DE1297173B

DE1297173B - Process for making high quality wiring connections in printed circuit cards

Info

Publication number: DE1297173B
Application number: DEP30406A
Authority: DE
Inventors: Grabbe Dimitri G
Original assignee: Photocircuits Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1961-10-18
Filing date: 1962-10-18
Publication date: 1969-06-12
Also published as: SE309891B; DK119520B; AT260328B; CH411068A; ES281648A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen hochwertiger elektrischer Leitungsverbindungen zwischen den Leitungszügen einer gedruckten Schaltungskarte und in metallisierte Durchbohrungen derselben eingeführten Anschlußelementen.The invention relates to a method for producing high quality electrical line connections between the lines of a printed circuit board and connecting elements introduced into metallized through-bores thereof.

In den letzten Jahren ist man auf dem Gebiet der Elektronik immer mehr dazu übergegangen, gedruckte Schaltungskarten zu verwenden, wobei deren Anwendung durch die moderne Mikrotechnik der elektronischen Bauelemente möglich wurde, und woraus sich eine Vielzahl von Vorteilen ergibt. Schaltungskarten bestehen in bekannter Weise aus einer Trägerschicht aus Isoliermaterial, auf die eine elektrisch leitende Folie, vorzugsweise eine Kupferfolie aufgebracht wird, deren Konturen den gewünschten Leitungszügen entsprechen. Die Leitungszüge können hierbei entweder auf einer oder auf beiden Seiten des Trägermaterials vorgesehen werden. Es kann darüber hinaus auch eine Mehrzahl derartiger Trägerschichten in übereinanderanordnung in geeigneter Weise miteinander verbunden werden, so daß sogenannte Mehrlagenschaltungen entstehen. Die Leitungszüge können mittels eines bekannten Fotodruckverfahrens oder auch auf galvanischem Wege aus der zunächst die gesamte Trägerschicht bedeckenden Kupferfolie mittels eines Ätzverfahrens ausgebildet werden. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die Oberfläche der Leitungselemente im Tauchverfahren oder auch galvanisch mit einer veredelnden Schicht, beispielsweise Silber, Zinn, Gold oder Indium, zu überziehen. Derart veredelte Schaltelemente genügen dann besonderen Anforderungen, wie sie beispielsweise an Schalterkontakte oder Messerkontakte gestellt werden müssen. Hierbei spielen die Gesichtspunkte der Korrosionsfestigkeit wie auch der Verschleißfestigkeit eine bevorzugte Rolle.In the past few years one has always been in the field of electronics more moved to the use of printed circuit cards, with their application made possible by the modern micro-technology of the electronic components, and resulting in a multitude of advantages. Circuit cards exist in well-known Way from a carrier layer of insulating material on which an electrically conductive Foil, preferably a copper foil, is applied, the contours of which the desired Line runs correspond. The cable runs can either be on one or be provided on both sides of the substrate. It can go beyond that also a plurality of such carrier layers arranged one above the other in a suitable manner Wise connected to each other, so that so-called multilayer circuits arise. The cable runs can by means of a known photo printing process or on galvanically from the copper foil, which initially covers the entire carrier layer be formed by means of an etching process. In this context it is too known, the surface of the line elements in the immersion process or galvanically with a refining layer, for example silver, tin, gold or indium overlay. Switching elements refined in this way then meet special requirements, how they have to be placed on switch contacts or blade contacts, for example. The aspects of corrosion resistance and wear resistance play a role here a preferred role.

Schwierigkeiten bereitet das Anbringen von Anschlußelementen an die Leitungszüge der gedruckten Schaltungskarte, besonders wenn hochwertige elektrische Verbindungen gefordert sind.Difficulties are the attachment of connecting elements to the Printed circuit board wiring, especially if high quality electrical Connections are required.

