DE19633486C1 - Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit dünnen Leiterbahnen und Anschluß-Kontaktierungsbereichen sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit dünnen Leiterbahnen und gut lötbaren Anschluß-/Kontaktierungsbereichen sowie deren Verwendung.

Aus der DE 41 13 335 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung auf einem Substrat mit einem elektrischen Verbindungselement bekannt, wobei ein Ausgangssubstrat mit dem eigentlichen Substrat und einem erweiterten Substrat einstückig erstellt wird; dabei werden Sensoren und Leiterbahnen des elektrischen Verbindungselements in gemeinsamer durchge­ hender Struktur auf einer Oberfläche des Ausgangssubstrats in integrierter Form erzeugt und das erweiterte Substrat wird sodann vom eigentlichen Substrat abgetrennt und vom anhaften­ den zweiten Teil des Verbindungselements abgezogen; die Leiterbahnen überragen das Substrat in einem zweiten Teil des elektrischen Verbindungselements freitragend und werden an ihren freien Enden mit Kontaktstellen einer Leiterplatte durch Lötung verbunden; die freitra­ genden Leiterbahnen weisen einen gemeinsamen Rahmen auf, wobei zwischen den freitragen­ den Leiterbahnen und dem gemeinsamen Rahmen Sollbruchstellen vorgesehen sind; somit ist es möglich, die auf einer Substratoberfläche angeordneten Sensoren mittels eines elektrischen Verbindungselements direkt mit Kontaktstellen einer Leiterplatte zu verbinden. Die Sensoranord­ nung läßt sich als Mehrfachnutzen fertigen, wobei sich ein verhältnismäßig aufwendiger Aufbau ergibt.

Als problematisch erweist es sich, daß nach der DE 41 13 335 eine zusätzliche freitragende Lei­ terbahn zwischen dem Schichtelement und Lötkissen erforderlich ist.

Weiterhin ist aus der DE 24 10 849 B2 ein Verfahren zum Auflöten von Miniaturbauelementen, die mit verzinnbaren Anschlußflächen versehen sind, auf Trägerplättchen mit Leiterbahnen bekannt, wobei nach Auflage der jeweiligen Bauelemente das Lötzinn wieder verflüssigt wird; um eine genaue Positionierung des aufzubringenden Bauelements und eine zuverlässige Lö­ tung zu erzielen, werden Trägerbleche verwendet, bei denen die Vorverzinnung einer Kontakt­ fläche in einer derartigen Form ausgeführt ist, daß zwei oder mehrere Löttropfen entstehen, auf denen das Bauelement mit einer Anschlußseite aufliegt. Eine Kontaktierung der Leiterbahn mit Anschlußdrähten oder Litzen ist dabei nicht vorgesehen.

Weiterhin ist aus der DE 41 23 251 C2 ein metallischer Dünnschichtwiderstand auf einem isolie­ renden Substrat bekannt, bei dem Kontaktflächen zur Befestigung von Anschlußdrähten bis an die Ränder des Substrats heranreichen; dabei weist jede Kontaktfläche einen Bereich mit insel­ förmigen, voneinander isolierten Metallflächen auf, der sich jeweils längs der Ränder des Substrats erstreckt; aufgrund der Dünnschicht-Konstruktion erscheint eine direkte Kontaktierung der jeweiligen Kontaktflächen mit Anschlußdrähten oder Litzen als äußerst problematisch.

Aus der DE 38 38 968 A1 ist weiterhin ein Verbundwerkstoff auf der Basis von Kohlenstoff-Fa­ sern als Bewehrungsgerüst und einer metallischen Matrix als Füllstoff bekannt, bei dem die Ma­ trix aus einem Aktivlot auf der Basis von Gold oder Nickel oder Kupfer und/oder Silber mit weite­ ren Zusätzen von Titan, Zirkon, Chrom und Vanadin besteht; der Verbundwerkstoff ist vorzugs­ weise als Substrat für elektrisch und thermisch hoch beanspruchte Leistungshalbleiter-Bauele­ mente vorgesehen, um die Problematik des Stromübergangs und der Wärmeabfuhr zwischen dem eigentlichen Halbleiterbauelement (Silizium) und dem Substrat (Stromzufuhr) zu lösen. Ei­ ne Kontaktierung zwischen eventuellen Leiterbahnen und Anschlußdrähten bzw. Litzen ist nicht vorgesehen.

