EP3685639A1 - Verfahren zur herstellung einer endoberfläche und leiterplatte - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer endoberfläche und leiterplatte

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Publication number
EP3685639A1
EP3685639A1 EP18778802.1A EP18778802A EP3685639A1 EP 3685639 A1 EP3685639 A1 EP 3685639A1 EP 18778802 A EP18778802 A EP 18778802A EP 3685639 A1 EP3685639 A1 EP 3685639A1
Authority
EP
European Patent Office
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circuit board
copper
metallic
end surface
electrically conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18778802.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bisges
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Plasma Innovations GmbH
Original Assignee
Plasma Innovations GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Plasma Innovations GmbH filed Critical Plasma Innovations GmbH
Publication of EP3685639A1 publication Critical patent/EP3685639A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05K3/247—Finish coating of conductors by using conductive pastes, inks or powders

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an end surface on at least one exposed metallic surface of a printed circuit board and to a printed circuit board having an end surface which can be produced by the method.
  • a “circuit board” is a rigid or flexible support for electronic components. It serves the mechanical
  • the carrier comprises electrically insulating material with electrically conductive surfaces adhering thereto, such as, in particular, solderable connection surfaces, contact surfaces and conductor tracks.
  • electrically conductive surfaces adhering thereto such as, in particular, solderable connection surfaces, contact surfaces and conductor tracks.
  • insulating material fiber-reinforced plastic or polyimide is common in flexible printed circuit boards.
  • electrically conductive surfaces are usually made of a thin layer of copper, usually 35 ym, etched.
  • Wired components are conventionally soldered in pads.
  • Surface-mounted components English: Surface
  • SMD Mounted Devices, SMD for short) are soldered directly onto solderable pads. SMD components increase the packing density and allow two-sided assembly.
  • Circuit board depending on the material, more or less tend to react with the surrounding atmospheric oxygen
  • Oxidation is applied to an end surface.
  • the copper is coated by a layer of tin-lead, which also the conventional
  • Solder corresponds.
  • HAL is the most widely used method of producing an end surface because of its low cost performance, but has a disadvantage of unequal distribution of the tin-lead coating on the surface relatively large bumps and can lead to short circuits in very fine structures.
  • Chemical tin is the very flat surface and avoidance of problematic substances like lead in the
  • Tin surface whisker can form.
  • OSP English Organic Solderability
  • Preservative is a surface treatment based on organic substances such as benzotriazole, imidazole or benzimidazole, which form a 100 nm thick organometallic coordinate bond with the uppermost layer of copper, thereby protecting the copper from oxidation.
  • organic substances such as benzotriazole, imidazole or benzimidazole, which form a 100 nm thick organometallic coordinate bond with the uppermost layer of copper, thereby protecting the copper from oxidation.
  • Immersion gold is first an approximately 3 ym to 6 ym layer of chemical nickel on the copper surface
  • the nickel layer provides a barrier to gold to the copper layer, otherwise the gold would diffuse into the copper.
  • An approximately 50 nm to 100 nm thick layer of chemical gold is applied to the nickel layer, whereby the uppermost nickel layer is chemically exchanged by gold.
  • the advantage of this method is the comparatively long shelf life in addition to the flat surface.
  • the disadvantage is the comparatively high process complexity and the associated costs.
  • the invention is based on the object, a method for producing an end surface on at least one
  • the inventive method comprises two coating steps, namely
  • Surface protection layer are preferably inorganic-organic hybrid polymers with
  • the electrically conductive adhesion promoter applied to the at least one exposed metallic surface.
  • The preferably as an adhesive or paste
  • the present adhesion promoter compensates for the unevenness of the metallic surfaces caused by the oxidation.
  • the paste and the adhesive include metal particles and an organic or
  • inorganic binder various additives, and depending on the Aushärtungsmechanismusggf. additionally a solvent or a crosslinking agent.
  • the electrical conductivity is ensured by contact points of the metal particles with each other and the appropriate embedding of the metal particles in the binder of the detention.
  • the order is preferably carried out in a printing process or by dispenser.
  • Coating on a substrate is known from EP 1 230 414 Bl known in itself.
  • a plasma jet of a substrate By passing a working gas through an excitation zone, a plasma jet of a substrate
  • the gas plasma is generated by a gas discharge. In the plasma jet is separated from the
  • the plasma coating process allows deposition of the metallic coating materials from the cold-active atmospheric pressure plasma directly onto the surface of the cured primer.
