DE19954765A1 - Elektronischer Schaltungsträger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltungsträger, insbesondere eine elektronische Leiterplatte und ein Verfahren zu seiner Herstellung. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines elektronischen Schaltungsträgers, insbesondere einer Leiterplatte, bei denen eine lawinenartige Temperaturerhöhung durch aus einem Lötstopplack und/oder einem Schutzlack auf Epoxydharzbasis herrührender Polymerkettendämpfe auf der Leiterplattenoberfläche an den Stellen von relativ dicht aufliegenden, durch Vorerhitzung erwärmten Bauelementen zu verhindern. DOLLAR A Erfindungsgemäß besitzt die unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) befindliche lötstopplackfreie und/oder schutzlackfreie Fläche (11) mindestens die Größe der kritischen, hitzeabstrahlenden Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente. Vorteilhaft ist es, wenn die lötstopplackfreie Fläche (11) frei von Bauelemente verbindenden Leiterzügen (9) ist. DOLLAR A Hergestellt werden können die Aussparungen auf den elektronischen Schaltungsträgern mit Hilfe eines Lacksiebes zur Bedruckung, durch spezielle Ausführung eines für Belichtungsverfahren geeigneten Fotolayoutes, durch ein nachträgliches mechanisches Abtragen des Lackes oder durch eine Aussparung am elektronischen Schaltungsträger selbst.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltungs­ träger, insbesondere eine elektronische Leiterplatte und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In elektronischen Geräten werden in der Regel Leiterplat­ ten eingesetzt, die funktionell die Verbindung der ein­ zelnen Bauelemente untereinander entsprechend der zu rea­ lisierenden Schaltung übernehmen.

Diese Leiterplatten bestehen aus zumindest einem Träger­ material und darauf aufgebrachten, speziell strukturier­ ten Leiterzügen mit Kontaktflächen für die Aufnahme elek­ tronischer Bauelemente.

Das für die Leiterzüge verwendete Material ist vorzugs­ weise Kupfer, wobei die zu lötenden Kontaktflächen, die als runde oder rechteckige Flächen ausgelegt sein können, entweder metallisch blank bleiben bzw. passiviert werden oder heiß oder chemisch verzinnt werden. Alle anderen Flächen, wie auch die Leiterzüge selbst, werden zur Ver­ meidung von Oberflächenveränderungen durch Umweltein­ flüsse und zur Verhinderung von Lötzinnbrücken beim Löt­ schwallbad mit einer Lackschicht, mit einem sogenannten Lötstopplack, überzogen.

Aus konstruktiven und technologischen Gründen wird eine großflächige Beschichtung unter Freilassung der Kontakt­ flächen durchgeführt. Diese Lötstopplacke auf Epoxydharz­ basis haben also eine gute Abweisbarkeit gegenüber Fremd­ stoffen, besitzen die bekannte Temperaturfestigkeit aller Epoxydharze und sind in der Regel zur besseren Sichtbar­ keit speziell eingefärbt.

Für die Betriebsweise der unmittelbar auf der Leiterplat­ te angeordneten Bauelemente ist sicherzustellen, dass die DIN-Vorschrift EN 60065 eingehalten wird. Für den norma­ len und gestörten Betrieb sind in Abhängigkeit des Trä­ germaterials bestimmte Temperaturgrenzwerte einzuhalten. Die im gestörten Betrieb auftretenden Übertemperaturen werden entsprechend dieser Vorschrift durch Kurzschließen oder Abtrennen eines Widerstandes, eines Kondensators oder einer Induktionsspule bestimmt. Andere Lastverhält­ nisse bleiben dabei unberücksichtigt. In der Praxis kön­ nen jedoch Bauelemente ihre Eigenschaften so verändern, dass ein vom Kurzschluss- und Leerlauffall abweichender Zustand auftritt. Dieser kann dazu führen, dass die gemäß Standard zulässige Übertemperatur an der Leiterplatten­ oberfläche deutlich überschritten wird. Das ist besonders dann kritisch, wenn das fehlerhafte Bauelement in gerin­ gem Abstand auf der Leiterplattenoberfläche angeordnet ist, was besonders typisch für SMD-Bauelemente ist.

Unter diesen Bedingungen kann nicht ausgeschlossen wer­ den, dass die Übertragungstemperatur auf der Leiterplat­ tenoberfläche einen solchen Wert annimmt, dass der Versa­ gensbereich des Lötstopplackes erreicht wird. Dieser äu­ ßert sich in der Form, dass die Eigenschaften nicht mehr den vorgegebenen Anforderungen entsprechen und sich irre­ versibel verändern.

