DE4439108C1

DE4439108C1 - Verfahren zum Durchkontaktieren von Bohrungen in mehrlagigen Leiterplatten

Info

Publication number: DE4439108C1
Application number: DE4439108A
Authority: DE
Inventors: Stephan Wenke
Original assignee: LPKF CAD CAM Systeme GmbH
Current assignee: LPKF CAD CAM Systeme GmbH
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: ATE189575T1; JP2743262B2; DE59507731D1; EP0711106B1; US5630272A; EP0711106A1; JPH08255974A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchkontaktieren von Bohrungen in mehrlagigen Leiterplatten, wobei die Leiterplatte auf einen Aufnahmerahmen aufgelegt wird, der den Bereich der Bohrungen frei läßt, wobei auf die Leiterplatte im Bereich jeder Bohrung eine Kartuschennadel einer Leitpaste enthaltenden Kartusche eines Dispensers aufgesetzt und Leitpaste in die Bohrungen so eingebracht wird, daß sich an der Rückseite der Bohrungen ein überstehender, sich aufweitender Zapfen ausgebildet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Durch die DE 35 09 626 A1 ist es bereits bekannt geworden, zum Durchkontaktieren von Leiterplatten auf die Bohrungen der Leiterplatten Leitpaste mittels eines Siebdruckver fahrens aufzubringen und die Leitpaste mittels Unterdrucks, die an eine unterhalb der Lei terplatte vorgesehene Unterdruckzufuhr gelegt ist, teilweise in die Bohrungen zu ziehen, wobei vermieden wird, daß die Leitpaste auch an die Unterseite der Bohrungen gelangt. An schließend müssen die Leiterplatten mit ihrer Unterseite nach oben in die Vorrichtung eingelegt werden, und der beschriebene Vorgang des Einbringens von Leitpaste in die Boh rungen der Leiterplatte wiederholt sich. Hierdurch wird zwar eine Durchkontaktierung erreicht, nachteilig ist es jedoch, daß die Leiterplatte stets ein zweites Mal in die Vorrich tung eingelegt werden muß und daß im Bereich der Bohrungen und im Bereich der Randbe deckungen ein unterschiedlich dicker und insgesamt relativ dicker Auftrag von Leitpaste erfolgt. Die Bohrungen sind im übrigen nach der Kontaktierung in ihren Durchmessern nicht exakt definiert.

Gemäß der EP 0 194 274 A2 wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Durchkontaktierung von Leiterplatten Leitpaste mittels eines Siebdruckverfahrens unter Ausbildung von Rand bedeckungen aufzubringen und dann mittels Saugluft in die Bohrungen der Leiterplatten so einzubringen, daß rückseitig die Leitpaste zapfenförmig austritt. Anschließend wird mittels Druckluft, unter Ausbildung von Randbedeckungen auf der Rückseite, die Leitpaste partiell entfernt, wobei auch an den Wandungen der Bohrungen leitfähige Leitpaste verbleibt. Dieses Verfahren erfordert im übrigen zur Durchkontaktierung eine aufwendige Bearbeitung der Leiterplatten in zwei getrennten Schritten, nämlich das Einbringen der Bohrungen in einer ersten Vorrichtung und dann in einem gesondertem Arbeitsgang das Einbringen der Leitpaste in einer anderen Vorrichtung.

