FI117814B - Menetelmä elektroniikkamoduulin valmistamiseksi - Google Patents

Description

117814

Menetelmä elektronlikkamoduulin valmistamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä elektroniikkamoduulin valmistamiseksi. .

Erityisesti keksinnön kohteena on valmistusmenetelmä, jossa yksi tai useampi 5 komponentti upotetaan asennusalustaan. Valmistettava elektroniikkamoduuli voi olla piirilevyn kaltainen moduuli, joka sisältää useita komponentteja, jotka on liitetty sähköisesti toisiinsa elektroniikkamoduuliin valmistettujen johderakenteiden välityksellä. Erityisesti keksinnön kohteena on elektroniikkamoduuli, joka sisältää mikropiirejä, joihin liittyy useampia kontaktiterminaaleja. Mikropiirien lisäksi tai sijasta 10 asennusalustaan voidaan toki upottaa muitakin komponentteja, esimerkiksi passiivikom-ponentteja. Elektroniikkamoduuliin pyritään siis upottamaan sellaisia komponentteja, joita tyypillisesti liitetään koteloimattomana piirilevylle (piirilevyn pintaan). Toinen merkittävä komponenttiryhmä ovat komponentit, jotka tyypillisesti koteloidaan piirilevylle liittämistä varten. Keksinnön kohteena olevat elektroniikkamoduulit voivat 15 toki sisältää myös toisenlaisia komponentteja.

Asennusalusta voi olla tyypiltään sen kaltainen alusta, joita käytetään yleisesti elektroniikkateollisuudessa sähköisten komponenttien asennusalustana. Alustan tehtävänä on taijota komponentille mekaaninen kiinnitysalusta sekä tarvittavat sähköiset .‘. j yhteydet sekä alustalla oleviin muihin komponentteihin että alustan ulkopuolelle.

• * 20 Asennusalusta voi olla piirilevy, jolloin keksinnön kohteena oleva rakenne ja • m menetelmä liittyvät läheisesti piirilevyjen valmistustekniikkaan. Asennusalustana voi ··· ··· olla myös jokin muu alusta, esimerkiksi komponentin tai komponenttien paketoinnissa • · φ ♦ ; * ’ *: käytettävä alusta tai kokonaisen toiminnallisen moduulin alusta.

·*· . Piirilevyjen valmistustekniikat poikkeavat mikropiirien valmistuksesta mm. siten, että * * · "" 25 mikropiirien valmistustekniikoissa asennusalustana eli substraattina on puolijohde- • · • · *" materiaali, kun taas piirilevyjen asennusalustan perusmateriaalina on jokin eristemate- • ♦ · *·|·* riaali. Mikropiirien valmistustekniikat ovat myös tyypillisesti huomattavasti kalliimpia • · *·;·' kuin piirilevyjen valmistustekniikat.

• · • · » • · ·

Komponenttien ja erityisesti puolijohdekomponenttien koteloiden ja pakkausten • · 30 rakenteet ja valmistustekniikat poikkeavat piirilevyjen rakenteesta ja valmistuksesta 117814 2 siten, että komponenttipakkausten ensisijaisena tarkoituksena on muodostaa komponentin ympärille kotelo, joka suojaa mekaanisesti komponenttia ja helpottaa komponentin käsittelyä. Komponentin kotelon pinnalla on liitäntäosia, tyypillisesti ulokkeita, joiden avulla koteloitu komponentti on helppo asettaa oikein piirilevylle ja 5 muodostaa sille halutut kytkennät. Komponenttikotelon sisällä ovat lisäksi johteet, jotka yhdistävät kotelon ulkopuolelle ulottuvat liitäntäosat itse komponentin pinnalla oleviin liitäntäalueisiin, joiden kautta komponentti voidaan kytkeä halutulla tavalla ympäristöönsä.

Tällaiset perinteisellä tekniikalla valmistettujen komponenttien kotelot vaativat 10 kuitenkin huomattavasti tilaa. Elektroniikkalaitteiden koon pienentyessä on pyritty pääsemään eroon tilaa vievistä, tarpeettomista ja turhia kustannuksia muodostavista komponenttien koteloista. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on pyritty kehittämään erilaisia rakenteita ja menetelmiä, joiden avulla komponentteja voidaan sijoittaa piirilevyrakenteen sisään. Komponentti olisi edullisinta sijoittaa piirilevyn sisään 15 piirilevyn muodostamisen aikana.

Patenttijulkaisussa US 6,489,685 kuvataan yksi ratkaisu, jossa komponentteja sijoitetaan piirilevyn sisään piirilevyn muodostamisen aikana. Ratkaisussa valmistetaan tukialustan päälle j ohdekuvioita j a liitetään komponentti valmistettuihin j ohdekuvioihin.

:·. Tämän jälkeen johdekuvioiden ja komponentin päälle muodostetaan piirilevyn » · · * * : 20 perusmateriaalina toimiva eristekerros, jonka pinnalla voi olla lisää johdekuvio- • · kerroksia. Eristekerroksen muodostamisen jälkeen tukialusta irrotetaan rakenteesta.

• · • * * * * *···* Patenttijulkaisussa US 6,038,133 on kuvattu edellä esitetyn kaltaisen menetelmän • · · ·;;; lisäksi myös toinen ratkaisu, jossa komponentteja sijoitetaan piirilevyn sisään piirilevyn • · muodostamisen aikana. Toisessa ratkaisussa komponentit liimataan johtavalla liimalla , 25 kuparikaivoon ja tämän jälkeen kuparikaivon ja komponentin päälle muodostetaan • · · ”,V. piirilevyn perusmateriaalina toimiva eristekerros. Eristekerroksen muodostamisen * · • · *1* jälkeen kuparikaivosta valmistetaan johdekuvioita.

• · · * · * • « ·

Kansainvälisessä patenttihakemusjulkaisussa WO 03/065778 on kuvattu menetelmä, * · · . jossa alustaan valmistetaan ensin ainakin yksi johdirikuvio sekä läpireiät puolijohde- • * · 30 komponentteja varten. Tämän jälkeen reikiin sijoitetaan puolijohdekomponentit * · johdinkuvion suhteen kohdistettuina. Puolijohdekomponentit kiinnitetään alustan 117814 3 rakenteeseen ja alustaan valmistetaan yksi tai useampia johdinkuviokenoksia siten, että ainakin yksi johdinkuvio muodostaa sähköisen kontaktin puolijohdekomponentin pinnalla olevien kontaktialuciden kanssa.

Kansainvälisessä patenttihakemusjulkaisussa WO 03/065779 on kuvattu menetelmä, 5 jossa alustaan valmistetaan läpireiät puolijohdekomponentteja varten siten, että reiät ulottuvat alustan ensimmäisen ja toisen pinnan välillä. Reikien valmistamisen jälkeen alustarakenteen toisen pinnan yli levitetään polymeerikalvo siten, että polymeerikalvo peittää myös puolijohdekomponentteja varten valmistetut läpireiät alustarakenteen toisen pinnan puolelta. Ennen polymeerikalvon kovettamista tai osittaisen kovettamisen 10 jälkeen puolijohdekomponentit sijoitetaan alustaan valmistettuihin reikiin alustan ensimmäisen pinnan suunnasta. Puolijohdekomponentit painetaan polymeerikalvoa vasten siten, että ne kiinnittyvät polymeerikalvoon. Tämän jälkeen suoritetaan polymeerikalvon lopullinen kovetus ja valmistetaan lisää johdinkuviokerroksia siten, että ainakin yksi johdinkuvio muodostaa sähköisen kontaktin puolijohdekomponentin ; 15 pinnalla olevien kontaktialueiden kanssa.

Julkaisuissa WO 03/065778 ja WO 03/065779 kuvatuissa menetelmissä kontaktit komponentin kontaktinystyihin tai muihin kontaktialueisiin voidaan valmistaa läpivientimenetelmällä. Läpivientimenetelmällä voidaan valmistaa erittäin hyvälaat-uinen ja luotettava sähköinen kontakti komponenttiin. Tämä perustuu siihen, että * ·1·,· 20 kontaktin valmistamisessa voidaan käyttää kemiallista tai sähkökemiallista metallointi- 4 * menetelmää. Kontaktialueet on myös mahdollista puhdistaa ennen metallointia * · :***: esimerkiksi laserin tai plasman avulla. Toisaalta WO-julkaisuissa esitetyissä 4 · " ·: 1 menetelmissä komponentteja ei voida kontaktoida siihen johdekuviokerrokseen, joka on : välittömästi piirilevyn perusmateriaalina olevan eristekerroksen pinnalla.

25 Julkaisujen US 6,489,685 ja US 6,038,133 kuvaamissa menetelmissä on puolestaan se "!!f etu, että komponentti voidaan liittää suoraan siihen johdekerrokseen, joka on piirilevyn • · *·1 perusmateriaalina toimivan eristekerroksen pinnalla. Tämä on erittäin hyödyllinen • · · ominaisuus pyrittäessä valmistamaan kustannustehokkaasti pienikokoisia elektroniikka- • · *;1 moduuleja. US-julkaisujen menetelmissä komponentti on myös mahdollista kohdistaa • · : 30 suoraan johdekuvioon, jolloin kohdistusepätarkkuudesta johtuvia ongelmia voi olettaa 1 esiintyvän vähemmän. Valmistettaessa elektroniikkamoduuleja vaativiin sovelluksiin 117814 ..4- US-julkaisujen kuvaamilla menetelmillä voidaan kuitenkin päätyä luotettavuus- ja saanto-ongelmiin komponentin sähköisten kontaktien valmistustavan vuoksi.

