DE19618917C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von drahtgeschriebenen Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von drahtgeschriebenen Leiterplatten oder Platinen.

Die heutzutage üblichen und meistverbreiteten Verfahren in der Leiterplattentechnik stützen sich auf die Kupferätztechnik.

Ferner kennt man nach dem Stand der Technik das Platinenherstellungsverfahren der sogenannten "Drahtschreibung". Hierbei werden die Drähte aus elektrisch leitfähigen Material als verbindendes Medium zwischen den Anschlußpunkten der auf die Platine aufzubringenden elektronischen Bauelemente "drahtgeschrieben".

Aus der DE-PS 32 47 344 ist ein Verfahren zum Aufbringen von vorgeformten Leiterzügen auf eine Trägerplatte zum Herstellen von Leiterzugmustern bekannt, bei dem ein der Drahtschreibung vorausgehender Verfahrensschritt der Fertigung einer mit metallischen Anschlußflächen versehenen Platte zu Grunde liegt.

Diese als Schaltungsunterlage benutzten Isolierstoffplatten weisen auf ihrer Oberfläche an jedem Punkt, an dem ein Leiterzug beginnt oder endet ein Metallplättchen auf. Die als Anschlußflächen benutzten Metallplättchen sind entweder in die vorgefertigte Basisplatte eingegossen und stellen so eine leitende Verbindung zwischen beiden Oberflächen der zu fertigenden Leiterplatte dar, oder befinden sich nur auf der die Leiterzüge tragenden Seite dieser. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der eigentlichen Drahtschreibung der Prozeß der Herstellung einer Trägerplatte vorangehen muß, die maßhaltig und formbeständig im Bezug auf später auf diese aufzubringende elektronischen Bauelemente die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente besitzt, und so in Folge während des Übergangs zum Prozeß der Drahtniederlegung eine Anpassung der Trägerplattenabmessungen an die Drahtschreibevorrichtung erfolgen muß. Bei diesem Verfahren sind für die Leiterzüge entweder nur eine, oder maximal beide Oberflächen der die Schaltung tragenden Isolierstoffplatte als Verdrahtungsebenen verfügbar, was sich bei erhöhter Packungsdichte heutiger Platinen zum Nachteil auswirkt.

Um Kontaktfläche zum Anschluß des Drahtes zu finden müssen hier gegebenenfalls zusätzlich zur Lötfläche der später aufzubringenden elektronischen Bauelemente die Metallplättchen unnötiger Weise größer demissioniert werden, was wiederum die Packungsdichte der herzustellenden Platine einschränkt.

Aus der DE 25 08 545 ist ein Verfahren zum maschinellen Verlegen von Schaltdrähten bekannt, bei dem eine mehrlagige Anordnung von Verdrahtungsebenen in der Drahtschreibung dargestellt wird.

Hier kommen ebenfalls vorgefertigte, Leiterzüge tragende Isolierstoffplatten mit den oben benannten Nachteil zum Einsatz. Die im Herstellungsprozeß anschließende Schichtung der einzelnen Trägerplatten zwingt zu einer Passervorrichtung, die die Universalität dieses Verfahrens einschränkt.

Ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von elektronischen Mikrobausteinen ist ebenfalls aus der DE-OS 23 26 861 bekannt, das sich im Wesentlichen an die Vorgehensweise nach DE 32 47 344 anlehnt. Im Unterschied zu diesem werden hier Schaltungsträger für elektrische Bauelemente geschaffen, die gehäuselos sind oder eine spezielle, auf diese Platinenart angepaßte Gehäuseform besitzen.

In der US 4 627 162 wird ein Verfahren zum Herstellen einer drahtgeschriebenen Leiterplatte beschrieben, bei welchem die die Kontaktflächen zum Anbringen der elektronischen Bauelemente tragende Plattenoberfläche in einem getrennten Prozeßschritt mit der die Drähte des Leiterzugnetzwerkes tragenden Schicht in Verbindung gebracht wird. Hierbei entsteht wiederum der Nachteil einer aufwendigen maßhaltigen Anpassung der verschieden vorgefertigten Schaltungsträgerschichten. Außerdem wird hier zum Aufbringen des Leiterzugnetzwerkes mit einer Hilfsvorrichtung, die mit in festgelegtem Rastermaß angebrachten Stützstellen in Nadelform ausgebildet ist, gearbeitet. Die Festlegung auf ein Rastermaß schränkt die wahlfreie Anordnung der auf der Leiterplatte anzubringenden elektronischen Bauelemente ein. Ebenso liegen in US 4 627 162 die Leiterbahnzüge tragenden Ebenen entweder nur auf einer oder beiden Oberflächen der Leiterplatte und die zu erreichende Packungsdichte der elektronischen Bauelemente wird dadurch relativ gering gehalten.

