DE3428811A1

DE3428811A1 - Gedruckte schaltungsplatten

Info

Publication number: DE3428811A1
Application number: DE19843428811
Authority: DE
Inventors: Brian Gaghills House Rossendale Lancashire Gudgeon; Gordon Leslie Cheadle Hulme Cheadle Cheshire Thompson; Kenneth James Marple Stockport Lancashire Wombwell
Original assignee: Fujitsu Services Ltd
Current assignee: Fujitsu Services Ltd
Priority date: 1983-08-20
Filing date: 1984-08-04
Publication date: 1985-03-07
Also published as: GB8421093D0; NL8402528A; FR2550905B1; AU3204584A; GB2145573B; JPH0636463B2; AU564420B2; US4628409A; JPH05243736A; GB8322473D0; GB2145573A; JPS6059796A; FR2550905A1; ZA846088B

Description

Dipl.-lng. A. Wasmeier	-a.	Dipl.-lng. H. Graf 3428811
Zugelassen beim Europäischen Patentamt · Professional	Representatives before	the European Patent Office
Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg 1
An das Deutsche Patentamt Zureibrückenstraße 12		D-8400 REGENSBURG 1 GREFLINGER STRASSE 7 Telefon (0941) 5 47 53
8000 München 2		Telegramm Begpatent Rgb. Telex 65709 repat d
Ihr Zeichen Ihre Nachricht Your Ref. Your Letter	Unser Zeichen Our Ref.	Tag Date
	I/p 11.609	1. August 1984 W/He

Anmelder: INTERNATIONAL COMPUTERS LIMITED ICL House, Putney, London SW15 ISW, England

Titel:

"Gedruckte Schaltungsplatten"

Priorität: Großbritannien - Nr. 8322473 vom 20.8.1983 Erfinder: 1. Gordon leslie Thompson

2. Brian Gudgeon

3. Kenneth James Wombu/ell

Ingenieur Ingenieur Ingenieur

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 20073) 5 839 300

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Gerichtsstand Regensburg Gedruckte Schaltungsplatten

Die Erfindung bezieht sich auf gedruckte Schaltungsplatten, insbes. auf solche gedruckten Schaltungsplatten, die das Entfernen und Auswechseln von Bauelementen vereinfachen.

Es ist üblich, komplizierte elektronische Bauelemente auf gedruckten Schaltungsplatten dadurch ζμ befestigen, daß Stifte der Bauelemente in durchplattierte Löcher der Schaltung eingesetzt und diese Stifte an Ort und Stelle verlötet werden. Die durchplattierten Löcher stellen normalerweise Verbindungen zwischen den Stiften und stromleitendem Material dar, das einen Teil der Schaltung bildet und das in unterschiedlichen Pegeln der Schaltungsplatte liegt.

Wenn es erforderlich ist, ein Bauelement zu entfernen, z.B. zu ersetzen, weil es fehlerhaft, ist, stellt sich heraus, daß die Hitze, die erforderlich ist, um das Lötmittel zu schmelzen, die Schaltungsplatte ausdehnen und die Schaltung der Platte beschädigen kann. Dieses Problem tritt besonders auf bei modernen Bauelementen mit sehr hohem Integrationsgrad, die in sog. Stiftgitter-Gruppenpackungen (pin grid array packages) befestigt sind. Die große Anzahl von dicht gepackten Stiften bei einer derartigen Gruppe (z.B. etwa 100) macht es erforderlich, daß das Lötmittel für alle Stifte gleichzeitig geschmolzen wird, wenn der Vorgang nicht übermäßig lang dauern soll. Die große Wärmemenge, die deshalb erforderlich ist, und die verhältnismäßig große Dicke der Schaltungsplatte, die notwendig ist, um die große Anzahl von erforderlichen Zwischenverbindungen aufzunehmen, vergrößern das Expansionsproblem und damit die Beschädigung der Schaltungsplatte erheblich. Weil diese Bauelemente jedoch teuer sind, ist es besser, eine Schaltungsplatte zu reparieren, als sie wegzuwerfen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, daß die einzige Lösung für dieses Problem darin bestehe, Buchsen zu verwenden, die in die Schaltungsplatte eingelötet sind, und die Bauelemente dann in diese Buchsen einzustecken. Diese

