DE3428812A1 - Gedruckte schaltungsplatten und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE".

Dipl.-Ing. A. Wasmeier

Dipl.-Ing. H. Graf

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Date

I/p 11.610

1. August 1984 W/He

Anmelder: INTERNATIONAL COMPUTERS LIMITED

ICL House, Putney, London SW15 ISW, England

Titel: "Gedruckte Schaltungsplatten und Verfahren zu ihrer Herstellung."

Priorität: Großbritannien - Nr. 8322474 vom 20.8.1983

Erfinder: Gordon Leslie Thompson - Ingenieur

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 20073) 5839300

Gerichtsstand Regensburg

Gedruckte Schaltungsplatten und Verfahren zu ihrer Herstellung

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

Es ist üblich, komplizierte elektronische Bauelemente auf gedruckten Schaltungsplatten dadurch zu 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 dem 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. Stift-Gitter-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 Gefahr einer Beschädigung der Schaltungsplatte erheblich. Weil diese Bauelemente jedoch teuer sind, ist es besser, eine Schaltungsplatte zu reparieren, als sie wegzuwerfen. Es ist auch bereits erörtert 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 ihre Zuverlässigkeit.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatte weist miteinander abwechselnde Schichten aus Epoxy-Glas und stromleitendem Material, eine Polyimid-Glas-Schicht auf einer Seite der Schaltungsplatte und stromleitende Anschlußflächen auf der äußeren Seite der Polyimid-Glas-Schicht zur Verbindung mit Bauelemente-Verbindungsstiften auf; die Anordnung bewirkt eine Reduzierung der Gefahr einer Beschädigung der Schaltungsplatte während des Entfernens und Auswechselns von auf der Schaltungsplatte befestigten Bauelementen.

Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatten vorgeschlagen, das folgende Schritte umfaßt: Es wird ein Stapel gebildet, indem eine Vielzahl von Epoxy-Glas-Schichten miteinander verbunden bzw. verklebt werden, wobei diese Schichten stromleitende Teile aufnehmen und eine darüberliegende Schicht aus Polyimid-Glas stromleitende Bereiche einschließlich stromleitender Anschlußflächen auf der äußeren Seite besitzt; anschließend wird ein Bauelement mit Verbindungsstiften auf der Schaltungsplatte so angeordnet, daß mindestens einige der Verbindungsstifte mit den stromleitenden Anschlußflächen in Eingriff kommen; schließlich werden die Stifte mit den Anschlußflächen verlötet.

Zweckmäßigerweise erstreckt sich eine im wesentlichen vollständige Schicht aus stromleitendem Material zwischen der Polyimid-Glas-Schicht und der benachbarten Epoxy-Glas-Schicht.

Vorzugsweise u/erden die Polyimid-Glas- und Epoxy-Glas-Schichten vorgehärtet und dadurch miteinander verbunden bzw. verklebt, daß die Härtung von dünnen Platten oder Filmen aus vorimprägniertem Material, das zwischen die Schichten verschachtelt eingesetzt ist, zu Ende gehärtet wird, wobei eine Schicht des vorimprägnierten Materials in der Nähe der im wesentlichen vollständigen Schicht aus stromleitendem Material angeordnet ist.

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 durchgeführt 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. Dip 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 Lotmittelabdeckmaterial herausgehalten, das auch als thermische Barriere wirkt.

Wenn dann ein Bauelement entfernt «/erden soll, wird die Schaltungsplatte über einer Zinn/Blei-Lötmittelu/elle 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 26Q° 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 u/ird 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. Süßere stromleitende Muster werden dann definiert und zu plattierende Löcher gebohrt. Anschließend wird die Schaltungsplatte plattiert, dann werden nichtplattierte Löcher gebohrt und schließlich wird Lötmittelabdeckmaterial 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.

Es wurde festgestellt, daß eine Verbundplatte aus Epoxy-Glas mit einer äußeren Schicht aus Polyimid-Glas, wie vorbeschrieben, wesentlich weniger der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt ist, wenn ein Bauteil entfernt wird, als dies bei einer vollständig aus Epoxy-Glas bestehenden Schaltungsplatte der Fall ist, selbst wenn die Stifte in durchplattierten Löchern verlötet sind. Dann ist es bei bestimmten Anwendungsfällen möglich, insbesondere, wenn die Schaltungsplatte verhältnismäßig dünn ist, z.B. bis zu einer Dicke von 60 um, ein auf diese Weise befestigtes Bauelement durch Absaugen des Lötmittels von individuellen Stiften ohne besondere Gefahr der Beschädigung zu entfernen.

Die Lötmittelabdeck- und thermische Barriere ergibt einen zusätzlichen Schutz für die Platte; diese Barriere kann jedoch auch bei solchen Anwendungsfällen weggelassen werden, bei denen die Zuverlässigkeit der Verbindungen innerhalb des Loches nicht ausschlaggebend ist.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatte mit abwechselnden Schichten aus Epoxy-Glas und stromleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pqlyimid-Glas-Schicht (13) auf einer Seite der Schaltungsplatte (1) und stromleitende Anschlußflächen (9) auf der Außenseite der Polyimid-Glas-Schicht (13) zur Verbindung mit Bauelementestiften (3) vorgesehen ist, um die Gefahr einer Beschädigung der Schaltungsplatte während des Entfernens und Auswechselns von mit der Schaltungsplatte befestigten Bauelementen zu verringern.

2. Schaltungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schema von Löchern (8) durch die Schichten der Schaltungsplatte (1) hindurch ausgebildet ist, daß die Löcher durch die stromleitenden Anschlußflächen (9) hindurchgeführt sind, und daß das Schema von Löchern (8) die Verbindungsstifte (3) aufnimmt.

3. Schaltungsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen vollständige Schicht aus stromleitendem Material (6) zwischen der Polyimid-Glas-Schicht (13) und der benachbarten Epoxy-Glas-Schicht angeordnet ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte durch Verbinden bzw. Verkleben einer eine Vielzahl von stromleitenden Teilen aufnehmenden Epoxy-Glas-Schichten zu einem Stapel, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stapel eine darüberliegende Schicht aus Polyimid-Glas (13) verbunden bzw. verklebt wird, die auf ihrer Außenfläche stromleitende Anschlußflächen (9) aufweist, daß ein Bauelement (2) mit Verbindungsstiften (3) auf der Schaltungsplatte (1) so angeordnet wird, daß mindestens einige der Stifte (3) mit den stromleitenden Anschlußflächen (9) in Eingriff kommen, und daß die Stifte (3) mit den Anschlußflächen (9) verlötet werden.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher (8) durch die miteinander verbundenen bzw. verklebten Schichten ausgebildet werden, um die Verbindungsstifte (3) aufzunehmen, vi/obei mindestens einige der Löcher (8) durch die stromleitenden Anschlußflächen (9) gehen, daß das Bauelement (2) auf der Schaltungsplatte (1) so angeordnet u/ird, daß seine Verbindungsstifte (3) sich durch die Löcher (8) erstrecken und die Enden der Stifte (3) über die stromleitenden Anschlußflächen (9) vorstehen, und daß die vorstehenden Enden der Stifte (3) mit den Anschlußflächen (9) verlötet werden.