Oft genügen einfache mechanische Steckkontakte den gestellten Anforderungen nicht, so daß die Verbindung mittels Löten hergestellt werden muß. Hierbei besteht jedoch eine Schwierigkeit darin, die aus Isoliermaterial bestehende Trägerschicht während des Lötprozesses möglichst nur so weit zu erhitzen, daß sie durch die Wärmeeinwirkung nicht deformiert wird. Es ist bekannt, Anschlußelemente mit den Leitungszügen auf der Trägerschicht in Kontakt zu bringen, indem diese durch eine durch die Trägerschicht und die Leitungszüge hindurchführende Durchbohrung eingebracht werden und anschließend ein Verlöten, vorzugsweise im Tauchverfahren, erfolgt. Um hierbei die Trägerschicht möglichst wenig thermisch zu belasten, hat man die Leitungszüge zuvor mit einer Metallschicht, welche einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des Leitungszuges aufweist, beaufschlagt. Für aus Kupfer bestehende Leitungszüge ist es bekannt, diese auf galvanischem Wege mit einer Indiumschicht zu überziehen. Im nachfolgenden Löt-Tauch-Verfahren, bei dem das durch den Leitungszug wie auch durch die Trägerschicht hindurchgeführte Anschlußelement mit seinem unteren Ende zusammen mit dem Leitungszug in ein wenigstens teilweise Indium enthaltendes Lötbad eingetaucht wird, wird die Oberfläche des Indiumüberzuges auf dem Kupferleiter verhältnismäßig schnell flüssig, so daß hierdurch eine feste Lötverbindung erzielt werden kann. Somit wird also durch die Maßnahme des Indiumüberzuges auf dem Leitungszug das übliche Löt-Tauch-Verfahren dahingehend verbessert, daß bei geringeren Temperaturen gelötet werden kann, wobei gleichzeitig der Eintauchprozeß verkürzt wird. Die thermische Beanspruchung der aus Isoliermaterial bestehenden Trägerschicht wird herabgesetzt.Simple mechanical plug-in contacts often meet the requirements not, so that the connection must be made by soldering. Here is however, there is a problem with the carrier layer consisting of insulating material during the soldering process to heat them as far as possible that they are affected by the effect of heat is not deformed. It is known to attach connecting elements to the cable runs the carrier layer in contact by this through a through the carrier layer and through bores leading through the cable runs are introduced and then soldering, preferably in the immersion process, takes place. To do this the carrier layer to put as little thermal load as possible on the cable runs beforehand with a Metal layer, which has a much lower melting point than the material of the cable run, acted upon. For cable runs made of copper it is known to galvanically coat them with an indium layer. In the subsequent soldering-immersion process, in which this is done through the cable run as well connecting element passed through the carrier layer with its lower end together with the line run in a solder bath containing at least partially indium is immersed, the surface area of the indium coating on the copper conductor becomes proportionate quickly liquid, so that a solid soldered connection can be achieved in this way. Thus, the measure of the indium coating on the cable run becomes the usual Soldering dip process improved to the effect that soldered at lower temperatures can be, at the same time the immersion process is shortened. The thermal The stress on the carrier layer made of insulating material is reduced.

Darüber hinaus ist es bei der Herstellung von gedruckten Schaltungskarten auf fotochemischem Wege auch bekannt, den aus Kupfer bestehenden und mit einer Legierung aus Blei und Zinn überzogenen Leiter zusätzlich noch mit einer Indiumschicht zu überziehen und das Indium in einem nachgeschalteten Temperverfahren in die Blei-Zinn-Schicht eindiffundieren zu lassen. Diese bekannte Maßnahme ist vorteilhaft, weil die auf die Kupferfolie aufgebrachte Blei-Zinn-Schicht bei einer nicht derartigen Vorbehandlung bereits vor dem Löt-Tauch-Verfahren eine Oxidschicht bildet, die den Lötvorgang behindert. Die Verbindung zwischen Anschlußelement und Leitungszug geschieht jedoch auch hier ausschließlich durch Lötung.It is also used in the manufacture of printed circuit boards also known by photochemical means, those consisting of copper and with an alloy Conductors made of lead and tin are additionally covered with an indium layer and plating the indium into the lead-tin layer in a subsequent tempering process to diffuse in. This known measure is advantageous because the on the copper foil applied lead-tin layer in the case of no such pretreatment an oxide layer forms before the soldering dip process, which the soldering process with special needs. However, the connection between the connection element and the cable run takes place also here exclusively by soldering.