Methode erhöht jedoch die Kosten und die Sperrigkeit der Schaltungsplatte und reduziert seine Zuverlässigkeit und die elektrische Leistung.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße gedruckte Schaltungsplatte «/eist eine Vielzahl von ersten und eine Vielzahl von zweiten Löchern auf, die sich durch die Schaltungsplatte erstrecken; jedes erste Loch ist ein durchplattiertes Loch für die Aufnahme eines Anschlußstiftes eines Bauelementes und ist ohne Innenplattierung ausgeführt, und jedes zweite Loch ist ein durchplattiertes Loch, das mit stromleitenden Bahnen auf unterschiedlichen Pegeln der Schaltungsplatte verbunden ist. Eine Oberflächenanschlußfläche aus stromleitendem Material in der Nähe eines jeden ersten Loches auf einer ersten Seite der Schaltungsplatte ist so ausgebildet, daß sie einen Teil der Lötverbindung mit einem Stift des Bauelementes bildet, der in das Loch eingesetzt wird, und die Oberflächenanschlußfläche ist mit entsprechenden Oberflächenleitern verbunden, von denen zumindest einige mit der Innenplattierung eines zweiten Loches verbunden sind.

Eine gedruckte Schaltungsplatte nach der Erfindung kann mindestens ein Bauelement aufweisen, das auf einer zweiten Seite der Schaltungsplatte entfernt von der ersten Seite angeordnet ist und eine Vielzahl von Anschlußstiften besitzt, deren jeder in ein erstes Loch eingesetzt ist und an der ersten Seite mit der Oberflächenanschlußfläche in der Nähe des ersten Loches verlötet ist.

Man hat festgestellt, daß die Lötmittelverbindungen eines Bauelementes rasch und gleichzeitig geschmolzen werden können, wobei die Gefahr einer Beschädigung der Schaltung der Platte entscheidend reduziert wird. Es kann auch eine komplizierte Schaltung verwendet werden, weil die zweiten, plattierten Löcher Verbindungen zu mehr als einer leitenden

Schicht ergeben. Vorzugsweise ist die Schaltungsplatte eine mehrschichtige Platte, d.h., daß mindestens eine stromleitende Schicht im Inneren der Schaltungsplatte vorhanden ist, die eine Verbindung oder Verbindungen der gedruckten Schaltung ergibt.

Vorzugsweise sind die zweiten Löcher mit Mitteln auf der ersten Seite versehen, die den Eintritt von geschmolzenem Lötmittel verhindern. Damit wird die Gefahr vermieden, daß Lötmittel in die zweiten Löcher eintritt und daß beim Schmelzen eine Expansion der Platte und eine Beschädigung der Schaltung auftritt. Ein Überzug aus Lötmittelabdeckmaterial ist ein geeignetes derartiges Mittel.

Üblicherweise wird Epoxy-Glas als Isoliermaterial für eine gedruckte Schaltungsplatte verwendet. Epoxy-Glas erweicht jedoch bei der Schmelztemperatur normaler Lötmittel, so daß die Adhäsion zwischen dem Epoxy-Glas und dem davon getragenen stromleitenden Material reduziert wird. Damit besteht die Gefahr, daß eine Anschlußfläche, z.B. die in der Nähe eines ersten Loches, die nicht durch das Plattieren eines durchgehenden Loches verankert wird, sich beim Schmelzen des Lötmittels abhebt. Es wird deshalb mit vorliegender Erfindung vorgeschlagen, als Material für die die Anschlußflächen aufnehmende Schaltungsplatte Polyimid-Glas oder anderes Material mit einer guten Adhäsion zum Material der Anschlußflächen bei der Schmelztemperatur von normalen Zinn/Blei-Lötmitteln zu verwenden.

Polyimid-Glas ist teurer als Epoxy-Glas und erfordert höhere Verbindungstemperaturen. Es ist deshalb zweckmäßig, daß die Schaltungsplatte eine Verbundplatte ist, die ein Laminat aus Epoxy-Glas mit einer Außenschicht aus Polyimid-Glas aufweist, wobei die beiden Schichten durch eine stromleitende Schicht getrennt sind, die eine vollständige Ebene darstellt (z.B. eine Spannungsebene). Eine derartige Konstruktion verringert die Kosten und vermeidet auch, daß es notwendig ist, sich auf eine Polyimid-Glas/Epoxy-Glas-Verbindung bis zu einem erheblichen Ausmaß zu verlassen. Vorzugsweise wird das

Polyimid-Glas vorgehärtet und auf einer Seite plattiert, wobei das stromleitende Material die erwähnte Ebene bildet und dann mit der Seite nach innen zu einem Stapel verbunden wird, dessen Isoliermaterial Epoxy-Glas ist; die Verbindung wird vorgenommen, indem die Härtung einer teilgehärteten Epoxy-Glas-Platte bzw. eines derartigen Films vervollständigt u/ird.

