NL8402527A - Uit meerdere lagen bestaande draagplaat met gedrukte bedrading, alsmede werkwijze voor het vervaardigen hiervan. - Google Patents

Description

4 r ί * NL 32250-dV/kvn

Uit meerdere lagen bestaande draagplaat met gedrukte bedrading, alsmede werkwijze voor het vervaardigen hiervan.

De uitvinding heeft betrekking op een uit meerdere lagen bestaande draagplaat met gedrukte bedrading, voorzien van afwisselende lagen epoxy-glas en geleidend materiaal, alsmede op een werkwijze voor het vervaardigen 5 hiervan, waarbij een aantal epoxy-glaslagen, die geleidende delen ondersteunen, ter vorming van een stapel aan elkaar worden gehecht.

Het is algemeen gebruikelijk complexe elektronische onderdelen op draagplaten met gedrukte bedrading te 10 monteren door de pennen van de onderdelen in beklede doorgaande gaten van de bedrading te steken en ze op hun plaats te solderen. De beklede doorgaande gaten verschaffen in het algemeen verbindingen tussen de pennen en geleidend materiaal, dat deel uitmaakt van de bedrading en op verschillende 15 niveaus van de draagplaat is gelegen, welke draagplaat gewoonlijk uit een epoxy-glasmateriaal is vervaardigd.

Indien het noodzakelijk is om een onderdeel te verwijderen, bijvoorbeeld ter vervanging wegens een defekt, is gebleken, dat de warmte, die wordt gebruikt voor het 20 smelten van het soldeer, de draagplaat kan doen uitzetten en de bedrading van de draagplaat kan beschadigen. Dit probleem doet zich vooral voor bij moderne zogenaamde very-large-scale geïntegreerde onderdelen, die zijn gemonteerd in zogenaamde "pin grid array"-behuizingen. Het grote aantal dicht 25 opeen liggende pennen van een dergelijke behuizing (gewoonlijk groter dan 100) maakt het noodzakelijk het soldeer voor alle pennen tegelijk te smelten, indien het proces niet ongewenst lang mag duren. De grote hoeveelheid warmte, die hiervoor wordt toegevoerd, en de relatief grote dikte van de 30 draagplaat, die nodig is om het grote aantal vereiste verbindingen te verschaffen, verergeren in dit geval het expansieprobleem en bijgevolg de beschadiging van de draagplaat.

Omdat dergelijke onderdelen duur zijn, is het niettemin te meer gewenst de draagplaat te repareren in plaats van af te 35 danken. Voorgesteld is dat de enige oplossing voor het probleem ligt in het toepassen van buscontacten, die in de 8402527 f i - 2 - draagplaat worden gesoldeerd. De onderdelen worden dan in de buscontacten gestoken, doch deze methode verhoogt de kosten en de omvang van de draagplaat en verlaagt de betrouwbaarheid.

5 De uitvinding beoogt een draagplaat van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij de genoemde bezwaren op eenvoudige, doch niettemin doeltreffende wijze zijn ondervangen.

De uitvinding beoogt in de eerste plaats een 10 draagplaat van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij de bovengenoemde nadelen zijn ondervangen.

Hiertoe heeft de draagplaat volgens de uitvinding het kenmerk, dat aan de ene zijde van de draagplaat een polyimide-glaslaag is aangebracht, waarbij op de buitenzijde 15 van de polyimide-glaslaag geleidende vlakken zijn aangebracht voor de aansluiting van verbindingspennen van een onderdeel, waardoor het risico van beschadiging van de draagplaat gedurende het verwijderen en vervangen van hierop gemonteerde onderdelen doeltreffend wordt verkleind.

20 De uitvinding verschaft tevens een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke draagplaat, waarbij een aantal epoxy-glaslagen, die geleidende delen ondersteunen, -ter vorming van een stapel aan elkaar worden gehecht, welke werkwijze volgens de uitvinding het kenmerk heeft, dat een 25 overlappende laag uit polyimide-glas op de stapel wordt gehecht, welke laag op zijn buitenzijde geleidende vlakken heeft, waarbij een onderdeel met verbindingspennen op de draagplaat wordt geplaatst, zodat tenminste enkele van de pennen in aanraking komen met de geleidende vlakken, en de pennen aan 30 de vlakken worden gesoldeerd.

Het is van voordeel, indien een althans nagenoeg volledige laag geleidend materiaal zich uitstrekt tussen de polyimide-glaslaag en de aangrenzende epoxy-glaslaag.

Bij voorkeur worden de polyimide-glaslaag en de 35 epoxy-glaslaag voorgehard en aan elkaar gehecht door het voltooien van de harding van lagen pre-preg, die tussen deze lagen zijn gevoegd, waarbij één laag pre-preg grenst aan de althans nagenoeg volledige laag geleidend materiaal.

