der Öffnung der Leiterplatte herausragenden Enden der Metallfolie werden in Richtung auf die leitenden Strukturen 2 zur Seite gebogen und durch Ultraschall-Schweißung metallisch mit den leitenden Strukturen verbunden.

Die erfindungsgemäße gedruckte Leiterplatte zeichnet sich durch eine geringe Streuung der Widerstandswerte der elektrischen Verbindungen und durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Nach dem vollständigen Bestücken der erfindungsgemäßen Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen weisen die so hergestellten Erzeugnisse gegenüber herkömmlichen Verfahren einen erheblich verringerten Anteil an fehlerhaften Erzeugnissen auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

33 OO 549 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Anschlußkontakten auf Leiterplatten aus harzgetränkten Papierschichtplatten, bei dem elektrisch leitende Niethülsen in Durchbrüche von Leiterplatten eingesetzt und unter Bildung von Flanschen beidseitig bis zur Anlage gegen die Leiterplatte bzw. die aufgedruckten Leiterbahnen gestaucht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (41, 42) der Niethülse (4) von beiden Seiten her mit einem Ultraschall-Schweißwerkzeug erfaßt und mit einem Druck von höchstens 500 kg/cm² gegen die Leiterbahnen angedrückt und mit diesen bei einer Frequenz der Ultraschallschwingung von 15 bis 80 kHz und einer Amplitude von 0,5 bis 100 μΐη verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ultraschall-Schwingung 20 *>is 60 kHz und die Amplitude dieser Schwingung 1 bis 50 μπι beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ultraschall-Schwingung 25 bis 35 kHz und die Amplitude dieser Schwingung 10 bis 40 μπι beträgt.

4. Verfahren nach einem dpr Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Niethülse (4) eine Beschichtung aus lötbarem Material aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Niethülse und die Leiterbahnen aus Kupfer hergestellt sind und daß die Wandstärke der Niethülse 10 bis 100 μπι beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Niethülse geglühtes Kupfer ist.