DE10325550A1 - Elektrisches Kontaktierungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Kontaktierung der Leiterbahnen einer Schaltungsplatine mit den Leiterbahnen eines Bauteiles in MID-Technologie umfasst folgende Schritte: DOLLAR A - Auf dem Nutzen, aus dem die Schaltungsplatine gewonnen wird, werden die Leiterbahnen mindestens bis zum Rand der Schaltungsplatine geführt. DOLLAR A - Längs dieses Randes wird der Nutzen im Bereich der Leiterbahnen mit Durchgangsbohrungen versehen. DOLLAR A - Die Durchgangsbohrungen werden galvanisch durchkontaktiert. DOLLAR A - Die aus dem Nutzen herausgetrennte Schaltungsplatine wird relativ zu dem MID-Bauteil so positioniert, dass die aneinander grenzenden Leiterbahnen von Schaltungsplatine und MID-Bauteil miteinander verlötbar sind. DOLLAR A Zweckmäßig erhält die Schaltungsplatine deckungsgleich zu den an ihrem Rand endenden Leiterbahnen rückseitig elektrische Kontaktierungsflächen, welche über metallisierte und durchkontaktierte Bohrungen mit den vorderseitigen Leiterbahnen elektrisch verbunden sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von an mindestens einem Rand einer Schaltungsplatine endenden Leiterbahnen mit auf einem angrenzenden Bauteil aus einem Thermoplast in MID-Technologie befindlichen Leiterbahnen.
- Als sog. Molded Injection Devices, also in MID-Technologie hergestellte, elektrische Bauteile können nach verschiedenen Verfahren, z.B. dem Maskenverfahren, im Zweikomponenten-Spritzguss mit nachfolgender galvanischer Metallisierung, durch Laserdirektstrukturierung, durch Hinterspritzen einer Folie oder durch Heißprägen mit den gewünschten Leiterbahnen versehen werden. So hergestellte MID-Bauteile sind – im Gegensatz zu konventionellen Schaltungsplatinen aus GFK oder dergleichen – dreidimensionale Formteile mit integriertem Leiterbahnen-Layout und ggf. weiteren, elektronischen oder elektromechanischen Komponenten. Der Einsatz derartiger MID-Bauteile, auch wenn sie lediglich mit Leiterbahnen versehen sind und als Ersatz für eine konventionelle Verdrahtung innerhalb eines elektrischen oder elektronischen Geräts dienen, ist nicht nur platzsparend und erlaubt damit eine Verkleinerung des betreffenden Geräts sondern senkt auch die Fertigungskosten durch Verminderung der Zahl der Montage- und der Kontaktierungsschritte.
- Allerdings eignen sich MID-Bauteile nicht als Ersatz für klassische Leiterplatten oder Schaltungsplatinen, auf denen zahlreiche elektronische Komponenten mit hoher Packungs dichte und sehr geringem Abstand der Leiterbahnen in SMD-Technik angeordnet sind. In diesen Fällen stellt sich häufig das Problem, eine oder mehrere Schaltungsplatinen mit einem MID-Bauteil zu kontaktieren. Die bisherigen Verfahren, nämlich das Einlöten von Drahtbrücken oder mechanische Kontaktierungen über Steckkontaktleisten, Federleisten, Leitgummistreifen, usw. sind materialaufwendig, zum Teil platzraubend, teuer und kosten wertvolle Fertigungszeit.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders rationelles, gleichwohl zuverlässiges Kontaktierungsverfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen.
- Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der einleitend angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- a) Auf einem mindestens eine Schaltungsplatine liefernden, mindestens einseitig kupferkaschierten Nutzen werden die Leiterbahnen der Schaltungsplatine in einem Layout erzeugt, bei dem die Leiterbahnen über eine Trennlinie hinaus verlängert sind, die den später dem MID-Bauteil zugewandten Rand der Schaltungsplatine definiert,
- b) der Nutzen wird längs der Trennlinie mindestens im Bereich der Leiterbahnen mit Durchgangsbohrungen versehen,
- c) die Durchgangsbohrungen werden galvanisch durchkontaktiert,
- d) die Schaltungsplatine wird aus dem Nutzen herausgetrennt,
- e) die Schaltungsplatine wird relativ zu dem MID-Bauteil positioniert und die aneinandergrenzenden Leiterbahnen der Schaltungsplatine und des MID-Bauteils werden miteinander verlötet.