Nachstehend wird eine gedruckte Schaltungsplatte nach der Erfindung im einzelnen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil der Platte, wobei auch ein Teil eines befestigten Bauelementes dargestellt ist,

Fig. 2 eine Aufsicht (ohne Bauelement) auf den Teil der Schaltungsplatte, der in Fig. 1 gezeigt ist, und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Ausbildungen von Löchern in einem Bereich einer Schaltungsplatte zeigt, dem ein einzelnes Bauelement zugeordnet ist.

Nach den Figuren 1 und 2 nimmt die Schaltungsplatte 1 ein Bauelement 2 auf. Das Bauelement ist eine Stift-Gitter-Gruppenpackung (pin grid array package) mit einer großen Anzahl von Stiften (z.B. 135 oder 179), von denen nur ein Stift 3 gezeigt ist.

Die Platte 1 ist eine Mehrschichtenplatte (wobei nicht alle Schichten gezeigt sind), und enthält in bekannter Weise stromleitendes Material in inneren Schichten, die über durchplattierte Löcher miteinander verbunden sind. Ein solches Loch, z.B. Loch 4, besitzt eine Plattierung 5. Die Innenschichten können Spannungsebenen (d.h. Erde oder Leistung) oder Signalebenen sein. Eine Ebene 6 ist ein Beispiel für eine Spannungsebene, die aus einer im wesentlichen gleichförmigen Schicht aus stromleitendem Material besteht, die Kontakt mit einigen durchgehenden Löchern gibt, jedoch perforiert ist, damit andere ohne Kontaktgabe durch-

geführt werden können. Die Signalebenen enthalten verschiedene stromleitende Bahnen, z.B. Bahn 7, die als Beispiel für die Kontaktgabe mit der Plattierung 5 des Loches 4 gezeigt ist. Für eine Schaltungsplatte, die Stift-Gitter-Gruppenpackungen aufnimmt, sind viele andere Schichten vorhanden.

Durchplattierte Löcher, z.B. das Loch 4, nehmen keine Stifte eines Bauelementes auf. Stattdessen werden solche Stifte von Löchern wie z.B. einem Loch 8 aufgenommen, das die Stifte 3 aufnimmt. Diese Löcher haben keine Plattierung auf ihren Innenwänden.

Die Mündung des Loches 8 auf der Seite der Schaltungsplatte 1 entfernt von dem Bauelement 2 wird von einer Anschlußfläche 9 umgeben. Die Anschlußfläche 9 ist über eine Oberflächenbahn 10 mit einer Anschlußfläche 11 verbunden, die die Mündung des Loches 4 umgibt und die mit der Plattierung 5 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform steht jedes andere nichtplattierte Loch in ähnlicher Weise mit einem durchplattierten Loch in Verbindung.

Eine Schicht 12 aus Lötmittelabdeckmaterial wird aufgebracht, um alle durchplattierten Löcher abzudecken, sie läßt jedoch die Anschlußfläche 9 und alle anderen Anschlußflächen um die nichtplattierten Löcher herum frei.

Der Körper der Platte ist aus Epoxy-Glas aufgebaut, in dem die stromleitenden Schichten angeordnet sind. Die Begrenzung des Epoxy-Glases ist die Spannungsebene 6, auf deren anderer Seite eine Schicht aus Polyimid-Glas 13 vorgesehen ist.

Um ein Bauelement zu befestigen, werden seine Stifte in die nichtplattierten Löcher eingesetzt und die die Anschlußfläche 9 und ähnliche Anschlußflächen enthaltende Seite wird relativ zu einer Zinn/Blei-Lötmittelwelle bewegt, wodurch eine Hohlkehle 14 oder dergl. erhabene Ausgestaltung aus Lötmittel verbleibt, die die Anschlußfläche 9 mit dem Stift 3 verbindet und in ähnlicher Weise die anderen Stifte mit der Schaltungsplatte verbindet. Lötmittel tritt nicht in beachtlichem

Ausmaß in die nichtplattierten Löcher ein und wird aus den durchplattierten Löchern durch das Lötrnittelabdeckmaterial herausgehalten, das auch als thermische Barriere wirkt.

Wenn dann ein Bauelement entfernt werden soll, wird die Schaltungsplatte über einer Zinn/Blei-Lötmittelwelle aufgehängt bzw. angeordnet, das Lötmittel aller Stifte des Bauelementes geschmolzen und das Bauelement entfernt. Nachdem das Bauelement entfernt worden ist, wird Lötmittel, das die Löcher überbrückt, unter Einsatz von Luft, z.B. Warmluft, sanft weggeblasen, bevor es verfestigt. Wenn die Löcher auf diese Weise freigelegt sind, kann anschließend ein Austauschbauelement eingesetzt und im eingesetzten Zustand verlötet werden. Erforderlichenfalls kann das Bauelement an einer bestimmten Stelle mehrere Male geändert werden. Auf diese Weise wird eine wirtschaftliche Reparatur oder Änderung der Schaltungsplatte erheblich vereinfacht.

