DE102007005824A1

DE102007005824A1 - Verbindungselement für eine doppelseitige Leiterplatte

Info

Publication number: DE102007005824A1
Application number: DE102007005824A
Authority: DE
Inventors: Cesar Chihuahua Avitia; Francisco S. Chihuahua Ceniceros; Martin J. Chihuahua Ibarra
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: GB2435350A; US20070184688A1; CN101017935A; GB0702412D0; DE102007005824B4; GB2435350B

Abstract

Es werden ein Element und ein Verfahren zur Verbindung von ersten und zweiten Seiten einer Leiterplatte offenbart. Das Element enthält erste und zweite Verbindungsabschnitte und einen gestreckten Teil. Der erste Verbindungsabschnitt kontaktiert eine Fläche der ersten Seite der Leiterplatte, der zweite Verbindungsabschnitt kontaktiert die zweite Seite der Leiterplatte. Das gestreckte Element hat erste und zweite Enden. Das erste Ende des gestreckten Elements ist mit dem ersten Verbindungsabschnitt, das zweite Ende des gestreckten Elements mit dem zweiten Verbindungsabschnitt verbunden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf doppelseitige Leiterplatten sowie Systeme und Verfahren zur Verbindung einer ersten Seite der Leiterplatte mit einer zweiten Seite der Leiterplatte.
Hintergrund
Leiterplatten können grob in die zwei Arten einseitige Leiterplatten und doppelseitige Leiterplatten eingeteilt werden. Einseitige Leiterplatten haben Leiterbahnstrukturen auf einer Seite, doppelseitige Leiterplatten haben Leiterbahnstrukturen auf beiden Seiten der Leiterplatte. Bei einer doppelseitigen Leiterplatte ist eine Verbindung der Leiterbahnstrukturen auf der einen Seite mit den Leiterbahnstrukturen auf der anderen Seite erforderlich. Traditionell werden durchkontaktierte Bohrungen verwendet, um die Oberseite und die Unterseite einer doppelseitigen Leiterplatte miteinander zu verbinden. Die durchkontaktierten Bohrungen sind Löcher oder Bohrungen, die sich von einer Seite der Leiterplatte zur anderen Seite der Leiterplatte erstrecken und normalerweise mit einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer, beschichtet sind.
Andere Technologien zur Verbindung der aufgedruckten Leiterbahnstrukturen auf der einen Seite der Leiterplatte mit den aufgedruckten Leiterbahnstrukturen auf der anderen Seite der Leiterplatte beruhen auf der Verwendung von Heftklammern. Obwohl die Verwendung von Heftklammern ihren vorgesehenen Zweck erfüllt, bestehen bei dieser Technologie dennoch Probleme. Die Verwendung von Heftklammern erfordert beispielsweise Axialeinfügemaschinen, die jedoch in der Industrie technisch überholt sind.
Ein anderes Verfahren zur Verbindung der Oberseite und der Unterseite der Leiterplatten ist die Verwendung von silbergefüllten Verbindungskontaktlöchern. Silbergefüllte Verbindungskontaktlöcher werden durch Füllen eines Lochs oder einer Bohrung in der Leiterplatte mit einem leitfähigen Polymer, wie zum Beispiel einer Silberkompoundmasse, erzeugt. Ist die Kompoundmasse ausgehärtet, kann auf beiden Seiten der Leiterplatte an dem Verbindungskontaktloch eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Obwohl die silbergefüllten Verbindungskontaktlöcher ihren vorgesehenen Zweck erfüllen, sind sie lediglich im Schwachstrombereich anwendbar. Außerdem erfordert die Verwendung von silbergefüllten Verbindungskontaktlöchern einen zusätzlichen Verfahrensschritt, der kostenintensiver als andere Verfahren sein könnte. Zudem erfordert die Verwendung von durchkontaktierten Bohrungen teure Leiterplattenmaterialien, wie zum Beispiel FR4 oder CEM3.