Durch die US 5 145 691 ist es auch bereits bekannt geworden, die Bohrungen von Leiter platten mittels einer Dosiervorrichtung zum Zwecke der Durchkontaktierung mit Leitpaste zu füllen. Die eingebrachte Leitpaste verbleibt dann in der Bohrung und füllt diese voll ständig aus. Zusätzlich ist es hier erforderlich, auf die Leiterplatte eine Maske aufzulegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchkontaktierung von Leiterplatten auf sehr wirtschaftliche Weise zu ermöglichen, wobei beidseitig der Bohrungen exakt begrenzte dünne Randbedeckungen geschaffen werden und gleichzeitig eine gleichmäßige Ablagerung von Leitpaste in dünnen Schichten an den Wandungen der Bohrungen erzielbar ist, woraus sich definierte Durchmesser der Bohrungen ergeben, die ein Einstecken und Einlöten der Kontakte elektronischer Bauelemente ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 4 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dadurch, daß die Kartuschennadel entfernt und auf die Leiterplatte im Bereich jeder Bohrung ein Vakuumstift des Dispensers aufgesetzt und die Leitpaste zum Teil wieder abge saugt wird, ist erreicht worden, daß die Leitpaste im Bereich der Bohrungen beidseitig der Leiterplatte kontaktierende Randbedeckungen ausbildet und eine gleichmäßige Verteilung der Leitpaste an den Innenwandungen der Bohrungen unter Ausbildung definierter Lochdurch messer erfolgt. Die Ausbildung der Randbedeckungen an der Rückseite der Bohrungen wird dabei dadurch begünstigt, daß die den Zapfen bildende Leitpaste sich nach dem Austritt aus der Bohrung entspannt und so eine Verbreiterung des Zapfens über den Durchmesser der Bohrungen hinaus eintritt. Unter dem Einfluß der sich anschließenden entgegengesetzt ge richteten Saugluftbeaufschlagung wird die Leitpaste in die Bohrungen zurückgezogen, wobei es zu einem Abstreifen von Leitpaste am rückseitigen Austritt der Bohrungen kommt. Dieses führt dazu, daß sich hier Randbedeckungen bildende Leitpaste sicher ablagert. Durch die Saugluftbeaufschlagung zudem wird erreicht, daß die Leitpaste im Bereich der Randbe deckungen und insbesondere auch aus dem Bereich der Bohrungen der Leiterplatte weit gehend entfernt wird und daß an den Wandungen der Bohrungen sowie im Bereich der Rand bedeckungen nur eine relativ dünne leitende Schicht Leitpaste haften bleibt, die jedoch eine sichere Durchkontaktierung herstellt. Es können genau definierte Durchmesser der kontak tierten Bohrungen erzeugt werden, die später ein Einstecken der Kontakte von elektroni schen Bauteilen ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Vakuumstift bereits wäh rend der Annäherung an die jeweils zu kontaktierende Bohrung der Leiterplatte, d. h. vor dem Aufsetzen, mit Saugluft beaufschlagt, derart, daß die Einwirkung der Saugluft sehr sanft dosiert einsetzt. So wird es ermöglicht, die Bohrungen der Leiterplatte sehr dünn schichtig unter Ausbildung genau definierter Lochdurchmesser zu kontaktieren.

Von sehr großem Vorteil ist es außerdem, wenn die Kartuschennadel und der Vakuumstift einem Fräsbohrkopf zugeordnet sind, so daß die mechanischen Bearbeitung der Leiterplatte und das Durchkontaktieren der Bohrungen in einem Arbeitsgang erfolgen können.

Erfindungsgemäß wird eine lötfähige Leitpaste verwendet, so daß in die Bohrungen nach erfolgter Durchkontaktierung die Kontakte elektronischer Bauelemente eingelötet werden können.

Die im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eingesetzte Vorrichtung ist dadurch gekenn zeichnet, daß eine Aufnahmevorrichtung mit einem Aufnahmerahmen für die Leiterplatte und eine von einer Kartuschennadel eines Dispensers gebildete Auftrageinrichtung vorge sehen ist, mittels der die Leitpaste derart in die Bohrungen der Leiterplatte eingebracht wird, daß diese an der Rückseite der Bohrungen einen sich aufweitenden Zapfen bildend austritt, daß außerdem ein Vakuumstift des Dispensers vorgesehen ist, der nach dem Ein bringen der Leitpaste im Bereich der Bohrungen aufgesetzt wird und über den die Leitpaste mittels dosiert gesteuerter Saugluft zum Teil wieder abgesaugt wird, derart, daß die Leitpaste beidseitig der Leiterplatte im Bereich der Bohrungen kontaktierende Randbe deckungen ausbildet und eine gleichmäßige Verteilung der Leitpaste an den Innenwandungen der Bohrungen unter Ausbildung definierter Lochdurchmesser erfolgt.