Aus dem "Handbuch der Leiterplattentechnik" des Eugen G. Leuze Verlages in D-7968 Saulgau sind zwei verschiedene diskrete Verbindungsarten, hier genannt als "Multiwire-" und "Microwire"-Verbindungstechniken zum Stand der Technik gehörend aufgeführt.

In der "Multiwire"-Technik werden die Leiterdrähte ein- oder beidseitig auf einer kleberbeschichteten Trägerplatte verlegt. Eine höhere Schaltungsdichte bei Einschränkung auf zwei Schaltungsebenen wird hier durch Reduzierung des Drahtdurchmessers auf 0.1 mm und geringerem Rasterabstand der Drähte und darüber hinaus durch die Verwendung von Stromversorgungsebenen aus leitfähigem Material innerhalb der Leiterplatte erreicht. Ebenso werden in diesem Verfahren Abschirmungs­ bzw. Kühlungsebenen aus elektrisch leitfähigem Material in der Leiterplatte innenliegend zur Verwendung gebracht.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der elektrischen Ankontaktierung der auf die Platine aufzubringenden Bauelementanschlußflächen. Diese Ankontaktierung wird mittels Bohren der Trägerplatte und anschließender Verkupferung dieser und der an den Bohrungsrändern anliegenden Drahtenden erreicht. Hier muß zusätzlich zur Verfahrenstechnik der präzise durchzuführenden Drahtverlegung der aufwendige Prozeß einer Verkupferung zum Einsatz gelangen.

In der "Microwire"-Technik werden zur weiteren Steigerung der Packungsdichte der elektronischen Schaltung die Drahtdurchmesser nochmals verringert. Außerdem gelangen auch hier Stromversorgungs- und Kühlungsebenen zum Einsatz. Nach dem durch sehr präzise durchgeführten Drahtbeschreiben der Signalebenen werden Bohrungen zum Ankontaktieren der Signalleitungen sowie der Stromversorgungs- und Masseebenen hergestellt.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der gleichzeitigen Anwendung einer sehr genauen Drahtschreibung und der technisch aufwendigen Verkupferung von Bauelementanschlußflächen und Bohrungen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung einer drahtgeschriebenen Leiterplatte oder Platine mit Hilfe einfacher und wirkungsvoller Mittel.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren der im Patentanspruch 1 angegebenen Art, welches nach den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15 vorteilhaft weitergebildet wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 16 mit der Weiterbildung der Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 17.

Insbesondere ist ein Verfahren zur Herstellung drahtgeschriebener Leiterplatten gekennzeichnet durch ein partielles Einfüllen einer härtbaren Isoliermasse in einer oben offenen Gießform, deren Größe der vorgegebenen Leiterplattenform entspricht, ein Positionieren von vorgefertigten, im wesentlichen gleich hohen, elektrisch leitfähigen Kontaktelementen, Aushärten der Isoliermasse, so daß die aus der gehärteten Masse hervorstehenden Kontaktelemente vorläufig fixiert werden, ein Verlegen von Drähten und Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen entsprechenden elektrisch leitfähigen Kontaktelementen nach einem vorgegebenen Schaltungsmuster, wobei sich die Drähte im Falle einer eigenen Drahtisolierung beliebig oft, jedoch begrenzt durch die Leiterplatten-Endhöhe und die verwendeten Drahtdurchmesser, kreuzen können und bei selbst nicht isolierten Drähten für eine Drahtkreuzung ein elektrisch nicht leitendes Material, insbesondere ein elektrisch nicht leitendes Folienstück zumindest im Bereich der Drahtkreuzung zwischengeordnet sein kann, folgendes Auffüllen der Gießform mit aushärtbarer Isoliermasse bis zur Endhöhe der Kontaktelemente und Aushärten der Masse zwecks Fixierung der Drähte und Kontaktelemente, wobei die Masse drucklos oder durch Vorsehen einer Abschlußplatte unter Druck eingebracht wird, und schließlich ein Entnehmen der ausgehärteten Leiterplatte aus der Gießform.

Ebenso können noch vor dem partiellen Einfüllen der härtbaren Isoliermasse die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente positioniert werden. Es kann vorgesehen sein, daß vor einem Positionieren der Kontaktelemente zwecks vorläufiger Fixierung derselben ein Haft- oder Klebeschicht in die Gießform ein- oder aufgebracht, insbesondere aufgesprüht wird, wobei auf der Haft- oder Klebeschicht zusätzlich eine Verdrahtungsebene ausgebildet sein kann. Ein Fixieren positionierter Kontaktelemente kann auch durch Magnetschluß, beispielsweise durch magnetisch auf der Unterlage haftende Elemente, erfolgen.