Es besteht deshalb der Bedarf an einem neuen und verbesserten Verfahren und System zur Verbindung der Leiterbahnstruktur auf der Oberseite mit denen auf der Unterseite einer doppelseitigen Leiterplatte. Ein solches Verfahren und System sollte vorzugsweise aktuelle Oberflächenmontagetechniken verwenden.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

In einem Aspekt der Erfindung wird ein Element zum Verbinden der ersten und der zweiten Seite einer Leiterplatte bereitgestellt. Das Element enthält einen ersten und einen zweiten Verbindungsabschnitt und einen gestreckten Teil. Der erste Verbindungsabschnitt kontaktiert eine Fläche der ersten Seite der Leiterplatte, der zweite Verbindungsabschnitt kontaktiert die zweite Seite der Leiterplatte. Der gestreckte Teil hat ein erstes und ein zweites Ende. Das erste Ende des gestreckten Teils ist mit dem ersten Verbindungsabschnitt, das zweite Ende des gestreckten Teils mit dem zweiten Verbindungsabschnitt verbunden.

In einer anderen Ausführung der Erfindung enthält einer der Verbindungsabschnitte eine ebene Fläche.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält einer der Verbindungsabschnitte eine spitz zulaufende Fläche.

In einer wiederum anderen Ausführungsform der Erfindung liegen das erste und das zweite Ende des gestreckten Teils in einer Längsachse des gestreckten Teils.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Ende des gestreckten Teils zum zweiten Ende des gestreckten Teils versetzt.

In einer anderen Ausführung der Erfindung ist eine Länge des gestreckten Teils mindestens so lang wie die Dicke der Leiterplatte.

In einer noch anderen Ausgestaltung der Erfindung hat das gestreckte Teil einen rechteckigen Querschnitt.

In einer wiederum anderen Ausführung der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbindung einer ersten und einer zweiten Seite einer Leiterplatte bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Kontaktieren einer Fläche der ersten Seite der Leiterplatte mit einem ersten Verbindungsabschnitt, das Kontaktieren der zweiten Seite der Leiterplatte mit einem zweiten Verbindungsabschnitt und das Verbinden eines ersten Endes des gestreckten Teils mit dem ersten Verbindungsabschnitt sowie eines zweiten Endes des gestreckten Teils mit dem zweiten Verbindungsabschnitt.