Weiterhin beschreibt die DE 33 45 219 A1 eine flächenhafte Lötfolie zur spannungsfreien Ver­ bindung von Keramikkörpern mit Metall, die zwei Schichten eines Aktivlots mit einer dazwischen liegenden, Spannungen aufnehmenden Zwischenschicht aufweist, wobei die Zwischenschicht aus Kupfer, Eisen, Nickel einer Cu-Be-Legierung oder Ni-Fe-Legierung besteht und zwischen der Zwischenschicht und dem Aktivlot jeweils eine Sperrschicht aus Silber angeordnet ist; die DE 33 45 219 A1 ist insbesondere auf einen Metall-Keramikverbund gerichtet, wobei ein verhältnis­ mäßig aufwendiger Schichtenaufbau zur stabilen Verbindung zwischen einem Stahlkörper und einem Keramikplättchen vorgesehen ist.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 80 03 431 ist ein Meßwiderstand für Widerstandsthermo­ meter bekannt, der ein Keramikplättchen aufweist, auf dem eine dünne Widerstandsschicht auf­ gebracht ist; die für die elektrische Kontaktierung erforderlichen Zuleitungsdrähte sind durch Bohrungen eines Isolierkörpers geführt und mit diesem an das Keramikplättchen mittels einer Glasurfritte angeschmolzen, wobei die Widerstandsbahn mit einer eingebrannten Isolierschicht aus Glaskeramik abgedeckt ist.

Als problematisch erweist sich bei der bekannten Anordnung der verhältnismäßig komplexe Auf­ bau, der für eine Massenfertigung preisgünstiger Meßwiderstände kaum geeignet ist.

Weiterhin ist aus der DE 30 02 112 A1 eine Paste mit vorgegebener elektrischer Leitfähigkeit bekannt, bei der ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial mit Zusatzstoffen vorgesehen ist, um eine vorgegebene Leitfähigkeit zu erzielen; eine solche Paste wird beispielsweise als Kon­ takt- und Lötmasse für Schichtschaltungen in Heizelementen oder Sensoren eingesetzt; sie kann in üblichen Verarbeitungsverfahren wie beispielsweise Siebdruck aufgebracht werden.

In der Praxis erweisen sich solche im Siebdruck aufgebrachte Anschlußstellen aufgrund ihrer geringen Schichtdicke nur für die Verbindung mit dünnen Drähten bzw. Bonddrähten oder dün­ nen Bändern im Weichlotverfahren als geeignet. Bei Einsatz üblicher Anschlußdrähte bzw. Lit­ zen, wie sie für Kabelverbindungen üblich sind, muß mit einer geringen mechanischen Festig­ keit zwischen Anschlußdraht bzw. Kabel-Leiter und dem Kontaktfeld auf dem Substrat gerech­ net werden, woraus sich insbesondere bei erhöhter Temperatur bzw. bei mechanisch hoher Zugbeanspruchung eine rasche Ablösung ergeben kann; bei Einsatz eines dünnen Bond-Drah­ tes muß dieser dann weiter verlängert werden, woraus sich Schwierigkeiten in automatisierten Verfahren ergeben können.

Zweck der Erfindung ist es, eine möglichst einfache Verbindungsmöglichkeit zwischen Dünn­ schichtelementen (Kontaktierungsbereich) und Anschlußdrähten bzw. Anschlußlitzen zu schaf­ fen, so daß der Einsatz zusätzlicher Bonddrähte oder Leiterbahnen zwischen dem Dünnschich­ telement und dem Kontaktierungsbereich vermieden werden kann.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Herstellung einer Leiterplatte mit einer metallischen Leiterbahn in Dünn- bzw. Dickschichttechnik und Anschlußstellen anzugeben, wobei solche Anschlußstellen vorzusehen sind, daß ein üblicher Anschluß-Kontakt eines Anschluß-Leiters di­ rekt aufgesteckt oder eine Litze direkt hartgelötet oder direkt aufgeschweißt werden können; der Draht oder die Litze sollen darüber hinaus der üblichen makroskopischen Anschlußtechnik genügen, d. h. mit beliebigem Isoliermaterial wie beispielsweise Glasseide oder Silikon ummantelt sein; weiterhin sollen Ver­ wendungen einer solchen Leiterplatte angegeben werden.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß die für spätere Anschluß-Kontakte vorgesehenen Kontakt­ plättchen durch die Lücken der Anschlußbereiche direkt mit der elektrisch isolierenden Oberflä­ che des Substrats verbunden werden, so daß eine feste Verbindung entsteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Kontaktplättchen als Kontakt­ fahne aufgebracht; hierbei erweist sich die einfache Anschlußmöglichkeit an eine Strukturverbin­ dung als vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 werden Hilfs- und Trägerstege der metallischen Teile durch Sägen, Brechen und Abreißen entfernt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 9 angegeben.

Als vorteilhaft erweist sich die verhältnismäßig einfache Aufbringung von Kontaktflächen bei ei­ ner Vielzahl von Meßelementen in Form eines Nutzens auf ein zusammenhängendes Kera­ miksubstrat in einem einzigen Verfahrensschritt; darüber hinaus ist eine statistische Qualitäts­ kontrolle auf besonders einfache Weise möglich, da sämtliche Meßwiderstände nach dem glei­ chen Verfahren kontaktiert werden.