Pyrittäessä valmistamaan kustannustehokkaasti pienikokoisia ja luotettavia rakenteita, komponentin kohdistaminen ja komponentin kontaktointimenetelmä ovat varsin 5 merkittäviä tekijöitä. Komponentti tulisi kyetä kohdistamaan erittäin tarkasti ja kohdistus olisi vielä mielellään kyettävä tarkastamaan ennen komponentin lopullista hautaamista piirilevyn sisään. Väärin kohdistetut komponentit aiheuttavat luotettavuus-ongelman ja myös pienentävät saantoa, jolloin moduulin valmistuksen kannattavuus kärsii. Vastaavalla tavalla saantoon ja luotettavuuteen vaikuttaa myös komponentin 10 kontaktointimenetelmä.

Keksinnön tarkoituksena on luoda uusi menetelmä, jolla komponentteja voidaan sijoittaa piirilevyn tai muun elektronxikkamoduulin sisään. Erityisesti uuden menetelmän tulisi mahdollistaa hyvälaatuisten ja luotettavien sähköisten kontaktien valmistaminen komponentin kontaktinystyihin tai muihin kontaktialueisiin. Lisäksi 15 komponentit tulisi voida kohdistaa tarkasti ja kytkeä sähköisesti suoraan siihen johdekerrokseen, joka on välittömästi piirilevyn perusmateriaalina olevan eristekerroksen pinnalla.

Keksintö perustuu siihen, että komponentteihin liittyvään johdekerrokseen valmistetaan * · * ” ensin kontaktiaukot komponenttien kontaktialueiden kohdalle. Tämän jälkeen • * · / 20 komponentit kiinnitetään johdekerrokseen kontaktiaukkojen suhteen kohdistettuina * · · esimerkiksi eristävän liiman avulla. Tämän jälkeen kontaktiaukkojen kautta * · • · muodostetaan sähköiset kontaktit johdekerroksen ja komponentin kontaktialueiden • · · *|" välille. Sähköisten kontaktien valmistamisen jälkeen johdekerroksesta valmistetaan » · • * johdekuvioita.

25 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, * * * mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

* » ···.-> '**·* Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

• * * J • · • · • * · : !·, Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa hyvälaatuiset ja luotettavat « * « *···-, sähköiset kontaktit komponentin kontaktinystyihin tai muihin kontaktialueisiin. Tämä 30 perustuu siihen, että kontaktien valmistamisessa voidaan käyttää esimerkiksi jotakin 5 117814 piirilevyteollisuudessa tunnettua ja luotettavaksi havaittua mikroläpivientimenetelmää.

Kontaktit voidaan valmistaa esimerkiksi siten, että kontaktialueet puhdistetaan ensin esimerkiksi laserin tai plasman avulla ja tämän jälkeen kontaktiaukkoihin kasvatetaan metallia kemiallisella ja/tai sähkökemiallisella metallointimenetelmällä.

5 Menetelmä mahdollistaa myös komponenttien kytkemisen suoraan siihen johdeker-rokseen, joka on välittömästi piirilevyn perusmateriaalina olevan eristekerroksen pinnalla. Menetelmä mahdollistaa myös komponenttien ja kontaktien tarkan kohdistamisen, sillä komponentit voidaan kohdistaa suoraan kontaktiaukkoihin eli niihin reikiin, joita valmistettiin johdekerrokseen ennen komponentin kiinnittämistä.

10 Joissakin sovellusmuodoissa komponentin kohdistamisen onnistuminen voidaan jopa tarkastaa kontaktiaukkojen kautta ennen kuin komponentti suljetaan lopullisesti piirilevyn tai muun elektroni ikkamoduulin sisään. Tästä on se etu, että väärin kohdistettu komponentti voidaan vielä tässä vaiheessa irrottaa rakenteesta ja kohdistaa uudelleen tai vaihtoehtoisesti irrottaa kaikki moduulin komponentit ja käyttää uudelleen 15 toisessa elektroniikkamoduulissa. Näin voidaan saada vielä lisäsäästöä valmistettaessa elektroniikkamoduuleja, joiden sisään haudataan kalliita komponentteja.

Sovellusmuotojen mukaisissa menetelmissä elektromikkamoduulinjohdekuviokenosten lukumäärä on mahdollista valita kulloisenkin tarpeen mukaan. Johdekuviokerroksia voi * · :t “ olla esimerkiksi yksi tai kaksi. Näiden päälle on lisäksi mahdollista valmistaa lisää » I · *; t‘: 20 johdekuviokerroksia piirilevyteollisuudessa tunnettuun tapaan. Kokonaisuudessaan

III

moduulissa voi siis olla esimerkiksi yksi, kaksi, neljä tai kuusi johdekuviokerrosta.

• * ♦ ·

Johdekuviokerroksia valmistetaan yleensä parillinen määrä, mutta toki on mahdollista • · · # valmistaa myös pariton määrä johdekuviokerroksia.

• · *«·

Joissakin sovellusmuodoissa rakenteen johdotuskyvykkyyttä voidaan parantaa myös « 25 asentamalla osa komponenteista kohti perusmateriaalin eristekerroksen toisen pinnan * · * ·...· johdekerrosta, jolloin levyn molempia pintoja kohti suuntautuu komponenttien 4 : aktiivipintoja.

• · · i « * * » " Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten.

• * * * · lii * * ·

Kuviot 1-11 esittävät poikkileikkauskuvasaijana ensimmäisten sovellusmuotojen 30 mukaisia valmistusmenetelmiä. < 6 117814

Kuviot 12-28 esittävät poikkileikkauskuvasaijana toisten sovellusmuotojen mukaisia valmistusmenetelmiä.

Sovellusmuotojen mukaisissa menetelmissä valmistus voidaan aloittaa esimerkiksi paljaasta johdekerroksesta 4, joka voi olla esimerkiksi metallikerros. Yksi soveltuva 5 johdekerroksen 4 valmistusmateriaali on kuparikaivo (Cu). Mikäli prosessiin valittava johdekalvo 4 on hyvin ohut tai johdekalvo ei muusta syystä ole mekaanisesti kestävä, johdekalvoa 4 on suositeltavaa tukea tukikeiroksen 12 avulla. Tällöin voidaan menetellä esimerkiksi siten, että prosessi aloitetaan tukikerroksen 12 valmistuksesta. Tukikerros 12 voi olla esimerkiksi sähköäjohtavaa materiaalia, kuten alumiinia (AI), terästä tai 10 kuparia, tai eristävää materiaalia, kuten polymeeriä. Tukikerroksen 12 toiselle pinnalle voidaan valmistaa kuvioton johdekerros 4 esimerkiksi käyttämällä jotakin piirilevy-teollisuudessa hyvin tunnettua valmistusmenetelmää. Johdekerros voidaan valmistaa esimerkiksi laminoimalla tukikerroksen 12 pinnalle kuparikaivo (Cu). Vaihtoehtoisesti voidaan menetellä siten, että tukikerros 12 valmistetaan johdekerroksen 4 pinnalle. 15 Johdekalvo 4 voi olla myös pinnoitettu metallikalvo tai muu useampia kerroksia tai useampia materiaaleja sisältävä kalvo.

Valmistus voidaan myös aloittaa esimerkiksi sellaisesta johdekerroksesta 4, jonka ensimmäisellä pinnalla on eristemateriaalikerros 1. Ensimmäinen pinta on tällöin se ·**,, pinta, jonka puolelle liitetään komponentti, joka suljetaan eristekerroksen 1 sisään.

* :*·.* 20 Tämän eristekerroksen 1 vastakkaisella pinnalla voi joissakin sovellusmuodoissa olla • · vielä toinen johdekerros 4. Mikäli sovellusmuodossa käytetään tukikerrosta 12, * t tukikerros 12 on johdekerroksen 4 vastakkaisella pinnalla eli ensimmäisellä pinnalla. Tällöin eristemateriaalikerrokseen 1 valmistetaan reiät tai syvennykset 2 upotettavia oi komponentteja varten. Syvennykset 2 voidaan valmistaa joko ennen eristemateriaali-25 kerroksen 1 ja johdekerroksen 4 liittämistä toisiinsa tai liittämisen jälkeen. Syvennyksen * ..!·* 2 valmistamisessa voidaan käyttää jotakin piirilevyteollisuudessa tunnettua työstö- «** menetelmää, esimerkiksi jyrsintää tai laserporausta.

