Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen Bereichen werden elektronische Baugruppen für unterschiedliche Anwendungen und Aufgaben eingesetzt; beispielsweise sind im Kraftfahrzeugbereich elektronische Baugruppen als Steuergeräte zur Verarbeitung von Messsignalen und/oder zur Steuerung von Aggregatefunktionen oder von Komponenten des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Derartige elektronische Baugruppen weisen üblicherweise eine Leiterplatte mit einer Leiterbahnstruktur auf, die als Trägerkörper zur Aufnahme von Bauteilen der elektronischen Baugruppe und als Schaltungsträger zur Ausbildung von Kontaktverbindungen dient; daneben kann eine Leiterfolie mit einer Leiterbahnstruktur vorgesehen werden, die als weiterer Trägerkörper für Bauteile der elektronischen Baugruppe und/oder als Verdrahtungsträger für die elektrische Kontaktierung der elektronischen Baugruppe dient (bsp. zur externen Kontaktierung der elektronischen Baugruppe). Hierbei muss eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie hergestellt werden; dies wird in der Regel mittels eines von der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte ausgehenden Steckverbinders realisiert, der durch Crimpen mit der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie verbunden wird. Eine derartige elektrisch leitende Verbindung mittels eines Steckverbinders bedingt jedoch hohe Kosten sowie einen hohen Fertigungsaufwand und Montageaufwand. Darüber hinaus sind aus der DE 35 00 411 C2 und DE 198 32 062 A1 bereits Lötverfahren bekannt, bei denen beispielsweise mittels eines Lasers thermische Energie in die Kontaktstelle eingekoppelt und diese so gelötet wird. So schlägt beispielsweise die DE 198 32 062 A1 ein Laserlöten durch die gegenüber der Leiterplatte vergleichsweise dünne Leiterfolie hindurch vor. Diese Technik erweist sich jedoch als problematisch, da sich die Leiterfolie teilweise als zu thermisch instabil erweist und Ausfälle auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für elektronische Baugruppe mit einer einfachen Fertigung, geringen Kosten, einer hohen Zuverlässigkeit und vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der elektrischen leitenden Verbindung zwischen Leiterplatte und Leiterfolie anzugeben. Zudem wird eine entsprechend hergestellte Baugruppe vorgestellt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.
Die elektrisch leitende Verbindung der Leiterplatte mit der Leiterfolie und damit die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte einerseits und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie andererseits (die Leiterbahnstruktur der Leiterfolie ist hierbei auf einem geeigneten Schaltungsträger aufgebracht, bsp. auf einer flexiblen Leiterplatte oder auf einer Schaltfolie) wird über mindestens eine Lötverbindung realisiert, indem die in einem Kontaktierungsbereich zugängliche Leiterbahn- Struktur der Leiterfolie durch einen Lötprozess mit einem auf der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte an der jeweils für die Kontaktierung vorgesehenen Kontaktstelle angeordneten Kontaktfleck ("Lotdepot") als Bestandteil der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte leitend verbunden wird.
Erfindungsgemäß wird der jeweiligen Kontaktstelle durch die Leiterplatte hindurch mit einem Bearbeitungsstrahl thermische Energie zugeführt. Der Bearbeitungsstrahl wird also auf die der Kontaktstelle gegenüberliegende Seite der Leiterplatte gerichtet. Dadurch wird eine Überhitzung der Leiterfolie und entsprechende Ausfälle vermieden und die trotz der deutlich größeren Dicke der Leiterplatte deutlich besseren Transmissionseigenschaften der Leiterplatte insbesondere für Laserlicht ausgenutzt. Die Energie wird von der Kontaktstelle 24, also dem Lotdepot- Kontaktflecken 25 und insbesondere der die Kontaktstelle 24 beinhaltenden Teil der Leiterbahnstruktur 26 auf der entsprechenden Seite der Leiterplatte 2 absorbiert. Die Leiterplatte muß dabei einzig auf der den Kontaktstellen gegenüberliegende Seite frei, also nicht durch Leiterbahnen verdeckt sein. Es wird Laserlicht einer Wellenlänge von 850 bis 1050 nm, vorzugsweise von 930 bis 950 nm eingesetzt.