Nachteile, die sich besonders für hochwertige elektrische Leitungsverbindungen zwischen den Leitungszügen einer gedruckten Schaltungskarte und in metallische Bohrungen derselben mittels Lötverbindungen eingefügten Anschlußelementen ergeben, liegen sowohl auf rein mechanischem wie auch auf elektrischem Gebiet. Die mechanischen und thermischen Anforderungen, die an eine Lötverbindung gestellt werden können, sind durch die mechanischen Festigkeitseigenschaften wie auch durch die thermischen Eigenschaften des Lötmaterials bedingt. Elektronisch gesehen, entsteht bei zwei durch Löten oder anderweitig aneinandergebrachten Oberflächen unterschiedlicher Metalle zwischen deren Oberflächen ein Spannungspotential, welches als Berührungsspannung bekannt ist. Dieses Spannungspotential wie auch starke Deformationen im Kristallgefüge der obersten Schichten der beiden unmittelbar in Kontakt gebrachten Metalle bedingen, vorzugsweise bei extrem schwacher oder extrem hochfrequenter Stromleitung, ein starkes Ansteigen der elektronischen Rauscheffekte. Schließlich soll noch Erwähnung finden, daß Lötverbindungen, soweit sie Vibrations- oder Stoßbeanspruchungen ausgesetzt sind, zu Leitungsunterbrechungen führen können.Disadvantages that are particularly relevant for high quality electrical line connections between the lines of a printed circuit board and in metal holes the same result by means of soldered connection elements inserted, lie both in the purely mechanical and in the electrical field. The mechanical and thermal requirements that can be placed on a soldered joint, are due to the mechanical strength properties as well as the thermal Properties of the soldering material conditional. Electronically, it arises from two by soldering or otherwise attached surfaces of different Metals have a voltage potential between their surfaces, which is called contact voltage is known. This tension potential as well as strong deformations in the crystal structure the top layers of the two metals that are in direct contact, preferably with extremely weak or extremely high-frequency power lines, a strong one Increase in electronic noise effects. Finally, it should be mentioned that soldered connections, insofar as they are exposed to vibration or shock loads lead to line interruptions.