- Zur Herstellung von mehr als einer Schaltungsplatine je Nutzen werden alternativ zu dem Schritt a)
- a') auf einem mindestens zwei Schaltungsplatinen liefernden, mindestens einseitig kupferkaschierten Nutzen die Leiterbahnen der Schaltungsplatinen in einem Layout erzeugt, bei dem die später dem MID-Bauteil zugewandten Ränder längs einer gemeinsamen Trennlinie aneinandergrenzen und die betreffenden Leiterbahnen diese Trennlinie überbrücken (Anspruch 2).
- Die weiteren Schritte b) bis e) laufen ab, wie zuvor.
- Der Kern der Erfindung besteht also darin, die zu kontaktierenden Leiterbahnen auf dem Nutzen, also der Tafel, aus der später die Schaltungsplatine(n) herausgetrennt wird (werden), über den späteren Rand der Schaltungsplatine(n) hinaus in dem gleichen Raster, in welchem die Leiterbahnen des MID-Bauteiles an dessen Rand enden, zu verlängern, diese Leiterbahnen genau in Höhe des späteren Randes mit durchkontaktierten Durchgangsbohrungen zu versehen und dann erst die Schaltungsplatine aus dem Nutzen z.B. herauszubrechen oder herauszustanzen, so dass jede Leiterbahn an einer metallisierten halbzylindrischen Fläche endet. Im Fall einer einzelnen Platine genügt es, wenn der Nutzen um einen entsprechenden Randstreifen größer als die Schaltungsplatine ist. In Höhe des späteren, tatsächlichen Randes der Platine wird diese mit den durchkontaktierten Durchgangsbohrungen versehen. Anschließend wird der überflüssige Randstreifen weggebrochen. Wenn, wie in der Regel, mehrere Schaltungsplatinen gleichzeitig erzeugt werden sollen, ist es wesentlich günstiger, gemäß der vorstehend erläuterten Alternative a') zu verfahren. Dann liegen sich auf den Nutzen jeweils mindestens zwei Schaltungsplatinen Kopf an Kopf gegenüber, z.B. in der Weise, dass das Layout der einen Schaltungsplatine um 180° um die Hochachse gedreht im Verhältnis zu der anderen Schaltungsplatine auf dem Nutzen erzeugt wird. Zweckmäßig wird über im Wesentlichen die gesamte Länge des betreffenden Randes ein Leiterbahnraster erzeugt, unabhängig davon, wie viele Leiterbahnen elektrische Signale leiten. Das Gleiche gilt für den korrespondierenden Rand des MID-Bauteiles. Auf diese Weise wird die maximale Festigkeit der mechanischen Verbindung zwischen der Schaltungsplatine und dem MID-Bauteil erzielt.
- Eine so vorbereitete Schaltungsplatine lässt sich problemlos mit den Leiterbahnen des angrenzenden MID-Bauteils verlöten. Diese Art der Kontaktierung erweist sich als elektrisch sicher und zuverlässig sowie als mechanisch äußerst stabil. Das vorgeschlagene Verfahren benötigt keine zusätzlichen Verbindungselemente und ist schon aus diesem Grund kostensparend. Gleichzeitig spart es auch Platz auf der Schaltungsplatine und erübrigt die zusätzlichen Fertigungsschritte, die die bisher im Stand der Technik bekannten Kontaktierungsverfahren benötigten.
- Praktisch ohne Zusatzaufwand lässt sich die Kontaktierungssicherheit dadurch steigern, dass die Leiterbahnen der Schaltungsplatine zumindest an deren Rand zu Kontaktierungsflächen, sogenannten pads, verbreitert werden (Anspruch 3). Dort, wo keine Leiterbahnen aus schaltungstechnischen Gründen benötigt werden, genügt] es, randseitig nur pads auszubilden.
- Eine Verbesserung der durch die Lötung gleichzeitig geschaffenen, mechanischen Verbindung zwischen der Schaltungsplatine und dem MID-Bauteil bei sehr geringem zusätzlichem Fertigungsaufwand besteht darin, den Nutzen rückseitig mindestens im Bereich der Trennlinie deckungsgleich zu den vorderseitigen Leiterbahnen mit elektrischen Kontaktierungsflächen (pads) zu versehen (Anspruch 4). Letztere können sich bei doppelseitig bestückten Schaltungsplatinen in rückseitigen, signalführenden Leiterbahnen fortsetzen.