Als vorteilhaft erweist sich weiterhin die einfache äußere Kontaktierung, so daß nun übliche An­ schlußdrähte oder Litzen direkt hartgelötet oder verschweißt mit den Anschlüssen der Leiterplat­ te verbunden werden können, woraus sich eine vereinfachte Montage und eine hohe Zuverläs­ sigkeit ergeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontaktplättchen aus einer Nickel- bzw. Nickel- Eisen-Legierung erstellt, woraus sich vorteilhafterweise hohe Temperaturbeständigkeit, gute Schweiß-Lötbarkeit und ein geringer Übergangswiderstand ergibt.

Die elektrisch isolierende Oberfläche des Substrats besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid- Keramik, die Lücken der auf der Substrat-Oberfläche aufgebrachten Anschlußbereiche sind in Form von fensterartigen Öffnungen ausgeführt, so daß eine sichere und stabile Verbindung zwi­ schen der Keramik und den aufgelöteten Kontaktplättchen entsteht.

Die Aufgabe wird verwendungsgemäß durch die Ansprüche 10 und 11 gelöst.

Beim Einsatz der Leiterplatte als Meßwiderstand erweist sich die rasche Ansprechzeit als be­ sonders vorteilhaft, da die Leiterbahn als Dünnschicht-Element nur eine geringe thermische Trägheit enthält.

Die Leiterbahn ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Dünnschicht bzw. Dünnfilm aus Platin­ gruppen-Metall im photolithographischen Verfahren aufgebracht.

Nachfolgend ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 2a und 2b näher erläutert.

Fig. 1a zeigt als Meßwiderstand ausgebildete Leiterplatten-Element in einer Feldanordnung auf einer zusammenhängenden Substrat-Platte, die einen sogenannten Nutzen bildet, wobei auf Anschlußbereiche der als Widerstände ausgebildeten Leiterbahnen ein metallischer Kontakt-Rohling mit Kontaktplättchen aufzubringen ist. Der Kontakt-Rohling ist vorzugsweise als Stanzteil ausgebildet, er kann jedoch auch durch Ätzen, Erodieren oder Laserbehandlung hergestellt sein.

Fig. 1b zeigt in einem bruchstückhaften Ausschnitt des Nutzens die flächenhafte Anordnung der mäanderförmigen Struktur der Leiterbahn als Widerstandsschicht zusammen mit ihren An­ schlußbereichen mit fensterartigen Lücken in einer rein schematischen Darstellung.

Fig. 2a zeigt den mit aufgelöteten Kontaktelementen versehenen Nutzen vor der Vereinze­ lung; Fig. 2b zeigt eine Leiterplatte nach der Vereinzelung.

Gemäß Fig. 1a befinden sich die mit jeweils einer Widerstandsschicht als Leiterbahn 1 verse­ henen einzelnen Leiterplatten 4 als Rohlinge in einer Feldanordnung auf einer zusammenhän­ genden Substrat-Platte 2 aus Keramik, wobei diese Anordnung auch als Nutzen bezeichnet wird; die Widerstandsschichten bzw. Leiterbahnen 1 können gemäß der schematischen Dar­ stellung in Fig. 1b in einer mäanderförmigen Struktur ausgebildet sein, wobei sie an jeweils einem Ende mit zwei nebeneinanderliegenden Anschlußbereichen 3′, 3′′ versehen sind, die ihrerseits fensterartige Lücken 5 aufweisen, die die Oberfläche der Substrat-Platte 2 freigeben; die Anschlußbereiche 3′, 3′′ werden mit Aktivlot versehen, worauf anschließend Kontaktplätt­ chen 6 sowohl mit den Anschlußbereichen 3′, 3′′ als auch mit der durch die Lücken 5 freigege­ benen, aus Keramik bestehenden Oberfläche der Substrat-Platte 2 verlötet werden; d. h, diese Anschlußbereiche 3′, 3′′ sollen zwecks späterer Kontaktierung mit hier nicht dargestellten An­ schlußleitungen - beispielsweise in Form von Kabelenden - mit eigenen Kontaktplättchen 6 ver­ sehen werden, die eine Verlötung bzw. Verschweißung mit Anschlußleitungen ermöglichen. Hierzu wird die Substrat-Platte 2 bzw. der Nutzen von einem metallischen Kontakt-Rohling 7 wenigstens teilweise überdeckt. Wie aus Fig. 1a zu entnehmen ist, weist der metallische Kon­ takt-Rohling 7 einen Rahmen 8 auf, der eine Vielzahl von aufzubringenden, vorgefertigten Löt­ flächen bzw. Kontaktplättchen 6 enthält, welche nach Fig. 1a auf den zum Anschluß vorgese­ henen Anschlußbereichen der jeweiligen Leiterplatte 4 - beispielsweise eines Meßwiderstandes so aufzubringen sind, daß die Anschlußbereiche 3′, 3′′ alle zusammen von den Kontaktflächen 6 abgedeckt werden. Der metallische Kontakt-Rohling 7 besteht vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickel-Eisen-Legierung.

