WO2000079853A1

WO2000079853A1 - Metodo para conectar pistas electroconductoras separadas por un aislante laminar, y circuito impreso obtenido

Info

Publication number: WO2000079853A1
Application number: PCT/ES1999/000184
Authority: WO
Inventors: José Antonio CUBERO PINTEL
Original assignee: Lear Automotive EEDS Spain SL
Current assignee: Lear Automotive EEDS Spain SL
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2001-12-21
Also published as: EP1198163A1

Abstract

Método para conectar pistas electroconductoras separadas por un aislante laminar, y circuito impreso obtenido, partiendo de un elemento (1) compuesto de un substrato (2) laminar, de material dieléctrico, revestido por ambas caras por sendas capas electroconductoras, a partir de las que se han configurado unas pistas (3a, 3b), conectadas eléctricamente por unas espigas (5) electroconductoras, insertadas en unos orificios (4), transversales, practicados en puntos predeterminados de dicho elemento (1), quedando definidos entre orificio (4) y espiga (5) unos espacios de separación (4a), sobresaliendo ambos extremos (5a, 5b) de dichas espigas (5) de las correspondientes pistas (3a, 3b), cuyos orificios (4) se metalizan interiormente antes de la inserción de las citadas espigas (5) y luego se realiza la soldadura de los dos extremos (5a, 5b) de dichas espigas (5) a las correspondientes pistas (3a, 3b) aportando material (6) fundido, sobre un único extremo (5a) de las espigas (5) y zonas adyacentes de las pistas (3a).

Description

MÉTODO PARA CONECTAR PISTAS ELECTROCONDUCTORAS SEPARADAS POR UN AISLANTE LAMINAR. Y CIRCUITO IMPRESO OBTENIDO

Campo de la Invención

La presente invención concierne a un método para interconexión de pistas electroconductoras separadas por un aislante laminar dieléctrico, apto para la fabricación de placas de circuito impreso (PCB), en especial con unos grosores de dichas capas electroconductoras de 400 μm o superiores, previstos para aplicaciones de transmisión potencia, haciendo posible este método la conexión de unas pistas electroconductoras configuradas en dichas capas conductoras de sendas caras opuestas de la placa o PCB, por medio de unas espigas electroconductoras, cortas, insertadas a presión en unos orificios transversales a la placa, realizados a propósito, cuyas espigas permiten el paso a su través de corrientes de intensidad importante, dentro de la gama de transmisión de potencia.

La invención también concierne a un circuito impreso de doble cara fabricado conforme al método propuesto.

Los citados PCB de doble cara con capas electroconductoras de un grosor de 400 μ y superiores encuentran una aplicación significativa en cajas de distribución eléctrica para automóviles. Dichas cajas, tal como la descrita por ejemplo en la patente GB-A-2 263 817 (MAI-92) constituyen un sistema de conexión eléctrica centralizado en el vehículo, actuando como soporte para equipos de protección, así como para otros diversos componentes eléctricos, tales como relés, diodos, módulos de control electrónico y conectares. Conviene destacar que todas las conexiones entre los citados componentes se efectúan en la caja por medio de uno o varios PCB, a partir de los cuales es factible distribuir/recibir potencia y señales de control a/desde diversas partes del vehículo.

Más concretamente, la invención se refiere a un método apropiado para la fabricación de circuitos impresos de doble cara, en especial para aplicaciones de transmisión de potencia, mediante el cual la conexión mecánica y eléctrica de las citadas espigas electroconductoras a las correspondientes pistas, se realiza en una única etapa de soldadura, aportando material fundido sobre un único extremo de las espigas y zonas adyacentes de las pistas correspondientes. Antecedentes de la invención

Actualmente existen, para circuitos electrónicos, diversas tecnologías de interconexión de pistas de cobre situadas a diferentes niveles (doble cara, multicapa, etc.). Una de las técnicas utilizadas consiste en la metalización de las paredes internas de unos orificios transversales al PCB por aportación de un metal electrolítico, tal como cobre, lo cual proporciona una capa conductora de solo unas pocas mieras, cuyos orificios/taladros conectan puntos predeterminados de las pistas de las diversas capas electroconductoras . Para muchas aplicaciones electrónicas, son suficientes espesores de metalización típicamente entre 5 a 15 μm para soportar las bajas intensidades de corriente puestas en juego en pistas de señal (habitualmente del orden de mA).

Por otra parte los substratos adecuados para la técnica de la metalización son los del tipo CEM-1 , FR-4 y en general aquellos que tienen un coeficiente de expansión térmica relativamente bajo.