« • · *

Ennen komponentin 6 liittämistä johdekerrokseen 4 valmistetaan kontaktiaukot 17 « * • * liitettävän komponentin 6 kontaktialueiden 7 kohdalle. Kontaktiaukot 17 voidaan • · * · M : 30 valmistaa esimerkiksi poraamalla laserin avulla. Kontaktiaukkojen 17 keskinäinen * sijainti valitaan komponentin kontaktialueiden 7 keskinäisen sijainnin mukaan ja kunkin kontaktiaukkoryhmän sijainti ja asema valitaan siten, että komponentti tulee sijoitetuksi 117814 7 oikein suhteessa koko elektroniikkamoduuliin. Kutakin sähköisen kontaktin muodostamiseen osallistuvaa kontaktialuetta 7 kohti valmistetaan siis yksi kontaktiaukko 17. Valmistettavien kontaktiaukkojen 17 pinta-ala voi olla jotakuinkin yhtä suuri kuin vastaavan kontaktialueen 7 pinta-ala. Kontaktiaukon 17 pinta-ala 5 voidaan toki valita myös pienemmäksi tai joissakin sovellusmuodoissa hieman suuremmaksi kuin vastaavan kontaktialueen 7 pinta-ala.

Kontaktiaukot 17 voidaan porata johdekerroksen ensimmäisen tai toisen pinnan suunnasta. Mikäli sovellusmuodossa käytetään tukikerrosta 12, joka on siis johdekerroksen toisella pinnalla, kontaktiaukot 17 voi olla edullista porata ensimmäisen 10 pinnan suunnasta, koska tällöin porattavien aukkojen ei tarvitse läpäistä kokonaan tukikerrosta 12. Tällaisessa sovellusmuodossa kontaktiaukot 17 avautuvat myöhemmin, kun tukikerros 12 irrotetaan. Kontaktiaukot voidaan avata myös siten, että johdekerroksen 4 ja tukikerroksen 12 muodostamaa materiaalikerrosta ohennetaan etsaamalla tukikerroksen suunnasta. Johdekerros 4 ja tukikerros 12 voivat muodostua 15 myös yhdestä materiaalikerroksesta. Tällöin tukikerrosta 12 vastaava osa materiaalikerroksesta poistuu ja kontaktiaukot 17 avautuvat. Kontaktiaukon 17 on siis tarkoitus ulottua läpi koko johdekerroksen 4.

Komponentit 6 kiinnitetään johdekerroksen 4 pinnalle liiman avulla. Liimaamista varten johdekerroksen 4 liitospinnalle tai komponentin 6 liitospinnalle tai molemmille :*·.· 20 liitospinnoille levitetään liimakerros 5. Tämän jälkeen komponentit 6 voidaan kohdistaa * · komponenteille 6 suunniteltuihin asemiin kohdistusmerkkien avulla. ί * · • ♦ · * » * · “* Komponentin 6 liitospinnalla tarkoitetaan komponentin 6 sitä pintaa, joka tulee • · · Ί" johdekerrosta 4 kohti. Komponentin 6 liitospinta käsittää kontaktialueita, joiden • · välityksellä komponenttiin voidaan muodostaa sähköinen kontakti. Kontaktialueet 25 voivat olla esimerkiksi komponentin 6 pinnalla olevia tasomaisia alueita tai * ,···, tavallisemmin komponentin 6 pinnasta ulkonevia kontaktiulokkeita, kuten -k • · • ·« \ kontaktinystyjä. Kontaktialueita tai -ulokkeita on komponentissa 6 yleensä vähintään • · · *" kaksi. Monimutkaisissa mikropiireissä kontaktialueita voi olla hyvinkin monta.

* · • · ··· : Monissa sovellusmuodoissa on edullista levittää liitospinnalle tai liitospinnoille liimaa • t· · .... j 30 niin runsaasti, että liima täyttää kauttaaltaan komponenttien 6 j a j ohdekerroksen 4 väliin jäävän tilan. Tällöin ei tarvita erillistä täyteainetta. Komponenttien 6 ja johdekerroksen 8 117814 4 väliin jäävän tilan täyttyminen vahvistaa komponentin 6 ja johdekerroksen 4 välistä mekaanista kytkentää, jolloin saavutetaan mekaanisesti kestävämpi rakenne. Kattava ja aukoton liimakerros myös tukee johdekerroksesta 4 myöhemmin muodostettavia johdekuvioita 14 ja suojaa rakennetta myöhemmissä prosessivaiheissa. Liimaamisen 5 yhteydessä liimaa joutuu myös kontaktiaukkoihin 17.

Liimalla tarkoitetaan materiaalia, jolla komponentit voidaan kiinnittää johdekerrokseen. Liiman yksi ominaisuus on se, että liima voidaan levittää johdekerroksen ja/tai komponentin pinnalle suhteellisen juoksevassa tai muutoin pinnanmuotoihin mukautuvassa muodossa, esimerkiksi kalvon muodossa. Liiman toinen ominaisuus on se, että 10 levittämisen jälkeen liima kovettuu tai voidaan kovettaa ainakin osittain siten, että liima kykenee pitämään komponentin paikoillaan (johdekerroksen suhteen) ainakin niin kauan kunnes komponentti kiinnitetään rakenteeseen jollakin muulla tavalla. Liiman kolmas ominaisuus on adheesiokyky eli kyky tarttua liimattavaa pintaan.

Liimaamisella tarkoitetaan komponentin ja johdekerroksen kiinnittämistä toisiinsa 15 liiman avulla. Liimattaessa siis liimaa tuodaan komponentin ja johdekerroksen väliin ja asetetaan komponentti johdekerroksen suhteen sopivaan asemaan, jossa liima on kosketuksessa komponentin ja johdekerroksen kanssa ja ainakin osittain täyttää komponentin ja johdekerroksen välisen tilan. Tämän jälkeen liiman annetaan (ainakin ··. osittain) kovettua tai liima aktiivisesti kovetetaan (ainakin osittain) siten, että • ·· : 20 komponentti kiinnittyy liiman avulla johdekerrokseen. Joissakin sovellusmuodoissa • · · • ♦ komponentin kontaktiulokkeet saattavat liimauksen aikana työntyä liimakerroksen läpi « · .*·*. kosketukseen johdekerroksen kanssa.

* · · * • * · •••| Sovellusmuodoissa käytettävä liima on esimerkiksi lämpokovetteinen epoksi. Liima • · *···* valitaan siten, että käytettävällä liimalla on riittävä adheesio johdinkalvoon, piirilevyyn , 25 ja komponenttiin. Yksi edullinen liiman ominaisuus on sopiva lämpölaajenemiskerroin, ««· jolloin liiman lämpölaajeneminen ei poikkea liian paljon ympäröivän materiaalin • · • · 7 lämpölaajenemisesta prosessin aikana. Valittavalla liimalla tulisi myös mielellään olla • 0 · '··'·' lyhyt kovetusaika, mielellään korkeintaan muutamia sekunteja. Tässä ajassa liiman • M • · **"* tulisi kovettua ainakin osittain siten, että liima kykenee pitämään komponentin * * ·,· · 30 paikoillaan. Lopullinen kovettuminen voi viedä selvästi enemmän aikaa ja loppukovetus voidaankin suunnitella tapahtuvaksi myöhempien prosessivaiheiden yhteydessä. Liiman tulee myös kestää käytettävät prosessilämpötilat, esimerkiksi kuumentaminen 100 - 265 117814 9 °C lämpötilaan muutamia kertoja, sekä valmistusprosessin muu rasitus, esimerkiksi kemiallinen tai mekaaninen rasitus. Liiman sähkönjohtavuus on mielellään eristemateriaalien sähkönjohtavuuden luokkaa.

Elektroniikkamoduulin, esimerkiksi piirilevyn, perusmateriaaliksi valitaan soveltuva 5 eristemateriaalikerros 1. Eristemateriaalikerros 1 voi olla esimerkiksi polymeerialusta, kuten lasikuituvahvistettu epoksilevy FR4. Muita esimerkkejä soveltuvista eristemateriaalikerroksen 1 materiaaleista ovat PI (polyimidi), FR5, aramidi, polytetrafluorieteeni, Teflon®, LCP (liquid crystal polymer) ja esikovetettu sidoskerros eli piepregi.

10 Eristemateriaalikerrokseen 1 valmistetaan sopivalla menetelmällä j ohdekerrokseen 4 liimattujen komponenttien 6 koon ja keskinäisen aseman mukaan valitut syvennykset tai läpireiät. Syvennykset tai läpireiät voidaan valmistaa myös hieman komponentteja 6 suuremmiksi, jolloin eristemateriaalikerrokseen 1 kohdistaminen johdekerroksen 4 suhteen ei ole niin kriittistä. Mikäli prosessissa käytetään eristemateriaalikerrosta 1, : 15 johon tehdään läpireiät komponentteja 6 varten, tiettyjä etuja voidaan saavuttaa käyttämällä lisäksi erillistä eristemateriaalikerrosta 11, johon ei ole valmistettu reikiä.

Tällainen eristemateriaalikerros 11 voidaan sijoittaa eristemateriaalikerroksen 1 päälle peittämään komponentteja varten valmistetut läpireiät.

• · • * " Eristemateriaalikerros 1 voidaan myös valmistaa komponentin 6 liimaamisen jälkeen, *; “ 20 jolloin johdekerroksen ja komponentin 6 päälle levitetään juoksevassa muodossa olevaa * · · eristemateriaalia tai asetetaan osittain kovettumaton eristemateriaalilevy. Tämän jälkeen « · • · *" eristemateriaalia kovetetaan, jolloin syntyy eristemateriaalikerros 1.

