DE69218336T2

DE69218336T2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts

Info

Publication number: DE69218336T2
Application number: DE69218336T
Authority: DE
Inventors: Auger Benoit; Charles Casavant; Wolfgang Erat; Alain Langevin
Original assignee: Circo Craft Co Inc
Current assignee: Viasytems Canada inc Kirkland Quebec Ca
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2012-05-15
Also published as: DE69218336D1; EP0538978B1; CA2055148C; EP0538978A3; EP0538978A2; MX9206131A; US5686135A; KR100279112B1; ATE150612T1; CA2055148A1; KR930009487A; DK0538978T3; ES2101032T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes auf einem Substrat, beispielsweise einer gedruckten Schaltung.

Hintergrund der Erfindung

Gedruckte elektrische Schaltungen (sogenannte Printed Circuit Boards, PCB's) sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei eine Vielzahl von Techniken vorgeschlagen wurde, um auf diesen elektrisch leitende Schaltungen bzw. Schaltkreise auszubilden. Ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik, das derzeit dazu verwendet wird, Schaltkontakte auf einer gedruckten elektrischen Schaltung aufzubringen, verlangt die Definition eines Kontaktbereiches auf der gedruckten elektrischen Schaltung. Ist dies erfolgt, so wird ein Kupfer-Buss bzw. eine Kupfereiter auf ein kleines Gebiet der gedruckten Schaltung im Kontaktbereich aufgebracht. Es wird dann ein dicker Polymerfilm (sogenannter TFP, thick tilm polymer) einer leitenden Paste über die gesamte Kontaktfläche aufgebracht. Demgemäß bedeckt der dicke Polymerfilm von leitender Paste die gesamte gedruckte Schaltung innerhalb des definierten Kontaktbereiches der mit dem Kupfereiter bzw. Kupfer-Buss bedeckt sowie auch den Bereich der hiervon nicht bedeckt wird.
Obwohl auf diese Art und Weise relativ kostengünstig Schaltkontakte hergestellt werden können, existiert das Problem, daß der Kupfer-Buss bzw. der Kupfereiter bzw. die Kupferleiterbahn über die Oberfläche der gedruckten Schaltung hinausragt und sehr oft eine Dicke aufweist, die die Anwendung von einem dicken Polymerfilm einer leitenden Paste beeinträchtigt.
Darüberhinaus tritt verstärkt ein Brechen des dicken Polymerfilms bestehend aus leitender Paste an den Kanten bzw. Ecken des Kupfer-Busses bzw. der Kupferleiterbahn auf, an denen eine signifikante Höhendifferenz zwischen der Innenoberfläche der gedruckten Schaltung und der Oberfläche der Kupferleiterbahn bzw. des Kupfer-Busses besteht. Dieses Bruchproblem entsteht aufgrund der Tatsache, daß die leitende, dicke Polymerfilmpaste diese Höhendifferenz ohne das Ausbilden von Spannungspunkten nach Aushärten im Ofen nicht ausgleichen kann.
Andere Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen und elektrisch leitenden Schaltungskontakten hierauf wurden diskutiert. Insbesondere offenbart das US-Patent 4,837,050 von lwasa et al ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Schaltungen auf einem Substrat, wobei dieses Verfahren zunächst erfordert, daß ausgewählte Bereiche des Substrates mit einer Kupferbeschichtung oder leitenden Kupferpaste überzogen werden. Es wird dann ein Schaltkreis in die Kupferbeschichtung durch Ätzen eingebracht bzw. geformt. Nachdem dies erfolgt ist, wird ein elektrochemisches Abdeckmittel auf das gesamte Substrat aufgebracht, einschließlich der Gebiete, die von der Kupferbeschichtung bedeckt werden und der Gebiete, die hiervon nicht bedeckt werden; ausgenommen vordefinierte Teilbereiche, die elektrisch mit einer zweiten Schaltung verbunden werden. Eine Kupferpaste wird dann auf die Teile, die nicht von dem Abdeckmittel bedeckt sind aufgebracht, sowie auf die ausgewählten Bereiche, die von dem Abdeckmittel überzogen sind.
Das US-Patent 4,683,653 ebenfalls von Iwasa et al. offenbart eine Technik zur Herstellung einer gedruckten Mehrlagen-Schaltungsplatte und elektrisch leitenden Schaltungen hierauf. Das offenbarte Verfahren in dieser Schrift verlangt, daß eine leitende Paste bzw. Masse auf ein Substrat in bestimmten Bereichen aufgebracht wird. Die gesamte Oberfläche des Substrates wird dann mit einem Photolack bzw. Photoresist abgedeckt, mit Ausnahme der Oberseite der leitenden Paste. Eine leitende Schicht wird dann auf der gesamten Oberseite der leitenden Paste aufgebracht und der Photolack bzw. Photorestist dann entfernt.
Eine andere Technik zur Herstellung von Mehrlagensubstraten ist in dem US-Patent 4,882,839 von Okada offenbart. Das in dieser Referenz offenbarte Verfahren benötigt einen dünnen Paladiumfilm, der dazu verwendet wird, die auf einem Substrat angeordnete Verdrahtung zu bedecken. Es wird dann ein Photoresist auf dem dünnen Film aufgebracht und der Photoresist wird dann derart maskiert, daß Wegformationsbereiche ausgebildet werden. Ein leitendes Harz wird dann in die Wegformationen eingebracht und der Photolack bzw. Photoresist entfernt.