Wird in einem gestörten Betrieb der Versagensbereich er­ reicht, brechen die Polymerketten des Lötstopplackes auf. Dabei entweichen verschiedene Stoffe beispielsweise Bromwasserstoffsäure als "Feuerlöscher", aber auch leit­ fähige und daher sehr kritische Polymerkettendämpfe. Letztere schlagen sich dann auch am darüberliegenden Bau­ element als leitfähige Schicht nieder. Dabei entsteht eine niederohmige Kriechstromstrecke, die wiederum eine weitere Temperaturerhöhung zur Folge hat. So entsteht eine lawinenartige Temperaturerhöhung, die eine Quelle für Gefährdungsmöglichkeiten darstellt.

Den anfangs oben beschriebenen Vorteilen des Lötstopplac­ kes stehen also auch nachteilige Eigenschaften, wie oben und folgend beschrieben, entgegen. So ist in der DE 197 28 842 A1 eine schlechte Haftfestigkeit zwischen dem Lötstopplack und einem zusätzlich über dem Lötstopplack aufgebrachten elektrisch isolierenden Schutzlackes be­ schrieben, die dadurch verbessert wird, dass nur die Lei­ terzüge mit Lötstopplack beschichtet werden, um eine mög­ lichst große Fläche von der originalen die bessere Haf­ tung ermöglichende Leiterplattenoberfläche zur Verfügung zu haben. Es ist weiterhin bekannt, dass ein elektrisch hochisolierender Schutzlack mit hoher mechanischer Wider­ standsfähigkeit auf Epoxydharzbasis hergestellt ist und somit bei Temperaturüberhöhung ähnliche Effekte der Bil­ dung von leitfähigen Polymerkettendämpfen hervorruft, so dass mit diesem Schutzlack zwar durch äußere Verunreini­ gungen verursachte Kriechstromstrecken vermieden werden können, aber nicht die Kriechstromstrecken durch Diffusi­ on leitfähiger Polymere aus dem Lackinneren bei Tempera­ turüberhöhung. Folglich wird mit einer solchen Zusatziso­ lierung das hier vorliegende Problem nicht gelöst. Des­ weiteren müssen bei der alleinigen Beschichtung der Lei­ terzüge mit Lötstopplack auch deren Flanken mit beschich­ tet werden. Das bedeutet, dass für die Erstellung eines Drucksiebes für den Lötstopplack die Leiterzugbreiten des Originalleiterzugbildes um einen bestimmten Betrag auto­ matisch verbreitert werden müssen. Dazu wird ein aufwen­ diges und teueres Entwurfsprogramm benötigt.

Damit liegt der Zweck der vorliegenden Erfindung darin, das durch Erhitzen von Bauelementen erzeugte Entweichen leitfähiger, aus einem Lötstopplack und/oder einem Schutzlack auf Epoxydharzbasis herrührender Polymerket­ tendämpfe, die durch Aufdampfen an den an der Leiterplatte relativ dicht aufliegenden, als Wärmeursache sich herausbildenden Bauelementen eine Kriechstromstrecke bil­ den, zu verhindern. Es sollen die Brandsicherheit eines elektronischen Gerätes erhöht und Verschmorungsschäden mit den damit verbundenen Ersatzleistungen wegen Nichtre­ paraturfähigkeit eines Gerätes und Verunreinigungen all­ gemeiner Art durch Rauchschäden vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro­ nischen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu entwickeln, wobei eine lawinenartige Temperaturerhöhung auf einer Leiterplattenoberfläche an der Stelle eines relativ dicht aufliegenden durch Vorerhitzung erwärmten Bauelementes, das sich durch unbestimmte Störfälle als Störwärmequelle herausgebildet hat, zu verhindern. Der auf dieser Leiter­ plattenoberfläche befindliche Lack soll nicht permanent bis in seinen Versagensbereich erhitzt und belastet wer­ den. Es sollen sich permanent keine leitfähigen Polymer­ ketten an der Leiterplattenoberfläche an dem angrenzenden Bauelementen niederschlagen können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen elektroni­ schen Schaltungsträger entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltende Merk­ male sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben. Hergestellt werden diese Schaltungsträger durch jeweils ein Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der An­ sprüche 4 bis 7.

Damit wird das durch Erhitzen von Bauelementen erzeugte Entweichen leitfähiger und auf Epoxydharz basierender Po­ lymerkettendämpfe, die durch Aufdampfen an den an dar Leiterplatte relativ dicht aufliegenden, als Wärmeursache sich herausbildenden Bauelementen eine Kriechstromstrecke bilden, verhindert. Die Brandsicherheit von elektroni­ schen Geräten wird erhöht und Verschmorungsschäden mit den damit verbundenen Ersatzleistungen wegen Nichtreparaturfähigkeit eines Gerätes und Verunreinigungen allgemei­ ner Art durch Rauchschäden werden vermieden.