• · · • * * : Mikäli valmistettavaan elektroniikkamoduuliin halutaan toinen johdekerros, tämä voidaan valmistaa esimerkiksi eristemateriaalikerroksen 1 pinnalle. Sovellusmuodoissa, .. * · ’ 25 joissa käytetään toista eristemateriaalikerrosta 11, j ohdekerros voidaan valmistaa tämän *** , toisen eristemateriaalikerroksen 11 pinnalle. Toisesta johdekerroksesta 9 voidaan : haluttaessa valmistaa johdekuvioita 19. Johdekerros 9 voidaan valmistaa esimerkiksi • · * vastaavalla tavalla kuin johdekalvo 4. Toisen johdekalvon 9 valmistaminen ei : kuitenkaan ole tarpeellista yksinkertaisissa sovellusmuodoissa ja yksinkertaisia ·»* · 30 elektroniikkamoduuleja valmistettaessa. Toista johdekalvoa 9 voidaan kuitenkin hyödyntää monella tavoin, kuten johdinkuvioiden lisätilana ja komponenttien 6 ja koko 117814 ίο moduulin suojaamisessa sähkömagneettista säteilyä vastaan (EMC-suojaus). Toisen johdekalvon 9 avulla voidaan myös vahvistaa rakennetta ja vähentää esimerkiksi asennusalustan käyristymistä.

Elektroniikkamoduuliin valmistetaan läpiviennit, joiden kautta voidaan muodostaa 5 sähköiset kontaktit komponenttien 6 kontaktialueiden ja johdekerroksen 4 välille. Läpivientien valmistamista varten kontaktiaukot 17 puhdistetaan aukkoihin mahdollisesti työntyneestä liimasta ja muusta materiaalista. Tämä suoritetaan luonnollisesti johdemateriaalin 4 toisen pinnan suunnasta, sillä komponentit on liimattu ensimmäiselle pinnalle. Kontaktiaukkojen puhdistamisen yhteydessä on mahdollista 10 puhdistaa myös komponenttien 6 kontaktialueet 7, jolloin edellytykset korkealaatuisen sähköisen kontaktin valmistamiselle edelleen paranevat. Puhdistaminen voidaan suorittaa esimerkiksi plasmatekniikalla, kemiallisesti tai laserin avulla. Mikäli kontaktiaukot 17 ja kontaktialueet ovat valmiiksi riittävän puhtaat, puhdistaminen voidaan luonnollisesti jättää suorittamatta.

15 Puhdistamisen jälkeen on mahdollista myös tarkastaa komponentin 6 kohdistamisen onnistuminen, sillä oikein kohdistetun komponentin kontaktialueet 7 näkyvät kontaktiaukkojen 17 läpi johdekerroksen 4 suunnasta katsottaessa.

Tämän jälkeen reikiin 17 tuodaan johdemateriaalia siten, että muodostuu sähköinen • · • *·· kontakti komponenttien 6 ja johdekerroksen 4 välille. Johdemateriaali voidaan * · V’i 20 valmistaa esimerkiksi täyttämällä kontaktiaukot sähköä johtavalla pastalla. Johde-• · *.*.* materiaali voidaan valmistaa myös jollakin useista piirilevyteollisuudessa tunnetuista • * · * · *...* kasvatusmenetelmistä. Tällä hetkellä parhaat sähköiset kontaktit saadaan valmistettua * * · · ····* muodostamalla metallurginen liitos esimerkiksi kasvattamalla johdemateriaali ♦ · '···* kemiallisella tai sähkökemiallisella menetelmällä. Tällaisia menetelmiä pyritään siis 25 käyttämään ainakin vaativimmissa sovellusmuodoissa. Yksi hyvä vaihtoehto on ohuen • i» ·;;; kerroksen kasvattaminen kemiallisella menetelmällä ja kasvatuksen jatkaminen • · • » *;* edullisemmalla sähkökemiallisella menetelmällä. Näiden menetelmien lisäksi voidaan * toki käyttää myös jotakin muuta menetelmää, josta on hyötyä lopputuloksen kannalta.

(·* • · • · * « « . *, Seuraavassa tarkastellaan lähemmin joitakin mahdollisia sovellusmuotoja kuvioiden 1—

• · S

! 30 11 esittämien menetelmävaiheiden avulla.

ψ ·

Vaihe A (kuvio 1): 117814 11

Vaiheessa A valitaan prosessin lähtömateriaaliksi soveltuva johdekerros 4, Lähtömateriaaliksi voidaan valita myös kerroslevy, jossa johdekerros 4 sijaitsee tukialustan 12 pinnalla. Kerroslevy voidaan valmistaa esimerkiksi siten, että otetaan käsiteltäväksi soveltuva tukialusta 12 ja tämän tukialustan 12 pinnalle kiinnitetään soveltuva 5 johdekalvojohdekerroksen 4 muodostamista varten.

Tukialusta 12 voi olla esimerkiksi sähköäjohtavaa materiaalia, kuten alumiinia (AI) tai kuparia, tai eristävää materiaalia, kuten polymeeriä. Johdekerros 4 voidaan muodostaan esimerkiksi kiinnittämällä tukialustan 12 toiselle pinnalle ohut metallikalvo, esimerkiksi laminoimalla se kuparista (Cu). Metallikalvo voidaan kiinnittää tukialustaan esimerkiksi 10 adheesiokerroksella, joka on levitetty tukialustan 12 tai metallikalvon pinnalle ennen metallikerroksen laminointia. Metallikalvossa ei tarvitse tässä vaiheessa olla mitään kuvioita.

Sovellusmuodoissa on siis mahdollista käyttää myös itsekantavaa johdekerrosta 4, jolloin tukikerros 12 puuttuu kokonaan. Kuviossa on myös esitetty sovellusmuoto, jossa 15 johdekerroksen 4 ensimmäisellä pinnalla eristekerros 1. Sovellusmuotojen erottamiseksi toisistaan eristekerros 1 on esitetty kuvioissa 1-4 katkoviivoituksen avulla. Myös näissä sovellusmuodoissa, joissa johdekerroksen 4 pinnalla on alusta alkaen eristekerros 1, voidaan käyttää tai olla käyttämättä tukikerrosta 12.

Vaihe B (kuvio 2): • · « · » ·· ‘ .* 20 Komponentin sähköisten kontaktien tarvitsemia läpivientejä varten valmistetaan • · ♦ ‘..lm kontaktiaukot 17. Kontaktiaukot 17 valmistetaan johdekerroksen 4 läpi esimerkiksi • · laserilla tai mekaanisesti poraamalla. Kuvion sovellusmuodossa kontaktiaukot 17 on . · · ·, porattu johdekerroksen ensimmäisen pinnan suunnasta ja ne ulottuvat tukikerroksen 12 • · * · · materiaaliin saakka. Kuvion sovellusmuodossa kontaktiaukkojen 17 lisäksi on 25 valmistettu läpireikä 3, jota voidaan käyttää apuna kohdistuksessa.

·*** »*· • · *”·* Katkoviivalla esitetyssä sovellusmuodossa täytyy tässä vaiheessa tehdä myös « tj.s eristekerrokseen 1 syvennykset 2 komponentteja varten.

• · ♦ • »

Vaihe C (kuvio 3): • · · e·*·--.

*:··* Vaiheessa C johdekerroksen 4 päälle levitetään liimakerros 5 niille alueille, joille 30 komponentteja 6 kiinnitetään. Näitä alueita voidaan kutsua liitäntäalueiksi.

117814 12 \

Liimakerrokset 5 voidaan kohdistaan esimerkiksi kontaktiaukkojen 17 avulla.

Liimakerroksen paksuus valitaan siten, että liima täyttää hyvin komponentin 6 ja johdekerroksen 4 välisen tilan, kun komponentti 6 painetaan kiinni liimakerrokseen 5. Mikäli komponentti 6 käsittää kontaktiulokkeita 7, liimakerroksen 5 paksuuden olisi 5 hyvä olla kontaktiulokkeiden 7 korkeutta suurempi, esimerkiksi noin 1,1-10 -kertainen, jotta komponentin 6 ja johdekerroksen 4 välinen tila täyttyy hyvin. Komponenttia 6 varten muodostettavan liimakerroksen 5 pinta-ala voi myös olla hieman komponentin 6 vastaavaan pinta-alaa suurempi, mikä omalta osaltaan vähentää huonon täyttymisen riskiä.

10 Vaihetta C voidaan modifioida siten, että liimakerros 5 levitetään johdekerroksen 4 liitäntäalueiden sijasta komponenttien 6 liitäntäpinnoille. Tämä voidaan suorittaa esimerkiksi siten, että komponentti kastetaan liimassa ennen sen latomista paikalleen elektroniikkamoduuliin. On myös mahdollista menetellä siten, että liimaa levitetään sekä johdekerroksen 4 liitäntäalueille että komponenttien 6 liitäntäpinnoille.

