NL1032636C2

NL1032636C2 - Een werkwijze voor het verbinden van printplaten en een meerlaagse printplaatsamenstelling.

Info

Publication number: NL1032636C2
Application number: NL1032636A
Authority: NL
Inventors: Franciscus Augustinus Ros
Original assignee: Thales Nederland Bv
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-08

Description

Een werkwijze voor het verbinden van printplaten en een meeriaagse printplaatsamenstelling

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbinden van printplaten en een meeriaagse printplaatsamenstelling (multilayer). De uitvinding is bijvoorbeeld met name van toepassing op microgolf- en ultrasnelle digitale elektronica.

5

Met de zich voortdurend uitbreidende functionaliteit en de toenemende prestaties van halfgeleiders, groeit ook het aantal lagen in printplaten. De tegenwoordige hoge-dichtheid multilayers worden gekenmerkt door een hoge concentratie van elektronische componenten in 10 klein bestek. Deze printplaten worden gebruikt voor een groeiend aantal toepassingen, onder andere digitale-elektronicaprintplaten in computers, passieve en actieve microgolfprintplaten en gemengde HF/elektronische printplaten.

In principe is een printplaat opgebouwd uit een aantal elementaire 15 lagen. Elke laag wordt lithografisch geëtst of gemetalliseerd om signaalwegen te vormen die de op de laag aangebrachte elektronische componenten verbinden. De lagen kunnen HF transmissielijnen vormen in hoogfrequente microgolftoepassingen, zoals striplines, waar zij als een centrale geleider liggen tussen een paar diëlektrische lagen met aan de 20 boven- en onderzijde een metalen deklaag. De lagen kunnen ook andere typen HF transmissielijnen vormen, of data-, timing- of voedingslijnen zonder verlies van de algemene functie. Doorverbindingen tussen de lagen, de zogenaamde “via's", worden gebruikt om de centrale geleider en de aardsignaalwegen van laag naar laag elektrisch te verbinden, waardoor een 25 HF signaalweg tot stand komt in een meerlagenstructuur.

De via's worden gerealiseerd door gaten te boren door de lagen en die gaten aan de binnenzijde te metalliseren. Dit proces kan eventueel plaatsvinden op deellaagniveau, bijvoorbeeld door twee gaten te boren door de halve dikte van twee striplines en de gaten achtereenvolgens te 30 metalliseren. Dit proces kan echter ook worden uitgevoerd door één enkel gat dwars door de paren deellagen van twee striplines te boren en het complete gat in één handeling te metalliseren, zodat minder fabricagestappen nodig zijn, met als resultaat een kortere productietijd.

103? 2

In ieder geval worden de fabricagestappen serieel uitgevoerd op het product, dat na elke stap complexer en duurder wordt. Bovendien vereist een multilayer die meer dan twee lagen omvat, een groot aantal fabricagestappen. Voor een doorsnee printplaat van bijvoorbeeld drie 5 functionele lagen zijn meestal meer dan 100 fabricagestappen nodig, onder andere lithografische stappen, boren, metalliseren en verschillende persstappen. Hoewel elke stap op zich geen hoge uitvalfrequentie met zich mee hoeft te brengen, kan het grote aantal na elkaar uitgevoerde fabricagestappen op een product waarvan de kosten in de loop van het 10 fabricageproces voortdurend stijgen het rendement tot een onaanvaardbaar niveau doen dalen. Het gevolg is dat de kostprijs van het eindproduct, wanneer het op een industriële schaal wordt gefabriceerd, drastisch omhoog blijkt te gaan.

15 De onderhavige uitvinding heeft tot doel om te voorzien in een werkwijze en een apparaat die gebruikt kunnen worden om tenminste enkele van de hiervoor beschreven technische problemen te ondervangen. In de meest algemene termen stelt de uitvinding voor om multilayers samen te stellen zonder daarbij een metaliiseringsproces te betrekken. In plaats van 20 seriële metalliseringsstappen op het product, te beginnen met de binnenste laag van het product en vervolgens toevoeging aan het product van telkens een nieuwe laag, stelt de uitvinding voor om een aantal delen van het product afzonderlijk en gelijktijdig op te bouwen, uitgaande van de standaardwerkwijze voor gemetalliseerde via's en deze afzonderlijke delen 25 later samen te voegen door middel van een proces dat heel veilig is. Op deze wijze doorloopt elk deel van het product processen die minder risico met zich meebrengen en geschiedt het samenstellen volgens een nagenoeg risicoloos proces. Hierdoor wordt het uitvalprobleem opgelost, hetgeen een aanzienlijke verlaging betekent van de totale kosten van het eindproduct.

