DE10330754B4

DE10330754B4 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltung

Info

Publication number: DE10330754B4
Application number: DE2003130754
Authority: DE
Inventors: Roland Münzberg
Original assignee: Ruwel AG
Current assignee: Schoeller Electronics Systems GmbH
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2023-07-08
Also published as: DE10330754A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen Schaltung mit mindestens einer ein- oder beidseitig mit Metall, insbesondere Kupfer, beschichteten oder mit Leiterbahnen versehenen flexiblen oder semi-flexiblen Einzellage, wobei die elektrische Schaltung im fertigen Zustand an mindestens einer Seite voneinander getrennte im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, abstehende Kontaktpins aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst zumindest in einem Randbereich der elektrischen Schaltung im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Langlöcher erzeugt werden, wobei die zwischen den Langlöchern angeordneten Bereiche auf der einen Seite unmittelbar mit den Leiterbahnen und auf der anderen Seite zunächst noch untereinander über einen Quersteg miteinander verbunden sind,
daß anschließend die Ränder der Langlöcher metallisiert werden, und
daß schließlich bei der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung der Quersteg entfernt wird,
so daß eine flexible Schaltung mit voneinander getrennten Kontaktpins zum elektrisch leitenden Verbinden der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen, semiflexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen Schaltung mit mindestens einer ein- oder beidseitig mit Metall, insbesondere Kupfer beschichteten oder mit Leiterbahnen versehenen flexiblen oder semi-flexiblen Einzellage, wobei die elektrische Schaltung im fertigen Zustand an mindestens einer Seite voneinander getrennte im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, abstehende Kontaktpins aufweist.
Schon seit vielen Jahrzehnten werden gedruckte elektrische Schaltungen beispielsweise in elektrischen Geräten und in Kraftfahrzeugen zur elektronischen Regelung und Steuerung eingesetzt. Es handelt sich hierbei üblicherweise um starre Leiterplatten, die einerseits diskrete Bauelemente und hochintegrierte Bausteine elektrisch miteinander verbinden und andererseits als Träger derselben fungieren. Die Leiterplatten bestehen zumeist aus einer oder mehreren Einzellagen von glasfaserverstärkten, ausgehärteten Epoxidharzplatten, die zur Ausbildung von Leiterbahnen bzw. Leiterbildern ein- oder beidseitig kupferkaschiert sind. Bei mehrlagigen Leiterplatten sind die einzelnen Ebenen bzw. die auf den Einzellagen angeordneten Leiterbahnen durch metallisierte Bohrungen in der Leiterplatte miteinander elektrisch verbunden.
Seit ca. 30 Jahre werden neben rein starren Leiterplatten auch gedruckte Schaltungen eingesetzt, die nebeneinander starre und flexible Bereiche aufweisen; sogenannte starr-flexible Leiterplatten. Durch das Vorsehen von flexiblen Bereichen kann eine größere Anzahl von starren Leiterplatten in nahezu jeder gewünschten räumlichen Anordnung ohne Steckerleisten oder Verdrahtungen mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden. Darüber hinaus bieten die flexiblen Bereiche die Möglichkeit, mehrere starre Leiterplattenbereiche so "übereinander zu falten", daß eine große Leiterplattenfläche und damit auch eine Vielzahl von auf den Leiterplatten angeordneten diskreten Bauelemente auf einem relativ kleinen Raum untergebracht werden können. Die flexiblen Bereiche bestehen normalerweise aus dünnen Polyimidfolien, die ebenfalls ein- oder beidseitig kupferkaschiert sind.