Auch kann zwecks Erhöhung der Packungsdichte der Leiterplatte vorgesehen sein die Leiterplatte aus mehreren in Isolierstoff eingegossenen Verdrahtungsebenen auszubilden, wobei die Anzahl der Verdrahtungsebenen durch die Leiterplattenendhöhe und die verwendeten Drahtdurchmesser begrenzt wird.

Das Positionieren der Kontaktelemente erfolgt bevorzugt durch Setzen der Kontaktelemente über eine mit einem elektronischen Rechner verbundene 3- oder Mehr-Koordinatensetzmaschine.

Eine besonders gute Fixierung von Drähten ergibt sich, wenn nach dem Aushärten einer Isolierschicht und vor der Drahtverlegung bzw. Drahtverschreibung ein Klebefilm auf der Oberfläche der Isolierschicht aufgesprüht wird.

Insbesondere kann nach einem Verlegen der Drähte einer Verdrahtungsebene in das Trägermaterial eine vorgefertigte, die durchgehenden Aussparungen für die Kontaktelemente enthaltende Materialschicht, vorzugsweise aus Metall, zwecks Steifigkeitserhöhung, elektromagnetischer Abschirmung, Kühlung und/oder zwecks Stromversorgung durch nachträgliches Verbinden mit den Kontaktelementen, eingegossen bzw. aufgesetzt oder aufgeklebt werden, wobei die Aussparungen vorzugsweise durch Spanen oder durch Laser mit Übermaß vorher aus der Materialschicht herausgearbeitet werden.

Vor einer Endmontage der Platine werden bevorzugt die Leiterplatten-Oberseite und/oder die Leiterplatten-Unterseite plan bearbeitet, insbesondere abgeschliffen, um die gewünschte exakte Endhöhe der Platine einzurichten und die Anschlußflächen der elektrisch leitfähigen Kontaktelemente zu optimieren bzw. zu säubern.

Die verwendeten elektrischen Kontaktelemente einer erfindungsgemäß gefertigten Leiterplatte weisen an der Leiterplattenoberfläche eine zur Montage der Verschiedenen Bauelemente notwendige, genau angepaßte Form auf, und die Höhe der Kontaktelemente entspricht bei beidseitig aus der Leiterplattenoberfläche austretenden Kontaktelemente vorzugsweise der Leiterplattenendhöhe oder bei nur einseitig aus der Leiterplatte austretenden Kontaktelementen einer geringeren Höhe als der Leiterplattenendhöhe.

Da die an den Bauelementanschlüssen in ihrem Abmaß orientierten Kontaktelemente bei kleinen Bauelementgrößen schwierig an den zur Drahtschreibung verwendeten Draht anzukontaktieren sind, können die hier zum Einsatz gelangenden Kontaktelemente eine vergrößerte Drahtanschlußfläche aufweisen oder ebenso im Falle kleiner Bauelementgrößen in vorteilhafter zu verarbeitenden Kontaktelementmodulen vorgefertigt werden.

Auch kann eine erfindungsgemäß gefertigte Leiterplatte bei entsprechender Ausbildung der Gießform in eine dreidimensionale, nicht ebene Form gebracht werden.

Während eines zwischen zugeordneten Kontaktelementen mit Hilfe der Drähte vollzogenen Verbindungsaufbaus kann gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit der Leitungsverbindung kontrolliert werden.

Werden an Stelle der in die Leiterplatte in Isolierstoff eingegossenen Kontaktelemente die Anschlußdrähte von THD-Bauelementen bzw. die Anschlußflächen von SMD-Bauelementen verwendet, können die Kontaktelemente entfallen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung drahtgeschriebener Leiterplatten kennzeichnet sich vor allem durch eine mit einem elektronischen Rechner verbundene 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine zum Setzen der Kontaktelemente in einem gewünschten Schaltungsmuster, wobei die Arbeitsfläche der Setzmaschine den Boden der oben offenen Gießform bilden kann und der Umfangsrahmen der Gießform durch Randklötze gebildet sein kann, welche insbesondere auf der Arbeitsfläche der Setzmaschine verschiebbar oder versetzbar sind, eventuell durch eine hydraulische Hilfskraft.

Die Setzmaschine weist bevorzugt einen 3- oder mehrdimensional verstellbaren Setzarm mit einer Positionierungsklammer zum Positionieren der elektrisch leitenden Kontaktelemente und/oder mit einer Führungsklammer zur Drahtverlegung bzw. Drahtverschreibung auf, wobei vorzugsweise nach einem Positionieren die Positionierungsklammer gegen die Führungsklammer auf dem Setzarm austauschbar ist.