Man hat festgestellt, daß eine Stift-Gitter-Gruppenpackung (pin grid array package) in drei bis fünf Sekunden abgelötet und ausgewechselt werden kann, ohne daß die Schaltungsplatte beschädigt wird. Dies ist in Vergleich zu setzen mit der Situation, wenn die Stifte der Packung in durchplattierten Löchern einer Schaltungsplatte verlötet sind, die unter Verwendung von durchgehendem Epoxy-Glas als Dielektrikum aufgebaut ist. Man stellt dann fest, daß es etwa zehn Sekunden Zeit dauert, um das Lötmittel zu schmelzen, und selbst dann, wenn das Lötmittel eines jeden Stiftes individuell geschmolzen und durch Saugwirkung entfernt wird, stellt man fest, daß Schaden an einer erheblichen Anzahl von Löchern aufgetreten sind. Die Beschädigung besteht üblicherweise darin, daß Anschlußflächen sich um ihren Umfang herum angehoben haben und möglicherweise die Verbindungsstellen zwischen internen leitenden Schichten und der Lochplattierung gebrochen sind. Dies tritt auf, weil die Zeitdauer, während der die Schaltungsplatte der Temperatur des geschmolzenen Zinn/Blei-Lötmittels (220° C - 250° C) ausgesetzt ist, in Verbindung mit dem wirksamen Pfad zur Wärmeleitung, der durch das Lötmittel in den Löchern erzielt wird, ergibt, daß die

Temperatur des Epoxy-Glas-Materials im Inneren der Schaltungsplatte über seine Sprungtemperatur von 120° C ansteigt. Über dieser Temperatur steigt die Expansionsgeschwindgkeit rasch an, und die Expansion des Epoxy-Glas-Materials in Richtung quer zur Platte wird größer als die Expansion des leitenden Materials. Gleichzeitig wird die Adhäsion zwischen dem leitenden Material (normalerweise Kupfer) und dem Epoxy-Glas-Material wesentlich reduziert.

Nachstehend wird die Funktion der Polyimid-Glas-Schicht 13 erläutert. Polyimid-Glas-Material eine Sprungtemperatur von 260° bis 280° C. Dieses Material erfährt somit einen minimalen Adhäsionsverlust an Anschlußflächen bei der Temperatur von 220° - 250° C der Lötmittelwelle, und die Anschlußflächen haben eine gute Adhäsion zu der Polyimid-Glas-Schicht. Infolgedessen heben sie sich nicht wahrnehmbar ab, obgleich die vorher durch die innere Plattierung vorhandene Verankerung nicht mehr besteht. Der Körper der Schaltungsplatte besteht jedoch aus Epoxy-Glas, das billiger ist als Polyimid-Glas, so daß die Gesamtkosten der Schaltungsplatte verringert werden.

Kupferplattiertes Polyimid-Glas-Laminat steht kommerziell zur Verfügung. Dies ermöglicht, daß die Schaltungsplatte nach Fig. 1 auf einfache Weise hergestellt werden kann. Die notwendigen Epoxy-Glas-Laminate werden in herkömmlicher Weise so hergestellt, wie dies bei der Herstellung von mehrschichtigen Schaltungsplatten der Fall ist. In ähnlicher Weise erhält ein Polyimid-Glas-Laminat das Muster der Spannungsebene 6. Diese Laminate werden in einen Stapel zusammengebaut, bei dem das Polyimid-Glas-Laminat eine äußere Schicht ist und die Ebene,6 nach innen gewandt ist. Die Laminate werden mit dünnen Platten bzw. Filmen aus kunststoffimprägniertem Material (teilweise gehärtetem Epoxy-Glas) verschachtelt angeordnet, und die gesamte Anordnung wird miteinander durch Aufheizen verbunden, um die Aushärtung zu vervollständigen, wozu nur die tieferen Temperaturen und kürzeren Zeiten notwendig sind, die bei Epoxy-Glas anzuwenden sind, anstelle der Temperaturen und Zeitdauern, die im Falle von Polyimid-

