DE4307784C2 - Verfahren zum Herstellen von mit Pads versehenen Leiterplatten für die SMD-Bestückung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mit Pads versehenen Leiterplatten für die SMD-Bestückung.

Die derzeitige Herstellung von beiterplatten für die SMD- Bestückung erfolgt beispielsweise durch eine HAL-Verzin­ nung. Hierbei treten jedoch starke Schwankungen der effek­ tiven Schichthöhe ein und bei größeren Pads werden häufig auch zu geringe Schichthöhen über erhebliche Anteile der Padflächen mit allen negativen Konsequenzen für die spätere Verarbeitbarkeit festgestellt. Diese bestehen beispiels­ weise darin, daß die einzelnen Anschlußbeinchen der anzulö­ tenden SMD-Bauteile, z. B. IC′s, nicht verlötet werden.

Zur Beseitigung derartiger Nachteile ist das sogenannte Optipad-Leiterplattenverfahren bekannt, wobei vier einzelne Verfahrensschritte notwendig sind. Im ersten Schritt er­ folgt ein Auftragen einer temporären Lötstoppmaske beidsei­ tig und vollflächig auf die Leiterplatte mit einem Vaku­ umlaminator. Danach wird in einem zweiten Schritt die tem­ poräre Lötmaske aufgebracht, belichtet und entwickelt. Als Ergebnis entsteht eine "Näpfchenstruktur" mit genau defi­ nierten Kavitäten im Bereich der zu bildenden Pads. Diese Näpfchenstruktur wird jeweils den Volumina der gewünschten Kavitäten entsprechend mit Lotmengen gefüllt. Das Lot er­ starrt anschließend mit planer Oberfläche. Abschließend wird die temporäre Lötstoppmaske entfernt. Dieses Verfahren ist vom Verfahrensablauf sehr aufwendig, wobei eine zusätz­ liche Maske erforderlich ist. Zudem handelt es sich hierbei um ein Verfahren, das verfahrensspezifische Anlagen erfor­ derlich macht, die bisher bei der Leiterplattenfertigung nicht Verwendung gefunden haben.

Weiterhin ist das sogenannte STPAD-Verfahren bekannt, wobei als Lötstoppresist eine als Padmaske dienende Lötstoppfolie verwendet wird, und die Aussparungen der Maske werden so durch Umschmelzen von Lötpaste mit Massivlot gefüllt, daß die Oberfläche plan mit der Lötstoppfolie abschließt. Die Höhe der Lötstoppfolie und deren Aussparung geben die Lot­ menge der Lötstelle vor. Die SMDs werden auf die Lotdepots plaziert und anschließend über Löttemperatur erhitzt. Beim Aufschmelzen verformen sich die planen Lotdepots zu runden Lotbuckeln, die dann über die Lötstoppfolie nach oben stei­ gen. Die Höhe des Aufsteigens hängt vor allem von der Geo­ metrie des Lotdepots und von der Lötatmosphäre ab. Nach dem Umschmelzen und einer eventuellen Reinigung von Flußmittel­ resten wird das anfänglich buckelförmige Lot flachgedrückt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ebenfalls ein sehr auf­ wendiger Verfahrensablauf, und zudem wird die Leiterplatte mehrfach hohen Temperaturen ausgesetzt.

Des weiteren ist ein Verfahren zum Herstellen von SMD-Pads mittels fototechnischer und galvanischer Prozesse aus einem Bericht in der Fachzeitschrift EPP, Ausg. Dezember 1990, bekannt (SMT Layouts). Hier wird beispielsweise das Ten­ ting-Verfahren beschrieben. Bei diesem Verfahren werden SMD-Pads, Lötaugen oder dergleichen erstellt, indem in ver­ schiedenen Arbeitsgängen für Pads und Leiterbahnen separate fotoempfindliche Schichten aufgebracht und bearbeitet wer­ den. Dieses Aufbringen mehrerer separater Schichten ist je­ doch äußerst zeit- und kostenintensiv.