30

Volgens een eerste aspect kan deze uitvinding voorzien in een werkwijze voor het verbinden van twee printplaten. De werkwijze omvat een stap van het boren van gaten dwars door een hechtlaag ter plaatse van de elektrische verbindingen tussen de beide printplaten. De werkwijze omvat 35 ook een stap van het afzetten van metalen bultjes ter plaatse van de 3 elektrische verbindingen op een eerste printplaat. De werkwijze bevat verder een stap van het hechten van de tweede printplaat op de eerste printplaat door middel van de uitgeboorde hechtlaag, waarbij de elektrische verbindingen van de tweede printplaat gerangschikt worden tegenover de 5 verbindingen van de eerste printplaat door de gaten van de hechtlaag. Hierdoor kan een elektrische stroom vloeien door de metalen bultjes tussen de elektrische verbindingen van de twee printplaten. Eventueel kan de stap van het hechten van de tweede printplaat op de eerste printplaat het aandrukken omvatten van de tweede printplaat tegen de hechtlaag en/of het 10 solderen van de metalen bultjes op de elektrische verbindingen van de tweede printplaat.

Bij voorkeur kunnen, voor het verbinden van meer dan twee elementaire printplaten, paren elementaire platen gelijktijdig verbonden worden en kan elk paar platen gelijktijdig verbonden worden met een ander 15 paar platen. De werkwijze voor het verbinden kan gelijktijdig herhaald worden tot alle printplaten met elkaar zijn verbonden.

In een tweede aspect kan de uitvinding voorzien in een multilayer, die tenminste twee printplaten omvat. Een hechtlaag verbindt elk paar 20 aangrenzende printplaten, waarbij elke hechtlaag doorboord wordt ter plaatse van de elektrische verbindingen tussen de aangrenzende printplaten. Op elke locatie tussen twee elektrische verbindingen van de twee printplaten bevindt zich tenminste één metalen bultje. Hierdoor kan een elektrische stroom vloeien door de metalen bultjes tussen de elektrische verbindingen 25 van de aangrenzende printplaten.

Bij voorkeur kunnen de hechtlagen voorgeïmpregneerd worden met een epoxyhars.

De bultjes kunnen van koper gemaakt en/of gemetalliseerd worden met een deklaag van tin en gesoldeerd worden op de 30 tegenoverliggende printplaat.

De stroom die vloeit tussen de elektrische verbindingen van de aangrenzende printplaten kan een gelijkstroom zijn of overeenkomen met een HF signaal.

4

Uit bovenstaande blijkt dat in elk van zijn aspecten de uitvinding het voordeel biedt dat deze gebaseerd is op normale materialen en op de meest gewone printplaatfabricageprocessen, zoals lamineren, boren, metalliseren en solderen. Met name is het voor de uitvinding niet nodig dat 5 de machines uitgerust worden met speciaal gereedschap. Dientengevolge biedt de uitvinding een zeer kosteneffectieve oplossing.

Niet-beperkende voorbeelden van de uitvinding worden hierna beschreven aan de hand van de begeleidende tekeningen, waarin: 10 - Afb. 1a een schematische weergave is van de conventionele werkwijze voor het samenstellen van een multilayer volgens de bekende techniek, - Afb. 1 b een schematische weergave is van een nieuwe volgorde voor het samenstellen van een multi-stripline printplaat volgens de 15 uitvinding, - Afb. 2 een schematische weergave is van een samenstelling van twee printplaatlagen volgens de uitvinding.

In de afbeeldingen zijn referentietekens steeds aan dezelfde onderdelen 20 toegekend.

Afb. 1a geeft schematisch de conventionele werkwijze weer voor het samenstellen van een multilayer volgens de bekende techniek. Een multilayer 1 moet bijvoorbeeld opgebouwd worden uit vier striplines 2, 3, 4 en 25 5. Stripline 2 omvat een tussen een paar diëlektrische deeliagen 6 en 7 ingeklemde stroomgeleiderlijn 14. In overeenkomstige lay-outs omvat stripline 3 een stroomgeleiderlijn 15 en een paar diëlektrische deeliagen 8 en 9, stripline 4 een stroomgeleiderlijn 16 en een paar diëlektrische deeliagen 10 en 11 en stripline 5 een stroomgeleiderlijn 17 en een paar diëlektrische 30 deeliagen 12 en 13.