  • Plasma coating processes can be used to automatically generate homogeneous metallic surface protective layers with reproducible layer thicknesses.
  • the plasma coating process is therefore particularly suitable for the inexpensive and mass production of end surfaces on printed circuit boards.
  • Suitable adhesion promoters are electrically conductive pastes based on silver, carbon or tin-antimony: ⁇
  • An electrically conductive silver-based paste is characterized by very high conductivity and good adhesion to the exposed metallic surfaces.
  • Hardening of the bonding agent takes place at 50 ° C to 175 ° C depending on the printed circuit board material.
  • Electrically conductive paste based on carbon is characterized by a very good adhesion and a high Abrasion resistance. The curing of the bonding agent takes place at 50 ° C to 175 ° C depending on
  • Electrically conductive paste based on tin-antimony is characterized by a good mechanical resistance and low required layer thicknesses.
  • Hardening remains a high flexibility and flexibility, so that this adhesive is particularly suitable for flexible circuit boards.
  • Adhesion promoters also come into consideration as electrically conductive adhesives, also referred to as conductive adhesives.
  • Conductive adhesives are filled with metal (about 60-80 wt%
  • Epoxy resin base which are cured in a temperature range between 120 ° C and 180 ° C.
  • Conductivity is based on the fact that conductive paths are formed by the statistical distribution of the metallic constituents in the organic matrix.
  • the conductive adhesives are insensitive to temperature changes.
  • the conductive adhesive can be printed by printing, dispensing and direct
  • a conductive adhesive particularly preferred because of its good electrical conductivity is a silver conductive adhesive with silver particles embedded in the organic matrix.
  • atmospheric plasma coating process particles Copper are applied to the cured layer of the primer layer.
  • the oxidation of the surface protective layer can be further reduced by applying copper coated particles coated with a protective layer by the atmospheric plasma coating method.
  • the protective layer also causes the copper particles do not stick in the plasma jet yet. At the same time, wettability with the solder can be further improved with the coating.
  • the protective layer consists in particular of an inorganic-organic hybrid polymer
  • Such inorganic-organic hybrid polymers are also known under the brand name ORMOCER® the Fraunhofer Society for the Promotion of Applied Research e.V. Kunststoff.
  • the protective layer consists of an acylate.
  • the end surface is preferably made selectively only on individual ones of the exposed metal surfaces, and more specifically only on the pads of the
  • the insulating regions of the printed circuit board and possibly existing contact surfaces are preferably coated with an adhesion-resistant material prior to the production of the end surface in order to avoid adhesion of the adhesion promoter and / or the metallic coating material.
  • the adhesion-repellent material is for example a
  • solder mask it protects the metallic areas of the conductor track not provided with the end surface, in particular the conductor tracks, from oxidation at the same time.
  • the trace structure including the exposed
  • Pads is preferably made of aluminum or copper.
  • the interconnect structure including the
  • pads can also consist of a Silberleit laminate, graphite or steel. Also electrically conductive organic and / or transparent materials are as
  • Flex circuit boards, z. Based on polyimide films, PET films or composite films e.g. Aluminum / PET used.
  • the circuit boards thus constructed are indeed more expensive, but can save space by folding in tightest structures z. B. in cameras, video cameras or smartphones
  • the end surface can with the
  • Printed circuit board can be produced.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIGS. 2A-E a schematic representation of the method for producing an end surface on a printed circuit board
  • Figure 3 is a schematic representation of the preparation of a solder joint between an SMD component and a circuit board of Figure 2 and
  • Figure 4 is a schematic representation of a
  • FIG. 1 shows schematically a printed circuit board (1) with a printed conductor structure comprising connecting surfaces (2) to which contact surfaces (13) of SMD components (12) are soldered.
  • End surface (10) produced.
  • the end surface (10) comprises two layers, namely a layer comprising an electrically conductive adhesion promoter (4) and a
  • the production takes place in the following process steps:
  • Figure 2A shows the coating of the surface of
  • solder mask (3) serves as an adhesion-resistant material, so that the solder mask (3)
  • the solder resist (3) can be applied by screen printing, by roller application or spraying on the remaining surface of the circuit board (1).
  • FIG. 2B shows the coating of the connection surfaces (2) with the electrically conductive adhesion promoter (4) by means of a printing process (not shown).