Eine weitere bevorzugt eingesetzte Vorrichtung weist das Merkmal auf, daß die Kartu schennadel und der Vakuumstift an einem Fräsbohrkopf zur mechanischen Bearbeitung der Leiterplatte befestigt sind, so daß die mechanische Bearbeitung der Leiterplatte und das Durchkontaktieren der Bohrungen in einem Arbeitsgang erfolgen können.

Zur optimalen Ausbildung der von der Leitpaste gebildeten kontaktierenden Randbedeckungen im Bereich der Ränder der Bohrungen beidseitig der Leiterplatte, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Innendurchmesser der Kartuschennadel des Dispensers wenigstens 0,2 mm größer ist, als der Durchmesser der jeweils zu kontaktierenden Bohrungen der Leiterplatte, derart, daß in diesem Bereich die kontaktierenden Randbedeckungen an der Oberseite der Leiterplatte ausgebildet werden können. Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, daß der Innendurchmesser des Vakuumstiftes des Dispensers größer ist, als der Innendurchmesser der Kartuschennadel.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, eine Leiterplatte, die zum Durchkontaktieren in einer mit einem Dispenser ver sehenen Aufnahmevorrichtung angeordnet ist, vor dem Einbringen der Leitpaste;

Fig. 2, die Leiterplatte gemäß Fig. 1, nach dem Einbringen der Leitpaste;

Fig. 3, die Leiterplatte gemäß Fig. 1, nach dem Absaugen der Leitpaste.

In der Zeichnung ist mit 1 eine Aufnahmevorrichtung bezeichnet, die als Auflagetisch aus gebildet ist. Auf der Aufnahmevorrichtung 1 ist eine durchzukontaktierende Leiterplatte 2 angeordnet, wobei gemäß dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen der Leiterplatte 2 und der Aufnahmevorrichtung 1 jeweils ein offener Aufnahmerahmen 3 angeordnet ist. Die Leiterplatte 2 ist an ihrer Ober- und an ihrer Un terseite im Bereich von Bohrungen 5 mit Pads 4 versehen, die von elektrisch leitfähigen Schichten, vorzugsweise Kupferschichten, gebildet sind und Anschlußpunkte von Leiter bahnen und/oder elektronischen Bauteilen darstellen. In der Leiterplatte 2 sind Bohrungen 5 angeordnet, wobei in den stark vergrößerten Abbildungen der Zeichnung jeweils nur ein Ausschnitt der Leiterplatte 2 dargestellt wurde.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, liegt bei dem dort dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Oberseite der Leiterplatte 2, d. h. auf dem dort angeordneten Pad 4, eine Kartuschennadel 8 dichtend auf, die Teil einer in der Zeichnung nicht dargestellten, an sich bekannten Auf trageinrichtung für Leitpaste 10 ist. Vorausgegangen ist das Einbringen der Bohrung 5 mittels eines Fräsbohrkopfes, an dem vorzugsweise eine als Dispensersystem ausgebildete Auftrageinrichtung mit der Kartuschennadel 8 und einem Vakuumstift 9 angeordnet ist. Der Kartuschennadel 8 wird die Leitpaste 10 mittels eines Dispensers der Auftrageinrichtung zugeführt. Vorzugsweise ist der Dispenser dabei an einem Fräsbohrkopf für die Bearbeitung der Leiterplatte 2 befestigt. Auch dieser an sich bekannte Fräsbohrkopf ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Dispenser besteht im übrigen aus einem Steuergerät mit einem Vakuum- und einem Druckausgang und zwei Kartuschen. Eine der Kartuschen enthält den Vorrat an Leitpaste 10, die andere Kartusche nimmt beim Absaugen der Leitpaste 10 aus der Bohrung 5 der Leiterplatte 2 über einen in der Fig. 3 dargestellten Vakuumstift 9 die überschüssige Leitpaste 10 auf.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, wird zum Durchkontaktieren der Leiterplatte 2 über die Kartuschennadel 8 des in der Zeichnung nicht dargestellten Dispensers die Leitpaste 10 in die Bohrungen 5 der Leiterplatte 2 eingebracht. Dabei tritt die Leitpaste 10 rückseitig der Leiterplatte 2, einen Zapfen 11 bildend, aus den Bohrungen 5 aus. Der Aufnahmerahmen 3 ist im übrigen beispielsweise aus Hartpapier hergestellt und etwa 2 bis 3 mm dick. Der Aufnahmerahmen 3 weist im Bereich der Bohrungen 5 der Leiterplatte 2 eine großflächige Ausnehmung 7a auf und ist auch seitlich offen, so daß die Ausnehmung 7a mit Atmosphä rendruck beaufschlagt ist.