In een eerste stap i worden striplines 2 en 3 samengesteld en worden hun centrale geleiders verbonden door middel van een gemetalliseerde via 18. In het voorbeeld van Afb. 1a wordt via 18 gemaakt door het boren van één enkel gat dwars door het paar deeliagen 6 en 7 en 35 dwars door het paar deeliagen 8 en 9. Vervolgens wordt het gat in zijn 5 geheel gemetalliseerd, waarna het overtollige metallisatiemateriaal in lagen 6 en 9 wordt weggeboord. Een elektrische stroom kan nu vloeien van stroomgeleiderlijn 14 door via 18 naar stroomgeleiderlijn 15. De samenstelling van stripline 2 en stripline 3 vormt in dit stadium van het 5 proces de kem van het product.

In een tweede stap i i worden deellagen 11 en 12 van, respectievelijk, striplines 4 en 5 aangebracht op de uit de vorige stap i resulterende productkem. Deels omdat een zijde van stripline 2 en een zijde van stripline 3 niet langer toegankelijk zijn, moeten stripline 4 en stripline 5 10 gemonteerd worden op deellaagniveau.

Voorafgaand aan het hechten van deellagen 6 en 7, wordt een via 19 geboord door deellaag 6. Op overeenkomstige wijze wordt, voorafgaand aan het hechten van deellagen 10 en 11, een via 21 geboord door deellaag 11. Via's 19 en 21 worden tegenover elkaar gerangschikt en het resulterende 15 viagat wordt gemetalliseerd. Een elektrische stroom kan nu vloeien van stroomgeleiderlijn 14 door via's 19 en 21 naar stroomgeleiderlijn 16.

Op dezelfde wijze worden deellagen 9 en 12 samengesteld door middel van via's 20 en 22 en kan er een stroom vloeien van stroomgeleiderlijn 15 door via's 20 en 22 naar stroomgeleiderlijn 17. Het 20 samenstel van stripline 2, stripline 3, deellaag 11 en deellaag 12 vormen de kem van het product in dit stadium van het proces.

In een derde stap i i i worden deellagen 10 en 13 van, respectievelijk, striplines 4 en 5 aangebracht op de uit de vorige stap i i resulterende productkem. Via's 23 en 24 worden door, respectievelijk, 25 deellagen 10 en 13 geboord. Later worden deellagen 10 en 13 gehecht op, respectievelijk, deellagen 11 en 12, door middel van een standaard striplinefabricageproces. Vervolgens worden via's 23 en 24 gemetalliseerd door middel van een standaard striplinefabricageproces.

30 Opgemerkt dient te worden dat de binnen-striplines, 2 en 3, inclusief hun componenten, alle stappen i, i i en i i i doorlopen die vereist zijn voor het samenstellen van printplaat 1 volgens de bekende techniek. Serieel uitgevoerd zouden deze stappen de binnen-striplines 2 en 3 blootgesteld hebben aan vijf riskante hechtprocessen: één in stap i, twee in 35 stap i i en twee in stap i i i Met name in de situatie dat stripline 2 en/of 6 stripline 3 een grote hoeveelheid van de duurste componenten van printplaat 1 bevatten, blijkt een dergelijke werkwijze, indien op industriële schaal toegepast bepaald niet kosteneffectief te zijn.

5 Afb. 1b is de schematische weergave van een nieuwe volgorde voor het samenstellen van een multi-stripline printplaat volgens de uitvinding, in principe door het parallel stapelen van conventionele, eerder door middel van een standaard fabricageproces samengestelde striplines. Dezelfde multilayer 1 moet bijvoorbeeld opgebouwd worden uit de vier striplines 2, 3, 4 10 en 5.

In een eerste stap i', worden de vier striplines 2, 3, 4 en 5 alle tezelfdertijd samengesteld door middel van standaard striplinefabricageprocessen. In het voorbeeld van Afb. 1b, worden via's 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 en 37 geboord en gemetalliseerd op de in aanmerking 15 komende locaties van, respectievelijk, deellagen 6, 7, 8, 9,10,11,12 en 13, zodat later een stroom kan vloeien van laag naar laag.