Weitere Aspekte der Erfindung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung der Erfindung der Vorzugsausgestaltungen und der beigefügten Zeichnungen erkennbar, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf dieselben Komponenten, Elemente oder Merkmale beziehen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die voranstehenden sowie weitere Aspekte der Erfindung sind für Fachleute aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer Vorzugsausgestaltung leicht erkennbar, wenn diese anhand der zugehörigen Zeichnungen betrachtet wird.
1 ist eine Schnittansicht durch eine doppelseitige Leiterplatte, die ein dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren zur Verbindung der Schaltungsstrukturen auf beiden Seiten der doppelseitigen Leiterplatte darstellt.
2 ist eine Schnittansicht durch eine doppelseitige Leiterplatte und ein Verbindungselement entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung.
3 ist eine isometrische Ansicht des Verbindungselements entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung.
4 ist eine Draufsicht einer Leiterplatte, die ein in 3 dargestelltes H-Kopf-förmiges Verbindungselement entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung enthält.
5 ist eine isometrische Ansicht einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungselements.
6 ist eine Draufsicht einer Leiterplatte, die das erfindungsgemäße Verbindungselement aus 5 enthält.
7 ist eine Schnittansicht durch die doppelseitige Leiterplatte und das in 6 dargestellte erfindungsgemäße Verbindungselement.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine Schnittansicht durch eine konventionelle doppelseitige Leiterplatte 10 dargestellt. Außerdem illustriert 1 ein dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren zur Verbindung der auf jeder der Seiten 14 und 16 eines Substrats 18 der Leiterplatte 10 aufgedruckten Schaltungsstrukturen 12. Das in 1 gezeigte, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren schließt die Verwendung von beschichteten oder plattierten Verbindungskontaktlöchern oder Durchgangsbohrungen 20 ein. Plattierte Durchgangsbohrungen 20 sind Durchgangslöcher mit angrenzenden Leiterbahnanschlussstellen 22, die mit Schaltungsstrukturen 12 auf jeder Seite des Substrats 18 der Leiterplatte 10 verbunden sind. Normalerweise wird aufgetragene Kupfer- oder Silberkompoundmasse oder -paste 24 zur Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen den Leiterbahnanschlussstellen 22 auf jeder der Seiten 14 und 16 der doppelseitigen Leiterplatte 10 verwendet, sodass eine durchkontaktierte Durchgangsbohrung oder ein Silberverbindungskontaktloch gebildet wird. Einer der Nachteile dieses dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrens und der Verwendung der Silberverbindungskontaktlöcher ist, dass sie nicht zur Übertragung hoher Stromstärken geeignet sind.
In 2 ist eine Schnittansicht durch eine doppelseitige Leiterplatte 38 und ein Verbindungselement 30 entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Das Verbindungselement 30 verbindet elektrisch leitend eine erste Leiterbahnstruktur 32 mit einer zweiten Leiterbahnstruktur 34. Die Leiterbahnstruktur 32 ist auf einer Unterseite 40 der doppelseitigen Leiterplatte 38, die Leiterbahnstruktur 34 auf einer Oberseite 36 der doppelseitigen Leiterplatte 38 befestigt. Durch die Leiterbahnstrukturen 32 sowie 34 und das Substrat der Leiterplatte 38 hindurch geht eine Durchgangsbohrung 42.
In einer der Ausgestaltungen ist das Verbindungselement 30 zwecks Verbindung der Leiterbahnstrukturen 32 und 34 in die Bohrung oder das Loch 42 eingeschraubt. Das Verbindungselement 30 kann mit der Leiterbahnstruktur 32 unter Verwendung einer Lötpaste 44 und mit der Leiterbahnstruktur 34 unter Verwendung einer Lötpaste 44a elektrisch leitend und mechanisch verbunden sein. Das Verbindungselement 30 ist beispielsweise nagelförmig. Zudem ist das Verbindungselement 30 lötbar. Außerdem ist das Verbindungselement 30 für die Aufnahme mithilfe einer Pick-and-Place-Maschine oder einer anderen geeigneten Einrichtung aus beziehungsweise von einer geeigneten Wanne, Rolle oder einem anderen geeigneten Behälter konfiguriert, um es auf einer der Seiten der doppelseitigen Leiterplatte 38 zu platzieren.
In 3 ist eine isometrische Ansicht des Verbindungselements 30 entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Das Verbindungselement 30 hat einen gestreckten Teil 50, der einen an einem ersten Ende 54 des gestreckten Teils 50 angeordneten ersten Verbindungsabschnitt 52 und einen an einem zweiten Ende 58 des gestreckten Teils 50 angeordneten zweiten Verbindungsabschnitt 56 enthält. Der erste Verbindungsabschnitt 52 hat eine zum Kontaktieren der Leiterbahnstruktur 32 ausgelegte ebene Fläche 60. Der zweite Verbindungsabschnitt 56 hat eine im Wesentlichen spitz zulaufende Fläche 62 zur Erzeugung einer Dochtwirkung oder eines entsprechenden (in 5 dargestellten) Lötmittelflusses, um eine Verbindung zwischen dem Ende 58 und der Leiterbahnstruktur 34 der doppelseitigen Leiterplatte 38 herzustellen. Außerdem erleichtert die spitz zulaufende Fläche 62 das Einführen des Verbindungselements 30 in die Durchgangsbohrung 42. Die Erfindung zieht natürlich verschiedene Formen des Verbindungselements 30 in Betracht. Der erste Verbindungsabschnitt 52 kann nämlich auch kreisförmig, rechteckig oder im Wesentlichen quadratisch im Grundriss sein. Der zweite Verbindungsabschnitt 56 kann hinsichtlich seines Querschnitts ebenfalls verschiedene Formen einschließlich einer dreieckigen, quadratischen, kreisförmigen und rechteckigen Form annehmen.