15 Sovellusmuodoissa käytettävä liima on sähköneriste, joten liimakerros 5 itsessään ei synnytä sähköistä kontaktia komponentin 6 kontaktialueiden 7 välille.

Vaihe D (kuvio 4):

Vaiheessa D komponentit 6 asetetaan paikoilleen elektroniikkamoduuliin. Tämä • · • · · , voidaan suorittaa esimerkiksi siten, että ladontakoneen avulla komponentit 6 painetaan * *♦* .* 20 liimakerrokseen 5. Ladontavaiheessa komponentit 6 voidaan kohdistaa tarkasti • ( * kontaktiaukkojen 17 avulla. Karkeammassa kohdistuksessa on mahdollista käyttää • · apuna myös läpireikiä 3 tai muita kohdistusmerkkejä, mikäli tällaisia on levyyn ]·'·. valmistettu.

• · • · ·

Komponentit 6 voidaan liimata yksitellen tai sopivissa ryhmissä. Tyypillisesti • * * 25 menetellään siten, että johdekerros, jota voidaan kutsua asennusalustan pohjaksi, • · * • · *·♦·* tuodaan sopivaan asemaan ladontakoneen suhteen ja tämän jälkeen komponentti 6 * : J.t kohdistetaan ja painetaan kiinni asennusalustan pohjaan, joka pidetään kohdistamisen ja • · · :: kiinnittämisen ajan liikkumattomana.

• · • · · ··* j Vaihe E (kuvio 5): • · 117814 13

Johdekerroksen 4 päälle asetetaan eristemateriaalikerros 1, johon on ennalta valmistettu reiät 2 tai syvennykset johdekerrokseen 4 liimattuja komponentteja 6 varten. Eristemateriaalikerros 1 voidaan valmistaa sopivasta polymeerialustasta, johon valmistetaan komponenttien 6 koon ja sijainnin mukaan valitut reiät tai syvennykset, 5 jollakin sopivalla menetelmällä. Polymeerialusta voi olla esimerkiksi piirilevy-teollisuudessa tunnettu ja yleisesti käytetty prepreg. Eristemateriaalikerroksen 1 materiaali vaihtoehtoja on tarkemmin kuvattu vaiheen 2 A yhteydessä.

Vaihe E on hyvä suorittaa vasta sen jälkeen kun liimakerros 5 on kovetettu tai muutoin kovettunut riittävästi, jotta komponentit 6 pysyvät paikoillaan eristemateriaalikerroksen 10 1 asettamisen aikana.

Eristemateriaalikerros 1 voidaan valmistaa myös siten, että komponentin ja johdekerroksen 4 päälle asetetaan reiätön eristemateriaalilevy, joka kovetetaan myöhemmin. Levyn on tällöin oltava riittävän pehmeä ja joustava. Tällainen levy voi olla esimerkiksi sopivasti valittu prepreg. Eristemateriaalikerros 1 voidaan valmistaa 15 myös siten, että komponentin ja johdekerroksen 4 päälle levitetään juoksevassa muodossa olevaa eristemateriaalia, joka myöhemmin kovetetaan.

Katkoviivoituksen avulla kuvatussa sovellusmuodossa vaihe E voidaan luonnollisesti jättää pois, koska sovellusmuodossa johdekerroksen 4 päällä on jo eristemateriaali- tt • *·· kerros.

• · # · · i *· ,·(/ 20 Vaihe F (kuvio 6): • · · * · * * ·

Vaiheessa F eristemateriaalikerroksen 1 päälle asetetaan kuvioimaton eristemateriaali- ♦ kerros Ilja tämän päälle johdekerros 9. Eristemateriaalikerros 11 voidaan eristemateri- • · · I i *.·.* aalikerroksen 1 tapaan valmistaa soveltuvasta polymeerikalvosta, esimerkiksi edellä mainitusta pre-preg alustasta. Johdekerros 9 voi puolestaan olla esimerkiksi kuparikaivo • •f 25 tai jokin muu tarkoitukseen soveltuva kalvo.

» · * * ·»· \t Vaihe F on hyödyllinen sovellusmuodoissa, joissa eristemateriaalikerros 1 sisältää • · · ,···. avonaisia reikiä 2 komponenttien 6 ympärillä ja myös eristemateriaalikerroksen 1 • · ··· .

. ·, vastakkaiselle puolelle halutaan liittää johdekerros 9. Tällöin eristemateriaali 11 täyttää • · · « * · ; komponenttien aukot 2 ja kiinnittää johdekerroksen 9 ja eristemateriaalikeiToksen 1 • * 30 toisiinsa. On myös mahdollista menetellä siten, että aukot 2 täytetään erillisellä 117814 14 täyteaineella. Mikäli taas eristemateriaalikerros 1 muodostetaan komponenttien 6 liimaamisen jälkeen, kerroksesta 1 tulee jo automaattisesti yhtenäinen. Tällöin toinen johdekerros 9 voidaan liittää elektroniikkamoduuliin suoraan eristemateriaalikerrosta 1 vasten ennen kuin kerros 1 kovetetaan.

5 Vaihe F on siis hyödyllinen joissakin sovellusmuodoissa, mutta voidaan useissa sovellusmuodoissa myös aivan hyvin jättää pois tai korvata toisenlaisella menettelyllä.

Vaihe G (kuvio 7):

Vaiheessa kerrokset 1,11 ja 9 prässätään lämmön ja paineen avulla siten, että polymeeri (kerroksissa 1 ja 11) muodostaa yhtenäisen ja tiiviin kerroksen johdekerrosten 4 ja 9 10 väliin komponenttien 6 ympärille. Tällä menettelyllä toisesta johdekerroksesta 9 tulee varsin tasainen ja tasomainen.

Valmistettaessa yksinkertaisia ja yhden johdekuviokerroksen 14 käsittäviä elektroniikkamoduuleja vaihe F voidaan jopa jättää kokonaan pois tai laminoida rakenteeseen kerrokset 1 ja 11 ilman johdekerrosta 9.

15 Vaihe G liittyy siis läheisesti vaiheeseen F, joten edellä vaiheen F yhteydessä esitetyt modifikaatiot koskevat myös vaihetta G.

tt Vaihe H (kuvio 8): • · • ·«

Vaiheessa rakenteesta irrotetaan tai muutoin poistetaan tukialusta 12. Poistaminen :V: voidaan tehdä esimerkiksi mekaanisesti tai syövyttämällä. Vaihe H jätetään • * · :#.t! 20 luonnollisesti pois sovellusmuodoissa, joissa ei käytetä tukialustaa 12.

· ·

Sovellusmuodossa, jossa eristemateriaalikerroksen 1 pinnalla on paksu yhtenäinen • · johdekerros (4 ja 12 yhdessä), vaiheessa H voidaan johdekerroksesta syövyttää pois ,· , tukialustaa 12 vastaava osuus.

* * * .

Vaiheessa H avautuvat kontaktiaukot 17 johdekerroksen 4 toisella pinnalla.

: 25 Kontaktiaukot 17 ovat kuitenkin tällöin yleensä liiman 5 täyttämät.

··« * · *1* Vaihe I (kuvio 9): * · • · · • t · ’ « « · * ...·: Kontaktiaukot 17 puhdistetaan liimasta sopivalla menetelmällä, esimerkiksi kemiallisesti, laserilla tai plasmaetsauksella. Samalla puhdistetaan komponentin is 117814 kontaktialueet 7, jotka sijaitsevat kontaktiaukkoj en 17 ’’pohjalla”. Puhdistaminen voidaan joissakin sovellusmuodoissa jättää myös suorittamatta.

Vaiheessa I voidaan myös haluttaessa valmistaa muita reikiä, esimerkiksi reikä 3 eristemateriaalikerroksen 1 läpäisevää läpivientiä varten.

5 Vaihe J (kavio 10):

Vaiheessa I kasvatetaan johdemateriaalia kontaktiaukkoihin 17. Esimerkkiprosessissa johdemateriaalia kasvatetaan samalla myös muualle alustan päälle, joten myös johdekeirosten 4 ja 9 paksuudet kasvavat. Johdemateriaalia voidaan haluttaessa kasvattaa myös reikään 3.

10 Kasvatettava johdemateriaali voi olla esimerkiksi kuparia tai jotain muuta riittävästi sähköä johtavaa materiaalia. Johdemateriaalin valinnassa otetaan huomioon materiaalin kyky muodostaan sähköinen kontakti komponentin 6 kontaktiulokkeiden 7 materiaalin kanssa. Yhdessä esimerkkiprosessissa johdemateriaali on pääasiassa kuparia. Kupari-metallointi voidaan tehdä pinnoittamalla reiät 17 ohuella kerroksella kemiallista kuparia 15 ja tämän jälkeen pinnoitusta voidaan jatkaa sähkökemiallisella kuparinkasvatus-menetelmällä. Kemiallista kuparia käytetään esimerkissä siksi, koska se pinnoittuu myös liiman päälle ja toimii sähkönjohtajana sähkökemiallisessa pinnoituksessa. Metallin kasvatus voidaan siis suorittaa märkäkemiallisella menetelmällä, joten • · • ·· . kasvattaminen on halpaa ja johderakenteesta tulee hyvälaatuinen.