Eine weitere Möglichkeit, Schaltungen bestehend aus Lötpads oder dergleichen und Leiterbahnen zu erstellen, ist im VDT- Bericht Nr. 483 beschrieben, wobei insbesondere ein Ver­ fahren mehrfachbelichtbarer Positiv-Festresiste vorgestellt wird. Bei diesen Festresisten handelt es sich um Folien, die auf eine Kupferschicht aufgebracht werden. Derartige folienförmige Resistschichten sind aber zur Herstellung von Feinstleiterbahnen nicht geeignet, da sie eine Dicke von ca. 38 µm aufweisen, so daß bei ihnen bei der Belichtung eine Unterstrahlung stattfindet. Aufgrund dieser Unter­ strahlung ist eine Herstellung von Feinstleiterbahnen unmöglich, da diese dann im späteren Entwicklungsprozeß an den unterstrahlten Stellen ggf. unterbrochen werden könn­ ten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von mit Pads versehenen Leiter­ platten für die SMD-Bestückung zu schaffen, das unter Ver­ wendung der herkömmlichen galvanischen Anlagen durchgeführt werden kann, so daß ein kostengünstiges Verfahren gegeben ist, wobei eine Padstruktur mit ebener Oberfläche und einer gleichmäßigen Höhe der einzelnen Pads gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 erreicht.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß beim Aufgalvanisieren der Pads sich eine ebene Bezugsfläche auf der Oberseite der Pads bildet, wobei nicht das gesamte Pad an sich eben sein muß. Hierbei kann auch durch die entsprechende Steuerung, d. h. die Galvanisierungszeit, die erforderliche Padhöhe erzeugt werden, so daß sich genügend Lotdepot im Pad befindet. Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Leiterplatte dadurch aus, daß die einzel­ nen Pads jeweils die gleiche Höhe aufweisen, so daß beim Bestücken der erfindungsgemäßen Leiterplatte mit z. B. IC- Bauteilen alle Anschlußbeinchen der Bauteile gleichmäßig aufliegen und mit Zinn benetzt werden. Der Aufbau der Pads aus Zinn-Blei ergibt gute Lötergebnisse. Jedoch ist es ebenfalls möglich, die Pads nur aus Zinn aufzubauen. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, zunächst galvanisch im Bereich der entwickelten Fensterbereiche der ersten Fen­ stermaske eine Kupferschicht auf zugalvanisieren und an­ schließend eine Zinn-Bleischicht.

Erfindungsgemäß besteht die Positiv-Foto-Schutzschicht der kupferkaschierten Trägerplatte aus einem Lack, der ins­ besondere eine Dicke von etwa 10 µm aufweist. Vorteilhaf­ terweise ist bei derartig dünnen lackartigen Resistschich­ ten eine Unterstrahlung während des Belichtungsvorganges nicht vorhanden, so daß auch Feinstleiterbahnen geringster Breite hergestellt werden können. Weiterhin ist die Zinn­ bzw. Blei-Zinnschicht höher als die Dicke der lackartigen Foto-Resistschicht. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Zinn- bzw. Blei-Zinnschicht über den Rand der freien Kupferbereiche erstreckt, d. h. über diesen sich seitlich aufbaut, so daß dieser Rand abgedeckt wird und eine Stoß­ naht zwischen Pads und Leiterbahn sicher vermieden wird. Mit Vorteil ist somit stets eine sichere Durchkontaktierung im Verbindungsbereich zwischen Leiterbahn und Pads vorhan­ den.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-6 im Prinzip die Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zum Vorliegen einer erfindungs­ gemäßen Leiterplatte,

Fig. 7 eine Einzelheit bei Y in Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine Trägerplatte 1 dargestellt, die vorzugs­ weise mit einer Kupferschicht 2 kaschiert ist, Fig. 1a, und auf ihrer Oberseite eine Positiv-Foto-Schutzschicht 3 aufweist. Diese Schutzschicht 3 kann von einem Lack, einem Festfilm oder durch Elektrophorese erzeugt sein. Hierbei bedeutet Positiv-Foto-Schutzschicht, daß im Falle einer Belichtung der Schutzschicht die belichteten Bereiche in einem Entwicklungsbad entfernt werden können. Die Schicht­ dicke der Positiv-Foto-Schutzschicht 3 ist derart bemessen, daß sie kleiner der Höhe von auf der Trägerplatte aufzubringenden Pads ist. Derartige Pads stellen in der SMD-Technik diejenigen Lotdepotbereiche dar, an denen die Bauteile mit ihren Anschlußbeinchen verlötet werden. Derartige Pads müssen eine ebene Oberfläche besitzen, damit die Bauteile gleichmäßig mit dem Lot benetzt werden können, die Schichtdicke der Positiv-Foto-Schutzschicht beträgt vorzugsweise ca. 10 Micrometer.

In Fig. 2, 2a ist dargestellt, und zwar in nebeneinander­ liegender Anordnung, einerseits die mit der Positiv-Foto- Schutzschicht 3 versehene Trägerplatte 1 und andererseits ein erster Film 4, der mit einer Maske aus einzelnen Fenstern 5 versehen ist. Diese Fenstermaske entspricht der gewünschten Pad-Anordnung auf der Trägerplatte 1. Zum Belichten der Foto-Schutzschicht wird der erste Film 4 auf die Schutzschicht aufgelegt, siehe Pfeil X, und belichtet, so daß die Foto-Schutzschicht 3 im Bereich der Fenster 5 belichtet wird, wohingegen die übrigen Bereiche abgedeckt und unbelichtet sind.

