ES2209833T3

ES2209833T3 - Procedimiento para la fabricacion de circuitos.

Info

Publication number: ES2209833T3
Application number: ES00910749T
Authority: ES
Inventors: Helmut Heinz; Bernhard Schuch
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: WO2000052974A1; DE19909505C2; ATE253805T1; EP1163825A1; EP1163825B1; DE19909505A1; US6820798B1

Abstract

Procedimiento para la fabricación de circuitos, cuyos componentes se disponen sobre el lado superior (12) de un soporte (5) que presenta unos agujeros pasantes (7) térmicos, por el cual, los agujeros pasantes (7) térmicos se cierran por el lado inferior (13) del soporte (5) antes del proceso de soldadura, mediante un proceso de serigrafía con material de serigrafía (8) impreso en los agujeros pasantes térmicos y, por el cual, se aplica sobre el soporte (5) y en los agujeros pasantes (7) térmicos una primera capa de metalización (6), que constituye la metalización básica, caracterizado porque sobre la capa de metalización (6), que constituye la metalización básica, se imprime el material de serigrafía (8) altamente viscoso, porque los restos sobresalientes del material de serigrafía (8) sobre el lado inferior (13) del soporte (5), se retiran, una vez endurecido el material de serigrafía (8), mediante, al menos, un proceso de limpieza mecánico y/o un proceso de limpieza químico y porque después de, al menos, un proceso de limpieza, se aplica, al menos, otra capa de metalización (17), que constituye la metalización definitiva, sobre la capa de metalización (6), que constituye la metalización básica.

Description

Procedimiento para la fabricación de circuitos.

En muchos campos de aplicación de la electrotecnia se emplean circuitos con componentes en cuyo funcionamiento se produce una elevada energía disipada, en particular, en circuitos con componentes de potencia, como por ejemplo, módulos de potencia para el control de subconjuntos. Los componentes de los circuitos se aplican sobre un soporte adecuado, por ejemplo, en la electrónica de automóviles se usan con frecuencia componentes de potencia montados en superficie, que se apoyan con su superficie de contacto posterior sobre una placa de circuito impreso como soporte. Para garantizar una suficiente disipación del calor producido por la energía disipada de los componentes (especialmente la energía disipada de los componentes de potencia), por un lado, se pueden disponer agujeros pasantes térmicos (las denominadas vías térmicas) para apoyar el transporte térmico vertical en el soporte, es decir, agujeros pasantes desde el lado superior al lado inferior del soporte; para ello, por regla general, se introducen unos pasos en el soporte, inmediatamente debajo de la superficie de contacto posterior (superficie de apoyo) del componente, que se metalizan en toda la superficie permitiendo el paso (por ejemplo, mediante un revestimiento de cobre). Por otro lado, se puede aplicar el soporte sobre un disipador de calor metálico (por ejemplo, una placa de aluminio) para la disipación externa del calor, que transfiera la energía disipada a un sistema de refrigeración y separado del soporte mediante una capa aislante eléctrica (por ejemplo, mediante una lámina aislante).

Una vez aplicados los componentes sobre el lado superior del soporte (el lado dotado de componentes), éstos entran en contacto con las superficies de conexión ("pads") y/o con las pistas conductoras de un trazado metálico de pistas conductoras en un proceso de soldadura, por el que la pasta de soldadura se presiona sobre las superficies de contacto y la superficie de las vías térmicas y se funde en un proceso de soldadura indirecta de reflujo. Con esto, la soldadura o gotas de soldadura o incluso partes fundidas del trazado metálico de pistas conductoras, debido al efecto de capilaridad, pueden extenderse hacia la parte inferior del soporte a través de las vías térmicas y allí, dañar la capa aislante eléctrica (por ejemplo, se puede perforar la lámina aislante aplicada sobre el lado inferior del soporte), así como causar cortocircuitos eléctricos en el disipador de calor metálico o en la carcasa que encierra al soporte y al circuito.

En la publicación no anticipada del documento DE19842590, se describe un procedimiento para la fabricación de circuitos, en el que, con anterioridad al proceso de soldadura, es decir, antes de montar los componentes en la placa de circuito impreso, todos los agujeros pasantes (vías térmicas) desde el lado inferior (parte posterior) del soporte, opuesto al lado superior (lado dotado de componentes) del soporte, se cierran mediante serigrafía. En esto, el diámetro de las vías térmicas se adapta a la técnica de serigrafía aplicada en cada una de ellas y se determina de modo que tiene lugar una cobertura suficiente de las vías térmicas en el interior del volumen de la abertura (por ejemplo, se puede requerir un llenado determinado mínimo en el interior de las vías térmicas). Además, debería tener lugar una cobertura reducida con material de serigrafía en el lado inferior del soporte, en la zona de los bordes limítrofes con las vías térmicas, ya que una cobertura con material de serigrafía de las superficies de contacto previstas en el lado inferior del soporte, perjudicaría la transferencia térmica y, con ello, la evacuación del calor disipado y porque es de desear, para las etapas posteriores del proceso de fabricación del circuito, una superficie plana en el lado inferior del soporte. No obstante, los costes del proceso de serigrafía son realmente altos, ya que se deben observar tolerancias limitadas para mantener el resalte del material de serigrafía tan reducido como sea posible.