Derartige starr-flexible Leiterplatten werden gewöhnlich aus übereinander liegenden starren und flexiblen Einzellagen aufgebaut, die sich über die gesamte Schaltung erstrecken und mit Hilfe eines Klebemediums miteinander verklebt und verpreßt sind ( EP 0 408 773 B1 ). Es handelt sich hierbei um unbiegsame (z. B. glasfaserverstärktes Epoxidharz) und biegsame Isolationsträger (z. B. Polyimidfolie) mit ein- oder zweiseitigen Kupferkaschierungen, in die die Leiterbahnen geätzt werden. Die Form der starren Lagen legt den starren Teil der Leiterplatten fest. Die flexiblen Bereiche der Leiterplatten werden dadurch hergestellt, daß man in diesen Bereichen ein Teilstück der starren Lagen in mehreren Verfahrensschritten entfernt.

Daneben gibt es noch flexible bzw. semi-flexible elektrische Schaltungen bzw. Leiterplatten, wobei die Begriffe "flexible" oder "semi-flexible" in Abhängigkeit von dem mit der elektrischen Schaltung möglichen Biegeradius und der Anzahl der zulässigen Biegebeanspruchungen abhängt. Flexible bzw. semi-flexible Leiterplatten bestehen aus mindestens einer ein- oder beidseitig zumeist mit Kupfer beschichteten flexiblen oder semi-flexiblen Einzellage. Neben einer Beschichtung mit Kupfer ist – jedenfalls grundsätzlich – auch eine Beschichtung mit Gold oder einem anderen leitfähigen Material möglich. Als flexible bzw. semi-flexible Einzellage werden dabei überwiegend Polyimid-Folien verwendet, die sich in der Praxis sehr bewährt haben und eine Standardmaterialstärke von zumeist 25 μm aufweisen. Daneben gibt es jedoch auch flexible Einzellagen aus Polyester oder PEN. Diese Einzellage als Basismaterial kann dann entweder mit Kupfer beschichtet werden oder es wird eine Kupferfolie mittels eines Klebers auf die Einzellage auflaminiert. Schließlich wird als Schutz auf die Kupferschicht häufig noch eine dünne Deckfolie, die ebenfalls zumeist aus Polyimid besteht, mittels eines Klebers auflaminiert. Anstelle einer derartigen Deckfolie können auch siebgedruckte Lacke verwendet werden.

Neben den zuvor beschriebenen einlagigen flexiblen bzw. semi-flexiblen Leiterplatten können auch mehrlagige ein- oder beidseitig kupferkaschierte flexible bzw. semi-flexible Leiterplatten verwendet werden, wobei dann die einzelnen Leiterbahnen der einzelnen Lagen mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.

Sowohl die zuletzt beschriebenen flexiblen bzw. semi-flexiblen Leiterplatten als auch die starr-flexiblen Leiterplatten sind seit Jahren bekannt und werden in zunehmendem Maße in allen Bereichen der Elektrotechnik bzw. Elektronik verwendet. Ihr wesentlicher Vorteil besteht in der erreichbaren Miniaturisierung, wobei die flexiblen bzw. starr-flexiblen Leiterplatten nahezu optimal an die konstruktiven Gegebenheiten und Gehäuseformen angepaßt werden können, so daß ein äußerst platzsparender Einbau bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung möglich ist.

Zur elektrischen Verbindung der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Steckern werden die elektrischen Schaltungen mit Bohrungen versehen, in die korrespondierende Kontaktpins oder Lötpins des externen Steckers eingesteckt und eingelötet werden können. Eine derartige Verbindung einer Leiterplatte mit einem Kontaktpin eines Anschlußsteckers ist beispielsweise in der DE 196 09 425 A1 beschrieben. Daneben besteht die Möglichkeit, die Enden der einzelnen Leiterbahnen mit Lötflächen zu versehen, auf denen dann die korrespondierenden Kontaktpins des externen Schaltungskreises oder eines externen Anschlußsteckers aufgelötet werden können.