In 4 ist eine Draufsicht einer Leiterplatte dargestellt, die ein einer Ausgestaltung der Erfindung entsprechendes Verbindungselement 30 mit H-förmigem Kopf enthält. Das Verbindungselement 30 ist in der Durchgangsbohrung 42 angeordnet dargestellt. Auf beiden Seiten der Durchgangsbohrung 42 befinden sich leitfähige Schaltungsanschlussstellen 72, die mit Leiterbahnstrukturen 32 auf einer ersten Seite 40 der doppelseitigen Leiterplatte 38 verbunden sind. Der erste Verbindungsabschnitt 52 des Verbindungselements 30 in einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine in der Draufsicht erkennbare H-förmige Konfiguration, wie in 4 dargestellt ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung zwischen dem Verbindungselement 30 und der Leiterplatte 38 bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufbringen einer (in 4 dargestellten) Lötpaste 44 auf die Schaltungsanschlussstellen 72 der Leiterplatte 38, das Einfügen des Verbindungselements 30 in die Durchgangsbohrung 42, das Aufschmelzen der Lötpaste 44 und das Schwalllöten einer der beiden Seiten 36 und 40. Das Aufschmelzen der Lötpaste 44 erfolgt, indem die gesamte Leiterplatte von einem Ofen erwärmt wird oder wahlweise Abschnitte der Leiterplatte mit aufgetragener Lötpaste Infrarotlicht ausgesetzt werden. Das Schwalllöten wird mit einer zum Löten des Verbindungselements 30 ausreichenden Geschwindigkeit und Quantität angewendet. Zweckmäßigerweise wird durch das Verfahren und das Verbindungselement der Erfindung die Verbindung der ersten Leiterbahnstruktur 32 mit der zweiten Leiterbahnstruktur 34 mithilfe konventioneller Flächenmontageausrüstung ermöglicht. Außerdem kann das Verfahren und das Verbindungselement bei einer breiten Vielfalt von Leiterplattenmaterialien angewendet werden, wie zum Beispiel bei FR4, CEM3 und anderen geeigneten sowie kostengünstigeren Materialien.
In 5 ist eine isometrische Ansicht einer anderen Ausgestaltung eines Verbindungselements 30' zur Verbindung der Leiterbahnstrukturen 32, 34 entsprechend der Erfindung dargestellt. Das Verbindungselement 30' hat einen gestreckten Teil 90, der ein erstes Ende 92 und ein zweites Ende 94 hat. Der gestreckte Teil 90 hat außerdem eine Längsachse L. Das Verbindungselement 30' hat einen am ersten Ende 92 des gestreckten Teils 90 angeordneten ersten Kontaktabschnitt 96 und einen am zweiten Ende 94 des gestreckten Teils 90 angeordneten zweiten Kontaktabschnitt 98. Der erste Kontaktabschnitt 96 ist um einen festgelegten Abstand D zur Längsachse L versetzt.
In den 6 und 7 sind eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht des Verbindungselements 30' und der Leiterplatte 38 entsprechend einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Das Verbindungselement 30' ist in der Durchgangsbohrung 42 der Leiterplatte 38 angeordnet dargestellt. Der am ersten Ende 92 des gestreckten Teils 90 und im Abstand D zur Längsachse L angeordnete erste Kontaktabschnitt 96 ist über der Oberseite der Lötanschlussstelle 72' platziert und unter Verwendung der zuvor beschriebenen Verfahren angelötet. Auf der anderen Seite 36 der doppelseitigen Leiterplatte 38 ist angrenzend an die Durchgangsbohrung 42 eine leitfähige Anschlussstelle 100 bereitgestellt. Beim Schwalllöten beispielsweise fließt das Lot 44 über die leitfähige Anschlussstelle 100 und den am zweiten Ende 94 des gestreckten Teils 90 angeordneten zweiten Kontaktabschnitt 96, sodass eine elektrisch leitende und mechanische Verbindung gebildet wird. Damit stellt die Erfindung ein effizientes Verfahren zur Verbindung von Schaltungsstrukturen auf beiden Seiten einer doppelseitigen Leiterplatte bereit.
Die voranstehende Offenbarung ist die beste vom Erfinder erdachte Methode zur praktischen Umsetzung dieser Erfindung. Es ist jedoch offensichtlich, dass Verfahren, in denen Modifikationen und Variationen vorgenommen worden sind, für Fachleute auf dem Fachgebiet der doppelseitigen Leiterplatten klar erkennbar sind. Sofern die voranstehende Offenbarung dafür vorgesehen ist, eine mit dem einschlägigen Fachgebiet vertraute Person zu befähigen, die vorliegende Erfindung praktisch umzusetzen, sollte sie nicht so ausgelegt werden, dass sie dadurch eingegrenzt wird, sondern vielmehr so, dass die eben erwähnten offenkundigen Variationen inbegriffen sind und nur durch den Sinn und den Geltungsbereich der nachfolgenden Patentansprüche eingegrenzt werden.