El documento GBA2304999 expone un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1.

La invención tiene como objetivo especificar un procedimiento sencillo para la fabricación de circuitos con características ventajosas respecto a la disipación de calor, fiabilidad, costes y el proceso de fabricación.

Este objetivo se alcanza, según la invención, mediante las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

Otras configuraciones ventajosas de la invención son parte integrante del resto de las reivindicaciones.

El proceso de serigrafía para la aplicación del material de serigrafía en los agujeros pasantes térmicos (vías térmicas), se realiza una vez aplicada una primera capa de metalización (preferentemente de cobre) sobre el soporte, que constituye la metalización básica (es decir, antes de la aplicación de, al menos, otra capa de metalización, que constituye la metalización definitiva), por el que el material de serigrafía se imprime sobre la metalización básica, sin observar tolerancias limitadas, a través de las aberturas para los agujeros pasantes térmicos. Una vez impreso y endurecido el material de serigrafía, se retiran los restos sobresalientes del material de serigrafía sobre el lado inferior del soporte, al menos, mediante un proceso de limpieza mecánico, por el cual se obtiene, por un lado, una superficie plana y, por otro lado, una superficie limpia (pulida), que permite un mejor tratamiento en las etapas de proceso posteriores, por ejemplo, en la aplicación de otras capas de metalización para la metalización definitiva y en la aplicación de una lámina aislante aplicada para mejorar la propagación de calor. En particular, el procedimiento de limpieza mecánico se realiza en forma de cepillado-rectificado mecánico, debido a que mediante el control variable del material sobrante a través de los parámetros de la máquina cepilladora-rectificadora, se puede adaptar bien a las circunstancias actuales; opcionalmente, se pueden realizar, al mismo tiempo, otros procedimientos de limpieza mecánicos y/o químicos. De manera ventajosa, se pueden emplear aquí procedimientos de limpieza habituales en el procedimiento de fabricación del circuito. Una vez retirados los restos de material de serigrafía, se aplica, al menos, otra capa de metalización sobre la capa de metalización básica limpia (pulida) para la constitución de la metalización definitiva (por ejemplo, se precipitan químicamente oro y níquel sobre el revestimiento de cobre de la metalización básica). A continuación, se aplica una lámina aislante eléctrica, conductora de calor, sobre la superficie de la parte posterior del soporte, como lámina aislante y conductora de calor, a nivel de la superficie y sin espacio de aire, es decir, se puede aplicar la lámina a las vías térmicas con una elevada seguridad de montaje, así como con un contacto directo y térmico por toda la superficie.

En el proceso de serigrafía, se dispone una capa delgada de serigrafía alrededor de las vías térmicas y se imprime el material de serigrafía en un proceso de impresión de, al menos, dos etapas, desde el lado inferior del soporte hacia las aberturas de las vías térmicas, para conseguir un volumen de llenado determinado. Para la serigrafía se usan materiales altamente viscosos, tixótropos (espesos), preferentemente sin disolventes, para lo cual, se puede elegir el material de serigrafía adecuado al material del soporte; en particular, para el endurecimiento se usa un epoxi sólido, sin disolventes, con una reducción de volumen mínima. Después del control de las aberturas cerradas (por ejemplo, mediante un control óptico a contraluz o mediante una verificación automatizada de vacío con la determinación de la parte de aire extraño para el reconocimiento de agujeros ocasionalmente existentes) se seca el soporte y se endurece el material de serigrafía. Después del proceso de limpieza, con la eliminación del material de serigrafía sobrante y la aplicación de las capas de metalización para la metalización definitiva, se sueldan los componentes del circuito sobre el lado superior del soporte (por ejemplo, mediante un proceso de soldadura indirecta de reflujo); como consecuencia de la obturación de las vías térmicas, se pueden evitar impurezas del lado inferior del soporte (en particular, condicionadas por el flujo de soldadura desde el lado superior al lado inferior del soporte a través de las vías térmicas). El transporte térmico desde el lado superior al lado inferior del soporte no se ve mermado por el material de serigrafía que cierra las vías térmicas.