Obwohl diese Schriften verschiedene Techniken zur Herstellung gedruckter elektrischer Schaltungen und Kontakte darauf offenbaren, werden verbesserte Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen auf Substraten wie beispielweise gedruckten elektrischen Schaltungen ständig gesucht. Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Kontakte auf einem Substrat zur Verfügung zu stellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes auf einem Substrat zur Verfügung gestellt, umfassend die folgenden Schritte:
(i) Aufbringen einer Leiterbahn bzw. leitenden Busses auf einem Substrat an einer vorbestimmten Stelle;
(ii) Aufbringen einer Lötmittemaske auf die Oberfläche der Leiterbahn in bestimmten Gebieten, um eine Fenster über der Leiterbahn bzw. dem leitenden Buss zu definieren, das von den Rändern entfernt ist und
(iii) Aufbringen einer leitenden bzw. leitfähigen Paste bzw. Masse auf der Oberseite der Leiterbahn bzw. des leitenden Busses in diesem Fenster, so daß die Oberseite der Leiterbahn im wesentlichen vollständig überzogen ist. Vorzugsweise überdeckt die leitende bzw. leitfähige Paste das Fenster und überragt einen Teil der Lötmittelmaske an den Rändern des Fensters.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die leitende bzw. leitfähige Paste mindestens 0,010 inch der Lötmittelmaske gemessen von den Rändern des Fensters überdeckt.
Bevorzugt wird eine Vielzahl von Kontaktbereichen auf dem Substrat zur gleichen Zeit definiert und die Schritte (i), (ii) und (iii) des vorliegenden Verfahrens werden in jedem definierten Kontaktbereich ausgeführt derart, daß eine Vielzahl von elektrisch leitenden bzw. leitfähigen Kontakten auf dem Substrat gleichzeitig ausgebildet werden.
Besonders bevorzugt ist das Aufbringen der leitenden bzw. leitfähigen Paste eines dicken Polymerfilmes auf der leitenden Bahn unter Verwendung eines Maschinen-Screening-Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betreffend die Herstellung von elektrisch leitenden Kontakten auf einem Substrat hat den weiteren Vorteil, daß die leitende bzw. leitfähige Paste des dicken Polymerfilmes nur auf der Oberseite der Kupferleiterbahn bzw. des Kupfer-Busses und auf einem kleinen Teil der Lötmittelmaske und somit über einer im allgemeinen planaren Oberfläche aufgebracht wird. Dies ermöglicht, den dicken Polymerfilm aus leitender bzw. leitfähiger Paste zu optimieren bzw. verbessern und die Viskosität derselben so einzustellen, daß ein effizientes Aufbringen möglich ist, da die leitende bzw. leitfähige Paste aus einem dicken Polymerfllm keine große Stufe überdecken muß. Des weiteren ist, da der dicke Polymerfilm aus leitender bzw. leitfähiger Paste keine große Stufe überdecken muß die Dicke des Kupfer-Busses bzw. der Kupferleiterbahn, die anfänglich auf das Substrat aufgebracht wird keine entscheidende Herstellungsbeschränkung, was die Eigenschaften der dicken Polymerfilmpaste aus Ieitfähigem Material betrifft. Dies führt zu einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses. Darüberhinaus wird, da das Brechen des dicken Polymerfimes aus leitender bzw. leitfähiger Paste an der Stufe eliminiert wurde, ein Vorteil aufgrund der vorgeschriebenen Verwendung von sogenannten "nicht reinen Flußmitteln bzw. no dean fluxes" (CFC-Reduktion), die auf dem Substrat nach dem Löten verbleiben, erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend detailierter beschrieben, wobei auf die beigeschlossenen Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine gedruckte Schaltung gemäß dem Stand der Technik, die einen elektrisch leitenden, darauf ausgebildeten Schalter umfaßt;
Figur 2 einen Schnitt der in Figur 1 dargestellten gedruckten Schaltung entlang der Linie 2-2;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine gedruckte elektrische Schaltung, die einen darauf in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren ausgebildete elektrisch leitende Randverbindung umfaßt;
Figur 4 ein Schnitt der gedruckten elektrischen Schaltung, die in Figur 3 dargestellt ist, entlang der Linie 4-4;
Figur 5 eine Draufsicht auf eine gedruckte elektrische Schaltung, die einen in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren darauf ausgebildeten elektrisch leitenden Schalter umfaßt;
Figur 6 ist ein Schnitt durch Figur 5 entlang der Linie 6-6; und
Figur 7a - 7c zeigen Querschnitte von Zwischenstadien der gedruckten elektrischen Schaltung, wenn darauf elektrisch leitende Randverbindungen gemäß Figur 3 in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren ausgebildet werden.

Detailierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Um der Klarheit Willen, wird zunächst eine kurze Beschreibung der Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Ausbildung elektrisch leitender Kontakte und in diesem Fall von kostengünstigen Schaltkontakten auf einem Substrat unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 gegeben.
In diesen Figuren ist ein Teil eines Substrates, in diesem Fall einer gedruckten elektrischen Schaltung (eines printed circuit boards, kurz PCB) gezeigt. Diese wird im allgemeinen mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. EIN Kontaktgebiet oder Raster bzw. screen 12 eines dicken Polymerfilmes (TFP) definiert ein Gebiet auf dem Substrat 10, das durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist. Der Kupferleiter bzw. Kupfer-Buss 16 wird auf dem Substrat 10 innerhalb des Rasters 12 des dicken Polymerfilmes aufgebracht und ist im allgemeinen flächenmäßig wesentlich kleiner als das Gebiet des Rasters des dicken Polymerfilms 12. Es wird eine leitende Paste 18 eines dicken Polymerfilmes über dem Kupferleiter bzw. Kupfer-Buss 16 und dem Subtrat 10 in dem Raster des dicken Polymerfilmes 12 aufgebracht, um ein Kontaktgebiet auszubilden. Wie dem Fachmann bekannt, wird das Kontaktgebiet in Verbindung mit einer leitenden Elastomerscheibe dazu verwendet, einen kostengünstigen Schaltkontakt auszubilden.
Obwohl unter Verwendung dieses Verfahrens ein im allgemeinen sehr kostengünstiger Schalter ausgebildet wird, muß die leitende Paste 18 des dicken Polymerfilmes eine große Stufe 20 überwinden, die durch die planare obere Fläche 10a des Substrates 10 und die untere Fläche 16a des Kupferleiters definiert wird. Wie zuvor beschrieben, verursacht die Stufe 20 Probleme aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit eines Bruchs, der in der leitenden dicken Polymerfimpaste 18 an der Stufe 20 nach Aushärten bzw. curing auftreten kann. Darüber hinaus führt die Stufe 20 zu Beschränkungen in der Zusammensetzung der leitenden Paste 18 des dicken Polymerfilmes und zu Beschränkungen betreffend die Höhe des Aufbringens des Kupfer-Busses bzw. Leiters 16 was zu erhöhten Herstellkosten führt.
Um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen und zumindest eine der oben beschriebenen Probleme in Bezug auf die Verfahren gemäß dem Stand der Technik zu vermeiden oder zu verringern, wurde das erfindungsgemäße bzw. vorliegende Verfahren der Ausbildung eines elektrisch leitenden Kontaktes auf einem Substrat entwickelt. Dieses wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3 - 7 beschrieben.
In den Figuren 3 und 4 ist ein Teil eines Substrates in Form einer gedruckten elektrischen Schaltung 30 gezeigt, die eine darauf in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren ausgebildete Randverbindung 32 zeigt. Die Randverbindung bzw. der Randverbinder 32 umfaßt einen Kupfer-buss bzw. -leiter 34, der auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche der Platine aufgebracht wird. Die Lötmittemaske 36 überdeckt den Bereich der Platine, die nicht vom Kupferleiter bzw. Kupfer-Buss überdeckt wird sowie einen Teil des Kupferleiters um auf der Oberfläche des Kupferleiters bzw. Kupfer-Busses einen definierten Kontaktbereich oder ein Fenster 38 auszubilden. Die leitende Paste eines dicken Polymerfilmes 40 überdeckt das Fenster 38 und kontaktiert den Kupferleiter 34. Die leitende Paste aus einem dicken Polymerfilm überdeckt auch einen Teil 42 der Lötmittelmaske 36. Um eine zuverlässige Überdeckung zu gewährleisten, ist das Fenster 38 derart dimensioniert, daß es schmäler ist als das Raster bzw. Screen 40 und 42 der leitenden Paste aus dem dicken Polymerfilm und zwar minimal um 0,010 inch.
Jedoch sollte für den Fachmann klar sein, daß wenn die Grenzfläche zwischen der leitenden Paste 40 eines dicken Polymerfilmes und des Kupferleiters 34 kein Problem darstellt, das Fenster 38, das nach Aufbringen der Lötmittelmaske 36 ausgebildet wird nur eine Fläche von einer derartigen Größe sein muß, daß eine zuverlässige Verbindung zwischen der leitenden Paste des dicken Polymerfilmes 40 und dem Kupferleiter 34 sichergestellt ist.