In Fig. 3 ist eine gemäß Fig. 2, 2a belichtete und in einem Entwicklungsbad entwickelte Trägerplatte 1 dargestellt, wobei zu erkennen ist, daß im belichteten Bereich der Fenstermaske nunmehr durch die Entwicklung die Foto-Schutz­ schicht entfernt ist und freie Kupferbereiche 6 entstanden sind.

Fig. 3a zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 3.

Die derartig entwickelte Trägerplatte 1 wird nun, wie in Fig. 4 dargestellt ist, mit einem zweiten Film 7 belichtet. Dieser Film 7 weist eine Maske 8 für die herzustellenden Leiterbahnen auf, wobei diese Maske als lichtundurchlässi­ ger Bereich des Films 7 ausgebildet ist, so daß beim Belichten der Foto-Schutzschicht 3 mit dem Film 7 im Bereich der undurchlässigen Maske 8 die Foto-Schutzschicht 3 nicht belichtet wird, sondern nur die um die Maske 8 herumliegenden Bereiche.

Wie in Fig. 5, 5a zu erkennen ist, wird nunmehr die derart zum zweiten Mal belichtete Trägerplatte 1 in einem Galva­ nikbad, insbesondere einem Zinnbad oder einem Zinn-Bleibad galvanisiert, wobei sich im Bereich der freien Kupferberei­ che 6 ein Zinn- bzw. Zinnblei-Niederschlag zur Bildung der Pads 9 aufbaut. Dies ist in Fig. 5a, die einen Schnitt entlang der Schnittlinie V-V in Fig. 5 darstellt, zu erkennen. Hierbei erfolgt eine derartig lange Galvanisie­ rung, daß Pads 9 mit einer Höhe größer der Höhe der Foto-Schutzschicht 3 gebildet werden. Durch die erfin­ dungsgemäße elektrolytische Abscheidung wird eine gleichmä­ ßig dicke und ebene Fläche der Pads 9 erzeugt. Durch die Ausbildung der Höhe der Foto-Schutzschicht 3 und durch eine entsprechende Zeit-/Stromsteuerung im Galvanisierungsbad kann praktisch jede beliebige Höhe der Pads 9 erreicht werden, so daß erfindungsgemäß auf einfacher Weise die Erzeugung eines hinreichenden Lotdepots im Padbereich gewährleistet werden kann. Nach der Erzeugung der Pads 9 im galvanischen Bad wird die derart behandelte Trägerplatte 1, wie in Fig. 6 dargestellt ist, erneut in einem Entwick­ lungsbad entwickelt, so daß die gemäß Fig. 5 belichteten Bereiche seitlich der unbelichteten Leiterbahnbereiche 8 von der Foto-Schutzschicht 3 befreit werden und in einem anschließenden Ätzvorgang die hierdurch freigelegten Kupferbereiche der Trägerplatte entfernt werden können. Bei dieser Ätzbehandlung bleiben die Padbereiche und die lackgeschützten Leiterbahnbereiche bestehen und werden nicht angegriffen. In einem abschließenden Stripp-Vorgang wird die noch auf den Leiterbahnbereichen bestehende Schutzschicht 3 entfernt, so daß nunmehr die Kupferleiter­ bahnen freiliegen.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weisen vorzugsweise die Pads 9 im Anschlußbereich der Leiterbahnbereiche 8 Fortsätze 10 auf. Diese werden gleichzeitig mit den Pads 9 hergestellt, indem die Fenstermaske, siehe Fig. 2a, an den Fenstern 5 den Fortsätzen 10 entsprechende Aussparungen aufweist. Hierbei ist die Breite der Fortsätze 10 der Breite der Leiterbahnbereiche angepaßt. Hierdurch wird erreicht, daß beim Belichten des zweiten Films zur Herstellung der Leiterbahnbereiche eine Unterstrahlung vermieden wird, und daß, wenn die Fenster 5 der Fenstermaske größer sind als die Pads 9, keine Kupferleiterbereiche offen bleiben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es aufgrund der Filmmasken möglich, sehr feine Masken herzustellen und andererseits gewährleistet die Galvano-Technik ein gün­ stiges Herstellungsverfahren, da vorhandene übliche Anlagen verwendet werden können. Hierbei ergibt sich überraschen­ derweise, daß die erzeugten Pads einerseits eine ebene Oberfläche besitzen und andererseits untereinander eine gleichmäßige Höhe aufweisen und somit ihre Oberflächen in einer Ebene liegen, so daß optimale Bedingungen für die SMD-Bestückung gegeben sind. Durch die Bestimmung der Höhe der Foto-Schutzschicht und der Zeitdauer im Galvanisie­ rungsbad kann jede beliebige Höhe der Pads erzeugt werden. Hierbei ist es ebenfalls nicht erforderlich, die Verweil­ dauer in der Galvanik exakt auf die Höhe der Foto-Schutz­ schicht abzustimmen, da beim Überschreiten der Höhe der galvanischen Zinn- oder Zinnbleischicht über die Höhe der Foto-Schutzschicht keine Beeinträchtigung der Eigenschaft der erfindungsgemäß hergestellten Pads eintritt. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß bei der späteren Bestückung mit SMD-Bauteilen auf die Verwendung von teuren, metallgefüll­ ten Lötpasten verzichtet werden kann, und preiswerte Flux- Klebepasten verwendet werden können, die mittels preis­ werter Siebdruck-Schablonen aufgebracht werden. Hierbei sind eventuelle Druckungenauigkeiten problemlos, da die verwendeten Pasten elektrisch nicht leitend sind.

Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, wenn die Pads nicht nur aus Zinn oder Zinnblei aufgebaut werden, sondern zunächst auf die kupferkaschierte Trägerplatte eine Kupfer­ beschichtung galvanisch aufgebracht wird und anschließend daran eine Zinn- oder Zinnbleibeschichtung. Des weiteren kann erfindungsgemäß auch eine zweilagige Leiterplatte hergestellt werden. Ebenso können erfindungsgemäß mehr­ lagige Leiterplatten erzeugt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen von mit Pads versehenen Leiterplatten für die SMD-Bestückung in der Reihenfol­ ge der folgenden Verfahrensschritte,

• a) eine kupferkaschierte Trägerplatte wird mit einer aus einem Lack gebildeten Positiv-Foto-Schutz­ schicht mit einer Schichtdicke kleiner als die Höhe der auf zubauenden Pads zum Anschluß von SMD- Bauteilen versehen,
• b) die Positiv-Foto-Schutzschicht wird mittels eines ersten Films mit einer Fenstermaske entsprechend der gewünschten Pad-Anordnung belichtet, wobei die Fenstermaske für die Pads derart ausgebildet ist, daß im Anschlußbereich für Leiterbahnen an den Pads ein Fortsatz, der der Breite der anzu­ schließenden Leiterbahnen angepaßt ist, ausgebil­ det wird,
• c) die belichtete Trägerplatte wird in einem Ent­ wicklungsbad entwickelt, so daß im Bereich der belichteten Fenster die Foto-Schutzschicht ent­ fernt und dort freie Kupferbereiche freigelegt werden,
• d) die derart entwickelte Trägerplatte wird mit einem zweiten Film (Leiterbahnstrukturen) belich­ tet, wobei die Leiterbahnen als lichtundurch­ lässige Bereiche ausgebildet sind,
• e) die derart zum zweiten Mal belichtete Träger­ platte wird in einem Zinn- oder Zinnbleibad galvanisiert, wobei eine Zinn- oder Zinnblei­ schicht im Bereich der freien Kupferbereiche so lange aufgebaut wird, bis sich hierdurch Pads mit einer Höhe größer der Höhe der Foto-Schutzschicht gebildet haben,
• f) die galvanisierte Trägerplatte wird in einem Entwicklungsbad entwickelt, wobei die verzinnten Pad-Bereiche und die von den lichtundurchlässigen Leiterbahn-Bereichen des zweiten Films abgedeck­ ten Schutzschichtbereiche stehen bleiben,
• g) die derart entwickelte Trägerplatte wird geätzt, wobei die freiliegenden Kupferbereiche entfernt werden, und anschließend der auf den Leiterbahn- Bereichen verbliebene Schutzlack gestrippt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum zweiten Mal belichtete Trägerplatte zunächst in einem Kupferbad galvanisiert wird und danach in einem Zinn- oder Zinnbleibad, wobei die aufgalvanisierte Kupferschicht gleich oder kleiner ist als die auf­ galvanisierte Zinn- oder Zinnbleischicht.

3. Verfahren nach einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pads beidseitig an der Leiterplatte ausgebildet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrlagige Leiterplatten hergestellt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Pads vor dem Bestücken mit den SMD-Bauteilen eine Flux-Klebepaste im Siebdruckverfahren aufgebracht wird.