  • the bonding agent in the illustrated embodiment is a 70-80 conductive silver adhesive
  • the curing of the electrically conductive silver adhesive is carried out with targeted supply of heat in a temperature range between 150 and 180 ° C.
  • Atmospheric plasma coating process becomes relatively movable to the surface of the printed circuit board (1)
  • the coating material is copper in the illustrated embodiment.
  • the plasma coating apparatus (6) shown in Fig. 4 serves to generate an atmospheric plasma in an atmospheric plasma head (16). In the plasma head (16) by passing a working gas through an excitation zone, not shown, a plasma jet under
  • the metallic coating material is introduced into the plasma jet via a separate feed (17)
  • solder paste (11) is a paste-like mixture of solder metal powder and flux and serves to solder the SMD component (12) by means of reflow soldering.
  • the printed circuit board (1) is equipped with the SMD component (12).
  • the contact surfaces (13) of the SMD component (12) are placed on the terminal surfaces (2) provided with the end surface (10) and the solder paste (11). Now the assembled printed circuit board (1) is sufficiently heated so that the solder contained in the solder paste melts.
  • the elevated temperature activates the flux in the solder paste.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung einer Endoberfläche (10) auf mindestens einer freiliegenden metallischen Fläche (2) einer Leiterplatte (1) zu schaffen, welche die metallische Fläche (2) auf der Leiterplatte (1) wirksam vor Oxidation schützt und ein zuverlässiges Löten der Bauteile sicherstellt, wird erfindungsgemäß ein zweistufiges Beschichtungsverfahren vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: • - Beschichten der mindestens einen freiliegenden metallischen Fläche mit einem elektrisch leitfähigen Haftvermittler (4), • - Aufbringen einer leitfähigen, metallischen Oberflächenschutzschicht (5) auf dem Haftvermittler (4) mittels eines atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens (6).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Endoberfläche und Leiterplatte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Endoberfläche auf mindestens einer freiliegenden metallischen Fläche einer Leiterplatte sowie eine Leiterplatte mit einer nach dem Verfahren herstellbaren Endoberfläche.
Eine "Leiterplatte" ist ein rigider oder flexibler Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen
Befestigung und elektrischen Verbindung der Bauteile. Der Träger umfasst elektrisch isolierendes Material mit daran haftenden, elektrisch leitenden Flächen, wie insbesondere lötfähigen Anschlussflächen, Kontaktflächen und Leiterbahnen. Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff oder bei flexiblen Leiterplatten Polyimid üblich. Die
elektrisch leitenden Flächen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer, üblich sind 35 ym, geätzt.
Bedrahtete Bauelemente werden konventionell in Lötaugen gelötet. Oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface
Mounted Devices, kurz SMD) werden indes direkt auf lötfähige Anschlussflächen (pads) gelötet. SMD-Bauteile erhöhen die Packungsdichte und erlauben eine beidseitige Bestückung.
Außerdem ist die Handhabung in automatischen
Bestückungssystemen wesentlich einfacher. Bei bedrahteten Bauteilen besteht ein Problem darin, mit allen Anschlüssen die Lötaugen zu treffen und die zulässigen Biegeradien der Anschlussdrähte einzuhalten. Beim Löten der Bauteile wird eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen den Anschlüssen der Bauteile und den metallischen Anschlussflächen auf der Leiterplatte hergestellt, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) entsteht . Die metallischen Anschlussflächen auf der
Leiterplatte neigen, abhängig vom Material mehr oder weniger zur Reaktion mit dem umgebenden Luftsauerstoff zu einem
Metalloxid . Dadurch werden die Benetzungsfähigkeit mit dem Lot selber und die Ausbildung einer intermetallischen Phase zwischen den beiden zu verbindenden Oberflächen erschwert .
Voraussetzung für eine hohe Qualität einer in der SMD-Technik hergestellten Schaltung ist jedoch eine einwandfreie
Verlötung der SMD-Bauteile .
Es ist daher erforderlich nach dem Ätzen der
Leiterbahnstruktur sowie der Anschluss- und ggf.
Kontaktflächen die freiliegenden metallischen Flächen, insbesondere die lötfähigen Anschlussflächen, vor einer
Oxidation zu schützen, da andernfalls der Lötvorgang
beeinträchtigt ist.
Zum Schutz der freilegenden metallischen Flächen vor
Oxidation wird eine Endoberfläche aufgebracht.