S *·· • · •t’t' 20 Vaiheen J tarkoituksena on muodostaa sähköinen kontakti komponentin 6 ja • · · :,,,ί johdekerroksen 4 välille. Vaiheessa J ei siis ole välttämätöntä kasvattaa johdekerrosten

,.*·* 4 ja 9 paksuutta, vaan prosessi voidaan aivan hyvin suunnitella siten, että vaiheessa J

* · · ainoastaan täytetään reiät 17 sopivalla materiaalilla. Sähköinen kontakti voidaan valmistaa esim. täyttämällä kontaktiaukot 17 sähköä johtavalla pastalla tai käyttää 25 jotakin muuta soveltuvaa mikroläpivientien metallointimenetelmää.

• · · • · • · - *. Vaihe K (kuvio 11): • · · · ' • · « ··· • · · ϊ.,.ϊ Vaiheessa K alustan pinnoilla olevista johdekerroksista 4 ja 9 valmistetaan halutut • johdekuviot 14 ja 19. Mikäli sovellusmuodossa käytetään ainoastaan johdekerrosta 4, ··· · • · · · · kuviot muodostetaan ainoastaan alustan yhdelle puolelle. Voidaan myös menetellä siten, 30 että johdekuvioita muodostetaan ainoastaan johdekerroksesta 4 vaikka sovellus- 117814 16 I ' muodossa käytettäisiinkin myös toista johdekerrosta 9. Tällaisessa sovellusmuodossa kuvioimaton johdekerros 9 voi toimia esimerkiksi elektroniikkamoduulia mekaanisesti tukevana tai suojaavana kerroksena tai suojana sähkömagneettista säteilyä vastaan.

Johdekuviot 14 voidaan valmistaa esimerkiksi poistamalla johdekerroksen 4 5 johdemateriaali johdekuvioiden ulkopuolelta. Johdemateriaalin poistaminen voidaan suorittaa esimerkiksi jollakin kuviointi- ja syövytysmenetelmällä, jotka ovat piirilevyteollisuudessa laajalti käytettyjä ja hyvin tunnettuja.

Vaiheen K jälkeen elektroniikkamoduuli sisältää komponentin 6 tai useita komponentteja 6 sekä johdekuviot 14 ja 19 (joissakin sovellusmuodoissa ainoastaan 10 johdekuviot 14), joiden avulla komponentti 6 tai komponentit voidaan yhdistää ulkoiseen piiriin tai toisiinsa. Tällöin on olemassa edellytykset toiminnallisen kokonaisuuden valmistamiselle. Prosessi voidaan siis suunnitella siten, että elektro-niikkamoduuli on valmis vaiheen K jälkeen ja kuvio 11 esittääkin esimerkin yhdestä mahdollisesta elektroniikkamoduulista. Haluttaessa prosessia voidaan myös jatkaa 15 vaiheen K jälkeen esimerkiksi päällystämällä elektroniikkamoduuli suoja-aineella tai valmistamalla lisää johdekuviokerroksia elektroniikkamoduulin ensimmäiselle ja/tai toiselle pinnalle.

Seuraavassa tarkastellaan kuvioiden 12-28 esittämien menetelmävaiheiden avulla ·· : *·* joitakin toisia mahdollisia sovellusmuotoja.

• · • · · • · · 20 Vaihe 2A (kuvio 12): • · · • * « · · * · *···* Elektroniikkamoduulin valmistusprosessia varten valitaan sopiva eristemateriaalilevy 1,

• M

•••j josta muodostetaan asennusalustan runko. Yhtä eristemateriaalikerrosta käyttävissä • · **··* sovellusmuodoissa eristemateriaalikerroksen 1 paksuuden on oltava mielellään suurempi kuin asennettavan komponentin paksuus. Tällöin komponentit on mahdollista • · · ’*’* 25 upottaa kokonaan asennusalustan sisään ja elektroniikkamoduulista tulee molemmilta * m * 9 ’V pinnoiltaan tasainen. Asennusalustaan voidaan toki upottaa myös paksumpia * · · ( *·:·' erikoiskomponentteja, joiden takapinta ulottuu eristemateriaalikerroksen 1 ulkopuolelle.

·*φ r • 9 *···* Näin on edullista menetellä erityisesti sellaisissa sovellusmuodoissa, joissa käytetään • · ·.· · useampia eristemateriaalikerroksia, jotka liitetään yhteen prosessin aikana. Tällöin * ’·*’· 30 komponentit voidaan upottaa kokonaan rakenteeseen, mikäli eristemateriaalikerrosten yhteispaksuus ylittää komponentin paksuuden. Rakenteen kestävyyden takia on 17 117814 nimittäin edullista, että valmiissa elektroniikkamoduulissa komponentit sijoittuvat kokonaan asennusalustan sisään.

Prepregillä tarkoitetaan erästä piirilevyteollisuuden perusmateriaalia, joka on yleensä B-vaiheen hartsilla kyllästetty lasikuituvahvisteinen eristematto. Tyypillisesti esikove-5 tettua sidoskerrosta käytetään sitovana eristeaineena valmistettaessa monikerrospiiri-levyjä. Sen B-vaiheinen hartsi ristisilloitetaan hallitusti lämpötilan ja paineen avulla esimerkiksi prässäämällä tai laminoimalla, jolloin hartsi kovettuu ja muuttuu C-vaiheiseksi. Hallitussa kovetussyklissä lämpötilan nousun aikana hartsi pehmenee ja sen viskositeetti laskee. Paineen pakottamana juokseva hartsi täyttää rajapintojensa kolot ja 10 aukot. Käytettäessä esikovetettua sidoskerrosta eristemateriaalina tätä ominaisuutta hyödynnetään komponenttien ympärille jäävän tyhjän tilan täytössä. Tällä tavoin voidaan edelleen yksinkertaistaa esimerkeissä kuvattuja elektroniikkamoduulin valmistusmenetelmiä, sillä komponenttien asennussyvennyksiä ei tarvitse täyttää erillisellä täyteaineella.

15 Eritemateriaalikerros 1 pinnoitetaan molemmilta puolilta la, Ib johdekerroksella 4, esimerkiksi metallikerroksella. Elektroniikkamoduulin valmistaja voi myös valita lähtömateriaaliksi valmiiksi pinnoitetun eristelevyn.

Valhe 2B (kuvio 13): ·♦ • · * .·. · Johdekerroksiin 4 muodostetaan reikiä jollakin sopivalla menetelmällä. Reiät voidaan • · * « « 20 valmistaa esimerkiksi laserilla höyrystämällä tai jollakin selektiivisellä syövytys- * · .**. menetelmällä, jotka ovat piirilevyteollisuudessa laajalti käytettyjä ja hyvin tunnettuja.

* · ·

Valmistettavia reikiä ovat kontaktiaukot 17 komponentin sähköisten kontaktien * ♦ · * ;***. tarvitsemia läpivientejä varten sekä aukot 12 komponenttien asennussyvermysten 2 ·*· valmistamista varten. Lisäksi voidaan haluttaessa valmistaa reikiä 13 läpivientien ··· 25 valmistamista varten. Reiät 12, 13, 17 valmistetaan siten, että eristemateriaalikerroksen * ·· * : 1 pinta paljastuu.

♦

Vaihe 2C (kuvio 14): • · · • ♦ « · • · · . Eristemateriaalikerrokseen 1 valmistetaan sopivan kokoisia ja muotoisia syvennyksiä 2 • * · 30 mukaisesti esimerkiksi jollakin tunnetulla piirilevyvalmistuksessa käytetyllä menetel- ’’I levyyn upotettavia komponentteja varten. Syvennykset 2 voidaan valmistaa tarkoituksen • · is 117814 mällä. Syvennykset 2 voidaan valmistaa esimerkiksi C02-laserablaatiomenetelmällä, kemiallisesti syövyttämällä tai mekaanisesti jyrsimällä. Syvennykset 2 valmistetaan toisen pinnan Ib suunnasta ja ne ulottuvat koko eristemateriaalikerroksen 1 läpi aina kerroksen vastakkaisella pinnalla olevan johdemateriaalikerroksen 4 pintaan la saakka.

5 Syvennykset 2 voidaan valmistaa siten, että eristemateriaalikerroksen 1 pinnalla oleva johdekerros 4 sulkee syvennyksen jommankumman pään. Tällöin voidaan käyttää jotakin sopivaa selektiivistä menetelmää, joka on tehokas eristemateriaalissa 1 mutta ei johdekerroksessa 4. Näin valmistettava syvennys 2 tulee ulottumaan koko eristemateriaalikerroksen läpi 1, mutta syvennyksen 2 toisessa päässä oleva johdekerros 10 4 säästyy vaurioitumattomana. Syvennyksiä 2 voidaan valmistaa vastaavalla tavalla asennusalustan molempien pintojen suunnasta.

Vaihe 2D (kuvio 15):

Elektroniikkamoduulin aihio käännetään toisin päin.

Vaihe 2E (kuvio 16): 15 Eristemateriaalikerrokseen 1 valmistetaan ensimmäisen pinnan la suunnasta lisää asennussyvennyksiä 2 komponentteja varten. Muutoin syvennykset 2 voidaan valmistaa vaiheen 2C tapaan. Mikäli syvennykset 2 valmistetaan kemiallisesti syövyttämällä, : *.· syvennykset 2 voidaan valmistaa molemmille pinnoille samanaikaisesti.