En relación con los circuitos impresos de doble cara con unos espesores de las pistas de 400 μm y superiores, para aplicaciones de transmisión de potencia, por ejemplo de los utilizados en cajas de distribución eléctrica, la comunicación entre las pistas de una y otra cara mediante orificios/ taladros metalizados resulta poco viable debido, principalmente, a los siguientes aspectos:

- el espesor de 0,4 mm de Cu dificulta el proceso de metalización con unos medios estándar, preparados para aplicaciones del campo de la electrónica de señal;

- los gruesos de las paredes metalizadas habrían de ser muy superiores a los convencionales debido a las altas corrientes que deben circular; esto representaría unos tiempos de proceso largos;

- en general, debido a que el proceso de fabricación del PCB de doble cara con espesores de las capas electroconductoras de 400 μm o superiores ofrece diferencias respecto al proceso convencional para grosores inferiores, la introducción de una metalización de los orificios hace necesario readaptar dicho proceso para incluir la citada metalización.

Por ello, el proceso que se utiliza actualmente de manera más generalizada para la interconexión de pistas de cobre de 400 μm o espesores superiores, en PCB de doble cara preparados para aplicaciones de transmisión de potencia es, por ejemplo, el descrito en la citada patente GB-A-2 263 817, e ilustrado en particular la Fig. 2 de sus dibujos, consiste en:

- inserción de espigas cortas (que sobresalen ligeramente por una y otra cara de las capas conductoras) en unos orificios/taladros correspondientes, transversales a la placa, realizados previamente por punzonado;

- soldadura por ola de las espigas cortas mediante una aleación tal como 63Sn37PB; el proceso de soldadura se realiza en 2 etapas para la unión de la espiga corta por una y otra cara del circuito impreso. Debido a que la unión soldada de la referida espiga electroconductora a las capas o pistas electroconductoras de una y otra cara del PCB a menudo tiene que soportar cambios de temperatura, típicamente variaciones entre -40°C y 85 °C, y a la existencia de diferencias entre los coeficientes de expansión térmica de los diferentes materiales que intervienen en la unión (soldadura, cobre, substrato), sobre la soldadura se produce una tensión termomecánica y, como consecuencia de un gran número de ciclos térmicos, una fatiga que puede llegar a traducirse en la formación de grietas.

Por otra parte, es importante minimizar o evitar la refusión de la primera soldadura cuando se efectúa la segunda con el objeto de aminorar los efectos de la fatiga termomecánica a consecuencia del estrés térmico. A tal efecto se están estudiando aleaciones más resistentes térmica y mecánicamente para evitar la refusión: tal es el caso de la nueva aleación 96SN4Ag. Cabe citar asimismo la patente US-A-5.601.227 del actual solicitante, que describe una aleación especial con un 95 % de Sn y un 5 % de Sb o un 52% de Sn, 45% Pb y 3% de Sb con un punto de fusión superior a 183°C especialmente favorables para la soldadura de circuitos impresos. En la solicitud de patente EP-A-0877 539, el solicitante ha propuesto también un método para obtener una mejora de la soldadura, en particular para los componentes transversales soldados por sus extremos a las dos caras conductoras de un circuito impreso, consistente en utilizar procedimientos de soldadura de diferentes características sobre cada uno de los extremos del componente, de manera que las dos soldaduras no resulten cualitativamente afectadas entre sí. Para ello se describe en dicho documento la utilización de unas aleaciones de soldadura con puntos de fusión distintos para cada uno de los extremos de la espiga a soldar, con el fin de evitar la refusión durante la segunda soldadura (la cual continúa realizándose con la aleación estaño/plomo, cuyo punto de fusión es de 183 °C) de la primera. A tal efecto se propone una aleación binaria basada en estaño y plata que presenta una mayor resistencia a la fatiga termomecánica.

Exposición de la invención

La presente invención se fundamenta en un principio distinto, que aprovecha en parte la tecnología de metalización de orificios en PCB, aplicada aquí - con espesores de metalización típicos de 5 a 15 μm o inferiores - a un substrato dieléctrico revestido en sus dos caras por unas capas electroconductoras con grosores de 400 μm o superiores, en combinación con la técnica más usual en circuitos de potencia de usar espigas electroconductoras transversales, cortas, de conexión. De este modo, a dichos orificios metalizados del PCB de doble cara se les asocia unas espigas electroconductoras transversales, de sección poligonal, las cuales quedan insertadas a presión con unas aristas longitudinales de las espigas en contacto con las paredes metalizadas de los orificios, dejando unos espacios de separación entre los flancos de la espiga y la capa metalizada del orificio, para finalmente, proceder a realizar una soldadura, con metal de aportación por una única cara del PCB y actuando sobre un único extremo de cada espiga, de manera que dicho material fundido fluye por capilaridad por dichos espacios de separación, hasta el lado opuesto donde se realiza la soldadura del segundo extremo de cada espiga a su correspondiente pista.