Dabei kann der für die Kontaktierung vorgesehene Kontaktfleck an der den elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite angeordnet sein, welche dann über entsprechende Verbindungen mit den Bauteilen elektrisch verbunden sind. Grundsätzlich kann die Kontaktierung auch an der gleichen Seite wie die Bauteile erfolgen und entsprechend der Bearbeitungsstrahl von der entgegengesetzten Seite durch die Leiterplatte hindurch eingekoppelt werden.
Hierzu muss die auf dem Schaltungsträger aufgebrachte, von mindestens einer Iso- lationsschicht bedeckte Leiterbahnstruktur der Leiterfolie zumindest im Kontaktierungsbereich zugänglich gemacht werden, d.h. die Leiterbahnstruktur ist im Kontaktierungsbereich bereits einseitig oder beidseitig freigelegt (d.h. die mindestens eine
Isolationsschicht wird im Kontaktierungsbereich bspw. gar nicht aufgebracht) oder aber die Leiterbahnstruktur wird vor der Kontaktierung im Kontaktierungsbereich einseitig oder beidseitig freigelegt (d.h. die mindestens eine Isolationsschicht wird im Kontaktierungsbereich entfernt). Als Leiterfolien können hierbei bsp. entweder flexible gedruckte Leiterplatten ("Flexible Printed Circuit" FPC) eingesetzt werden - bei diesen ist die Leiterbahnstruktur direkt auf einer als Schaltungsträger und als Trägerkörper dienenden ersten Isolationsschicht aufgebracht und von einer als Abdeckung dienenden zweiten Isolationsschicht (Isolationsfolie als Abdeckfolie) abgedeckt -oder aber flexible Flachkabel ("Flexible Fiat Cable" FFC) -bei diesen ist eine die Leiterbahnstruktur tragende Schaltfolie als Schaltungsträger zwischen zwei Isolationsfolien als Isolationsschichten angeordnet, d.h. auf einer als Trägerkörper dienenden ersten Isolationsfolie aufgebracht und von einer als Abdeckung dienenden zweiten Isolationsschicht (Isolationsfolie als Abdeckfolie) abgedeckt. Das Material der Kontaktflecken wird zusammen mit dem Material der Kontaktpads für die Bauteile der elektronischen Baugruppe bei der Erstellung der Leiterbahnstruktur an den vorgesehenen Kontaktstellen derart an der Unterseite aufgebracht, dass die Kontaktflecken mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte elektrisch verbunden sind. Die Bauteile der elektronischen Baugruppe werden auf Aufnahmeflächen auf der Oberseite der Leiterplatte und/oder auf der Leiterfolie aufgebracht und mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und/oder der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie auf geeignete Weise über die Kontaktpads leitend verbunden; insbesondere werden die Bauteile der elektronischen Baugruppe durch Reflowlöten oder Schwalllöten mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte leitend verbunden.
Nach dem Aufbringen der Bauteile wird die Leiterfolie derart bezüglich der Leiter- bahnstruktur der Leiterplatte positioniert, dass der die Leiterbahnstruktur tragende Schaltungsträger der Leiterfolie im Kontaktierungsbereich wie gewünscht bezüglich den korrespondierenden Kontaktflecken auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist.
Nach der Positionierung und Fixierung der Leiterfolie relativ zu der Leiterplatte wird das jeweilige Lotdepot des mindestens einen Kontaktflecks mittels eines Lötprozesses durch die Leiterplatte hindurch erwärmt und aufgeschmolzen und durch die Materialverbindung des mit den Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte in Verbindung stehenden Lots des Kontaktflecks die jeweilige Kontaktstelle mit den Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie gebildet. Durch entsprechende Behandlung der Lotflecks mit einem Flussmittel kann die Ausbildung der Lotstelle noch verbessert werden. Dazu kann das Flussmittel in das Lotdepot integriert oder separat abgeschieden werden.