Zum Aufbringen dieser Endoberfläche (n) finden folgende
Verfahren bei Leiterplatten Anwendung (vgl.
http : //www . leiterplattenakademie . de/Publikationen/cad- bg/cad_lp_bg_012.pdf vom 18.09.2017): Bei der Methode HAL, auch HASL (englisch Hot Air Solder Leveling) wird die fertige produzierte Leiterplatte in ein Bad aus flüssigen Zinn-Blei getaucht und nachfolgend mit heißer Luft das überschüssige Zinn-Blei auf der Oberfläche weggeblasen, um eine möglichst glatte
Oberfläche an den lötfähigen Anschlussflächen zu
erhalten. Damit wird das Kupfer durch eine Schicht aus Zinn-Blei überzogen, welche auch dem herkömmlichen
Lötzinn entspricht. HAL ist wegen der kostengünstigen Durchführung die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung einer Endoberfläche, weist aber als Nachteil durch ungleiche Verteilung der Zinn-Blei-Beschichtung an der Oberfläche relativ große Unebenheiten auf und kann bei sehr feinen Strukturen zu Kurzschlüssen führen.
Bei der Methode Chemisch-Zinn (englisch Immersion Tin) wird die oberste Schicht des Kupfers mit Hilfe von
Thioharnstoff durch Zinn chemisch ausgetauscht. Der chemische Austausch von Kupferatomen durch Zinnatome endet von selbst, wenn die Kupferoberflächen auf der Leitplatte vollständig durch Zinn in einer Dicke von ca. 0,7 ym bis 1,2 ym abgedeckt sind. Der Vorteil von
Chemisch-Zinn ist die sehr ebene Oberfläche und das Vermeiden von problematischen Stoffen wie Blei im
Endprodukt. Die Nachteile sind der Aufwand und Kosten in der Fertigung, der Einsatz von krebserregendem
Thioharnstoff und die Problematik, dass die reine
Zinnoberfläche Whisker ausbilden kann. Die Methode OSP (englisch Organic Solderability
Preservative) ist eine Oberflächenbehandlung basierend auf organischen Substanzen wie Benzotriazol , Imidazol oder Benzimidazol , welche mit der obersten Kupferschicht eine 100 nm dicke metallorganische koordinative Bindung eingehen und so das Kupfer vor Oxidation schützen. Von Vorteil ist neben der ebenen Oberfläche die günstige Herstellung, nachteilig ist aber die begrenzte Lagerzeit OSP sollte nicht bei Leiterplatten mit
Durchsteckbauelementen eingesetzt werden, da die
Oberflächenpassivierung in den Lötaugen nicht
gewährleistet ist.
Bei der Methode ENIG (englisch Electroless Nickel
Immersion Gold) wird zunächst eine ca. 3 ym bis 6 ym Schicht chemisch Nickel auf die Kupferoberfläche
aufgebracht. Die Nickelschicht stellt eine Barriere für Gold zur Kupferschicht dar, da sonst das Gold in das Kupfer diffundieren würde. Auf die Nickelschicht wird eine ca. 50 nm bis 100 nm dicke Schicht chemisch Gold aufgebracht, dabei wird die oberste Nickelschicht durch Gold chemisch ausgetauscht. Der Vorteil dieser Methode ist neben der ebenen Oberfläche die vergleichsweise lange Lagerfähigkeit. Nachteilig ist der vergleichsweise hohe Prozessaufwand und die damit verbundenen Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Endoberfläche auf mindestens einer
freiliegenden metallischen Fläche einer Leiterplatte zu schaffen, welche die metallische Fläche auf der Leiterplatte, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, wirksam vor Oxidation schützt und ein zuverlässiges Löten der Bauteile sicherstellt .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei Beschichtungsschritte, nämlich
1. Beschichten der mindestens einen freiliegenden
metallischen Fläche mit einem elektrisch leitfähigen Haftvermittler und
2. Aufbringen einer elektrisch leitfähigen
Oberflächenschutzschicht umfassend metallische
Bestandteile auf dem Haftvermittler mittels eines
atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens Mindestens
90 Gew. %, vorzugsweise mindestens 95 Gew.% der
Oberflächenschutzschicht sind die metallischen
Bestandteile. Die übrigen Bestandteile der
Oberflächenschutzschicht sind vorzugsweise anorganisch- organische Hybridpolymere mit
Korrosionsschutzeigenschaften oder ein Acyrlat.