• e • * e

Vaihe 2F (kuvio 17): * · « · · 20 Johdekerroksen 4 päälle levitetään liimakerros 5 niille alueille, joille komponentteja 6 kiinnitetään. Näitä alueita voidaan kutsua liitäntäalueiksi. Käytännössä liitäntäalueet • * · sijaitsevat syvennysten 2 "pohjilla”. Liimakerroksen paksuus valitaan siten, että liima täyttää hyvin komponentin 6 ja johdekerroksen 4 välisen tilan, kun komponentti 6

IM

··" painetaan kiinni liimakerrokseen 5. Mikäli komponentti 6 käsittää kontaktiulokkeita 7, « * 25 liimakerroksen 5 paksuuden olisi hyvä olla kontaktiulokkeiden 7 korkeutta suurempi, • esimerkiksi noin 1,5-10 -kertainen, jotta komponentin 6 ja johdekerroksen 4 välinen tila * · * täyttyy hyvin. Komponenttia 6 varten muodostettavan liimakerroksen 5 pinta-ala voi :*: myös olla hieman komponentin 6 vastaavaan pinta-alaa suurempi, mikä omalta osaltaan * # · · ·;**: vähentää huonon täyttymisen riskiä.

117814 19

Vaihetta voidaan modifioida siten, että liimakerros 5 levitetään johdekerroksen 4 liitäntäalueiden sijasta komponenttien 6 liitäntäpinnoille. Tämä voidaan suorittaa esimerkiksi siten, että komponentti kastetaan liimassa ennen sen latomista paikalleen elektroniikkamoduuliin. On myös mahdollista menetellä siten, että liimaa levitetään 5 sekä johdekerroksen 4 liitäntäalueille että komponenttien 6 liitäntäpinnoille.

Sovellusmuodoissa käytettävä liima on sähköneriste, joten liimakerros 5 itsessään ei synnytä sähköistä kontaktia komponentin 6 kontaktialueiden 7 välille.

Vaihe 2G (kuvio 18):

Ensimmäisen pinnan la suunnasta asetettavat komponentit 6 asetetaan paikoilleen 10 elektroniikkamoduuliin. Tämä voidaan suorittaa esimerkiksi siten, että ladontakoneen avulla komponentit 6 painetaan liimakerrokseen 5. Komponentit 6 voidaan kohdistaa tarkasti kontaktiaukkojen 17 avulla vaiheessa D kuvattuun tapaan.

Vaihe 2H (kuvio 19):

El ektroniikkamoduulin aihio käännetään toisin päin (vrt. vaihe 2D).

15 Vaihe 21 (kuvio 19):

Toiselle pinnalle Ib avautuvien asennussyvennysten 2 pohjalle levitetään liimakerros 5.

• · • » ! ** Vaihe 21 suoritetaan vaihetta 2F vastaavasti mutta elektroniikkamoduulin vastakkaisen * • * · .

'* " pinnan suunnasta.

• · • · · * · · * · ;***. Elektroniikkamoduulin vastakkaisille puolille tehtävät työvaiheet (esim. vaiheet 2F ja * * * ··· 20 21) on periaatteessa mahdollista suorittaa myös samanaikaisesti tai perätysten aihiota Μ·ι :***: kääntämättä, mikäli käytössä oleva valmistuslaitteisto mahdollistaa työvaiheiden i • · · tekemisen kahdesta suunnasta.

·« *::! Vaihe 2J (kuvio 20): • * • · **» « . Vaiheessa J toisen pinnan Ib suunnasta asetettavat komponentit 6 asetetaan paikoilleen • * · ·’**. 25 elektroniikkamoduuliin vaihetta 2G vastaavasti.

• · • * * f.:*; Vaihe 2K (kuvio 21): · ** · * « 117814 " 20

Vaiheessa K komponenttien 6 ja asennusalustan väliin jäävä tila täytetään kauttaaltaan täyteaineella 8, joka on esimerkiksi jotakin sopivaa polymeeriä.

Vaihe 2L (kuvio 22):

Kontaktiaukot 17 puhdistetaan liimasta sopivalla menetelmällä, esimerkiksi laserilla tai 5 plasmaetsauksella. Samalla puhdistetaan komponentin kontaktialueet 7, jotka sijaitsevat kontaktiaukkojen 17 ’’pohjalla”.

Vaihe 2M (kuvio 23):

Vaihe 2M suoritetaan, mikäli haluttaan valmistaa muita reikiä, esimerkiksi reikä 11 eristemateriaalikerroksen 1 läpäisevää läpivientiä varten.

10 Mikäli eristemateriaalikerroksen 1 materiaali on kovetettua, c-vaiheista materiaalia, reiät 11 voidaan valmistaa aikaisemmassa vaiheessa, esimerkiksi vaiheen 2C tai 2E yhteydessä.

Vaihe 2N (kuvio 24):

Kontaktiaukkoihin 17 kasvatetaan johdemateriaalia. Esimerkkiprosessissa johdemateri-15 aalia kasvatetaan samalla myös muualle alustan päälle, joten myös johdekerrosten 4 paksuudet kasvavat. Johdemateriaalia voidaan haluttaessa kasvattaa myös reikään 11.

• o • · ; Kasvatettava johdemateriaali voi olla esimerkiksi kuparia tai jotain muuta riittävästi » »· • · sähköä johtavaa materiaalia. Johdemateriaalin valinnassa otetaan huomioon materiaalin • · φ • * .*·*. kyky muodostaan sähköinen kontakti komponentin 6 kontaktiulokkeiden 7 materiaalin • · • * * 20 kanssa. Yhdessä esimerkkiprosessissa johdemateriaali on pääasiassa kuparia.

• · · ·

Kuparimetallointi voidaan tehdä pinnoittamalla reiät 17 ohuella kerroksella kemiallista ··« kuparia ja tämän jälkeen pinnoitusta voidaan jatkaa sähkökemiallisella kuparin- ··· kasvatusmenetelmällä. Kemiallista kuparia käytetään esimerkissä siksi, koska se • * · · : pinnoittuu myös liiman päälle ja toimii sähkönjohtajana sähkökemiallisessa * , 25 pinnoituksessa. Metallin kasvatus voidaan siis suorittaa märkäkemiallisella # · * · · . · · *. menetelmällä, joten kasvattaminen on halpaa ja johderakenteesta tulee hyvälaatuinen.

• ♦ · ♦ \ ] ί Vaiheen 2N tarkoituksena on muodostaa sähköinen kontakti komponentin 6 ja johde- ***** kerroksen 4 välille. Vaiheessa 2N ei siis ole välttämätöntä kasvattaa johdekerrosten 4

paksuutta, vaan prosessi voidaan aivan hyvin suunnitella siten, että vaiheessa 2N

21 117 814 ainoastaan täytetään reiät 17 sopivalla materiaalilla. Sähköinen kontakti voidaan valmistaa esim. täyttämällä kontaktiaukot 17 sähköä johtavalla pastalla tai käyttää jotakin muuta soveltuvaa mikroläpivientien metallointimenetelmää.

Vaihe 20 (kuvio 25): 5 Vaiheessa 20 johdekerrokset 4 kuvioidaan siten, että levyn 1 molemmille pinnoille muodostuu johdekuviot 14. Kuviointi voidaan tehdä esimerkiksi vaiheessa K kuvattuun tapaan.

Vaiheen 20 jälkeen elektroniikkamoduuli sisältää komponentin 6 tai useita komponentteja 6 sekä johdekuviot 14, joiden avulla komponentti 6 tai komponentit voidaan 10 yhdistää ulkoiseen piiriin tai toisiinsa. Tällöin on olemassa edellytykset toiminnallisen kokonaisuuden valmistamiselle. Prosessi voidaan siis suunnitella siten, että elektroniikkamoduuli on valmis vaiheen 20 jälkeen ja kuvio 25 esittääkin esimerkin yhdestä mahdollisesta elektroniikkamoduulista. Haluttaessa prosessia voidaan myös jatkaa vaiheen 20 jälkeen esimerkiksi päällystämällä elektroniikkamoduuli suoja-aineella tai 15 valmistamalla lisää johdekuviokerroksia elektroniikkamoduulin ensimmäiselle ja/tai toiselle pinnalle.

Vaihe 2P (kuvio 26): ·· · • '·· Levyn 1 molemmille pinnoille valmistetaan eristemateriaalikerros 21 sekä eristemateri- • · ·.*·· aalikerroksen 21 pinnalle johdekerros 24. Vaihe 2P voidaan suorittaa esimerkiksi • · 20 prässäämällä levyn 1 molemmille pinnoille sopivat RCF-kalvot. RCF-kalvo sisältää * · « • · *...' tällöin sekä eristemateriaalikerroksen 21 että johdekerroksen 24. Kun RCF-kalvot « • · · ···: prässätään lämmön ja paineen avulla levyyn 1, että kerrosten 21 polymeeri muodostaa * · · • · **··" yhtenäisen ja tiiviin eristemateriaalikerroksen johdekerrosten 14 ja 24 väliin. Tällä menettelyllä myös johdekerroksesta 24 tulee varsin tasainen ja tasomainen.