Als selektiver Lötprozess kann insbesondere das Laserlöten unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls eingesetzt werden, bei dem ein über eine Fokussier- einrichtung aufgeweiteter Laserstrahl selektiv nur das Material der Kontaktstelle erwärmt, wodurch qualitativ hochwertige Lötverbindungen realisiert werden. Auch kann eine qualitativ hochwertige Lötverbindung mit einem Elektronen- strahllötverfahren erfolgen.
Bsp. besteht die Leiterbahnstruktur der Leiterfolie aus Kupfer; die Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und ebenso die Kontaktflecken als Lotdepot bestehen vorzugsweise aus einem Metall, zumindest aber weisen sie eine metallische Oberfläche auf, bsp. eine verzinnte Oberfläche.
Auf der Leiterfolie können Anschlusskontakte für die externe Kontaktierung der elektronischen Baugruppe ausgebildet werden, bsp. können die Anschlusskontakte durch Crimpen oder Schweißen oder Löten auf den Schaltungsträger der Leiterfolie aufgebracht werden; insbesondere können mehrere Anschlusskontakte zu Kontakt- bereichen zusammengefasst werden und bsp. in einem gemeinsamen Gehäusean- schluss integriert werden. An die Anschlusskontakte und insbesondere an einen Gehäuseanschluss können geeignete Anschlusskomponenten angeschlossen werden, insbesondere Anschlussleitungen oder Anschlussstecker.
Zum Schutz der Bauteile beim Einsatz der elektronischen Baugruppe kann ein Ge- häusekörper vorgesehen werden, insbesondere ein allseitig geschlossenes Gehäuse.
Die elektronische Baugruppe vereinigt mehrere Vorteile in sich: Die Kontaktierung der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie mittels einer Lötverbindung kann auf einfache Weise ohne das Erfordernis zusätzlicher Kontaktelemente realisiert werden. Die Lötverbindung gewährleistet einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie, insbesondere auch beim Einsatz der elektronischen Baugruppe unter schwierigen äußeren Bedingungen. Die Lötverbindung kann kostengünstig und automatisiert realisiert werden, insbesondere bei gleichzeitiger Ausbildung mehrerer Kontaktstellen.
Insbesondere bei Verwendung des Laserlötens als selektiven Lötprozess kann anhand der Vorgabe der Prozessparameter Zeitdauer und Laserleistung des Laserstrahls sowie der optischen Prozessparameter für den Lötprozess (bsp. hinsichtlich der Fokussierung des Laserstrahls) die erforderliche Laserenergie präzise an der Oberseite der Leiterplatte eingekoppelt werden und hierdurch der durch den Laserstrahl zu erwärmende Bereich an der Unterseite der Leiterplatte definiert vorgegeben werden, mit nur geringer, vernachlässigbarer Einkopplung von
thermischer Energie in die Leiterplatte; somit kann gleichzeitig eine Vielzahl von zuverlässigen Lötverbindungen mit einem feinkörnigen Lötgefüge bei verbessertem Alterungsverhalten und erhöhter thermischer Zyklusfestigkeit der Lötverbindung bei geringer thermischer Belastung und damit geringer Gefahr von Schädigungen der Isolationsschichten und der elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe realisiert werden.
Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Figur 1) soll die elektronische Baugruppe an hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
In der Figur 1 ist jeweils in einem Ausschnitt eine Schnittzeichnung der elektronischen Baugruppe 1 mit dem Verbund aus Leiterplatte 2 und Leiterfolie 3 bei der Realisierung der elektrischen Kontaktierung der Leiterplatte 2 und der Leiterfolie 3 durch Ausbildung von Kontaktstellen 24 dargestellt.