- Dabei ist es zweckmäßig, wenn die vorderseitigen Leiterbahnen mit den rückseitigen Kontaktierungsflächen oder pads auch soweit diese sich in rückseitigen Leiterbahnen fortsetzen, über metallisierte und durchkontaktierte Bohrungen verbunden sind (Anspruch 5). Diese Durchkontaktierung stellt eine sichere elektrische Verbindung mit der betreffenden Leiterbahn des MID-Bauteiles auch dann, wenn die Metallisierung der entsprechenden, randseitigen halbzylindrischen Fläche wegen unzureichenden Kantenumgriffs oder aus anderen Gründen keine oder eine nur unzureichende elektrische Verbindung zwischen der vorderseitigen Leiterbahn bzw. deren Verbreiterung zu einer Kontaktierungsfläche und der rückseitigen Leiterbahn oder Kontaktierungsfläche der Schaltungsplatine her.
- Der mechanischen Festigkeit kommt es vor allem zugute, wenn die Schaltungsplatine und das MID-Bauteil so zueinander positioniert werden, dass die miteinander zu kontaktierenden Leiterbahnen der Schaltungsplatine einerseits und des MID-Bauteils andererseits etwa um die Dicke der Schaltungsplatine gegeneinander höhenmäßig versetzt sind und sich überlappen (Anspruch 6). Dadurch wird eine flächenmäßig größere Lötverbindung zwischen der Platine und dem MID-Bauteil geschaffen.
- Die Leiterbahnen der Schaltungsplatine und diejenigen des MID-Bauteils können insbesondere nach dem Reflow-Verfahren miteinander verlötet werden (Anspruch 7). Andere Kontaktierungsverfahren wie Laser-, Heißdampfphasen- oder Roboterlöten oder Leitkleben können jedoch ebenfalls angewendet werden. Das zuvor erforderliche Aufbringen von Lötpaste kann z.B. nach dem Siebdruckverfahren oder punktweise mittels Dispenser-Robotern erfolgen.
- Der Nutzen oder die Schaltungsplatine kann noch vor der Kontaktierung mit den Leiterbahnen des MID-Bauteiles zumindest teilweise bestückt werden (Anspruch 8), so dass beispielsweise in einem nachfolgenden Reflow-Prozess sowohl die bestückten Komponenten mit den Leiterbahnen der Schaltungsplatine als auch letztere mit dem MID-Bauteil in einem Schritt verlötet werden.
- Besonders geeignet ist das vorgeschlagene Kontaktierungsverfahren in Verbindung mit MID-Bauteilen, auf welche die Leiterbahnen z.B. im Heißprägeverfahren (Anspruch 9) oder durch Laserdirektstrukturierung (Anspruch 10) aufgebracht sind.
- Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der schematisch vereinfachten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
-
1 eine perspektivische Aufsicht auf eine Schaltungsplatine, -
2 die gleiche Schaltungsplatine in der Rückansicht, -
3 einen vier derartige Schaltungsplatinen umfassenden Nutzen, -
4 eine fertige Schaltungsplatine, mechanisch und elektrisch verbunden mit einem in MID-Technik ausgeführten Bauteil und -
5 eine der Kontaktierungsstellen in starker Vergrößerung entsprechend einem Schnitt längs der Linie A-A in4 . -
1 zeigt perspektivisch und vereinfacht eine z.B. aus glasfaserverstärktem Expoxidharz bestehende Schaltungsplatine1 , die mit hier nur symbolisch dargestellten Komponenten2 und3 bestückt ist, welche über Leiterbahnen4 untereinander verbunden sind. Über weitere Leiterbahnen5 sind Stromversorgungs- und Signalanschlüsse der Komponenten2 und3 an Randkontakte6 am oberen Rand der Schaltungsplatine geführt. Jede Leiterbahn geht dort, vergl. den vergrößerten Ausschnitt, breiterte Kontaktierungsfläche6a über. Die Kontaktierungsflächen6a sind in einem vorgegebenen Raster angeordnet, und zwar nahezu längs des gesamten oberen Randes der Schaltungsplatine1 , auch soweit sie nicht als herausgeführte elektrische Anschlüsse benötigt werden. Die Schaltungsplatine1 kann auch rückseitig mit Leiterbahnen versehen und mit elektrischen Komponenten bestückt sein. - Auch wenn die Schaltungsplatine – wie in diesen Ausführungsbeispiel – nur vorderseitig mit Leiterbahnen und Komponenten versehen ist, liegen den Kontaktierungsflächen
6a , wie2 zeigt, auf der Rückseite der Schaltungsplatine identische Kontaktierungsflächen6b gegenüber. Die Kontaktierungsflächen6a und6b sind sowohl über halbzylindrische Flächen6c , die im Oberrand der Schaltungsplatine1 ausgebildet sind, als auch zusätzlich über durchkontaktierte Bohrungen6d miteinander verbunden. - Die Randkontakte
6 der Schaltungsplatine1 werden nach dem anhand der3 erläuterten Verfahren erzeugt. Auf einem beidseitig kupferkaschierten Nutzen20 wird nach einem der bekannten Verfahren vorder- und rückseitig ein Layout erzeugt, das vier identischen Platinen1.1 bis1.4 entspricht, die nur zur Verdeutlichung hier als vorderseitig schon mit den Komponenten2 und3 bestückt dargestellt sind. Das Layout ist so ausgelegt, dass sich jeweils zwei Platinen, nämlich1.1 und1.2 sowie1.3 und1.4 , mit ihren die Randkontakte tragenden Rändern aneinandergrenzend gegenüber liegen. In diesem Beispiel sind also die Layouts der Platinen1.2 und1.4 um 180° um die Hochachse gedreht gegenüber dem Layout der Platinen1.1 und1.3 . Vor oder nach dem Erzeugen der Leiterbahnen4 und5 einschließlich der Kontaktierungsflächen6a sowie der hier nicht sichtbaren, rückseitigen Leiterbahnen und Kontaktierungsflächen wird der Nutzen längs der Trennlinie21 , über die hinweg sich die Kontaktierungsflächen6.1a ,6.2a und6.3a ,6.4a erstrecken, mit Durchgangsbohrungen8 und den Bohrungen6d in Höhe dieser Kontaktierungsflächen und im gleichen Raster wie letztere versehen. In diesem Schritt werden auch sämtliche sonst benötigten Bohrungen, insbesondere die zur Bestückung und Kontaktierung der Komponenten2 und3 notwendigen Bohrungen, hergestellt. Anschließend werden sämtliche Bohrungen, d.h. auch die Durchgangsbohrungen8 und die Bohrungen6d , nach einem der gebräuchlichen Verfahren galvanisch durchkontaktiert. Im letzten Schritt werden die Platinen1.1 bis1.4 aus dem Nutzen20 längs der Trennlinien21 bis26 ausgestanzt. Im Bereich des jeweiligen zu kontaktierenden Randes der Schaltungsplatinen1.1 bis1.4 sind dann die Kontaktierungsflächen6a ,6b gemäß1 über die halbzylindrischen metallisierten Flächen6c und zusätzlich über die durchmetallisierten Bohrungen6d elektrisch leitend verbunden. Selbst wenn im Zuge des Ausstanzens die dünne, nur wenige μ starke Metallisierung der halbzylindrischen Flächen6c beschädigt werden sollte, stellt die Durchkontaktierung im Bereich der Bohrungen6d die elektrische Verbindung der jeweiligen Kontaktierungsfläche6a mit der rückseitigen Gegenfläche6b sicher. - Die Schaltungsplatine
1 ist zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit einem in MID-Technologie hergestellten, elektrischen Bauteil bestimmt.4 zeigt beispielhaft ein solches MID-Bauteil in Form eines Gehäuseunterteils10 , dessen dreidimensionale Fläche zahlreiche z.B. nach dem Heissprägeverfahren oder durch Laserdirektstrukturierung erzeugte Leiterbahnen11 trägt, die an Kontaktierungsflächen12 enden, auf welche weitere elektrische Komponenten (nicht dargesstellt) aufgelötet werden. Die Leiterbahnen11 sind mit den Randkontakten6 der Schaltungsplatine1 verlötet. Die Verlötung nach irgendeinem der bekannten Verfahren dient sowohl der elektrischen Kontaktierung als auch der mechanischen Fixierung der Schaltungsplatine1 in dem Gehäuseunterteil10 . -
5 zeigt die Lötverbindung in einem vergrößerten Schnitt längs der Linie A-A in4 . Die Platine1 liegt mit ihrem Rand überlappend auf dem Rand des MID-Bauteiles10 auf. Die oberseitige Kontaktierungsfläche6a ist mit der unterseitigen Kontaktierungsfläche6b einerseits über die metallisierte, halbzylindrische Fläche6c und andererseits über die Metallisierung6e der Bohrung6d verbunden. Die Leiterbahn11 des MID-Bauteils10 ist über das Lot30 sowohl mit der halbzylindrischen Fläche6c als auch mit der unteren Kontaktierungsfläche6b verbunden und füllt infolge Kapillarwirkung mindestens den Spalt zwischen dieser unterseitigen Kontaktierungsfläche6b und dem Ende der Leiterbahn11 . Infolge Kapillarwirkung steigt das Lot30 auch in die Bohrung6d .