Con el uso de un material de serigrafía sin disolventes, en particular, un epoxi sólido, se puede evitar una reducción del volumen del material de serigrafía, de modo que no se forman burbujas o grietas en el material de serigrafía, que mermarían la fiabilidad de la obturación de las vías térmicas.

El proceso de impresión del material de serigrafía en las vías térmicas se realiza repetidamente (al menos, sin embargo, dos veces seguidas), hasta que se alcanza el grosor deseado del material de serigrafía sobre las vías térmicas (un determinado volumen de llenado en las vías térmicas) y una cobertura completa superficial, con el material de serigrafía, de las aberturas de las vías térmicas que se encuentran en el lado inferior del soporte.

En el procedimiento seguro y sencillo presentado para la fabricación de circuitos, se puede evitar por completo un flujo de soldadura a través de las vías térmicas, de manera ventajosa, sobre todo en las vías térmicas aplicadas en el soporte, con costes reducidos e independiente de la configuración de las vías térmicas (independiente del tipo de los agujeros pasantes, por ejemplo, del material de serigrafía), también con diámetros mayores de las vías térmicas (por ejemplo, con un diámetro en el intervalo entre 0,4 mm y 1 mm), sin merma de la transferencia térmica. Al mismo tiempo, se mejora de manera sencilla el lado posterior del soporte para las fases posteriores del procedimiento para la fabricación de circuitos, sin gastos adicionales, por ejemplo, para la aplicación de otras capas de metalización o de la lámina aislante.

El procedimiento se describe a continuación mediante un ejemplo de realización en relación con el dibujo.

Para ello, se muestra en la figura 1 una representación en corte de un detalle de un circuito aplicado sobre un soporte con un componente de potencia y, en la figura 2, la representación ampliada de un agujero pasante térmico desde el lado superior al lado inferior del soporte.

El circuito dispuesto sobre el lado superior 12 de un soporte 5 conformado, por ejemplo, como una placa de circuito impreso, presenta, junto con otros componentes activos y pasivos, al menos, un componente de potencia 1, cuyos contactos de unión 3 deben contactar con el trazado de pistas conductoras compuesto de, por ejemplo, cobre recubierto de níquel-oro (AuNi), aplicado sobre el soporte 5, a través de la superficie de contacto 16. Para la disipación vertical de la energía disipada originada durante el funcionamiento del circuito, en particular, a través de los componentes de potencia 1 del circuito, se aplican sobre la placa de circuito impreso 5, en la zona de todos los componentes de potencia 1 del circuito, por ejemplo, pasos conformados como taladros, cuyas paredes, para la formación de agujeros pasantes térmicos 7 (vías térmicas), se cubren por completo y por toda su superficie mediante una capa de metalización 6 (por ejemplo, cobre), y cuyos orificios 14, 15, presentan un diámetro de, por ejemplo, 0,5 mm, una vez aplicada la capa de metalización 6. Los componentes de potencia 1 se apoyan con su zapata refrigerante 2 sobre los orificios 15 de las vías térmicas 7, que se encuentran sobre el lado superior de la placa de circuito impreso 5, de modo que se posibilita una transferencia de calor eficaz desde el lado superior 12 de la placa de circuito impreso 5 hacia el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5. El calor disipado se evacua desde el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 a través del disipador de calor 10 metálico, conformado como una chapa de enfriamiento, provisto de aletas refrigeradoras 11, hacia un sistema de refrigeración. Entre el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 y la chapa de enfriamiento 10 se dispone, para el aislamiento eléctrico, una lámina 9 conductora de calor y aislante eléctrica (lámina aislante o lámina conductora de calor).

Por ejemplo, los componentes del circuito deben soldarse sobre el lado superior 12 de la placa de circuito impreso 5 mediante un proceso de soldadura indirecta de reflujo. Para evitar un flujo de la soldadura 4 desde el lado superior 12 de la placa de circuito impreso 5 hacia el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5, al soldar los componentes sobre el lado superior 12 (lado de reflujo o lado dotado de componentes) de la placa de circuito impreso 5, las vías térmicas 7 del lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 se cierran antes del proceso de soldadura mediante un proceso de serigrafía.