Vom elektrischen wie auch vom mechanischen Gesichtspunkt gesehen, wären Leitungsverbindungen, die durch ein Hartlötverfahren oder mittels Schweißung hergestellt werden, am günstigsten, da hierbei die Oberflächen beider zu verbindender Metalle verflüssigt werden und durch die nachfolgende Abkühlung die ineinandergelaufenen, eine Legierung bildenden Materialien ein einheitliches Kristallgitter aufbauen. Letztgenannte Verfahren kommen jedoch für Schaltungskarten, deren Leitungszüge nur aus sehr dünnen Folien bestehen, nicht in Betracht, da einerseits, beispielsweise durch ein Punktschweißverfahren, die Folie völlig zerstört würde und andererseits die isolierende Trägerschicht aufgelöst oder zu stark deformiert würde.From an electrical as well as a mechanical point of view, would be pipe connections made by a brazing process or by means of welding are produced, the cheapest, since here the surfaces of both are to be connected Metals are liquefied and, through the subsequent cooling, the merged, materials forming an alloy build up a uniform crystal lattice. The latter method, however, is used for circuit cards whose cable runs only consist of very thin foils, out of consideration because on the one hand, for example by a spot welding process, the foil would be completely destroyed and on the other hand the insulating carrier layer would be dissolved or excessively deformed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochwertige elektrische Leitungsverbindungen zwischen den Leitungszügen einer gedruckten Schaltungskarte und in metallisierte Durchbohrungen derselben eingeführten Anschlußelementen herzustellen, wobei die Verbindung bei einem gegenüber dem Schweißverfahren verhältnismäßig geringeren Temperaturaufwand bewerkstelligt und dennoch die Ausbildung eines lückenlosen Verbunds der ineinander übergehenden Kristallgitter der Metalle des Anschlußelementes einerseits wie auch des Leitungszuges andererseits gewährleistet wird.The invention is based on the object of providing high quality electrical Line connections between the lines of a printed circuit board and to manufacture connecting elements inserted into the metallized through-holes of the same, the connection being made in an opposite to the welding process relatively achieved lower temperature requirements and yet the formation of a gapless Composite of the merging crystal lattices of the metals of the connecting element on the one hand as well as the cable run on the other hand is guaranteed.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Leitungsverbindung ausschließlich durch thermische Diffusion hergestellt wird, indem eine sehr dünne, zwischen dem Anschlußelement und der Innenwandung der Durchbohrung vorhandene und in bekannter Weise aufgebrachte Schicht aus der Gruppe Indium, Gallium, Zinn in metallisch reiner oder legierter Form, sich durch den Diffusionsvorgang selbst aufbrauchend, sowohl in die Oberflächenschicht des Anschlußelementes wie auch die der Durchbohrung eindiffundiert, wobei das Anschlußelement wie auch die metallische Innenwandung der Durchbohrung wenigstens in ihren miteinander in Kontakt gebrachten Oberflächen aus einem Metall oder einer Legierung bestehen, welche(s) den Diffusionsvorgang für die obengenannte Metallgruppe ermöglicht.The object is achieved according to the invention in that the line connection is made exclusively by thermal diffusion, by a very thin, between the connection element and the inner wall of the through hole existing and in a known manner applied layer from the group indium, gallium, Tin in metallically pure or alloyed form, through the diffusion process self-consuming, both in the surface layer of the connection element as also diffused into the through hole, the connecting element as well as the metallic inner wall of the through hole at least in their contact with one another surfaces made of a metal or an alloy, which (s) enables the diffusion process for the above-mentioned group of metals.

In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, daß Kupfer oder eine Kupferlegierung, vorzugsweise Beryllium-Kupfer-Bronze, zur Bildung der Diffusionslegierung mit einem Metall oder einer Legierung aus der Gruppe, bestehend aus Indium, Gallium und Zinn, benutzt wird.In this context it is important that copper or a Copper alloy, preferably beryllium-copper-bronze, to form the diffusion alloy with a metal or an alloy selected from the group consisting of indium, gallium and tin, is used.

Eine bevorzugte Ausführungsform des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Anschlußelementes kennzeichnet sich dadurch, daß dieses aus einem Eisenmetall, vorzugsweise einer Legierung mit hoher Federkraft besteht, beispielsweise einer Eisen-Nickel-Legierung, die mit einem geeigneten Metall, beispielsweise Kupfer, überzogen ist.A preferred embodiment of the method according to the invention connecting element used is characterized in that this is made of a ferrous metal, is preferably an alloy with high spring force, for example one Iron-nickel alloy, which is bonded with a suitable metal, for example copper, is covered.

Ein Merkmal der Erfindung besteht auch darin, daß das Anschlußelement vorzugsweise einen größeren Durchmesser aufweist als die ihm zugeordnete Durchbohrung und mit einem Längsschlitz versehen ist, so daß es sich eng, mit hohem Druck von beispielsweise 2,5 kg.!cm2, an die Bohrungswand anschmiegt.A feature of the invention is that the connecting element preferably has a larger diameter than the through hole assigned to it and is provided with a longitudinal slit so that it fits tightly with high pressure of for example 2.5 kg.! cm2, clings to the wall of the bore.

Es ist für die Erfindung noch wesentlich, daß die zur Ausbildung der Diffusionslegierung angewandte Temperatur über der Schmelztemperatur des benutzten Diffusionsmetalls liegt.It is still essential for the invention that the training of the Diffusion alloy applied temperature above the melting temperature of the one used Diffusion metal lies.