Da die freiliegenden metallischen Flächen meist schon mit einer Oxidschicht versehen sind und schlechte
Hafteigenschaften zu Loten zeigen, wird in dem ersten
Beschichtungsschritt der elektrisch leitfähige Haftvermittler auf die mindestens eine freiliegende metallische Fläche aufgebracht . Der vorzugsweise als Kleber oder Paste
vorliegende Haftvermittler gleicht die durch die Oxidation verursachten Unebenheiten der metallischen Flächen aus .
Zugleich sorgt er für ein gute Anbindung der nach dem
Aushärten des HaftVermittlers aufgebrachten Oberflächenschutzschicht. Die Paste und der Kleber umfassen Metallpartikel und ein organisches oder
anorganischesBindemittel , unterschiedliche Additive sowie je nach Aushärtungsmechanismusggf . zusätzlich ein Lösungsmittel oder ein Vernetzungsmittel. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch Kontaktstellen der Metallpartikel untereinander sowie die geeignete Einbettung der Metallpartikel in das Bindemittel des Haft ermittlers gewährleistet . Der Auftrag erfolgt vorzugsweise in einem Druckverfahren oder mittels Dispenser .
Die am Markt verfügbaren leitfähigen Farben und Fasten als Haftvermittler sind j edoch nicht für Lötprozesse ausgelegt . Sie zeigen daher eine schlechte Benetzbarkeit für das Lot (Zinn) .
Dieser Nachteil der Haftvermittler wird im zweiten
Verfahrensschritt durch das Aufbringen einer gut lötfähigen metallischen Oberflächenschutzschicht auf dem gehärteten Haftvermittler mittels eines atmosphärischen
PIasmabeschichtungsVerfahrens ausgeräumt . Überraschend hat sich in Versuchen gezeigt, dass die sich durch den
PIasmabeschichtungsprozess ergebende metallische
Oberflächenschutzschicht sehr wenig Oxidation zeigt sowie langzeitstabil eine gute Benetzbarkeit und Haftfestigkeit für Lot aufweist . Gleichzeitig bildet sich beim Lötprozess stets eine intermetallische Phase zwischen dem Lot und der derart hergestellten Oberflächenschutzschicht aus . Die Erzeugung eines atmosphärischen Plasmas, auch als
Niedertemperaturplasma bezeichnet, zum Aufbringen einer
Beschichtung auf einem Substrat ist aus der EP 1 230 414 Bl an sich bekannt. Durch Hindurchleiten eines Arbeitsgases durch eine Anregungszone wird ein Plasmastrahl eines
Niedertemperaturplasmas unter atmosphärischen Bedingungen erzeugt. Die Erzeugung des Gasplasmas erfolgt durch eine Gasentladung. In den Plasmastrahl wird getrennt von dem
Arbeitsgas das metallische Beschichtungsmaterial eingespeist. Abweichend von den thermischen Plasmen erreicht die
Temperatur eines Niedertemperaturplasmas im Kern des
Plasmastrahls bei Umgebungsdruck weniger als 900 Grad
Celsius.
Das Plasmabeschichtungsverfahren ermöglicht eine Abscheidung der metallischen Beschichtungsmaterialien aus dem kaltaktiven Atmosphärendruck-Plasma direkt auf die Oberfläche des gehärteten Haftvermittlers. Mit dem
Plasmabeschichtungsverfahren lassen sich homogene metallische Oberflächenschutzschichten mit reproduzierbaren Schichtdicken automatisiert erzeugen. Das Plasmabeschichtungsverfahren ist daher für die preiswerte und massenhafte Herstellung von Endoberflächen auf Leiterplatten besonders geeignet.
Als Haftvermittler kommen elektrisch leitfähige Pasten auf Silber-, Carbon- oder Zinn-Antimon-basis in Betracht: · Elektrisch leitende Paste auf Silberbasis zeichnet sich durch eine sehr hohe Leitfähigkeit und eine gute Haftung auf den freiliegenden metallische Flächen aus. Die
Härtung des Haftvermittlers erfolgt bei 50°C bis 175°C abhängig vom Leiterplattenmaterial.
• Elektrisch leitende Paste auf Carbonbasis zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung aus und eine hohe Abriebfestigkeit aus. Die Härtung des Haftvermittlers erfolgt bei 50°C bis 175°C abhängig vom
Leiterplattenmaterial
Elektrisch leitfähige Paste auf Zinn-Antimon-Basis zeichnet sich durch ein gute mechanische Beständigkeit und geringe erforderliche Schichtdicken aus. Nach dem
Härten bleibt eine hohe Flexibilität und Biegefähigkeit erhalten, so dass sich dieser Haftvermittler insbesondere für flexible Leiterplatten eignet.