Una vez aplicada la metalización básica 6 (por ejemplo, cobre con un grosor de capa de 70 \mum) sobre la superficie de la placa de circuito impreso y en las vías térmicas 7 y en su estructuración, las vías térmicas 7 se cierran mediante serigrafía. Para ello, se aplica sobre el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5, alrededor de los orificios 14 que presentan las vías térmicas 7, con un diámetro de, por ejemplo, 0,5 mm, una capa delgada de serigrafía con un diámetro de, por ejemplo, 0,7 mm; el diámetro de la capa delgada de serigrafía no tiene que ser, en este caso, extremadamente preciso, es decir, puede presentar tolerancias generosas. El material de serigrafía 8, por ejemplo, un material epoxi sólido, se imprime mediante un proceso de impresión de dos pasos (impresión de doble efecto, impresión doble húmedo sobre húmedo) en los orificios 14 de las vías térmicas 7 que se encuentran sobre el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5, de tal manera que se alcanza un volumen de llenado determinado en las vías térmicas 7, es decir, una altura de llenado mínima de material de serigrafía 8 en las vías térmicas 7 en el punto más estrecho de las vías térmicas 7 (por ejemplo, la altura de llenado debe alcanzar, al menos, hasta el 15% del grosor de la placa de circuito impreso 5), de modo que el material de serigrafía 8 endurecido no presente defectos (por ejemplo, impurezas, burbujas de aire, poros, etc), y que no fluya ningún material de serigrafía 8 a través de los pasos (taladros) y ensucie el lado superior 12 de la placa de circuito impreso (lado dotado de componentes). Sobre la superficie del lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 se forma un determinado recubrimiento de capa del material de serigrafía 8, por ejemplo, el grosor de la capa del material de serigrafía 8 se encuentra en el intervalo entre 30 y 40 \mum.

Una vez endurecido el material de serigrafía 8, el material de serigrafía 8 que se encuentra sobre la superficie del lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 (en particular, el material de serigrafía 8 sobresaliente en la zona de los orificios 14 y alrededor de los orificios 14 sobre el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5) se retira mediante un proceso de limpieza químico y mecánico, para el cual, por ejemplo, se usa el cepillado-rectificado mecánico empleado en la fabricación de placas de circuito impreso como proceso de limpieza mecánico. Este proceso de limpieza se lleva a cabo durante, por ejemplo, 30 segundos, de modo que el material de serigrafía 8 se retira por completo (por ejemplo, todavía persiste un resalte máximo del material de serigrafía 8 sobre la superficie del lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 de 100 \mum); por ello, se prepara la metalización básica 6 para las etapas posteriores del procedimiento, sin dañar al material de serigrafía 8 que se encuentra en las vías térmicas 7. A continuación, se separa la metalización definitiva de la metalización básica 6 pulida mediante capas de metalización 17 consecutivas, por ejemplo, todas las zonas accesibles con metalización básica 6 pulida (cobre) se niquelan y se doran químicamente, para lo cual, estas capas de metalización 17 consecutivas de níquel-oro, presentan un espesor de capa de, por ejemplo, entre 3 y 8 \mum. Sobre el lado inferior 13 de la placa de circuito impreso 5 se aplica ahora la lámina 9 aislante eléctrica y conductora de calor, a nivel de la superficie y por toda la superficie, por ejemplo, una lámina conductora de calor con un espesor de 150 \mum.

Claims

1. Procedimiento para la fabricación de circuitos, cuyos componentes se disponen sobre el lado superior (12) de un soporte (5) que presenta unos agujeros pasantes (7) térmicos, por el cual, los agujeros pasantes (7) térmicos se cierran por el lado inferior (13) del soporte (5) antes del proceso de soldadura, mediante un proceso de serigrafía con material de serigrafía (8) impreso en los agujeros pasantes térmicos y, por el cual, se aplica sobre el soporte (5) y en los agujeros pasantes (7) térmicos una primera capa de metalización (6), que constituye la metalización básica, caracterizado porque sobre la capa de metalización (6), que constituye la metalización básica, se imprime el material de serigrafía (8) altamente viscoso, porque los restos sobresalientes del material de serigrafía (8) sobre el lado inferior (13) del soporte (5), se retiran, una vez endurecido el material de serigrafía (8), mediante, al menos, un proceso de limpieza mecánico y/o un proceso de limpieza químico y porque después de, al menos, un proceso de limpieza, se aplica, al menos, otra capa de metalización (17), que constituye la metalización definitiva, sobre la capa de metalización (6), que constituye la metalización básica.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque se usa el cepillado-rectificado mecánico como proceso de limpieza mecánico.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, una vez aplicada la capa de metalización (17), que constituye la metalización definitiva, se aplican los componentes del circuito sobre el lado superior (12) del soporte (5) mediante un proceso de soldadura indirecta de reflujo.

4. Procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se aplica una lámina (9) conductora de calor, aislante eléctrica, sobre el lado inferior (13) del soporte (5).

5. Procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la lámina (9) conductora de calor, aislante eléctrica, está unida con un disipador de calor (10).