Vor der Verbindung der Lötflächen bzw. Kontaktplättchen 6 mit den Anschlußbereichen 3′, 3′′ der Leiterbahn 1 wird auf die als Anschlußbereiche 3′, 3′′ vorgesehenen Teile der Leiterbahnen 1 bzw. der Widerstandsschichten im Siebdruckverfahren eine Lotpaste aufgebracht, wobei die im Siebdruck bedruckten Flächen der Anschlußbereiche, mindestens den die Substrat-Platte berührenden Flächen der später aufgebrachten Kontaktplättchen 6 entsprechen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur verbesserten elektrischen Verbin­ dung der Kontaktplättchen zwischen den Anschlußbereichen 3′, 3′′ der Leiterbahnen und der Aktivlotpaste eine platinmetallhaltige Paste auf Teile der Anschlußbereiche in einem zusätzli­ chen Verfahrensschritt durch Siebdrucken aufgebracht. Nach Aufbringen des metallischen Kon­ takt-Rohlings 7 wird der so vorbereitete Nutzen, d. h. Kontaktplättchen und Substratplatte 2 in einen Vakuum- oder Schutzgas-Lötofen eingebracht und mittels Wärmezufuhr die Lötflächen bzw. Kontaktplättchen 6 mit der durch Siebdruck aufgebrachten Aktivlotpaste in den Anschluß­ bereichen 3′, 3′′ der Leiterbahn 1 elektrisch und mechanisch fest verbunden.

Nach der festen Verbindung zwischen Kontaktflächen 6 und den Anschlußbereichen 3′, 3′′ so­ wie den von den Lücken 5 freigegebenen Substrat-Oberfläche-Bereichen der Leiterplatte wer­ den die Hilfs- und Trägerstege des metallischen Kontakt-Rohlings 7 gemäß Fig. 2a entfernt und nach Vereinzeln der ursprünglichen Leiterplatten-Rohlinge, die gemäß Fig. 2b nun mit Zif­ fer 9 bezeichnet sind, liegt eine anschlußfertige Leiterplatte als Meßwiderstand mit Substrat vor. Die Vereinzelung der ursprünglichen Leiterplatten-Rohlinge erfolgt durch Sägen oder Brechen.

Nach der Vereinzelung stehen die mit den Anschlußbereichen der Leiterbahn verbundenen Kontaktplättchen 6 für eine sichere und zuverlässige, hochtemperaturfeste Kontaktierung der Leiterplatte 9 mit Anschlußleitern bereit.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit dünnen Leiterbahnen und gut lötbaren An­ schluß-/Kontaktierungsbereichen durch die Verfahrensschritte:

• - Ausbilden von strukturierten, d. h. mit durchgehenden Aussparungen, Ausnehmungen versehenen elektrisch leitenden Anschluß-/Kontaktierungsbereichen auf einem kera­ mischen Substrat,
• - Beschichten der Anschluß-/Kontaktierungsbereiche mit an sich bekannten Aktivloten,
• - Aufbringen eines metallischen Kontaktplättchens (Anschlußkontakt) auf die mit Aktiv­ lot versehenen Anschluß-/Kontaktierungsbereiche und
• - Verlöten dieses Verbundes, wobei die Kontaktplättchen mit den Leiterbahnen und an den Aussparungen mit der Substratoberfläche verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktplättchen als Kon­ taktfahne aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktplättchen als Ende eines langgestreckten Leiters aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Aktivlot als Paste, als Lot-Formteil oder als aufplattierte Schicht eines Kontaktplättchens aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivlot als dispensierbares Material mittels Dosiereinrichtung aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivlot als elek­ trisch leitende Paste wenigstens teilweise auf die ein Metall der Platingruppe enthaltende Leiterbahn im Siebdruckverfahren aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplat­ ten im Nutzen hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplättchen im Nutzen (7) auf die Leiterplatte nach Anspruch 7 aufgebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ plättchen (6) im Vakuum oder in Intergasatmosphäre mit der Aktivlotpaste verlötet werden.

10. Verwendung der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Leiterplatte als Meßwiderstand oder Heizelement, wobei die Leiterbahn als Widerstand ausgebildet ist.

11. Verwendung der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Leiterplatte für Kapazitätsmessungen, wobei die Leiterbahn als Elektrodenstruktur ausgebildet ist.