De uitvinding woordt hierna nader toegelicht aan 8402527 - 3 - Γ % de hand van de tekening ,- waarin een uitvoeringsvoorbeeld is weergegeven.

Fig. 1 is een doorsnede van een gedeelte van een draagplaat met gedrukte bedrading volgens de uitvinding, 5 waarbij tevens een gedeelte van een gemonteerd onderdeel zichtbaar is.

Fig. 2 is een bovenaanzicht (zonder het genoemde onderdeel) van het gedeelte van de draagplaat uit fig. 1.

Fig. 3 is een diagram, waarin de posities van de 10 gaten in een gebied van een draagplaat, dat bij een onderdeel behoort, is weergegeven.

In de fig. 1 en 2 is een draagplaat 1 weergegeven, die een onderdeel 2 draagt. Het onderdeel 2 heeft een "pin grid array"-behuizing met een groot aantal pennen (bij-15 voorbeeld 135 of 179), waarvan slechts één pen 3 is weergegeven.

De draagplaat 1 bestaat uit meerdere lagen (niet alle lagen zijn weergegeven) en omvat, zoals bekend, geleidend materiaal in inwendige lagen, die met elkaar zijn ver-20 bonden door met metaal beklede doorgaande gaten. Een dergelijk gat 4 is weergegeven met een bekleding 5. De inwendige lagen kunnen bestaan uit spannings- (dat wil zeggen massa-odc voedings-) vlakken of signaalvlakken. Een vlak 6 is een voorbeeld van een spanningsvlak, dat bestaat uit een althans 25 nagenoeg uniforme laag geleidend materiaal, dat contact maakt met bepaalde doorgaande gaten, doch geperforeerd is voor het doorlaten van andere gaten zonder met de laag contact te maken. De signaalvlakken bevatten verschillende geleidende banen, zoals de bij wijze van voorbeeld weergegeven 30 baan 7, die contact maakt met de bekleding 5 van het gat 4.

Het zal duidelijk zijn, dat nog vele andere lagen zullen zijn aangebracht voor een draagplaat, die is voorzien van "pin grid array"-onderdelen.

De beklede doorgaande gaten, zoals het gat 4, 35 dragen geen pennen van een onderdeel. Deze pennen worden gedragen door.gaten zoals een gat 8, waarin de pen 3 verloopt. De binnenwand van deze gaten zijn zonder bekleding uitgevoerd.

De monding van het gat 8 aan de zijde van de 8402527

♦ X

- 4 - draagplaat 1, die van het onderdeel 2 is afgekeerd is omgeven door een vlak 9. Het vlak 9 is door een oppervlaktebaan 10 verbonden met een vlak 11, dat de monding van het gat 4 omgeeft en is verbonden met de bekleding 5 hiervan. Bij 5 deze uitvoeringsvorm is' elk ander niet-bekleed gat op overeenkomstige wijze verbonden met een bekleed doorgaand gat.

Een laag 12 van tegen soldeer bestand materiaal is aangebracht en bedekt alle beklede doorgaande gaten, doch laat het vlak 9 en alle overige vlakken rond niet-beklede 10 gaten vrij.

Het grootste deel van de draagplaat is vervaardigd uit epoxy-glas, waarin de geleidende lagen zijn gelegen. De grenslaag van het epoxy-glas wordt gevormd door het spanningsvlak 9, op de andere zijde waarvan zich een laag 15 polyimide-glas 10 bevindt.

Voor 'het monteren van een onderdeel worden de pennen hiervan in de niet-beklede gaten gestoken en de zijde met het vlak 9 en de overeenkomstige vlakken wordt verplaatst ten opzichte van een tin/lood-soldeergolf, dat een 20 strook 14 van soldeer achterlaat, dat het vlak 9 met de pen 3 verbindt en op overeenkomstige wijze de overige pennen verbindt met de draagplaat. Het soldeer kan niet of nauwelijks de niet-beklede gaten binnendringen en wordt uit de beklede doorgaande gaten gehouden door het soldeerbestendige 25 materiaal 12, dat tevens als thermische afsluiting dient.

Wanneer het vervolgens gewenst is een onderdeel te verwijderen, wordt de draagplaat boven een tin/lood-sol-deergolf opgehangen, het soldeer van alle pennen van het onderdeel gesmolten en het onderdeel verwijderd. Als het 30 onderdeel is verwijderd, wordt eventueel soldeer, dat de gaten overbrugt, voorzichtig met eventueel verwarmde lucht weggeblazen, voordat het is gestold. Wanneer de gaten aldus zijn schoongemaakt, kan een vervangingsonderdeel worden aangebracht en op zijn plaats worden gesoldeerd. Indien nodig 35 kan een onderdeel op een bepaalde plaats een aantal malen worden verwisseld. Het zal derhalve duidelijk zijn, dat een economische reparatie of wijziging van de draagplaat aanmerkelijk wordt bevorderd.