In den Figuren 5 und 6 ist ein Teil einer gedmckten elektrische Schaltung 50 dargestellt, der einen Kontakt 52 aufweist, der Teil eines kostengünstigen Schalters, der auf der Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Methode ausgebildet wird, ist. Ähnlich zu herkömmlichen Schaltern, wird der Kontakt 52 mit einer leitenden Elastomerscheibe (nicht dargestellt) verbunden, um den Schalter auszubilden.
Der Kontakt umfaßt ein Kupferleiter-Pattern bzw. Muster 58, das in bestimmten Bereichen der Oberfläche der gedruckten Schaltung 50 ausgebildet wird. Die Lötmittelmaske 60 überdeckt die Oberfläche der gedruckten Schaltung 50, die nicht von dem Kupferleiter bedeckt wird, sowie Gebiete des Kupferleiters 58. Ein Fenster 62 wird durch die Lötmittelmaske ausgebildet und legt einen Teil des Kupferleiters bzw. Kupfer-Busses frei. Die leitende Paste 64 eines dicken Polymerfilmes bedeckt das Fenster 62 und einen Teil 66 der Lötmittelmaske 60 und kontaktiert den Kupferleiter bzw. Kupfer-Buss 58.
In den Figuren 7a bis 7c sind die Schritte, die bei der Bildung der Randverbindung bzw. des Randverbinders 30 auftreten, näher dargestellt. Aus dieser Beschreibung soll auch hervorgehen, daß, wenn der Kontakt 52 ausgebildet wird, ähnliche Verfahrensschritte verwendet werden. Wird der Randverbinder 32 ausgebildet, so wird ein Kupfer-Buss bzw. Leiter 43 derart aufgebracht, daß bestimmte Bereiche des Substrates 30 bedeckt sind. Ist dies erfolgt, wird die Lötmittelmaske 36 auf die Oberfläche des Kupferleiters 34 in Gebieten außerhalb des Fensters 38 sowie in Teilen des Substrates, die nicht durch den Kupferleiter 34 bedeckt sind, aufgebracht. Danach wird die leitende Paste eines dicken Polymerfilmes 40 auf die obere planare Oberfläche 34a des Kupferleiters 34 der durch das Fenster freigelegt ist aufgebracht sowie über einem schmalen Bereich der Lötmittelmaske 36 mittels eines Maschinen-Screening-Verfahrens, um den elektrisch leitenden Randverbinder 32 auszubilden.
Obwohl das vorliegende Verfahren den zusätzlichen Schritt des Bedeckens des Teiles des Kupferleiters bzw. Kupfer-Busses, der nicht durch die leitende Paste eines dicken Polymerfilmes bedeckt ist mit einer Lötmittelmaske umfaßt, führt dieser zusätzliche Schritt nicht zu weiteren Problemen, da wie dem Fachmann bekannt ist, das Aufbringen einer Lötmittelmaske aus anderen Gründen während der Fertigung von gedruckten elektrischen Schaltungen notwendig ist. und daher das Hinzufügen dieses Schrittes auf einfache Art und Weise möglich ist, ohne daß hierdurch die Herstellkosten steigen.
Obwohl das vorliegende Verfahren unter Verwendung eines Maschinen-Screening-Prozesses für das Aufbringen der dicken leitenden Poymerfilmpaste auf die obere Fläche des Kupfer-Busses bzw. Leiters beschrieben wurde, soll erwähnt werden, daß die leitende Paste eines dicken Polymerfilmes auch manuell oder durch andere geeignete Techniken aufgebracht werden kann. Darüber hinaus sollte für den Fachmann klar sein, daß die vorliegende Methode bzw. das vorliegende Verfahren die Verwendung anderer Arten von leitenden Pasten und Leitermaterialien umfaßt und nicht auf die Verwendung von leitenden Pasten dicker Polymerfilme und Kupferleitermaterialien bzw. Kupferleiter beschränkt ist.
Obwohl das vorliegende Verfahren unter Bezugnahme auf die Bildung eines einzigen elektrisch leitenden Kontaktes auf einem Substrat beschrieben wurde sollte für den Fachmann offensichtlich sein, daß bei der typischen Herstellung von gedruckten elektrischen Schaltungen eine Vielzahl von dicken Polymerfilmrastern bzw. Screens auf dem Substrat zum gleichen Zeitpunkt definiert und alle Materialien, die auf das Substrat aufgebracht werden und einem Raster eines dicken Polymerfilm zugeordnet sind, gleichzeitig aufgetragen werden können, so daß nach dem letzten Schritt, insbesondere dem Aufbringen der leitenden Paste eines dicken Polymerfilmes eine Vielzahl elektrisch leitender Kontakte auf dem Substrat gemeinsam ausgebildet werden können.
Es soll insbesondere bemerkt werden, daß das vorliegende Verfahren der Bildung elektrisch leitender Kontakte auf einem Sunstrat weniger komplex ist als die Techniken nach dem Stand der Technik. Hierdurch wird der Herstellungsprozeß vereinfacht, und die Herstellung von kostengünstigen und zuverlässigen elektrisch leitenden Kontakten zur Verfügung gestellt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Kontaktes auf einem Substrat umfassend die folgenden Schritte