Ha de señalarse que en el procedimiento convencional de fabricación de circuitos impresos, ilustrado por ejemplo en la patente ES-A-2021545 (MAI90) ya era conocido insertar en cada orificio del PCB una correspondiente espiga transversal, de longitud superior al grosor del PCB y de sección transversal cuadrangular inscribible en un círculo de diámetro ligeramente superior al diámetro de dichos orificios, quedando definidos entre orificios y espigas unos espacios de separación, cuyas espigas quedan conectadas mecánicamente a presión en los orificios, y con los extremos de las espigas sobresaliendo ligeramente por ambos lados del elemento, facilitando un posicionado correcto de dichas espigas para realizar sobre dichos extremos las referidas operaciones de soldadura.

El método preconizado ahora, en la presente invención, mejora notablemente los resultados en lo que se refiere a los daños y tensiones estructurales que se podrían producir sobre la placa o circuito impreso, minimizando la fatiga termomecánica, sobre las soldaduras realizadas en una primera etapa, en una de las caras del PCB, al soldar sobre la otra cara, lo que repercutirá favorablemente en las condiciones de trabajo en las que debe operar dicho circuito impreso, en particular si se utiliza en cajas de distribución eléctrica en vehículos a motor.

Evidentemente, en relación con los procedimientos convencionales referidos que comportan dos etapas de paso por una soldadura por ola, el método propuesto permite realizar la unión de una sola vez, lo cual proporciona ventajas en cuanto a los tiempos de procesado.

Las uniones entre espiga y capas conductoras son robustas y dicha unión estará formada, por ambos lados, por el mismo material de aportación por soldadura y, por lo tanto, se eliminará el efecto de los diferentes coeficientes de expansión térmica y la interacción entre una y otra soldadura, lo cual minimizará la fatiga termomecánica.

El método conforme a esta invención comporta así, en esencia, las siguientes fases:

- una primera etapa de metalización, por técnica en sí conocida, de los orificios/ taladros previstos para conexión de puntos predeterminados de unas pistas de caras opuestas del PCB;

- una segunda etapa de anclaje y contacto de las espigas electroconductoras con los taladros metalizados, según técnica también conocida, anteriormente referida, dejando unos espacios libres entre espiga y orificio, y quedando los extremos de dichas espigas sobresaliendo ligeramente por ambas caras del PCB;

- una última etapa de soldadura con aportación de material realizada aportando dicho material fundido sobre un único extremo de las espigas y zonas adyacentes de las pistas correspondientes, cuyo material fluye por capilaridad a través de los citados espacios libres delimitados por la pared conductora o estrato metalizado del interior del orificio y la superficie de la espiga, hasta alcanzar el otro extremo de la espiga y completar allí una soldadura de dicho segundo extremo.

Conviene destacar que, conforme al método propuesto, el espesor de la capa de metalización del interior de los orificios/taladros transversales al PCB puede ser del orden de 5 a 15 μm, es decir el típico para metalización de orificios/taladros que comunican pistas de circuitos de señal, e incluso inferior, puesto que el papel asignado a dichas capas que forman una pared, con propiedades de buena conducción térmica, interior a dichos orificios/ taladros, es únicamente propiciar la fluencia por capilaridad del material de aportación fundido, sin participar de manera esencial en la conducción eléctrica que, se realizará primordialmente a través de las citadas espigas electroconductoras, cortas, transversales al PCB, que permiten la circulación de intensidades en la gama de potencia.

En general se realizarán otros orificios destinados al montaje de componentes electrónicos sobre la placa del PCB posteriormente a la etapa de metalización del interior de los orificios/taladros transversales.