Eine erfindungsgemäß gefertigte Leiterplatte kennzeichnet sich also vor allen Dingen durch eine erste Leiterplattenschicht aus ausgehärteter Isolierstoffmasse mit oberseitiger Drahtverschreibung und eine zweite die Drahtverschreibung einhüllende und fixierende Leiterplattenschicht aus ausgehärteter Isolierstoffmasse, wobei die Leiterplattenschichten elektrisch leitende, positionierte Kontaktelemente, oben und/oder unten bündig die Leiterplattenschichten durchdringend, fixieren. Die Ober- und/oder die Unterseite der Leiterplatte sind plangeschliffen, wobei die Leiterplatte aus mehr als einer in Isolierstoff eingegossenen Verdrahtungsebene ausgebildet sein kann. Die Kontaktelemente sind zweckmäßigerweise Metallhülsen und/oder Metallquader aus elektrisch leitenden Material, insbesondere Elektrokupferelemente.

Die Erfindung zielt mithin darauf ab, sämtliche Leitungen deutlich innerhalb der Platine oder beispielsweise bei hoher Packungsdichte auch sehr knapp unter der Oberfläche zu verlegen. Durchkontaktierungen und Bohrungen bei der Fertigung, mit Ausnahme der mechanischen Befestigungen von speziellen Bauelementen, entfallen.

Ein technologischer Unterschied zu den oben genannten bekannten Verfahren besteht darin, daß die vorgefertigten, elektrischen Kontaktelemente gleichzeitig auf der fertiggestellten Platine eine für die Befestigung der elektronischen Bauelemente definierte Oberflächen ausbilden, gleichzeitig einen Knotenpunkt im Verdrahtungsnetzwerk bilden und zudem, bei gleicher Höhe, die der Platinenendhöhe entspricht, eine Durchkontaktierung von Platinenoberseite zu Platinenunterseite darstellen, und diese zur Ausbildung des Verdrahtungsnetzwerkes innerhalb der Platine durch Drahtverschreibung ankontaktiert werden.

Für Bauelemente in Steckgehäuseform sind Metallröhrchen mit entsprechendem Innen- und Außendurchmesser vorgesehen.

Bei anderen Elementen, wie z. B. SMD-Widerständen, SMD-ICs, etc., kommen Metallquader mit entsprechenden Oberflächenabmaßen zur Verwendung.

Die Vorteile der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen durch Drahtschreibungsverfahren hergestellte Platinen lassen sich u. a. in den folgenden Punkten aufführen:
Da keine Drähte auf den Oberflächen der Platinen aufgebracht sind steht somit für die Bestückung der elektronischen Bauelemente eine größtmögliche Platinenoberfläche zur Verfügung.

Die Drahtverschreibung der innerhalb der Platine eingebetteten Drähte darf in einer geringen Präzision erfolgen, da ein nachträgliches Anbohren zum Ankontaktieren der Drähte entfällt.

Der Vorgang des Bohrens von Anschlußöffnungen für THD-Bauelementen und Bohrungen zum Ankontaktieren verlegter Drähte entfällt vollständig.

An den längs den Kontaktelementen innerhalb der Platine liegenden Umfangsflächen dieser wird ein in Vergleich zu nur auf den Platinenoberflächen liegenden Kontaktelementen großer Anschlußbereich für die Drähte ausgebildet, was höhere Packungsdichten ermöglicht.

Zusätzliche Metallisierungen der Platinenoberfläche an Anschlußpunkten der elektronischen Bauelemente sind nicht mehr notwendig. Somit entfällt der Einsatz einer Galvanisieranlage, was umweltfreundlich ist.

Die im Sinne der Erfindung gefertigte Leiterplatte unterscheidet sich im weiteren Gebrauch nicht von einer in einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Leiterplatte.

Maschinelle Bestückungsverfahren und Aufdrucktechniken für Bauelementbezeichnungen können weiterhin zum Einsatz gelangen.

Auch ist die Herstellung dreidimensionaler, nicht ebener Leiterplatten möglich.

Die Fixierung der elektrisch leitenden Kontaktelemente kann nicht nur durch Haftvermittlerauftrag, sondern auch z. B. durch Magnete erfolgen.