Auf der Oberseite 21 der Leiterplatte 2 ist eine Leiterbahnstruktur 22 mit Leiterbahnen 23 ausgebildet; weiterhin ist auf der Unterseite 27 der Leiterplatte 2 mindestens ein Lotdepot als Kontaktfleck 25 in der Kontaktzone der Leiterbahnstruktur 26 zur Ausbildung mindestens einer Kontaktstelle 24 vorgesehen, der üblicherweise während der Heißluftverzinnung bzw. zur Erhöhung des Lotdepots in einem anschließenden Lotpastendruck aufgebracht und in einem Reflowprozess aufgeschmolzen wird; bsp. sind in der Kontaktzone der Leiterbahnstruktur 26 mehrere Kontaktflecken 25 zur Ausbildung mehrerer Kontaktstellen 24 vorgesehen. Werden wie hier dargestellt, die Bauteile nicht auf der gleichen Seite wie die Kontaktstellen 24 angeordnet, sind die Leiterbahnen 26 und 22 untereinander entsprechend durch die Leiterplatte 2 hindurch verbunden (hier nicht skizziert). Alternativ kann auch eine Anordnung auf einer Seite der Leiterplatte und ein Einbringen des Laserstrahls von der entgegengesetzten Seite erfolgen.
Die Leiterfolie 3 besteht bsp. aus der als Trägerkörper fungierenden ersten Isolationsfolie 35 als erster Isolationsschicht, der als Abdeckung fungierenden zweiten Isolationsfolie 33 als zweiter Isolationsschicht und der als Schaltungsträger fungierenden, eine Leiterbahnstruktur 32 mit Leiterbahnen aus Kupfer aufweisenden Schaltfolie 31 , die zwischen der ersten Isolationsfolie 35 und der zweiten Isolationsfolie 33 angeordnet ist.
Die Bauteile 5 der elektronischen Baugruppe 1 werden bsp. auf die Oberseite 21 der Leiterplatte 2 aufgebracht und bsp. durch Reflowlöten mit der Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden, bsp. über Anschlusspins 51. Die Leiterbahnstruktur 26 auf der Unterseite ist mit der Leiterbahnstruktur 22 über nicht näher dargestellte Kontakte verbunden, bspw. durch Durchkontaktierungen.
Grundsätzlich kann aber auch die Kontaktstelle 24 und die Leiterfolie 3 auf der Oberseite 21 der Leiterplatte 2 angeordnet sein. Dann würde die thermische Energie entsprechend von der Unterseite 27 aus zugeführt.
Zur elektrisch leitenden Verbindung der Leiterbahnstruktur 32 der Leiterfolie 3 mit der Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 wird die erste Isolationsfolie 35 (der Trägerkörper) oder/und die zweite Isolationsfolie 33 (die Abdeckung) partiell entfernt und somit die Leiterbahnstruktur 32 der Schaltfolie 31 für die Ausbildung der Kontaktstellen 24 in einem bestimmten Kontaktierungsbereich 34 einseitig freigelegt (Figur 1 ) oder beidseitig freigelegt. Die Leiterfolie 3 wird nun so auf der Unterseite 27 der Leiterplatte 2 positioniert, dass das Lotdepot der in der Kontaktzone aufgebrachten Kontaktflecken 25 mit der Schaltfolie 31 der Leiterfolie 3 im Kontaktierungsbereich 34 in Verbindung gebracht wird.
So kann Laserlicht einer Wellenlänge von 850 bis 1050 nm eingesetzt werden, vorzugsweise wird mit einer Wellenlänge von 930 bis 950 nm gearbeitet und als Leiterplattenmaterial glasfaserverstärktes Epoxidharz, bspw. vom Typ FR4 eingesetzt.
Vorzugsweise sind mehrere Kontaktstellen (24) in einer Reihe angeordnet. Durch eine linienförmige Fokussierung des Bearbeitungsstrahls auf diese Reihe oder einen entlang der Reihe schwenkenden Bearbeitungsstrahl oder durch eine Laserlötanlage mit mehreren Arbeitspunkten werden die Kontaktstellen einer Reihe gemeinsam in einem Lötvorgang verlötet.