Breve descripción de los dibujos

La invención se comprenderá mejor a partir de una descripción detallada de unos ejemplos de realización preferidos de la misma, que debe ser leída con referencias a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que: la Fig. 1 es una vista en perspectiva de una porción de un elemento de partida para una placa de circuito impreso PCB; la Fig. 2 es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, de la porción del elemento de la Fig. 1 al que se le han practicado unos orificios; la Fig. 3 es una vista en sección transversal por un plano que contiene el eje de uno de los orificios de la Fig. 2, cuya pared interior se ha metalizado; la Fig. 4 es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, que ilustra la inserción de una espiga en el orificio de la Fig. 3; la Fig. 5 es una combinación de una vista en planta de una porción del elemento de la Fig. 1 con uno de dichos orificios, metalizado, y con la espiga de la Fig. 4 insertada en el mismo, y un vista en sección transversal realizada por la línea señalada por unas flechas en la vista en planta; la Fig. 6 es una vista en sección transversal del conjunto de la Fig. 5 al que se está iniciando la aportación de material de soldadura por uno de sus lados; y la Fig. 7 es una vista en sección transversal del conjunto el conjunto de la Fig.

6 que muestra el resultado de la operación de soldadura finalizada, con las espigas soldadas por sus dos extremos a las pistas electroconductoras del PCB.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización preferidos

Haciendo referencia en primer lugar a la Fig. 1, en la misma, con la referencia numérica 1 , se indica de manera general un elemento de una placa de circuito impreso de doble cara compuesto de un substrato 2 laminar, de material dieléctrico, sobre ambas caras del cual se hallan configuradas unas pistas 3a, 3b electroconductoras. El grosor de las pistas 3a, 3b es al menos de aproximadamente 400 μm, apto para circuitos de transmisión de potencia.

En muchas de aplicaciones se requiere una interconexión entre puntos predeterminados de las pistas 3a, 3b electroconductoras de ambas caras del elemento 1 , a través del substrato 2 aislante. Además, en aplicaciones de transmisión de potencia, como es el caso al que va principalmente dirigido el método de la presente invención, dicha conexión debe realizarse mediante un material conductor que presente un área de sección de paso lo suficientemente grande como para no ofrecer una resistencia eléctrica indeseada al paso de la corriente.

Para realizar dichas conexiones se procede, en primer lugar, a practicar una pluralidad de orificios 4 (véase Fig. 2) en dichos puntos predeterminados de dicho elemento 1, correspondientes a las partes de las pistas a conexionar. Simultáneamente a la realización de dichos orificios 4 se pueden realizar unos agujeros 8 para el montaje de componentes electrónicos, aunque estos se pueden practicar con igual eficacia después de la interconexión de las capas 3a, 3b electroconductoras.

En la Fig. 3 se ilustra el resultado del siguiente paso, que consiste en la metalización, por técnicas convencionales, del interior de los orificios 4. Con esta técnica se obtiene una fina capa metálica 7 que recubre la superficie interior de cada orificio 4. A continuación (Fig. 4) se realiza la inserción en dichos orificios 4 de unas espigas 5 electroconductoras, mediante una fuerza de inserción I que garantiza un ajuste a presión de las mismas. Típicamente, dichas espigas 5 son de longitud superior al grosor del elemento 1 y de sección transversal poligonal, en este caso cuadrada, inscribible en un círculo de diámetro ligeramente superior al diámetro de dichos orificios 4, de manera que dichas espigas 5 quedan conectadas mecánicamente a presión en los orificios 4, con unas aristas de las espigas 5 en contacto con la fina capa metálica 7 de la pared interior del orificio 4. De esta manera (Ver Fig. 5), entre las paredes metalizadas de los orificios 4 y los flancos de las espigas 5 quedan definidos unos espacios de separación 4a, mientras que unos extremos 5a, 5b de las espigas 5 quedan sobresaliendo ligeramente por ambos lados del elemento 1.

Aunque en este punto, dichas espigas 5 están mecánicamente fijadas a los orificios 4, y, junto con las finas capas metálicas 7 del interior de los orificios 4, establecen una conexión eléctrica entre las pistas 3a, 3b de lado y lado del elemento 1, es necesario consolidar tanto dicha fijación mecánica como dicha conexión eléctrica para conferir al circuito impreso unas buenas propiedades para resistir duras y largas condiciones de trabajo que pueden incluir, por ejemplo (aplicación de los PCB a cajas de conexión centralizada de automoción), vibraciones, variaciones térmicas, etc. Para alcanzar dicha consolidación se realiza una soldadura con aportación de material 6 fundido (véase la Fig. 6), actuando únicamente sobre un primer extremo 5a de cada espiga 5 y la zona adyacente de su correspondiente pista 3a, de manera que dicho material 6 fundido fluye por capilaridad por dichos espacios de separación 4a. Dicha capilaridad está propiciada por unas holguras deseadas, predeterminadas, de los espacios de separación 4a, y por las características físicas de las paredes de dichos espacios de separación, delimitados por las finas capas metálicas 7 del interior de los orificios 4 y los flancos de las espigas 5.