Aus der DE 43 37 960 A1 ist eine flexible Leiterplatte bekannt, die auf ihrer einen Seite mehrere Leiterbahnen aufweist und auf ihrer anderen Seite ganzflächig mit einer Kupferschicht versehen ist. Die Leiterplatte weist sowohl Bohrungen zur Aufnahme und Verbindung mit entsprechenden Anschlußstiften als auch Kontaktpins auf. Die Kontaktpins, die wesentlich breiter als die Leiterbahnen sind, werden dabei durch Fräsen aus der Leiterplatte hergestellt; über die Leiterbahnen sind sie mit den Bohrungen elektrisch verbunden.

Die US 5,444,188 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Schaltung, bei der auf einer Seite einer flexiblen Polyimid-Folie mehrere Leiterbahnen aufgebracht sind. Anschließend wird auf der den Leiterbahnen gegenüberliegenden Seite der Polyimid-Folie eine Schutzschicht aus Polyimid mittels einer Klebefolie aufgebracht. Zur Erzeugung von Kontaktpins wird schließlich die Polyimid-Folie durch Lasern entfernt, wozu eine entsprechende Maske auf die Polyimid-Folie aufgelegt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ver- fügung zu stellen, mit dem eine elektrische Schaltung mit Kontaktpins zur elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Anschlußsteckern auf einfache und zuverlässige Art und Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen Schaltung dadurch erreicht, daß zunächst zumindest in einem Randbereich der elektrischen Schaltung im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Langlöcher erzeugt werden, wobei die zwischen den Langlöchern angeordneten Bereiche auf der einen Seite unmittelbar mit den Leiterbahnen und auf der anderen Seite zunächst noch untereinander über einen Quersteg miteinander verbunden sind, daß anschließend bei der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung der Quersteg entfernt wird, so daß eine flexible Schaltung mit voneinander getrennten Kontaktpins zum elektrisch leitenden Verbinden der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Anschlußsteckern entsteht.

Da bei der Herstellung der Kontaktpins zunächst nur Langlöcher erzeugt werden, so daß die zwischen den Langlöchern angeordneten Bereiche auf der einen Seite unmittelbar mit den Leiterbahnen und auf der anderen Seite noch über einen Quersteg miteinander verbunden sind, sind die Langlöcher zunächst noch auf allen Seiten von Material der elektrischen Schaltung umgeben sind, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Kontaktpins verringert wird.

Auch dadurch, daß die Ränder der Langlöcher metallisiert werden, ergibt sich sowohl eine höhere mechanische Stabilität als auch eine verbesserte Löteigenschaft der späteren Kontaktpins. Durch das Metallisieren der Langlöcher wird nämlich erreicht, daß nicht nur die Oberseite und die Unterseite der Kontaktpins – die eine Fortführung der Leiterbahnen darstellen – sondern auch die seitlichen Ränder der Kontaktpins mit Metall, insbesondere mit Kupfer überzogen sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine flexible oder starrflexible elektrische Schaltung zur Verfügung gestellt, die ihrerseits bereits mit Kontaktpins versehen ist, wobei die Kontaktpins als direkte Fortführung der ein zelnen Leiterbahnen ausgebildet sind, so daß kein unerwünschter Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Leiterbahnen und den Kontaktpins auftritt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Verwendung einer flexiblen elektrischen Schaltung nicht nur im Zusammenhang mit einem, entsprechende Kontaktpins aufweisenden externen Anschlußstecker, sondern es können durch die unmittelbare Ausbildung der Kontaktpins an der elektrischen Schaltung eine Vielzahl weiterer Kontaktierungsmöglichkeiten mit externen Schaltkreisen oder externen Steckern verwendet werden. Die Kontaktpins der flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen elektrischen Schaltung können mit allen bekannten Löt-, Schweiß- oder Klebeverfahren maschinell verarbeitet bzw. kontaktiert werden. Eine arbeitsaufwendige und unter Umständen einen schlechten elektrischen Übergangswiderstand aufweisende Verbindung von separaten Kontaktpins mit den einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Langlöcher durch Bohren, Stanzen oder Lasern erzeugt. Die Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung erfolgt insbesondere durch Stanzen oder Lasern, wobei bei der Konturbearbeitung zunächst die endgültige Form der elektrischen Schaltung, die in der Regel in einer Vielzahl innerhalb eines Nutzen mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind, hergestellt wird. Darüber hinaus können bei der Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung eventuell vorhandene metallische Verbindung zwischen den Kontaktpins durchtrennt oder entfernt werden, wodurch unerwünschte elektrische Verbindungen und Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Leiterbahnen verhindert werden.