Als Haftvermittler kommen außerdem elektrisch leitfähige Klebstoffe, auch als Leitkleber bezeichnet, in Betracht.
Leitkleber sind metallisch gefüllte (ca. 60-80 Gew. %
Metallbestandteile) Klebstoffe, insbesondere auf
Epoxidharzbasis, die in einem Temperaturbereich zwischen 120 °C und 180 °C ausgehärtet werden. Die elektrische
Leitfähigkeit beruht darauf, dass sich durch die statistische Verteilung der metallischen Bestandteile in der organischen Matrix leitfähige Pfade ausbilden. Die Leitkleber sind unempfindlich gegenüber Temperaturwechseln. Der Leitkleber kann durch Druckverfahren, Dispensen und direkte
Strahlsysteme aufgebracht werden. Ein wegen seiner guten elektrischen Leifähigkeit besonders bevorzugter Leitkleber ist ein Silberleitkleber mit in der organischen Matrix eingebetteten Silber-Partikeln.
Im zweiten Verfahrensschritt wird eine gut lötfähige und mit dem Lot benetzbare Oberflächenschutzschicht mit geringer Oxidationsneigung dadurch erzeugt, dass mittels des
atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens Partikel aus Kupfer auf die ausgehärtete Schicht des Haftvermittler- Schicht aufgebracht werden.
Die Oxidation der Oberflächenschutzschicht kann weiter dadurch reduziert werden, dass mittels des atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens mit einer Schutzschicht überzogene Partikel aus Kupfer aufgebracht werden. Die
Schutzschicht bewirkt außerdem, dass die Kupferpartikel im Plasmastrahl noch nicht verkleben. Zugleich lässt sich mit der Beschichtung die Benetzbarkeit mit dem Lot weiter verbessern. Die Schutzschicht besteht insbesondere aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer mit
Korrosionsschutzeigenschaften. Derartige anorganischorganischen Hybridpolymere sind auch unter dem Markennamen ORMOCER® der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. München bekannt.
Alternativ besteht die Schutzschicht aus einem Acyrlat.
Wenn mittels des atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens Partikel einer
oxidationsbeständigen Kupfer-Legierung, insbesondere einer Kupfer-Zinn Legierung, aufgebracht werden, bleibt die
Oberflächenschutzschicht sogar nach einem Salzsprühtest langzeitstabil lötfähig. Gleichzeitig bildet sich beim Löten stets eine intermetallische Phase zwischen dem Lot und der Oberflächenschutzschicht .
Die Endoberfläche wird vorzugsweise selektiv lediglich auf einzelnen der freiliegenden metallischen Flächen hergestellt und zwar insbesondere nur auf den Anschlussflächen der
Leiterplatte, an denen Bauteile angelötet werden. Die verbleibende Oberfläche der Leiterplatte, d.h. die
Leiterbahnen, die isolierenden Bereiche der Leiterplatte und ggf. vorhandene Kontaktflächen, wird vorzugsweise mit einem haftabweisenden Material vor dem Herstellen der Endoberfläche beschichtet, um eine Anhaftung des Haftvermittlers und/oder des metallischen Beschichtungsmaterials zu vermeiden.
Das haftabweisende Material ist beispielweise ein
Lötstopplack; er schützt die nicht mit der Endoberfläche versehenen metallischen Bereiche der Leiterbahn, insbesondere die Leiterbahnen zugleich vor Oxidation.
Die Leiterbahnstruktur einschließlich der freiliegenden
Anschlussflächen besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer. Die Leiterbahnstruktur einschließlich der
Anschlussflächen kann jedoch auch aus einer Silberleitfarbe, Graphit oder Stahl bestehen. Auch elektrisch leitfähige organische und/oder transparente Materialien sind als
Leiterbahnstruktur möglich.
Alternativ zu festen Leiterplatten kommen auch dünne
Flexleiterplatten, z. B. auf Basis von Polyimid-Folien, PET- Folien oder Verbundfolien z.B. Aluminium/PET zum Einsatz. Die damit aufgebauten Leiterplatten sind zwar teurer, können jedoch platzsparend durch Falten in engsten Strukturen z. B. in Fotoapparaten, Videokameras oder auch Smartphones
eingesetzt werden. Die Endoberfläche kann mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren auch auf einer flexiblen
Leiterplatte hergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Leiterplatte, Figuren 2A) -E) eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer Endoberfläche auf einer Leiterplatte,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem SMD- Bauteil und einer Leiterplatte nach Figur 2 sowie
Figur 4 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung eines
atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens .
Figur 1 zeigt schematisch eine Leiterplatte (1) mit einer Leiterbahnstruktur umfassend Anschlussflächen (2), an denen Kontaktflächen (13) von SMD-Bauteilen (12) angelötet werden.
Auf den freiliegenden Anschlussflächen (2) der Leiterplatte (1) wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine
Endoberfläche (10) hergestellt. Die Endoberfläche (10) umfasst zwei Schichten, nämlich eine Schicht umfassend einen elektrisch leitfähigen Haftvermittler (4) sowie eine
metallische Oberflächenschutzschicht (5) (vgl. Figuren 2B) 2C) ) .
Die Herstellung erfolgt in folgenden Verfahrensschritten:
Figur 2A) zeigt die Beschichtung der Oberfläche der
Leiterplatte (1) mit einem Lötstopplack (3), wobei
ausschließlich auf den Anschlussflächen (2) aus Kupfer kein Lötstopplack (3) aufgebracht wird. Die verbleibende Oberfläche der Leiterplatte (1), das heißt die Leiterbahnen zwischen den Anschlussflächen (2) und die isolierenden
Bereiche zwischen den Leiterbahnen und Anschlussflächen werden mit dem Lötstopplack (3) überzogen. Der Lötstopplack (3) dient als haftabweisendes Material, damit die
Endoberfläche (10) in einem automatisierten Prozess selektiv lediglich auf den freiliegenden Anschlussflächen (2)
hergestellt werden kann. Der Lötstopplack (3) kann im Wege des Siebdrucks, durch Walzenauftrag oder Sprühen auf der verbleibenden Oberfläche der Leiterplatte (1) aufgebracht werden .
Figur 2B) zeigt das Beschichten der Anschlussflächen (2) mit dem elektrisch leitfähigen Haftvermittler (4) im Wege eines nicht dargestellten Druckprozesses. Bei dem Haftvermittler handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen leitfähigen Silber-Klebstoff mit 70 - 80
Gewichtsprozent Silberbestandteilen, die in einer Matrix aus Epoxidharz eingebettet sind. Das Aushärten des elektrisch leitfähigen Silber-Klebstoffs erfolgt unter gezielter Zufuhr von Wärme in einem Temperaturbereich zwischen 150 und 180° C.
Figur 2C) zeigt das Aufbringen einer metallischen
Oberflächenschutzschicht (5) aus Kupfer auf dem ausgehärteten Haftvermittler (4) mittels eines atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens . Zur Durchführung des
atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens wird ein zur Oberfläche der Leiterplatte (1) relativ beweglich
angeordnetes Plasmabeschichtungsgerät (6) verwendet, dessen Aufbau- und Funktionsweise anhand von Figur 4 näher erläutert wird. Das Plasmabeschichtungsverfahren ermöglicht eine
Abscheidung von metallischem Beschichtungsmaterial direkt auf der Oberfläche des gehärteten Haftvermittlers (4) . Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um Kupfer. Das in Figur 4 dargestellte Plasmabeschichtungsgerät (6) dient zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmas in einem atmosphärischem Plasmakopf (16) . In dem Plasmakopf (16) wird durch Hindurchleiten eines Arbeitsgases durch eine nicht dargestellte Anregungszone ein Plasmastrahl unter
atmosphärischen Bedingungen erzeugt. Die Erzeugung des
Plasmas erfolgt innerhalb der Anregungszone durch eine
Gasentladung. In den Plasmastrahl wird über eine separate Einspeisung (17) das metallische Beschichtungsmaterial
(Kupfer) eingespeist. Durch eine Relativbewegung (19) des Plasmabeschichtungsgerätes (6) in Pfeilrichtung zur
Oberfläche der Leiterplatte (1) werden mit dem Plasmastrahl (18) die Metallpartikel (8) aus Kupfer sowohl auf die mit Lötstopplack (3) beschichteten Oberflächen als auch die freiliegenden Anschlussflächen (2) aufgebracht. Die im Wege des Plasmabeschichtungsverfahrens auf den Anschlussflächen (2) abgeschiedenen Metallpartikel (8) bilden die
Oberflächenschutzschicht (5) aus Kupfer aus. Aufgrund der haftabweisenden Eigenschaften des Lötstopplacks (3) können die Metallpartikel (8) auf den übrigen Oberflächenbereichen der Leiterplatte, wie dies insbesondere in Figuren 2D) , 2E) erkennbar ist, problemlos abgereinigt werden, so dass lediglich die Oberflächenschutzschicht (5) aus Kupfer auf den Anschlussflächen (2) verbleibt. Das Abreinigen erfolgt beispielsweise durch Abbürsten der Oberfläche. Figur 2 E) zeigt die gereinigte Oberfläche (9) des Lötstopplacks nach dem Abbürsten der Metallpartikel (8) . Das Verfahren zur Herstellung der Endoberfläche auf den Anschlussflächen (2) der Leiterplatte (1) ist damit abgeschlossen.