In een tweede stap i i' wordt stripline 4 gehecht op stripline 2 en wordt stripline 3 gehecht op stripline 5, welke handelingen uitgevoerd worden door middel van een nieuw proces volgens deze uitvinding, zoals 20 geïllustreerd in Afb. 2. Opgemerkt dient te worden dat het hechten van stripline 4 op stripline 2 gelijktijdig uitgevoerd kan worden met het hechten van stripline 3 op stripline 5. Hierdoor kan een elektrische stroom enerzijds vloeien van stroomgeleiderlijn 14 door via's 30 en 35 naar stroorngeleiderlijn 16 en anderzijds van stroomgeleiderlijn 15 door via's 33 en 36 naar 25 stroomgeleiderlijn 17. In dit stadium van het proces is het eindproduct nog opgesplitst in twee in hoofdzaak identieke delen, waarbij een eerste deel stiplines 4 en 2 omvat en een tweede deel striplines 3 en 5.

In een derde stap i i i' worden ook de twee resterende delen van het eindproduct samengevoegd door middel van het nieuwe proces volgens 30 de uitvinding, zoals geïllustreerd in Afb. 2.

Opgemerkt dient te worden dat elk van de binnen-striplines 2 en 3, inclusief hun componenten, stappen i'en ii' parallel kunnen doorlopen.

Zelfs kan stap i' 4 maal parallel worden uitgevoerd en stap i i' twee maal. Deze parallelle stappen houden in dat binnen-striplines 2 en 3 elk slechts 35 drie riskante hechtprocessen in plaats van vijf moeten doorlopen: één in stap 7 i', één in stap i i' en één in stap i i i'. Indien toegepast op industriële schaal, blijkt parallel stapelen van de striplines meer kosteneffectief te zijn dan serieel stapelen zoals weergegeven in Afb. 1a.

5 In principe zouden de individuele striplinelagen 2,3,4 en 5 volgens de uitvinding kunnen worden samengesteld, gevolgd door de assemblagestappen i', ii' en Ui'. Bij een dergelijke, op een individuele stripline toegepaste werkwijze blijkt niet dat deze kosteneffectief zou kunnen zijn op industriële schaal.

10

Afb. 2 geeft schematisch een samenstelling weer van twee printplaatlagen volgens de uitvinding. Een multilayer 40 moet bijvoorbeeld samengevoegd worden met een andere multilayer 41, welke beide printplaten samengesteld worden uit een aantal functionele deellagen.

15 Printplaat 40 omvat via's 42, 43 en 44, die verbonden zijn met, respectievelijk, stroomgeleiderlijnen 48, 49 en 50. Printplaat 41 omvat via's 45, 46 en 47, die verbonden zijn met, respectievelijk, stroomgeleiderlijnen 51, 52 en 53.

Op stroomgeleiderlijnen 51, 52 en 53 van printplaat 41 laat men 20 metallieke bultjes 54, 55 en 56 groeien door middel van een standaard galvanisch metalliseringsproces. Bultjes 54, 55 en 56 kunnen bijvoorbeeld uit alleen koper bestaan. De bultjes kunnen echter ook gemetalliseerd worden met een laag tin om verbindingen te creëren die betrouwbaarder zijn voor wat betreft oxidatie en temperatuurgevoeligheid. In het laatste geval kan 25 printplaat 41 waarop de bultjes zich bevinden kort boven het smeltpunt van tin worden verhit om een soldeerverbinding te krijgen. Opgemerkt dient te worden dat dit geen riskant verwarmingsproces is, aangezien het smeltpunt van tin erg laag is. De grootte van de bultjes kan variëren, bijvoorbeeld tussen 150 en 250 pm. De afstand tussen de bultjes kan klein zijn, 30 bijvoorbeeld 100 pm. De hoogte van de bultjes kan bijvoorbeeld liggen tussen 50 en 100 pm, met hoogtevariaties van minder dan +/- 20 pm. Door middel van bultjes 54, 55 en 56 worden printplaat 40 en printplaat 42 elektrisch verbonden. De bultjes kunnen worden gebruikt voor gelijkstroomdoorverbindingen door middel van DC via's of voor HF 35 doorverbindingen door middel van HF via’s, over een breed 8 frequentiegebied, met echo- en tussenschakeldemping vergelijkbaar met conventionele galvanische via's.

Een dunne laag voorgeïmpregneerd materiaal met een hechtende stof wordt gebruikt om printplaat 40 met printplaat 41 te integreren.