Nach dem Einbringen der Leitpaste 10 in die Bohrungen 5 der Leiterplatte 2 wird die Kar tuschennadel 8 von der Leiterplatte 2 entfernt. Es wird dann, wie aus der Fig. 3 ersicht lich, der Vakuumstift 9 im Bereich jeder Bohrung 5 auf die Leiterplatte 2 aufgesetzt.

Um eine vorteilhafterweise dosiert ansteigende Einwirkung der Saugluft zu erreichen, wird dabei vorzugsweise so verfahren, daß der Vakuumstift 9 bereits während der Annäherung an die Leiterplatte 2, d. h. an die jeweils zu kontaktierende Bohrung 5, mit Saugluft beauf schlagt ist, so daß die Einwirkung der Saugluft sehr sanft dosiert einsetzt. Wie sich gezeigt hat, ist es so erreichbar, daß eine gleichmäßige Verteilung der Leitpaste 10 an den Innen wandungen der Bohrungen 5 unter Ausbildung sehr exakt definierter Lochdurchmesser er folgt und außerdem beidseitig der Leiterplatte 2 an deren Pads 4 kontaktierende dünn schichtige Randbedeckungen 12 und 13 ausgebildet werden. Die Ausbildung der Randbe deckungen 13 der Pads 4 an der Unterseite der Leiterplatte 2 wird dadurch begünstigt, daß die die Zapfen 11 bildende Leitpaste 10 sich nach dem Austritt aus den Bohrungen 5 ent spannt und so eine Verbreiterung der Zapfen 11 über den Durchmesser der Bohrungen 5 hinaus eintritt. Wird dann die Leitpaste 10 in die Bohrungen 5 dosiert gesteuert zurück gesaugt, so kommt es zu einem Abstreifen der Leitpaste an den unterseitigen Rändern der Bohrungen 5 und einer Kontaktierung der Pads 4 der Leiterplatte 2. Schließlich verbleibt an der Unterseite der Leiterplatte 2 eine die Pads 4 kontaktierende dünnschichtige Randbe deckung 13, die eine sichere, elektrisch leitfähige Verbindung herstellt.

Über die Intensität der Saugluftbeaufschlagung ist die Menge der an den Wandungen der Bohrungen 5 verbleibenden Leitpaste 10 einstellbar. Es sind somit definierte durchkontak tierte Lochdurchmesser herstellbar, in die später Kontakte elektronischer Bauteile einge steckt und eingelötet werden können. Hierbei ist es von Bedeutung, daß eine spezielle lötfä hige Leitpaste 10 eingesetzt wird, die ein Einlöten der Kontakte ermöglicht. Die herkömm lichen silberhaltigen Leitpasten, z. B. auf Silberbasis, bilden nach dem Auftragen bekannt lich an ihrer Oberfläche eine nicht lötfähige Sperrschicht aus, da das Silber von der Ober fläche weg in die Paste hinein diffundiert. Aus diesem Grunde ist hier im Bereich der Leit pasten nachträglich auch keine elektrisch leitende Verbindung herstellbar.

Wie aus der Fig. 3 der Zeichnung außerdem ersichtlich ist, bildet sich auch an der Ober seite der Leiterplatte 2 innerhalb des Vakuumstiftes 9 eine Randbedeckung 12 aus. Hier verbleibt die von der Kartuschennadel 8 aufgebrachte Leitpaste 10 auf dem frei liegenden Bereich des Pads 4 und stellt auch dort eine elektrisch sichere Verbindung her. Der Durch messer der an der Oberseite der Leiterplatte 2 verbleibenden Randbedeckungen 12 wird letztlich vom Innendurchmesser des dichtend aufliegenden Vakuumstiftes 9 bestimmt. Dieser Innendurchmesser sollte stets größer sein, als der Innendurchmesser der Kartuschennadel 8.