Anhand von Figur 3 wird nachfolgend erläutert, wie auf die Leiterplatte (1) ein SMD-Bauteil (12) mit seinen
Kontaktflächen (13) angelötet wird: Auf die mit der Endoberfläche (10) versehenen
Anschlussflächen (2) wird, wie in Figur 3B) dargestellt, eine Lötpaste (11) aufgebracht. Die Lötpaste (11) ist eine pastöse Mischung aus Lot-Metallpulver und Flussmittel und dient zum Löten des SMD-Bauteils (12) im Wege des WideraufSchmelzlötens (Reflow-Löten) .
Nach dem Aufbringen der Lötpaste (11) wird in dem in Figur 3C) dargestellten Schritt die Leiterplatte (1) mit den SMD- Bauteil (12) bestückt. Hierzu werden die Kontaktflächen (13) des SMD-Bauteils (12) auf den mit der Endoberfläche (10) und der Lötpaste (11) versehenen Anschlussflächen (2) aufgesetzt. Nun wird die bestückte Leiterplatte (1) ausreichend erhitzt, so dass das in der Lötpaste enthaltene Lot schmilzt.
Gleichzeitig aktiviert die erhöhte Temperatur das Flussmittel in der Lötpaste.
Nach dem Abkühlen des Lots ist das Verlöten des SMD-Bauteils (12) mit der Leiterplatte (1) abgeschlossen, wie dies in Figur 3D) angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Endoberfläche (10) auf mindestens einer freiliegenden metallischen Fläche (2) einer Leiterplatte (1) umfassend die Schritte
Beschichten der mindestens einen freiliegenden metallischen Fläche (2) mit einem elektrisch leitfähigen Haftvermittler (4),
Aufbringen einer elektrisch leitfähigen
Oberflächenschutzschicht (5) umfassend metallische Bestandteile auf dem Haftvermittler (4) mittels eines atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler (4) eine elektrisch leitfähige Paste oder ein elektrisch leitfähiger Klebstoff ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler (4) ein Silberleitkleber oder eine Silberpaste ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass mittels des atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens Partikel (8) aus Kupfer aufgebracht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens mit einer Schutzschicht versehene Partikel (8) aus Metall, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem anorganisch-organischen
Hybridpolymer mit Korrosionsschutzeigenschaften oder einem Acyrlat besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des atmosphärischen
Plasmabeschichtungsverfahrens Partikel (8) einer
oxidationsbeständigen Kupfer-Legierung, insbesondere einer Kupfer-Zinn Legierung, aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endoberfläche (10) lediglich auf einzelnen der freiliegenden metallischen Flächen (2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden metallischen Flächen (2) lötfähige Anschlussflächen (2) umfassen und die Endoberfläche (10) ausschließlich auf den Anschlussflächen (2) hergestellt wird .
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibende Oberfläche der Leiterplatte (1) mit einem für die metallische Oberflächenschutzschicht haftabweisenden Material (3) vor dem Herstellen der
Endoberfläche beschichtet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die freiliegenden metallischen
Flächen (2) der Leiterplatte aus Aluminium, Kupfer, einer Silberleitfarbe, Graphit oder Stahl bestehen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Endoberfläche (10) auf einer flexiblen Leiterplatte hergestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der
Oberflächenschutzschicht der Haftvermittler gehärtet, getrocknet oder venetzt wird.
14. Leiterplatte (1) mit mindestens einer freiliegenden
metallischen Fläche und einer Endoberfläche auf der mindestens einen metallischen Fläche herstellbar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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