In einer weiteren Ausbildungsform ist das Anschlußelement als Röhrchen oder teilweise als Röhrchen ausgebildet, und der Hohlraum wird zur Befestigung eines Anschlußdrahtes benutzt.In a further embodiment, the connection element is a tube or partially formed as a tube, and the cavity is used to attach a Connection wire used.

Schließlich ist es für die Erfindung noch von Bedeutung, daß auch die Verbindung zwischen Anschlußelement und einem damit zu verbindenden Anschlußdraht vermittels einer Diffusionslegierung geschieht.Finally, it is also important for the invention that the connection between the connecting element and a connecting wire to be connected to it happens by means of a diffusion alloy.

Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Bekanntlich kennzeichnet sich die Diffusion eines Metalls in einem Diffusionsträger dadurch, daß die in den Diffusionsträger eindiffundierenden Atome bzw. Ionen, bedingt durch natürlicherweise vorhandene Fehlstellen im Metallgitter, hier Gitterplätze bzw. Zwischengitterplätze besetzen. Nach dem Abschluß der Diffusion wird somit eine Legierung zwischen dem eindiffundierenden Metall und dem Metall, welches als Diffusionsträger dient, gebildet, wobei das entstandene Kristallgitter in sich einheitlich ist. Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem Anschlußelement und einem Leitungszug beruht auf diesem bekannten Diffusionsverfahren, indem zwischen dem Anschlußelement und dem Leitungszug eine sehr dünne Schicht eines der Diffusion fähigen Metalls vorhanden ist. Durch Aufwendung einer für den Diffusionsvorgang günstigen Temperatur diffundiert diese Metallschicht sowohl in das Metallgitter des Anschlußelementes wie auch in das Metallgitter des Leitungszuges ein. Gleichzeitig werden die bei dem Dffusionsvorgang zu einem geringen Teil aus dem Metallgitter des Diffusionsträgers verdrängten Atome, die sich beispielsweise zuvor auf einem Gitterplatz befanden, von diesem entfernt und wandern teilweise in den zuvor von dem eindiffundierenden Metall besetzten Zwischenraum. Nach Abschluß des Diffusionsvorganges ist somit eine homogene Gitterstruktur zwischen dem Metallgitter des Anschlußelementes und demjenigen des Leitungszuges entstanden, wobei in den tiefer gelegenen Schichten des Anschlußelementes wie auch des Leitungszuges noch das reine, ursprüngliche Metallgitter, beispielsweise aus Kupferatomen aufgebaut, vorhanden ist, während in der Zwischenschicht ein mehr oder weniger homogenes Kristallgitter aufgebaut ist, dessen Gitter- wie auch Zwischengitterplätze teilweise von den Atomen des Diffusionsträgers und teilweise von denjenigen des eindiffundierenden Metalls, beispielsweise Indium, besetzt sind. Die Schmelztemperatur der auf diese Weise gebildeten Legierung liegt wesentlich höher als diejenige des verwendeten Diffusionsmetalls. Darüber hinaus ist die mechanische Druck- bzw. Zugfestigkeit der Legierung wesentlich gegenüber einer Lötverbindung, bei der als Fließmetall das hier verwendete Diffusionsmetall Anwendung findet, erhöht. Vom elektronischen Gesichtspunkt ist eine derartige Verbindung noch insofern vorteilhaft, als hierbei durch das entstandene verhältnismäßig homogene Kristallgitter die freien, zur elektronischen Leitung beitragenden Elektronen innerhalb desselben quasi widerstandslos von dem Anschlußelement in den Leitungszug und umgekehrt übertreten können, während das bei einer Lötverbindung nicht ohne weiteres der Fall ist.A number of advantages result from the method according to the invention. It is known that the diffusion of a metal is characterized in a diffusion carrier due to the fact that the atoms or ions diffusing into the diffusion carrier due to naturally existing defects in the metal grille, here grille places or occupy interstitial spaces. After the diffusion is complete, a Alloy between the diffusing metal and the metal that acts as a diffusion carrier serves, formed, wherein the resulting crystal lattice is uniform in itself. the connection according to the invention between a connection element and a cable run is based on this known diffusion process by placing between the connecting element and the line of conductors a very thin layer of a diffusible metal is available. By using a temperature that is favorable for the diffusion process This metal layer diffuses both into the metal grid of the connection element as well as in the metal grid of the cable run. At the same time, the the diffusion process to a small extent from the metal grid of the diffusion carrier displaced atoms that were previously on a lattice site, for example, away from this and migrate partially into the previously diffused from the Metal occupied space. After completion of the diffusion process is thus a homogeneous grid structure between the metal grid of the connection element and that of the cable run, with in the deeper layers of the connection element as well as the cable run still the pure, original metal grid, for example made up of copper atoms, there is one more in the intermediate layer or a less homogeneous crystal lattice is built up, its lattice as well as interstitial places partly from the atoms of the diffusion carrier and partly from those of the diffusing metal, for example indium, are occupied. The melting temperature the alloy formed in this way is significantly higher than that of the diffusion metal used. In addition, there is the mechanical compressive or tensile strength the alloy significantly compared to a soldered connection, in the case of which as a flow metal the diffusion metal used here is applied, increased. From the electronic From this point of view, such a connection is still advantageous insofar as it is here due to the relatively homogeneous crystal lattice created, the free, to the electronic Conduction contributing electrons within the same quasi resistance from the Connection element in the cable run and vice versa, while the is not necessarily the case with a soldered connection.