Nachdem der Durchkontaktierungsvorgang mit Hilfe der Leitpaste 10 beendet ist, muß die Leitpaste in einem Ofen bei ca. 160°C ca. 30 Minuten lang aushärten. Danach kann die Lei terplatte 2 gegebenenfalls mit den Kontakten elektronischer Bauteile bestückt und verlötet werden.

Claims

1. Verfahren zum Durchkontaktieren von Bohrungen (5) in mehrlagigen Leiterplatten (2), wobei die Leiterplatte (2) auf einen Aufnahmerahmen (3) aufgelegt wird, der den Bereich der Bohrungen frei läßt, wobei auf die Leiterplatte (2) im Bereich jeder Bohrung (5) eine Kartuschennadel (8) einer Leitpaste (10) enthaltenden Kartusche eines Dispensers aufge setzt und Leitpaste (10) in die Bohrungen (5) so eingebracht wird, daß sich an der Rück seite der Bohrungen (5) ein überstehender, sich aufweitender Zapfen (11) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kartuschennadel (8) entfernt und auf die Leiterplatte (2) im Bereich jeder Bohrung (5) ein Vakuumstift (9) des Dispensers aufgesetzt und die Leitpaste (10) zum Teil wieder abgesaugt wird, derart, daß die Leitpaste (10) im Bereich der Bohrungen (5) beidseitig der Leiterplatte (2) kontaktierende Randbedeckungen (12, 13) ausbildet und eine gleichmäßige Verteilung der Leitpaste (10) an den Innenwandungen der Bohrungen (5) unter Ausbildung definierter Lochdurchmesser erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumstift (9) bereits während der Annäherung an die jeweils zu kontaktierende Bohrung (5) der Leiterplatte (2), d. h. vor dem Aufsetzen, mit Saugluft beaufschlagt ist, derart, daß die Einwirkung der Saugluft sehr sanft dosiert einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kartuschennadel (8) und der Vakuumstift (9) einem Fräsbohrkopf zugeordnet sind und daß das Durchkontaktieren der Bohrungen (5) in Verbindung mit der mechanischen Bear beitung der Leiterplatte (2) erfolgt.

4. Vorrichtung für ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmevorrichtung (1) mit einem Aufnahmerahmen (3) für die Leiterplatte (2) und eine von einer Kartuschennadel (8) eines Dispensers gebildete Auftrageinrichtung vorge sehen ist, mittels der die Leitpaste (10) derart in die Bohrungen (5) der Leiterplatte (2) eingebracht wird, daß diese an der Rückseite der Bohrungen (5) einen sich aufweitenden Zapfen (11) bildend austritt, daß außerdem ein Vakuumstift (9) des Dispensers vorgesehen ist, der nach dem Einbringen der Leitpaste (10) im Bereich der Bohrungen (5) aufgesetzt wird und über den die Leitpaste (10) mittels dosiert gesteuerter Saugluft zum Teil wieder abgesaugt wird, derart, daß die Leitpaste (10) beidseitig der Leiterplatte (2) im Bereich der Bohrungen (5) kontaktierende Randbedeckungen (12, 13) ausbildet und eine gleich mäßige Verteilung der Leitpaste (10) an den Innenwandungen der Bohrungen (5) unter Ausbildung definierter Lochdurchmesser erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kartuschennadel (8) und der Vakuumstift (9) an einem Fräsbohrkopf zur mechanischen Bearbeitung der Leiterplatte. (2) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Kartuschennadel (8) des Dispensers wenigstens 0,2 mm größer ist, als der Durchmesser der Bohrungen (5) der Leiterplatte (2), derart, daß in diesem Bereich die kontaktierenden Randbedeckungen (12) an der Oberseite der Leiterplatte (2) ausgebildet werden können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der weiteren An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Vakuumstiftes (9) des Dispensers größer ist, als der Innendurchmesser der Kartuschennadel (8).