5 Bijvoorbeeld, een met een epoxyhars voorgeïmpregneerde laag 57, bekend als "prepeg", kan worden gebruikt om printplaat 40 en printplaat 41 te verlijmen. Na invoeging van de prepeg laag 57 tussen printplaat 40 en printplaat 41, kan het product in zijn geheel onderworpen worden aan een samendrukproces. Dankzij prepeg laag 57 worden op deze wijze printplaat 10 40 en printplaat 42 onbeweeglijk samengesteld tot één product. De dikte van de hechtlaag is hoofdzakelijk afhankelijk van de hoogte van de bultjes. Prepreg laag 57 is voorgeboord ter plaatse van bultjes 54, 55 en 56, waardoor de bultjes stroomgeleiderlijnen 48, 49 en 50 kunnen verbinden met, respectievelijk, stroomgeleiderlijnen 51,52 en 53. Hierdoor kan een stroom 15 vloeien van via's 42, 43 en 44 door bultjes 54, 55 en 56 naar, respectievelijk, via's 45, 46 en 47. Opgemerkt dient te worden dat er bij de oplossing volgens de uitvinding geen gevaarlijk en riskant proces betrokken is.

Het zal duidelijk zijn dat variaties op de beschreven voorbeelden, 20 zoals een in de techniek ervaren persoon zich zou kunnen indenken, gemaakt kunnen worden zonder van de opzet van de uitvinding af te wijken.

Het parallel samenstellen van multilayers, gebaseerd op de metallieke-bultjesoplossing resulteert in een verminderd aantal 25 productiestappen, die elk op zich een zeer gering risico met zich meebrengen. Hierdoor wordt het mogelijk zeer complexe multilayers op grote schaal te produceren met zeer weinig uitval en dus tegen een lage prijs.

Λ Λ Ύ Λ ·*> *2 £ ί

Claims

20 Een werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stap van het hechten van de tweede printplaat (40) op de eerste printplaat (41) onder andere het aandrukken omvat van de tweede printplaat tegen de hechtlaag (57).
25 Een werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stap van het hechten van de tweede printplaat (40) onder andere het solderen omvat van de metalen bultjes (54, 55, 56) op de elektrische verbindingen (48, 49, 50) van de tweede printplaat.
30 Een werkwijze voor het verbinden van meer dan twee elementaire printplaten (2, 3, 4, 5), waarbij: - paren elementaire printplaten (2 en 4, 3 en 5) gelijktijdig worden verbonden op de wijze van conclusie 1 (i i')\ - elk paar platen gelijktijdig wordt verbonden met een ander paar 35 printplaten op de wijze van conclusie 1 (i i i'); 1. i 2 '· ^ 6: en de werkwijze van het verbinden op de wijze van conclusie 1 gelijktijdig wordt herhaald tot alle printplaten (2, 3,4, 5) onderling verbonden zijn (1).
5 Een meerlaagse printplaatsamenstelling (multilayer) die onder andere omvat: - tenminste twee printplaten (40,41); - een hechtlaag (57) voor het hechten van elk paar aangrenzende printplaten (40, 41), waarbij elke hechtlaag doorboord wordt ter 10 plaatse van de elektrische verbindingen (48,49, 50, 51, 52, 53) tussen de aangrenzende printplaten (40,41); en - tenminste één metalen bultje (54, 55, 56) op elke locatie tussen twee elektrische verbindingen (48 en 51,49 en 52, 50 en 53) van de twee printplaten (40,41); zodat 15 een elektrische stroom kan vloeien door de metalen bultjes (54, 55, 56) tussen de elektrische verbindingen (48 en 51,49 en 52, 50 en 53) van de aangrenzende printplaten (40, 41). Een samenstelling volgens conclusie 5, waarbij de hechtlagen (57) 20 voorgeïmpregneerd worden met een epoxyhars. Een samenstelling volgens conclusie 5, waarbij de bultjes (54, 55, 56) gemaakt worden van koper.
25 Een samenstelling volgens conclusie 5, waarbij de bultjes (54, 55, 56. gemaakt worden van koper en gemetalliseerd worden met een deklaag van tin en de bultjes gesoldeerd worden op de tegenoverliggende printplaat. Een samenstelling volgens conclusie 5, waarbij de stroom die 30 vloeit tussen de elektrische verbindingen (48, 49, 50, 51, 52, 53) van de aangrenzende printplaten (40, 41) een gelijkstroom is. Een samenstelling volgens conclusie 5, waarbij de stroom die vloeit tussen de elektrische verbindingen (48, 49, 50, 51, 52, 53) van de 35 aangrenzende printplaten (40,41) overeenkomt met een HF signaal.
1 D 3 2 o 3 6 f