Zudem sind Positionierhilfen vorgesehen, die die Leiterfolie 3 relativ zu der Leiterplatte 2 fixieren und positionieren.
Darüber hinaus sind Vorrichtungen in Gebrauch, welche die Kontaktstellen gegeneinander drücken, also während des Lötvorgangs Leiterplatte 2 und Leiterfolie 3 im Bereich der Kontaktstelle 24 aneinandergedrückt werden. Dazu kann neben einem auf die Leiterfolie wirkenden Niederhalter auch eine Anpresskraft von der Leiterplatte aus erzeugt werden, in dem beispielsweise auf die der Kontaktstelle abgewandten Seite der Leiterplatte eine Glasplatte aufgepresst wird, durch welche das Laserlicht ebenfalls hindurchdringt.
Bsp. durch Laserlöten, d.h. durch Strahlungswärme mittels eines fokussierten Laserstrahls, wird selektiv nur das Lotdepot der Kontaktflecken 25 aufgeschmolzen, wodurch eine Materialverbindung (Verschmelzung) des Materials des Lotdepots der Kontaktflecken 25 (bsp. Kupfer mit Zinn-Auflage oder Kupfer mit Blei-Zinn-Auflage) mit dem vorverzinnten Kupfer als Material der Leiterbahnstruktur 32 der Schaltfolie 31 der Leiterfolie 3 stattfindet; bsp. wird das Laserlöten über eine Zeit von 1.5 s bei
einer Leistung von 30 Watt und ca. 930-950 nm Wellenlänge bei einer Brennweite von 100 mm und einer rechteckigen Fokusgeometrie von ca. 0,5 mm*1 ,3 mm angewendet.
Hierdurch werden die die Leiterbahnstruktur 26 der Leiterplatte 2 mit der Leiterbahnstruktur 32 der Schaltfolie 31 elektrisch leitend verbindenden Kontaktstellen 24 ausgebildet. Diese Kontaktstellen 24 sind vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt.
Als elektronische Baugruppe 1 mit dem Verbund aus Leiterplatte 2 und Leiterfolie 3 ist bsp. ein in der Seitentüre eines Kraftfahrzeugs integriertes Türsteuergerät 1 vor- gesehen, das bsp. u.a. für die Ansteuerung der Fensterheber, Außenspiegel und Airbags des Kraftfahrzeugs dient. Die Leiterplatte 2 als Trägerkörper für mehrere elektronische Bauteile 5 besteht bsp. aus glasfaserverstärktem Epoxydharz (FR4) und besitzt bsp. die Abmessungen von 60 mm x 70 mm x 1.6 mm. Die bsp. als Verdrahtungsträger dienende Leiterfolie 3 besitzt bsp. die Abmessungen von 0.6 mm x 40 mm x 500 mm. Durch die beschriebene Lötverbindung werden mehrere Kontaktstellen 24 gebildet, an denen die Leiterbahnstruktur 32 der Leiterfolie 3 mit der Leiterbahnstruktur 22 bzw. 26 (je nach Position der Kontaktstelle 24 zur Leiterplatte 2) elektrisch leitend verbunden wird. Durch die Leiterfolie 3 als Verdrahtungsträger wird eine externe Anschlussmöglichkeit für das Türsteuergerät 1 bereitgestellt, insbesondere durch Ausbildung von Anschlusskontakten auf der Leiterfolie 3, bsp. durch Crimpen von Anschlusskontakten auf die Schaltfolie 31 der Leiterfolie 3. Zur externen Kontaktierung des Türsteuergeräts 1 können bsp. mehrere Anschlusskontakte zu einem Gehäuseanschluss zusammengefasst werden, an dem bsp. ein Anschlussstecker zur Verbindung des Türsteuergeräts 1 mit weiteren Bauteilen und/oder mit elektronischen Baugruppen und/oder mit Spannungsquellen zur Spannungsversorgung angeschlossen werden kann. Bsp. wird das Türsteuergerät 1 über einen Anschlussstecker mit Bedienelementen des Kraftfahrzeugs verbunden.