Claims (10)
- Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von an mindestens einem Rand einer Schaltungsplatine endenden Leiterbahnen mit auf einem angrenzenden Bauteil aus einem Thermoplast in MID-Technologie aufgebrachten Leiterbahnen, dadurch gekennzeichnet, a) dass auf einem mindestens eine Schaltungsplatine liefernden, mindestens einseitig kupferkaschierten Nutzen die Leiterbahnen der Schaltungsplatine in einem Layout erzeugt werden, bei dem die Leiterbahnen über eine Trennlinie hinaus verlängert sind, die den später dem MID-Bauteil zugewandten-Rand der Schaltungsplatine definiert, b) dass der Nutzen längs der Trennlinie mindestens im Bereich der Leiterbahnen mit Durchgangsbohrungen versehen wird, c) dass die Durchgangsbohrungen galvanisch durchkontaktiert werden, d) dass die Schaltungsplatinen aus dem Nutzen herausgetrennt werden und e) dass jede der zu kontaktierenden Schaltungsplatinen relativ zu dem MID-Bauteil positioniert und die aneinandergrenzenden Leiterbahnen der Schaltungsplatine und des MID-Bauteils miteinander verlötet werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 zur gleichzeitigen Herstellung von mehr als einer Schaltungsplatine, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Schrittes a) folgender Schritt tritt: a') Auf einem mindestens zwei Schaltungsplatinen liefernden, mindestens einseitig kupferkaschierten Nutzen werden die Leiterbahnen der Schaltungsplatinen in einem Layout erzeugt, bei dem die später dem MID-Bauteil zugewandten Ränder längs einer gemeinsamen Trennlinie aneinandergrenzen und die betreffenden Leiterbahnen diese Trennlinie überbrücken.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen der Schaltungsplatine zumindest an deren Rand zu Kontaktierungsflächen (pads) verbreitert werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzen rückseitig mindestens im Bereich der Trennlinie deckungsgleich zu den vorderseitigen Leiterbahnen mit elektrischen Kontaktierungsflächen (pads) versehen wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitigen Leiterbahnen mit den rückseitigen Kontaktierungsflächen, mindestens soweit diese sich nicht in rückseitigen Leiterbahnen fortsetzen, über metallisierte und durchkontaktierte Bohrungen verbunden sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsplatine und das MID-Bauteil so zueinander positioniert werden, dass die miteinander zu kontaktierenden Leiterbahnen der Schaltungsplatine einerseits und des MID-Bauteils andererseits um die Dicke der Schaltungsplatine gegeneinander höhenmäßig versetzt sind und sich überlappen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen der Schaltungsplatine und diejenigen des MID-Bauteils nach dem Reflow-Verfahren miteinander verlötet werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzen oder die Schaltungsplatine vor der Kontaktierung mit den Leiterbahnen des MID-Bauteiles zumindest teilweise bestückt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, für MID-Bauteile, auf welche die Leiterbahnen im Heißprägeverfahren aufgebracht sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, für MID-Bauteile, auf welche die Leiterbahnen durch Laserdirektstrukturierung aufgebracht sind.
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