Weitere Vorteile sind bei der konstruktiven Gestaltung der lackfreien Flächen zu sehen. Beispielsweise sind bei der Erstellung der partiellen relativ kleinflächigen Aus­ sparungen für eine lötstopplackfreie Fläche am Layout des Lötstopplacksiebes einfachste manuelle Konstruktionsfer­ tigkeiten nötig. Mit dieser Methode sind Veränderungen in der Drucksiebgestaltung schnell, unkompliziert und billig realisierbar, ohne auf ein aufwendiges Entwurfssystem zu­ rückgreifen zu müssen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung an einem Aus­ führungsbeispiel und anhand von Zeichnungen näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Darlington-Stufe und

Fig. 2 deren Realisierung auf einer Leiterplatte gemäß dem Stand der Technik. In Fig. 1 sind zwei Bauelemente, bei­ spielsweise zwei Transistoren (1, 2), mit den Elektroden für Basis, Emitter und Kollektor (3', 4', 5' und 6', 7', 8') über die Verbindungsleitungen (9) zu einer Darlington- Stufe zusammengeschaltet. Fig. 2 zeigt eine Leiterplat­ te (10) mit der räumlichen Anordnung der Transisto­ ren (1, 2) und deren Anschluss-Kontaktflächen (3, 4, 5 und 6, 7, 8) für Basis, Emitter und Kollektor, den Verbindungs­ leitungen (9), einen lötstopplackfreien Raum (11) an den Anschluss-Kontaktflächen und eine großflächig ausgeführte Lötstopplackfläche (12).

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Lösung. Unter den bei­ den Bauelementen, beispielsweise den Transistoren (1, 2) ist eine lötstopplackfreie Fläche (11) zusätzlich zu den zu den bereits bestehenden lötstopplackfreien Flächen der Anschluss-Kontakte angeordnet. Das Ausmaß der lötstopp­ lackfreien Fläche (11) ist in der vorliegenden Zeichnung größer als die Projektionsfläche des sich darüber befindlichen Bauelementes (1.2). Sie muss aber mindestens die gleiche Größe wie die kritische, hitzeabstrahlende Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente besitzen. In der Pra­ xis kann die kritische, hitzeabstrahlende Fläche eines Bauelementes kleiner als seine Projektionsfläche sein. Im Vergleich zu Fig. 2 ist ferner ersichtlich, dass die löt­ stopplackfreien Flächen (11) durch Verlegung der Leiter­ züge (9) leiterzugfrei gestaltet sind. Das in der Abbil­ dung dargestellte Druckbild des Lötstopplackes mit seinen Aussparungen ist durch ein Siebdruckverfahren mit Hilfe eines speziell dafür entworfenen Drucksiebes hergestellt.

Claims (7)

1. Elektronischer Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte (10), mit darauf aufgebrachten Leiterzugs­ trukturen (9) für eine Leitungsverbindung, Kontaktflächen (3, 4, 5, 6, 7, 8) zum Kontaktieren von elektrischen Bauele­ menten und einem über die Leiterplatte großflächig unter Freilassung der Kontaktflächen aufgebrachten, auf Epoxyd­ harzbasis bestehenden Lötstopplack (12), dadurch gekenn­ zeichnet, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopplackfreie Fläche (11) mindestens die Größe der kritischen, hitzeabstrahlenden Fläche überhitzungsge­ fährdeter Bauelemente besitzt.

2. Elektronischer Schaltungsträger nach Anspruch 1 mit einer zusätzlich aufgebrachten, auf Epoxydharzbasis be­ stehenden Schutzlackierung, dadurch gekennzeichnet, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopp­ lack- und/oder schutzlackfreie Fläche (11) mindestens die Größe der kritischen, hitzeabstrahlenden Fläche überhit­ zungsgefährdeter Bauelemente besitzt.

3. Elektronischer Schaltungsträger nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die lötstopplack- und/oder schutzlackfreie Fläche (11) frei von Bauelemente verbin­ denden Leiterzügen (9) ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Schal­ tungsträgers nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopplack- und/oder schutzlackfreie Fläche (11) von mindestens der Größe der kritischen, hitzeabstrahlen­ den Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente im Sieb­ druckverfahren mit Hilfe eines dafür entworfenen Siebes zur Lackbeschichtung ausgespart wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Schal­ tungsträgers nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopplack- und/oder schutzlackfreie Fläche (11) von mindestens der Größe der kritischen, hitzeabstrahlen­ den Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente im Foto­ druckverfahren mit Hilfe eines dafür entworfenen Arbeits­ filmes ausgespart wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Schal­ tungsträgers nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopplack- und/oder schutzlackfreie Fläche (11) von mindestens der Größe der kritischen, hitzeabstrahlenden Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente durch ein nachträgliches mechanisches Abtragen des Lackes erzeugt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Schal­ tungsträgers nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass unter hitzegefährdeten Bauelementen (1, 2) eine lötstopplackfreie und/oder schutzlackfreie Fläche (11) von mindestens der Größe der kritischen, hitzeabstrahlen­ den Fläche überhitzungsgefährdeter Bauelemente durch eine Aussparung am elektronischen Schaltungsträger erzeugt wird.