Gegebenenfalls können die Bauelementanschlüsse ebenfalls innerhalb der Platine liegen, wobei dann einzelne Kontaktelemente entfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine fertiggestellte Leiterplatte oder Platine ähnlich Fig. 6, jedoch mit nur einer inneren Verdrahtungsebene,

Fig. 2 die in Fig. 1, Fig. 6 oder Fig. 7 veranschaulichte Leiterplatte in einem Verfahrensschritt ihrer Herstellung unter Darstellung einer die positionierten, elektrisch leitenden Kontaktelemente, nach Fig. 8, fixierenden Isolierstoffschicht,

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2 in einem nachfolgenden Herstellungsschritt der Leiterplatte mit zusätzlicher Darstellung von Drahtverbindungen zwischen den elektrisch leitenden Kontaktelementen,

Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 3 mit zusätzlicher Drahtüberkreuzung in einer Verdrahtungsebene,

Fig. 5 die Anordnung nach Fig. 3 während der Ausbildung einer nächsten Verdrahtungsebene,

Fig. 6 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leiterplatte oder Platine in einer schematisch perspektivischen Darstellung mit elektrisch leitenden Kontaktelementen nach Fig. 8, mit zwei inneren Verdrahtungsebenen,

Fig. 7 eine fertiggestellte Leiterplatte ähnlich Fig. 1 mit zusätzlich eingebrachter Metalleinlage zur Verstärkung, Kühlung, für eine elektromagnetische Abschirmung und/oder für eine Stromversorgung durch nachträgliches Verbinden mit den elektrisch leitenden Kontaktelementen,

Fig. 8 Beispiele einzelner elektrisch leitender Kontaktelemente in Form von Metallhülsen und Metallquadern in verschiedenen Höhen und verschiedenen Querschnittsformen,

Fig. 9 Beispiele von Kontaktelementen die in vorgefertigter Modulbauweise an Stelle einzeln zu setzender elektrisch leitender Kontaktelemente zum Einsatz gelangen können,

Fig. 10 eine Führungsklammer eines Setzarm einer mit einem elektronischen Rechner verbundenen 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine in einer schematischen perspektivischen drahtverschieblichen Stellung während einer Drahtverlegung (links) und einer Haltestellung des Drahtes während einer elektrischen Leitungsanbindung an ein zugeordnetes Kontaktelement (rechts), und

Fig. 11 die fertiggestellte Leiterplatte nach Fig. 6 mit zusätzlicher Darstellung oberseitig angebrachter elektronischer Bauelemente.

Um eine drahtgeschriebene Leiterplatte oder Platine 1 gemäß Fig. 1 unter Verwendung von elektrisch leitenden Kontaktelementen 2, 3 nach Fig. 8 in Verbundbauweise herzustellen, sind folgende sechs Verfahrensschritte grundsätzlich erforderlich:

• - Einfüllen einer aushärtbaren Isoliermasse in die Gießform zwecks Ausbildung einer ersten elektrisch isolierenden Leiterplattenschicht 4 beispielsweise gemäß Fig. 2.
• - Positionieren von im wesentlichen gleich hohen, elektrisch leitfähigen, vorgefertigten Kontaktelementen 2, 3 beispielsweise gemäß Fig. 2 in einer (nicht veranschaulichten) oben offenen Gießform mit einem Umfangsrahmen entsprechend einer vorgegebenen Form einer zu fertigenden Leiterplatte 1, wobei das Positionieren der Kontaktelemente 2, 3 vorzugsweise über eine mit einem elektronischen Rechner verbundene (nicht veranschaulichte) 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine erfolgt.
• - Aushärtung der Isoliermasse zwecks Fixierung der aus der ersten Leiterplattenschicht 4 beispielsweise gemäß Fig. 2 hervorstehenden, elektrisch leitenden Kontaktelemente.
• - Verlegen der Drähte 8 gemäß Fig. 3 zwischen zugeordneten Kontaktelementen 2, 3 auf der ersten Leiterplattenschicht 4 mit Herstellung einer elektrischen Leitungsverbindung 10, 11 zwischen den zugeordneten Kontaktelementen entsprechend dem vorgegebenen Schaltungsmuster.
• - Weiteres Füllen der Gießform mit aushärtbarer Isoliermasse bis zur gewünschten Leiterplatten-Endhöhe im Bereich der Endhöhe der elektrischen Kontaktelemente zwecks Ausbildung einer zweiten, elektrisch isolierenden Leiterplattenschicht 5 gemäß Fig. 1 und Fixierung der verlegten Drähte 8 sowie weiterer Fixierung der elektrischen Kontaktelemente.
• - Entfernen der ausgehärteten Leiterplatte 1 gemäß Fig. 1 aus der Gießform.

Eine erfindungsgemäße Herstellung einer Leiterplatte 1 läßt sich beispielhaft in mehreren Arbeitsschritten erklären:
Design und Entwurf der elektronischen Schaltung erfolgen auf einer CAD-Station.