Glas erforderlich sind. Die Ebene 6 wird damit mit einer der dünnen Platten bzw. Filme aus kunststoffimprägniertem Material verbunden und es stehen keine wesentlichen Bereiche von Epoxy-Glas und Polyimid-Glas in Kontakt, so daß die Probleme gelöst werden, die auftreten können, wenn Verbindungen zwischen diesen Materialien notwendig sind. Äußere stromleitende Muster werden dann definiert und zu plattierende Löcher gebohrt. Anschließend wird die Schaltungsplatte plattiert, dann werden nichtplattierte Löcher gebohrt und schließlich wird Lötmittelabdeckmateriai aufgebracht.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung von Löchern für eine Stift-Gitter-Gruppenpackung mit Stiften, die in vier konzentrischen Quadraten angeordnet sind. Im Bereich 21 sind nichtplattierte Löcher 20 für diese Stifte ähnlich dem Loch 8 vorgesehen. Jedes dieser Löcher steht mit einem zugeordneten durchgehenden Loch 22 ähnlich dem Loch 4 und entweder innerhalb oder außerhalb des Bereiches 21 in Verbidung. In Fig. 3 sind nur einige wenige dieser Löcher dargestellt. Vorzugsweise wird jedes nichtplattierte Loch mit Hilfe eines Verbindungsgliedes mit einem durchplattierten Loch verbunden, um eine systematische Konstruktion zu erzielen; falls erwünscht, können jedoch Bahnen geradlinig von einem nichtplattierten Loch (d.h. Stift) zu einem anderen, z.B. einem anderen Bauelement oder einem Randverbinder verlaufend vorgesehen sein.

Beispiele für geeignete Dimensionen sind:

Dicke der Schaltungsplatte 2,896 mm,

Dicke der Polyimidschicht 0,127 mm,

Dicke der leitenden Schichten 0,0356 mm,

Dicke des Lötmittelabdeckmateriales 0,0508 bis 0,0762 mm.

Die Stifte können etwa 1,016 - 2,032 mm über die Oberfläche der Schaltungsplatte vorstehen.

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Während die Lötmittelabdeck- und thermische Barriere einen zusätzlichen Schutz für die Platte ergibt, kann diese Barriere auch bei solchen Anwendungsfällen u/eggelassen werden, bei denen die Zuverlässigkeit der Verbindungen innerhalb des Loches nicht ausschlaggebend ist.

Vorzugsweise wird eine äußere Schicht aus Polyimid-Glas verwendet, die einen zusätzlichen Schutz gegen Beschädigung ergibt; die kurze Zeitdauer, die erforderlich ist, um das Lötmittel zu schmelzen, und das Fehlen von Lötmittel in den Löchern nach der vorbeschriebenen Methode ergibt jedoch in sich bereits eine wesentliche Verbesserung der Betriebssicherheit, selbst wenn das Dielektrikum durchgehend Epoxy-Glas ist.

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Claims

Patentansprüche:

1. Gedruckte Schaltungsplatte zur Befestigung von Bauteilen auf der Schaltungsplatte, mit einer Vielzahl von durchplattierten Löchern, die mit stromleitenden Bahnen auf verschiedenen Pegeln der Schaltungsplatte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nichtdurchplattierte Löcher (8) zur Aufnahme von Bauelementestiften (3) vorgesehen sind, daß jedes nichtdurchplattierte Loch (8) eine benachbarte Oberflächenauflage (9) aus stromleitendem Material auf einer Seite der Schaltungsplatte (1) aufweist, die zur Ausbildung einer Lötverbindung mit einem Bauelementestift (3) geeignet ist, der in das Loch (8) eingesetzt ist, daß jede Oberflächenauflage (9) mit einem Oberflächenleiter (10) verbunden sind, und daß mindestens einige der Leiter (10) mit der Plattierung (5) der durchplattierten Löcher (4) verbunden sind.

2. Schaltungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Lötmittelabdeckmaterial (12) die durchplattierten Löcher (4) an der einen Seite der Schaltungsplatte (1) bedeckt, um den Eintritt von geschmolzenem Lötmittel während des Entfernens und Auswechselns von Bauelementen zu verhindern.

3. Schaltungsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fläche der Schaltungsplatte (1) eine Polyimid-Glas-Schicht (13) aufweist.

4. Schaltungsplatte nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bauelement (2) auf einer gegenüberliegenden Seiten der Stromkreisplatte (1) angeordnet ist, und daß das Bauelement (2) eine Vielzahl von Verbindungsstiften (3) aufweist, deren jeder in ein nichtdurchplattiertes Loch (8) eingesetzt und mit einer entsprechenden benachbarten Oberflächenauflage (9) verlötet ist.