Das erfindungsgemäße, zuvor beschriebene Verfahren, das sowohl zur Herstellung von flexiblen, oder semi-flexiblen als auch von starr-flexiblen elektrischen Schaltungen verwendet werden kann, eignet sich darüber hinaus auch zur Herstellung von mehrlagigen flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen elektrischen Schaltungen. Soll beispielsweise eine mehrlagige starr-flexible elektrische Schaltung hergestellt werden, so können mit dem Verfahren die flexiblen Innenlagen der starr-flexible Schaltung gefertigt werden.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen Schaltung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Teils einer flexiblen elektrischen Schaltung nach dem ersten Verfahrensschritt,
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten flexiblen elektrischen Schaltung und
3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten flexiblen elektrischen Schaltung.
Die Figuren zeigen eine einlagige flexible elektrische Schaltung 1, die aus einer flexiblen Einzellage 2, die aus Polyimid, Polyester oder einem anderen handelsüblichen flexiblen Basismaterial besteht, wobei auf die flexible Einzellage 2 beidseitig eine dünne Kupferschicht 3 aufgetragen ist. Die Kupferschicht 3 kann dabei entweder direkt auf die flexible Einzellage 2 aufgebracht oder mittels einer Klebeschicht auf die flexible Einzellage 2 auflaminiert sein. Auf die Kupferschicht 3 kann dann – was hier jedoch nicht dargestellt ist – noch eine dünne Deckfolie aufgeklebt oder per Siebdruck aufgebracht sein.
Mittels der üblichen Ätzverfahren werden auf der flexiblen Schaltung 1 mehrere Leiterbahnen 4 bzw. mehrere zwischen den Leiterbahnen 4 angeordnete Leiterbildzwischenräume 5 ausgebildet und somit das gewünschte Leiterbild erzeugt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß in Verlängerung der Leiterbildzwischenräume 5 Freiräume 6 in Form von Langlöchern durch Bohren, Stanzen oder Lasern hergestellt werden. Zwischen den Freiräumen 6 ergeben sich dadurch die späteren Kontaktpins 7, die eine direkte Fortführung der Leiterbahnen 4 darstellen, so daß es zwischen den Leiterbahnen 4 und den Kontaktpins 7 keine unerwünschten Übergangswiderstände gibt.
Wie aus 1 ersichtlich ist, sind nach dem ersten Verfahrensschritt, d. h. nach dem Herstellen der Freiräume 6 die späteren Kontaktpins 7 auf der einen Seite – gewollt – unmittelbar mit den Leiterbahnen 7 und auf der anderen Seite zunächst noch untereinander über einen Quersteg 8 miteinander verbunden. Dieser Quersteg 8, wird in einem weiteren Verfahrensschritt bei der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung 1 entfernt, so daß eine flexible Schaltung 1 mit voneinander getrennten Kontaktpins 7 gemäß 2 entsteht.
In 2 ist darüber hinaus noch erkennbar, daß durch das Metallisieren der Freiräume 6 die Kontaktpins 7 nicht nur auf ihrer Oberseite 9 und ihrer Unterseite 10, die die Fortführung der Leiterbahnen 4 darstellen, mit der Kupferschicht 3 bedeckt sind, sondern auch die seitlichen Ränder 11, 12 der Kontaktpins 7 metallisiert sind. Durch das Metallisieren der Freiräume 6 und das sich dadurch ergebene Metallisieren der seitlichen Ränder 11, 12 der Kontaktpins 7 wird die mechanische Stabilität der Kontaktpins 7 erhöht. Darüber hinaus ergibt sich dadurch, daß die Kontaktpins 7 über ihren gesamten Umfang metallisiert sind, eine deutlich verbesserte Löteigenschaft der Kontaktpins 7.