Gebleken is, dat een "pin grid array"-onderdeel * \ 8402527 t

/ S

' / -5- kan worden losgemaakt en verwijderd in drie tot vijf seconden met een verwaarloosbare beschadiging van de draagplaat.

Dit kan worden vergeleken met de situatie, waarin de pennen van het onderdeel zijn gesoldeerd in de beklede doorgaande 5 gaten van een draagplaat, die in zijn geheel is vervaardigd uit epoxy-glas. In dit geval duurt het ongeveer 10 sec. om het soldeer te smelten en zelfs indien het soldeer van elke pen afzonderlijk wordt gesmolten en door zuiging wordt verwijderd, blijkt dat beschadiging bij een aanzienlijk aantal 10 gaten optreedt. De beschadiging bestaat gewoonlijk uit aan de omtrek losrakende soldeervlakken en mogelijk uit breuk van de verbindingen tussen inwendige geleidende lagen en de bekleding van de gaten. Dit vindt plaats, vanwege de duur van de periode waarover de draagplaat is blootgesteld aan de 15 temperatuur van het gesmolten tin-loodsoldeer (220°-250°C.) tezamen met de goede warmtegeleidingsbaan door het soldeer in de gaten, waardoor de temperatuur van het epoxy-glasmate-riaal in het inwendige van de draagplaat boven de overgangs-temperatuur van 120°C. stijgt. Boven deze temperatuur neemt 20 de uitzettingssnelheid snel toe en de uitzetting van het epoxy-glasmateriaal in de richting over de draagplaat is groter dan de uitzetting van het geleidende materiaal. Tegelijkertijd wordt de hechting tussen het geleidende materiaal (gewoonlijk koper) en het epoxy-glasmateriaal sterk ver-25 laagd.

De functie van de polyimide-glaslaag zal nu worden toegelicht. Polyimide-glasmateriaal heeft een overgangs-temperatuur van 260°-280°C. Het ondergaat derhalve een minimaal hechtingsverlies met de soldeervlakken bij de tempera-30 tuur van 220°C. tot 250°C. van de soldeergolf en de soldeervlakken hebben een goede hechting met de polyimide-glaslaag. Bijgevolg komen zij nauwelijks los van de glaslaag ook al hebben zij niet langer de verankering, zoals deze eerder door de inwendige bekleding werd verschaft. Het grootste 35 deel van de draagplaat bestaat echter uit epoxy-glas, dat goedkoper is dan polyimide-glas, waardoor de totale kosten van de draagplaat beperkt blijven.

Een met koper bekleed polyimide-glaslaminaat is commercieel verkrijgbaar. Hierdoor kan de draagplaat volgens 8402527 Λ- - 6 - fig. 1 op eenvoudige wijze worden vervaardigd. De benodigde epoxy-glaslaminaten worden op de voor de fabricage van uit meerdere lagen bestaande draagplaten gebruikelijke wijze voorbereid. Voorts wordt op een polyimide-glaslaminaat het 5 patroon van het spanningsvlak 6 gevormd. Deze laminaten worden tot een stapel verenigd, waarbij het polyimide-glaslaminaat de ene buitenlaag vormt en het vlak 6 binnenwaarts is gericht. Tussen de laminaten worden lagen pre-preg (gedeeltelijk gehard epoxyglas) gevoegd en het geheel wordt aan 10 elkaar gehecht, door verwarming voor het voltooien van de harding, hetgeen slechts lagere temperaturen en kortere perioden vereist, die geschikt zijn voor epoxy-glas in plaats van de voor polyimide-glas vereiste waarden. Opgemerkt wordt, dat het vlak 6 derhalve aan één van de lagen 15 pre-preg wordt gehecht en geen aanzienlijke gebieden van het epoxy-glas en polyimide-glas met elkaar in aanraking zijn, waardoor de problemen worden ondervangen, die kunnen optreden indien een verbinding tussen deze materialen zou moeten worden toegepast. Vervolgens worden andere geleidende patro-20 nen bepaald en te bekleden gaten geboord. Hierna.wordt de draagplaat bekleed, waarna niet-beklede gaten worden geboord en het soldeerbestendige materiaal wordt aangebracht.