Partielles Einfüllen einer aushärtbaren Isoliermasse in einer oben offenen Gießform zur Ausbildung einer Isolierschicht 4 gemäß Fig. 1. Bauelementdaten, Abstände der Anschlußpins von THD-Bauelementen, SMD-Anschlußflächen 16, 17 gemäß Fig. 8 usw., gehen von einem Rechner an eine numerisch gesteuerte Setzmaschine, die die entsprechenden, vorgefertigten, elektrisch leitenden Kontaktelemente 2, 3 in die mit einer ersten Leiterplattenschicht 4 gefüllte Gießform maßgerecht einsetzt. Zur Fixierung der Kontaktelemente erfolgt eine Aushärtung der Isolierschicht 4 gemäß Fig. 2.

Alternativ wäre es möglich, als ersten Arbeitsschritt zur vorläufigen Fixierung der Kontaktelemente einen Klebefilm in die Gießform einzubringen (nicht gezeigt), als zweiten Arbeitsschritt die elektrisch leitfähigen Kontaktelemente maßgerecht auf die Grundplatte der Gießform aufzusetzen und als dritten Arbeitsschritt die erste Isolierstoffschicht 4 gemäß Fig. 1 partiell einzufüllen und diese zwecks Fixierung der Kontaktelemente auszuhärten. Die Klebeschicht kann ebenfalls mit einer Verdrahtungsebene ausgestattet sein.

Darüber hinaus ist es zweckmäßig, nach dem Aushärten der ersten isolierenden, die elektrischen Kontaktelemente fixierenden Leiterplattenschicht 4 einen elektrisch nicht leitenden Klebefilm auf dieser Schicht 4 zur Justierung des zu verlegenden Drahtes aufzusprühen.

Zur eigentlichen Drahtverlegung bzw. Drahtverschreibung findet ein vorzugsweise isolierter (z. B. mit einer Lackschicht versehener) Draht 8, vorzugsweise Elektrokupferdraht, Verwendung.

Der Drahtanfang wird beispielsweise in eine schematisch in Fig. 10 gezeigte Führungsklammer 9 eingeführt und in einer Haltestellung der Führungsklammer beispielsweise gemäß Fig. 10, rechts, gehalten sowie an den anzuschließenden elektrisch leitenden Kontaktelementen 2, 3 angelegt und anschließend elektrisch leitend verbunden, insbesondere verschweißt, verlötet oder leitgeklebt.

Ist ein Leitungsanschluß 10, 11 mit einem Kontaktelement 2 bzw. 3 hergestellt, wird die Führungsklammer 9 in eine drahtverschiebliche Verlegestellung verdeutlicht in Fig. 10, links, gelöst und dann der Draht mit Hilfe der Führungsklammer 9 auf der vom elektronischen Rechner vorgegebenen Bahn durch Verschieben der Führungsklammer längs der Bahn verlegt (wobei Kreuzungsstellen von Drähten 12 gemäß Fig. 4 vorgesehen sein können, und bei kreuzungsfreien Drahtverlauf auch ein nicht isolierter Draht verwendet werden kann).

Ist ein Draht 8 bis zu seinem Drahtende verlegt, wird das mittels der Führungsklammer 9 in der Haltestellung beispielsweise gemäß Fig. 10, rechts, festgehaltene Drahtende auch dort an das anzuschließende, elektrisch leitende Kontaktelement seitlich angelegt und elektrisch leitend verbunden, insbesondere verschweißt, verlötet oder leitgeklebt.

Während des Verbindungsaufbaus kann gleichzeitig auch die elektrische Leitfähigkeit der Leitungsverbindung kontrolliert werden.

Der verbleibende Restraum zwischen der ersten Isolierstoffschicht 4 und der vollen Stärke der Platine kann nun durch weiteres Auffüllen der Gießform mit aushärtbarer Isoliermasse bis zur Endhöhe der Kontaktelemente entweder drucklos oder durch Vorsehen einer Abschlußplatte unter Druck ausgefüllt werden. Das nachfolgende Aushärten der so entstandenen, in Isolierstoff eingegossenen Verdrahtungsebene 5 dient gleichzeitig auch zur weiteren Fixierung der Kontaktelemente und zur Fixierung der innerhalb der Platine liegenden Drähte.

Bei Leiterplatten mit hoher Packungsdichte sind die Schritte des Aufbringens des Klebefilms, der Drahtbeschreibung, Anschlußherstellung und Auffüllung mit aushärtbarer Isoliermasse des öfteren möglich, so daß sich eine Mehrfachschichtung der Verdrahtungsebenen beispielsweise gezeigt in Fig. 6 mit erster Verdrahtungsebene 5 und zweiter Verdrahtungsebene 6 ergibt.