Dicha fluencia por capilaridad continúa hasta que el material 6 de aportación alcanza el lado opuesto del orificio 4, donde da lugar a la soldadura del segundo extremo 5b de cada espiga 5 a su correspondiente pista 3b. Hay que destacar que el grosor de las finas capas metálicas 7 es sólo el suficiente para propiciar la fluencia por capilaridad del material 6 de aportación, fundido, puesto que dichas finas capas metálicas 7 no participan necesariamente, de manera esencial, en la conducción eléctrica de potencia.

Un experto en la materia será capaz de introducir diversas variantes o cambios en el método expuesto sin salirse del ámbito de la presente invención, el cual está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Método para conectar pistas electroconductoras separadas por un aislante laminar, en donde se parte de un elemento (1) compuesto de un substrato (2) laminar, de material dieléctrico, revestido por ambas caras por sendas capas electroconductoras, a partir de las que se han configurado dichas pistas (3a, 3b), conectadas eléctricamente entre sí a través de unas espigas (5) electroconductoras, insertadas en unos orificios (4), transversales, practicados en unos puntos predeterminados de dicho elemento (1), quedando definidos entre orificios (4) y espigas (5) unos espacios de separación (4a), estando ambos extremos (5a, 5b) de dichas espigas (5) sobresaliendo de las correspondientes pistas (3a, 3b), y soldados a las mismas con aportación de material (6), caracterizado porque dichos orificios (4) se metalizan interiormente previamente a la inserción de las espigas (5) y la soldadura de los dos extremos (5a, 5b) de dichas espigas

(5) a las correspondientes pistas (3a, 3b) se realiza aportando dicho material (6) fundido, sobre un único extremo (5a) de las espigas (5) y zonas adyacentes de las pistas (3a) correspondientes.

2.- Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende los siguientes pasos secuenciales:

(a) realizar dichos orificios (4) transversales pasantes, cilindricos, en unos puntos predeterminados del elemento (1), afectando dicho substrato (2) y las pistas (3a, 3b);

(b) aplicar, mediante una técnica de metalización, una fina capa metálica (7) a la superficie interior de los orificios (4);

(c) insertar mediante ajuste a presión dichas espigas (5) en dichos orificios (4), siendo dichas espigas (5) de sección transversal poligonal inscribible en un círculo de diámetro ligeramente superior al diámetro de dichos orificios (4), quedando dichos espacios de separación (4a) definidos, con una holgura deseada, entre las finas capas metálicas (7) del interior de los orificios (4) y los flancos de las espigas (5); y

(d) realizar dicha soldadura con aportación de dicho material (6) fundido actuando sobre un primer extremo (5a) de cada espiga (5) y zona adyacente de su correspondiente pista (3a), de manera que dicho material (6) fundido fluye por capilaridad por dichos espacios de separación (4a), hasta el lado opuesto donde se realiza la soldadura del segundo extremo (5b) de cada espiga (5) a su correspondiente pista (3b), cuya capilaridad está propiciada por dichas holguras deseadas de los espacios de separación (4a) delimitadas por las superficies de las finas capas metálicas (7) del interior de los orificios (4) y los flancos de las espigas (5).

3.- Método, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el grosor de las pistas (3a, 3b) es al menos de aproximadamente 400 μm, apto para circuitos de potencia.

A.- Método, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el grosor de las finas capas metálicas (7) es sólo el suficiente para propiciar la fluencia por capilaridad del material (6) de aportación fundido, sin participar necesariamente de manera esencial en la conducción eléctrica.

5.- Método, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque incluye la realización de unos agujeros (8) de montaje de componentes electrónicos posterior a la realización de los orificios (4) en el paso (a).

6.- Circuito impreso de doble cara, caracterizado porque comprende una pluralidad de pistas configuradas a partir de unas capas electroconductoras adosadas a lado y lado de un substrato (2) laminar dieléctrico, estando dichas pistas comunicadas mediante el método de acuerdo con la reivindicación 2.

7.- Circuito, según la reivindicación 6, caracterizado porque el grosor de las pistas (3a, 3b) es al menos de aproximadamente 400 μm, apto para circuitos de potencia y el grosor de las finas capas metálicas (7) es sólo el suficiente para propiciar la fluencia por capilaridad del material (6) de aportación fundido, sin participar necesariamente de manera esencial en la conducción eléctrica.