In fig. 3 is een mogelijke opstelling van gaten voor een "pin grid array"-onderdeel weergegeven, waarvan de 25 pennen in vier concentrische vierkanten zijn gerangschikt. Niet-beklede gaten 20 voor deze pennen, overeenkomende met het gat 8, bevinden zich in een gebied 21. Elk van deze gaten is verbonden met een bijbehorend doorgaand gat 22,dat overeenkomt met het gat 4 en dat zich binnen of buiten het gebied 30 21 bevindt. Het zal duidelijk zijn, dat slechts enkele van de gaten in fig. 3 zijn weergegeven. Bij voorkeur wordt elk niet-bekle^d gat door een verbinding met een bekleed doorgaand gat verbonden in verband met een systematisch ontwerp, doch desgewenst kunnen banen rechtstreeks van het ene niet-35 beklede gat (dat wil zeggen een pen) naar het andere niet-beklede gat lopen, bijvoorbeeld van een ander onderdeel of een randconnector.

Als voorbeelden van geschikte afmetingen kan de draagplaat 2,896 mm dik zijn, de polyimidelaag 0,127 mm dik, 8402527 - 7 - de geleidende lagen 0,0356 mm en de soldeerbestendige laag 0,0508 tot 0,0762 mm dik. De pennen kunnen 1,016 tot 2,032 mm boven het oppervlak van de draagplaat uitsteken.

Gebleken is, dat een samengestelde draagplaat uit 5 epoxy-glas met een buitenste laag polyimide-glas, zoals in het voorgaande beschreven, aanmerkelijk minder gevoelig is voor beschadiging wanneer een onderdeel wordt verwijderd dan bij een geheel uit epoxy-glas bestaande draagplaat, zelfs indien de pennen in beklede doorgaande gaten zijn gësol-10 deerd. Het is dan bij bepaalde toepassingen mogelijk, in het bijzonder indien de draagplaat relatief dun is, bijvoorbeeld tot 1,524 mm dikte, een op deze wijze gemonteerd onderdeel te verwijderen door het soldeer van de afzonderlijke pennen weg te zuigen, waarbij niet meer dan een aanvaardbare mate van 15 beschadiging optreedt.

Hoewel het soldeerbestendige materiaal/de thermische afsluiting een verdere bescherming van het ongeschonden blijven van de draagplaat verschaft, kan deze worden weggelaten bij toepassingen, waar de betrouwbaarheid van de 20 verbindingen binnen het gat niet voorop staat.

8402527

Claims (5)

1. Uit meerdere lagen bestaande draagplaat met gedrukte bedrading, voorzien van afwisselende lagen epoxy-glas en geleidend materiaal, met het kenmerk, dat aan de ene zijde van de draagplaat (1) een polyimide- 5 glaslaag (13) is aangebracht, waarbij op de buitenzijde van de polyimide-glaslaag (13) geleidende vlakken zijn aangebracht voor de aansluiting van verbindingspennen (3) van een onderdeel, waardoor het risico van beschadiging van de draagplaat gedurende het verwijderen en vervangen van hierop 10 gemonteerde onderdelen doeltreffend wordt verkleind.

2. Draagplaat volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat een patroon van gaten (8) door de lagen van de draagplaat (1) en door de geleidende vlakken (9) verloopt, welk patroon van gaten (8) is gerangschikt voor het 15 opnemen van de verbindingspennen (3).

3. Draagplaat volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat zich eén althans nagenoeg volledige laag van geleidend materiaal (6) uitstrekt tussen de polyimide-glaslaag (13) en de aangrenzende epoxy-glaslaag.

4. Werkwijze voor het vervaardigen van een uit meerdere lagen bestaande draagplaat met gedrukte bedrading volgens éên der voorgaande conclusies, waarbij een aantal epoxy-glaslagen, die geleidende delen ondersteunen, ter vorming van een stapel aan elkaar wordt gehecht, m e t h e t 25 k e n m e r k, dat een overlappende laag uit polyimide-glas (13) op de stapel wordt gehecht, welke laag (13) op zijn buitenzijde geleidende vlakken (9) heeft, waarbij een onderdeel (2) met verbindingspennen (3) op de draagplaat (1) wordt geplaatst, zodat tenminste enkele van de pennen (3) in 30 aanraking komen met de geleidende vlakken (9), en de pennen (3) aan de vlakken (9) worden gesoldeerd.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat gaten (8) door de aan elkaar gehechte lagen worden gevormd voor het opnemen van verbindingspennen 35 (3), waarbij tenminste enkele van de gaten (8) door de geleidende vlakken (9) heenlopen, terwijl het onderdeel (2) zo op de draagplaat (1) wordt geplaatst, dat de verbindings- 8402527 - 9 - pennen (3) hiervan door de gaten (8) verlopen en de uiteinden van de pennen (3) voorbij de geleidende vlakken (9) uitsteken en de uitstekende uiteinden van de pennen (3) aan de vlakken (9) worden gesoldeerd. éjj 8402527