Eine Veranschaulichung einer auf einer in Isolierstoff eingegossenen und ausgehärtete Verdrahtungsebene 5 beispielsweise zweiten Drahtverschreibung zeigt Fig. 5.

Zusätzlich kann nach einem Verlegen der Drähte einer Verdrahtungsebene 5 oder 6 in die Isolierstoffmasse eine vorgefertigte, die durchgehenden Aussparungen für die Kontaktelemente enthaltene Materialschicht 19 beispielsweise gemäß Fig. 7, zwecks Steifigkeitserhöhung, elektromagnetischer Abschirmung, Kühlung und/oder zwecks Stromversorgung durch nachträgliches Verbinden mit den Kontaktelementen, eingegossen bzw. aufgesetzt oder aufgeklebt werden.

Die zur Verwendung kommenden, elektrisch leitenden Kontaktelemente sollen aus Metall bestehen, vorzugsweise Elektrokupfer, sind in ihrer Höhe der zu fertigenden Leiterplatte angepaßt und besitzen in ihrem, vorzugsweise an der aus der Leiterplatte austretenden Fläche, gefertigten Querschnitt eine zur Anschlußfläche der elektronischen Bauelemente definierte Form.

Sie können Metallhülsen 2 gemäß Fig. 8a bis 8c in verschiedenen Ausführungsformen sein, die definierte Lötanschlußflächen 16, 17 für eine Bauelementmontage und definierte Öffnungen 15 zur Aufnahme der Bauelementpins von THD-Bauelementen besitzen.

Sie können Metallquader 3 gemäß Fig. 8d bis 8f in verschiedenen Ausführungsformen sein, die definierte Lötanschlußflächen 16, 17 zur Kontaktierung von SMD-Bauelementpins besitzen, und beispielsweise zur besseren Drahtkontaktierung bei Fine-Pitch SMD-Bauelementen eine vergrößerte Anschlußfläche 18 gemäß Fig. 8 aufweisen.

Die elektrischen Kontaktelemente können, um den Verfahrensprozeß des Setzens mittels einer numerisch kontrollierten Setzmaschinen zu beschleunigen, aus vorgefertigten Modulen 20, 21 beispielsweise gezeigt in Fig. 9a oder 9b bestehen, die aus den zuvorgenannten, elektrisch leitenden Kontaktelementen 3 oder 2 mit zwischengelagerten, aus Isolierstoffmasse bestehenden Abstandsräumen in ihrer Form gehalten werden, und somit an standardisierte, elektronische Bauelemente und deren Anschlußpins bzw. Anschlußflächen in maßhaltiger Form angepaßt sind.

Nach Aushärtung der in Isolierstoff eingegossenen letzten Verdrahtungsebene 5 in Fig. 1 oder Fig. 7 oder Verdrahtungsebene 6 nach Fig. 6 wird diese aus der Gießform genommen und vorzugsweise die Oberseite 13 und die Unterseite 14 der Leiterplatte plan geschliffen, um eine maßhaltige Anpassung an die später zu bestückenden elektronischen oder mechanischen Bauelemente zu schaffen.

Im weiteren Gebrauch unterscheidet sich die im Sinne der Erfindung gefertigte Leiterplatte nicht von einer in einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Leiterplatte, jedoch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch auf 3-dimensionale, nicht ebene Schaltungsträger anzuwenden und somit eine andersgeartete Gebrauchsform der Leiterplatte in einfacher Weise herzustellen.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von drahtgeschriebenen Leiterplatten (1), gekennzeichnet durch

• - partielles Einfüllen einer härtbaren Isoliermasse (4) in eine oben offenen Gießform, deren Größe der vorgegebenen Leiterplattenform entspricht,
• - Positionieren von vorgefertigten, im wesentlichen gleich hohen, elektrisch leitenden Kontaktelementen (2, 3) zur Bauelementfixierung,
• - Aushärten der Isoliermasse (4), so daß die aus der gehärteten Masse hervorstehenden Kontaktelemente (2, 3) vorläufig fixiert werden,
• - Verlegen von Drähten (8) und Herstellung von elektrischen Verbindungen (10, 11) zwischen entsprechenden Kontaktelementen (2, 3), wobei sich die Drähte (8) im Falle einer eigenen Drahtisolierung beliebig oft, jedoch begrenzt durch die Leiterplatten-Endhöhe und die verwendeten Drahtdurchmesser, kreuzen können und bei selbst nicht isolierten Drähten für eine Drahtkreuzung (12) ein elektrisch nicht leitendes Material, insbesondere ein elektrisch nicht leitendes Folienstück zumindest im Bereich der Drahtkreuzung (12) zwischengeordnet sein kann,
• - Auffüllen der Gießform mit aushärtbarer Isoliermasse (5) bis zur Endhöhe der Kontakelemente (2, 3) und Aushärten der Masse (Fixierung der Drähte (8) und der Kontaktelemente (2, 3)), wobei die Masse
• - drucklos oder
• - durch Vorsehen einer Abschlußplatte unter Druck