• · * • * * * 25 Valhe 2Q (kuvio 27): *

Vaiheessa Q valmistetaan reikiä 27 läpivientien muodostamiseksi johdekerrosten 14 ja « · :’ 24 välille. Reiät voidaan valmistaa esimerkiksi laserilla.

* • * • · * i Vaihe 2R (kuvio 28):

, ! I

,, 117814

Vaiheessa 2R kasvatetaan johdemateriaalia reikiin 27 ja samalla voidaan paksuntaa myös johdekerrosta 24. Vaihe 2R voidaan suorittaa vaihetta 2N vastaavasti.

Vaiheen 2R jälkeen prosessia voidaan jatkaa kuvioimalla johdekerrokset 24 ja mahdollisesti valmistamalla lisää johdekerroksia jommallekummalle tai molemmille 5 pinnoille. Elektroniikkamoduulin pinnalla olevaan johdekuviokerrokseen voidaan myös yhdistää erilliskomponentteja tavanomaisen piirilevytekniikan tapaan.

Edellisten kuvasaijojen esimerkit kuvaavat joitakin mahdollisia prosesseja, joiden avulla keksintöämme voidaan käyttää hyväksi. Keksintömme ei kuitenkaan rajoitu vain 10 edellä esitettyihin prosesseihin, vaan keksintö kattaa muitakin erilaisia prosesseja ja niiden lopputuotteita, patenttivaatimusten täydessä laajuudessa ja ekvivalenssitulkinta huomioon ottaen. Keksintö ei myöskään rajoitu vain esimerkkien kuvaamiin rakenteisiin ja menetelmiin, vaan alan ammattimiehelle on selvää, että keksintömme erilaisilla sovelluksilla voidaan valmistaa hyvin monenlaisia elektroniikkamoduuleja ja 15 piirilevyjä, jotka poikkeavat suurestikin edellä esitetystä esimerkistä. Kuvioiden komponentit ja johdotukset on siis esitetty ainoastaan valmistusprosessin havainnollis-tamistarkoituksessa. Edellä esitettyjen esimerkkien prosesseihin voidaan tehdä siis runsaasti muutoksia, poikkeamatta silti keksinnön mukaisesta perusajatuksesta.

• · : **· Muutokset voivat liittyä esimerkiksi eri vaiheissa kuvattuihin valmistustekniikoihin tai · · *.**: 20 prosessivaiheiden keskinäiseen järjestykseen.

• · • · · * · * • * .·*·. Edellä esitetyissä prosesseissa voidaan esimerkiksi käyttää useampia komponenttien « · · liitämistekniikoita, esimerkiksi siten, että ensimmäisen pinnan suunnasta liitettävät ··»· j*"· komponentit liitetään jollakin ensimmäisellä tekniikalla ja toisen pinnan summasta • · « liitettävät komponentit liitetään jollakin toisella tekniikalla, joka poikkeaa mainitusta ·;· 25 ensimmäisestä tekniikasta.

* * · * • · * • m • * "* Edellä esitetyissä esimerkeissä on valmistettu elektroniikkamoduuleja, jotka sisältävät ensimmäisestä ja toisesta suunnasta upotettuja komponentteja. Keksinnön puitteissa on • » · • · *···* toki mahdollista valmistaa myös sellaisia yksinkertaisempia moduuleja, jotka sisältävät * · ·.· · ainoastaan yhdestä suunnasta upotettuja komponentteja. Myös tällaisten yksinkertai- * 30 sempien moduulien avulla voidaan valmistaa kaksisuuntaisesti upotettuja komponent- 23 teja sisältävä moduuli. Moduuli voidaan valmistaa esimerkiksi siten, että kaksi moduulia laminoidaan yhteen.

·· • 1 * ♦ · • 1 « · · i • 1 · * · • · • · · * · 1 * 1 ··1 • 1 ··· *·· * 1 1 · . 1J * · · * · • « * 1 1 ··· ··1· • · 1 * 1 • · * 1 * • 1 i *·1 *** * 1 · * · • · * 1 1 • · • 1 1 * 1 · • · 1 · ·

Claims (13)

24 11 /814

1. Menetelmä elektroniikkamoduulin valmistamiseksi, joka elektroniikkamoduuli sisältää komponentin (6), joka yhdistyy sähköisesti johdekuviokerrokseen (14), 5 tunnettu siitä, että menetelmässä: - valmistetaan johdekerrokseen (4) kontaktiaukkoja (17), joiden keskinäinen sijainti vastaa liitettävän komponentin (6) kontaktialueiden (7) keskinäistä sijaintia, - kohdistetaan komponentti (6) ja johdekerros (4) toistensa suhteen siten, että komponentin (6) kontaktialueet (7) tulevat kontaktiaukkojen (17) kanssa 10 kohdakkain, ja kiinnitetään komponentti (6), - valmistetaan ainakin kontaktiaukkoihin (17) ja komponentin (6) kontaktialueille (7) johdemateriaalia, joka yhdistää komponentin (6) johdekerrokseen (4), ja - kuvioidaan johdekerros (4) johdekuviokerrokseksi (14).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kontaktiaukkoja (17) valmistetaan kuvioimattomaan johdekerrokseen (4). • · • * · * · ··· • *· i » :Y:

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että • * kontaktiaukkoja (17) valmistettaessa johdekerroksen (4) toisella pinnalla on tukikerros *:· 20 (12). M·· v 7 a a Φ • · ΊΙ • * ··· .,1 •i*

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kontaktiaukot • · · · (17) valmistetaan ensimmäisen pinnan suunnasta johdekerroksen (4) läpi siten, että a . kontaktiaukot ulottuvat tukikerrokseen (12) saakka, ja ennen komponenttien (6) • * * .. 25 yhdistämistä johdekerrokseen kontaktiaukot paljastetaan poistamalla tai ohentamalla • · · . \t tukikerros (12). a · · • * · * « « · a a · * · 25 117814

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että komponentti kiinnitetään johdekerrokseen eristävällä liimalla (5).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että komponentin 5 liimaamisen jälkeen ja ennen johdemateriaalin valmistamista komponentin kontaktialueille: - kontaktiaukot ja komponentin kontaktialueet puhdistetaan kontakti aukkojen kautta.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 komponentin johdekerrokseen yhdistävä johdemateriaali valmistetaan kemiallisella ja/tai sähkökemiallisella metallointimenetelmällä.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että johdekerros sisältyy levyyn, jolla on ensimmäinen (la) ja toinen (Ib) pinta, ja joka levy 15 käsittää eristemateriaalikerroksen (1) ensimmäisen (la) ja toisen (Ib) pinnan välillä sekä johdekerroksen (4) ainakin ensimmäisellä pinnalla (la), ja että menetelmässä: M : - valmistetaan levyyn (1) komponenttia varten ainakin yksi syvennys (2), joka t · !,*! ulottuu toisen pinnan (Ib) ja eristemateriaalikerroksen (1) läpi ensimmäisellä • * pinnalla (la) olevaan johdekerrokseen (4) saakka, joka peittää syvennyksen (2) * * · 20 ensimmäisen pinnan (la) suunnasta, * • * · ··*· ,···. jolloin kontaktiaukot (17) valmistetaan syvennyksen (2) pohjalla olevaan * · • · « johdekerrokseen (4).

* · · • · « • · · • · * * • » • * · • . 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että t · . 25 eristemateriaalikerrokseen (1) asetetaan komponentteja (6) sekä ensimmäistä (la) että * · · · · * · . toista (Ib) pintaa kohti ja muodostetaan komponentteihin (6) sähköiset kontaktit siten, • * · * · · : ·' että ainakin osa komponenteista yhdistetään ensimmäisellä pinnalla (la) olevaan • · *···* johdekerrokseen (4) ja ainakin osa toisella pinnalla (Ib) olevaan johdekerrokseen (4). 26 1 1 78 1 4

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että johdekerroksen (4) ensimmäinen pinta, jota vasten komponentti (6) kiinnitetään, on paljas pinta, ja komponentin (6) kiinnittämisen jälkeen: 5. valmistetaan johdekerroksen (4) ensimmäiselle pinnalle eristemateriaalikerros (1), joka ympäröi johdekerrokseen (4) liimatun komponentin (6).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eristemateriaalikerroksen (1) vastakkaiselle pinnalle valmistetaan toinen johdekerros. 10

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektroniikkamoduuliin upotetaan useampi kuin yksi komponentti (6) ja upotetut komponentit (6) yhdistetään sähköisesti toisiinsa toiminnallisen kokonaisuuden muodostamista varten. 15

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että |\t ainakin yksi johdekerrokseen (4) kiinnitettävä komponentti (6) on pakkaamaton mikropiiri siru. t ···>.' * 1 · • « • · · * · · • · 1 • · · **··' ··♦ • · • · ·· · • · t • · · • · · * · · * · • · • 1 · ·1··· • · • 1 • · · · · • · • j ·· · • t 1 · · · • · • · V · · 27 1 1 78 1 4