Zum einen ergibt sich dadurch beim einseitigen Erwärmen der Kontaktpins 7, beispielsweise der Oberseite 9, eine schnellere Erwärmung auch der gegenüberliegenden Seite, d. h. der Unterseite 10, des Kontaktpins 7, wodurch das Auflöten der Kontaktpins 7 auf eine entsprechende Kontaktfläche verbessert wird. Darüber hinaus ergibt sich durch das vollumfängliche Metallisieren der Kontaktpins 7 beim Auflöten der Kontaktpins 7 auf eine Kontaktfläche ein für den elektrischen Kontakt vorteilhafter sogenannter "Lötmeniskus" entlang der seitlichen Ränder 11, 12 der Kontaktpins 7.
Insbesondere in 2 ist darüber hinaus ersichtlich, daß bei der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung 1 nicht nur der Quersteg 8 sondern darüber hinaus auch eine eventuell vorhandene metallische Verbindung zwischen benachbarten Kontaktpins 7 dadurch entfernt werden kann, daß im randnahen Bereich 13 ein kleines Stück der flexiblen Einzellage 2 bzw. der Leiterbildzwischenräume 5 entfernt wird. Sofern sich somit aufgrund der Metallisierung der Zwischenräume 6 an der Stirnfläche des randnahen Bereichs 13 auch nach dem ätztechnischen Entfernen der Leiterbildzwischenräume 5 noch dünne metallische Verbindungen zwischen benachbarten Kontaktpins 7 befinden sollten, so können diese durch eine entsprechende Ausgestaltung der für die Konturbearbeitung verwendeten Stanzwerkzeuge zuverlässig entfernt werden.
Schließlich zeigt die 3 ein Ausführungsbeispiel einer flexiblen elektrischen Schaltung 1, bei der auf der einen Seite durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Mehrzahl von Kontaktpins 7 hergestellt worden sind, während auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der flexiblen Schaltung 1 zur Verbindung der einzelnen Leiterbahnen 4 mit einem externen Anschlußstecker eine entsprechende Anzahl an Bohrungen 14 ausgebildet ist. Bei der in 3 dargestellten flexiblen Schaltung 1 kann die elektrisch leitende Verbindung der einzelnen Leiterbahnen 4 somit auf der einen Seite durch Einlöten der Kontaktpins 7 in entsprechende Bohrungen in einer starren Leiterplatte erfolgen, während auf der anderen Seite in die Bohrungen 14 korrespondierende Kontaktpins eines externen Anschlußsteckers eingelötet werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen Schaltung mit mindestens einer ein- oder beidseitig mit Metall, insbesondere Kupfer, beschichteten oder mit Leiterbahnen versehenen flexiblen oder semi-flexiblen Einzellage, wobei die elektrische Schaltung im fertigen Zustand an mindestens einer Seite voneinander getrennte im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, abstehende Kontaktpins aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zumindest in einem Randbereich der elektrischen Schaltung im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Langlöcher erzeugt werden, wobei die zwischen den Langlöchern angeordneten Bereiche auf der einen Seite unmittelbar mit den Leiterbahnen und auf der anderen Seite zunächst noch untereinander über einen Quersteg miteinander verbunden sind, daß anschließend die Ränder der Langlöcher metallisiert werden, und daß schließlich bei der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung der Quersteg entfernt wird, so daß eine flexible Schaltung mit voneinander getrennten Kontaktpins zum elektrisch leitenden Verbinden der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Anschlußsteckern entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Langlöcher durch Bohren, Stanzen oder Lasern erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung durch Stanzen oder Lasern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung eventuell vorhandene metallische Verbindungen zwischen den Kontaktpins durchtrennt oder entfernt werden.