eingebracht wird,

• - Herausnehmen der ausgehärteten Leiterplatte (1) aus der Gießform.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem partiellen Einfüllen der härtbaren Isoliermasse (4) die elektrisch leitenden Kontaktelemente (2, 3) positioniert und ggf. fixiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Fixieren der Kontaktelemente (2, 3) zwecks vorläufiger Fixierung derselben eine Haft- oder Klebeschicht in die Gießform ein-/aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, wird, wobei auf der Haft- oder Klebeschicht eine Verdrahtungsebene ausgebildet sein kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (2, 3) mittels Magnete fixiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte aus mehr als einer in Isolierstoff eingegossenen Verdrahtungsebene (5, 6), deren Anzahl jedoch begrenzt durch die Leiterplattenendhöhe und die verwendeten Drahtdurchmesser ist, ausgebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionieren der Kontaktelemente (2, 3) durch Setzen der Kontaktelemente über eine mit einem elektronischen Rechner verbundene 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aushärten der ersten Isolierschicht (4) bzw. einer in Isolierstoff eingegossenen Verdrahtungsebene (5) und vor der Drahtverlegung bzw. Drahtverschreibung ein Klebefilm zwecks Justierung des Drahtes (8) auf dieser aufgesprüht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Verlegen der Drähte (8) einer Verdrahtungsebene in das Trägermaterial (5, 6) eine vorgefertigte, die durchgehenden Aussparungen für die Kontaktelemente (2, 3) enthaltende Materialschicht (19), vorzugsweise aus Metall, zwecks Steifigkeitserhöhung, elektromagnetischer Abschirmung, Kühlung und/oder zwecks Stromversorgung durch nachträgliches Verbinden mit den Kontaktelementen (2, 3), eingegossen bzw. aufgesetzt oder aufgeklebt wird, wobei die Aussparungen vorzugsweise durch Spanen oder durch Laser mit Übermaß vorher aus der Materialschicht herausgearbeitet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatten-Oberseite (13) und/oder die Leiterplatten-Unterseite (14) planbearbeitet, insbesondere abgeschliffen, wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Leiterplattenoberflächen (13, 14) austretenden Kontaktelement-Oberflächen (16, 17) in einer zur Montage der verschiedenen Bauelemente notwendigen Form ausgebildet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente dergestalt angeordnet werden, daß die Höhe der bei beidseitig aus der Leiterplattenoberfläche (13, 14) austretenden Kontaktelemente (2, 3) der Leiterplattenendhöhe entspricht oder bei nur einseitig aus der Leiterplattenoberfläche austretenden Kontaktelementen einer geringeren als die der Leiterplattenendhöhe entspricht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (2, 3) entweder bei kleinen Abmessungen mit einer vergrößerten Anschlußfläche (18) für die Drähte (8) ausgebildet oder bereits im voraus in Kontaktelementmodulen (20, 21) vorgefertigt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine entsprechende Ausbildung der Gießform auch dreidimensionale, nicht ebene Leiterplatten hergestellt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während eines zwischen zugeordneten Kontaktelementen (2, 3) mit Hilfe der Drähte (8) vollzogenen Verbindungsaufbaus gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit der Leitungsverbindung kontrolliert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte der THD-Bauelemente (25, 26) bzw. die Anschlußflächen der SMD-Bauelemente (23, 24) als Kontaktelemente ausgebildet werden.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung drahtgeschriebener Leiterplatten nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem elektronischen Rechner verbundene 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine zum Positionieren der Kontaktelemente (2, 3) in einem gewünschtem Schaltungsmuster vorgesehen ist, wobei die Arbeitsfläche der Setzmaschine den Boden der oben offenen Gießform bildet und der Umfangsrahmen der Gießform durch Randklötze gebildet sein kann, welche insbesondere auf der Arbeitsfläche der Setzmaschine verschiebbar oder versetzbar sein können.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die 3- oder Mehr-Koordinaten-Setzmaschine einen Setzarm mit einer Positionierungsklammer zum Positionieren der Kontaktelemente (2, 3) und/oder mit einer Führungsklammer (9) zur Drahtverlegung bzw. Drahtverschreibung aufweist, wobei vorzugsweise nach einem Positionieren die Positionierungsklammer gegen die Führungsklammer (9) auf dem Setzarm austauschbar ist.