10: Leiterplatte (Stand der Technik)
12: Schaltungsstrukturen
14: Seite
16: Seite
18: Substrat
20: Durchgangsbohrungen
22: Leiterbahnanschlussstellen
24: Kupfer- oder Silberkompoundmasse
30, 30': Verbindungselement
32: erste Leiterbahnstruktur
34: zweite Leiterbahnstruktur
36: Oberseite
38: doppelseitige Leiterplatte
40: Unterseite bzw. erste Seite
42: Durchgangsbohrung
44: Lötpaste bzw. Lot
50: gestreckter Teil
52: erster Verbindungsabschnitt
54: erstes Ende
56: zweiter Verbindungsabschnitt
58: zweites Ende
60: ebene Fläche
62: spitz zulaufende Fläche
72, 72': Schaltungsanschlussstellen bzw. Lötanschlussstellen
90: gestreckter Teil
92: erstes Ende
94: zweites Ende
96: erster Kontaktabschnitt
98: zweiter Kontaktabschnitt
100: leitfähige Anschlussstelle

Claims

Element (30, 30') zur Verbindung von ersten und zweiten Seiten einer Leiterplatte (38), umfassend: – einen ersten Verbindungsabschnitt (52) zum Kontaktieren einer Fläche der ersten Seite (40) der Leiterplatte (38); – einen zweiten Verbindungsabschnitt (56) zum Kontaktieren der zweiten Seite (36) der Leiterplatte (38); und – einen an einem ersten Ende (54) mit dem ersten Verbindungsabschnitt (52) und an einem zweiten Ende (58) mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (56) verbundenen gestreckten Teil (50).
Element (30, 30') nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Verbindungsabschnitte (52, 56) eine ebene Fläche (60) enthält.
Element (30, 30') nach Anspruch 1, wobei einer der ersten und zweiten Verbindungsabschnitte (52, 56) eine spitz zulaufende Fläche (62) enthält.
Element (30, 30') nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Enden (54, 58) des gestreckten Teils (50) in einer Längsachse des gestreckten Teils liegen.
Element (30, 30') nach Anspruch 1, wobei das erste Ende des gestreckten Teils (50) zum zweiten Ende des gestreckten Teils (50) versetzt ist.
Element (30, 30') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Länge des gestreckten Teils (50) mindestens so lang wie die Dicke der Leiterplatte (38) ist.
Element (30, 30') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der gestreckte Teil (50) einen rechteckigen Querschnitt hat.
Element (30, 30') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einer der ersten und zweiten Verbindungsabschnitte (52, 56) eine H-förmige Fläche enthält.
Verfahren zur Verbindung einer ersten und einer zweiten Seite einer Leiterplatte (38), umfassend: – Kontaktieren einer Fläche der ersten Seite (40) der Leiterplatte (38) mit einem ersten Verbindungsabschnitt (52) eines Verbindungselements (30, 30'); – Positionieren eines zweiten Verbindungsabschnitts (56) des Verbindungselements (30, 30') angrenzend an die zweite Seite (36) der Leiterplatte (38); und – Verbinden des ersten Verbindungsabschnitts (52) des Verbindungselements (30, 30') mit der ersten Seite (40) der Leiterplatte (38) und des zweiten Verbindungsabschnitts (56) des Verbindungselements (30, 30') mit der zweiten Seite (36) der Leiterplatte (38).
Verfahren nach Anspruch 9, außerdem das Aufbringen einer Lötpaste (44, 44a) auf eine der ersten und zweiten Seiten der Leiterplatte (38) umfassend.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, außerdem das Einwirken von Wärme auf die Leiterplatte (38) zwecks Aufschmelzung der auf eine der ersten und zweiten Seiten der Leiterplatte (38) aufgebrachten Lötpaste (44, 44a) umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, außerdem das Aufbringen eines Lots im Schwalllötverfahren auf eine der ersten und zweiten Seiten der Leiterplatte (38) zwecks Lötens des Verbindungselements (30, 30') an die Leiterplatte (38) umfassend.