(i) Aufbringen einer Leiterbahn bzw. leitenden Busses auf einem Substrat an einer vorbestimmten Stelle;

(ii) Aufbringen einer Lötmittelmaske auf die Oberfläche der Leiterbahn in bestimmten Gebieten, um ein Fenster auf der Oberseite der Leiterbahn zu definieren;

(iii) Aufbringen einer leitenden bzw. leitfähigen Paste bzw. Masse auf die Oberseite der Leiterbahn, um das Fenster im wesentlichen vollständig zu überziehen;

das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Lötmittelmaske definierte Fenster auf der Oberseite der Leiterbahn eine Peripherie bzw. Berandung aufweist, die von allen Randkanten des Leiters nach innen beabstandet ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (iii) umfaßt: Aufbringen der leitfähigen Masse nur auf die Oberseite der Leiterbahn, um das Fenster im wesentlichen vollständig zu überziehen.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 2, worin die leitfähige Masse bzw. Paste das Fenster bedeckt und einen Teil der Lötmittelmaske, die das Fenster definiert, überzieht.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 3, worin die leitfähige Masse eine leitfähige Paste umfaßt, die einen dicken Polymerfilm ausbildet.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 4, worin die Leiterbahn Kupfer umfaßt.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 5, worin eine Vielzahl von Stellen auf dem Subtrat definiert sind, und die Schritte (i), (ii), (iii) an jeder dieser Stellen gleichzeitig ausgeführt werden.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 6, worin Schritt (iii) das Aufbringen der leitfähigen Masse bzw. Paste unter Verwendung eines maschinellen Screening Prozesses umfaßt.

8. Elektrisch leitender Kontakt umfassend:

(i) eine Leiterbahn bzw. leitenden Buss auf einem Substrat;

(ii) eine Lot- bzw. Lätmittelmaske auf der Oberfläche der Leiterbahn in bestimmten Gebieten, um ein Fenster auf der Oberseite der Leiterbahn zu definieren;

(iii) eine leitende bzw. leitfähige Paste bzw. Masse auf der Oberseite der Leiterbahn, wobei die leitfähige Paste das Fenster im wesentlichen vollständig überzieht bzw. bedeckt;

der Kontakt ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster, das durch die Lötmittelmaske auf der Oberseite der Leiterbahn definiert wird eine Berandung bzw. Peripherie aufweist, die von sämtlichen Randkanten der Leiterbahn nach innen beabstandet ist.

9. Elektrisch leitender Kontakt gemäß Anspruch 8, worin die leitfähige Paste nur auf der Oberseite der Leiterbahn angeordnet ist, um das Fenster im wesentlichen zu bedecken.

10. Elektrisch leitender Kontakt gemäß einem der Ansprüche 8 - 9, worin die leitfähige Paste das Fenster bedeckt und einen Teil der Lötmittelmaske, die das Fenster definiert, überzieht.

11. Elektrisch leitender Kontakt gemäß einem der Ansprüche 8 - 10, worin die leitfähige Paste eine leitfähige Paste ist, die einen dicken Polymer-Film bzw. Polymer-Schicht ausbildet, umfaßt.

12. Elektrisch leitender Kontakt, gemäß einem der Ansprüche 8 - 11, worin die Leiterbahn Buss Kupfer umfaßt.