Die Verwendung von Kupfer bzw. Kupferlegierung als Diffusionsträger ist bei gleichzeitiger Verwendung von Indium, Gallium oder Zinn als eindiffundierendem Metall besonders vorteilhaft. Auch ist es von Vorteil, das Anschlußelement aus Eisenmetall zu fertigen, welches mit einer Kupferschicht überzogen wird, da dieses bei Ausbildung desselben als Ringfeder eine besonders hohe Federkonstante aufweist und hierdurch ein erhöhtes Andrücken an die Innenwandung einer in der Schaltungskarte eingebrachten Durchbohrung gewährleistet wird. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, das Anschlußelement mit einem Längsschlitz zu versehen. Weiter ist es für eine möglichst zeitsparende Durchführung des Diffusionsverfahrens vorteilhaft, die Verbindungsstelle mit einer Temperatur zu beaufschlagen, welche über der Schmelztemperatur des verwendeten Diffusionsmetalls liegt, da hierdurch der Diffusionsvorgang in verhältnismäßig kurzer Zeit abgeschlossen ist. Um die erwähnten Vorteile voll nutzen zu können, ist es schließlich noch von Vorteil, auch die Verbindung des Anschlußdrahtes mit dem Anschlußelement mittels eines Diffusionsverfahrens herzustellen.The use of copper or copper alloy as a diffusion carrier is with simultaneous use of indium, gallium or tin as diffusing Metal is particularly advantageous. It is also advantageous if the connection element is made of ferrous metal to manufacture, which is coated with a copper layer, as this is during training the same as a ring spring has a particularly high spring constant and thereby increased pressure on the inner wall of one introduced in the circuit card Puncture is guaranteed. In this context it is also advantageous to provide the connection element with a longitudinal slot. Next it is possible for one time-saving implementation of the diffusion process advantageous, the connection point to apply a temperature which is above the melting temperature of the used Diffusion metal lies, since this means that the diffusion process is relatively short Time is complete. In order to be able to take full advantage of the advantages mentioned, it is Finally, the connection of the connecting wire to the connecting element is also advantageous to produce by means of a diffusion process.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung, und es bedeutet F i g. 1 eine Aufsicht auf eine gedruckte Schaltungskarte, F i g. 2 bis 4 unterschiedliche Ausführungsformen von in Durchbohrungen der Schaltungskarte eingebrachten Anschlußelementen im Schnitt.The drawing shows, for example, embodiments of the invention, and it means F i g. 1 is a plan view of a printed circuit card, F i g. 2 to 4 different embodiments of in through-holes in the circuit board introduced connection elements in section.

Gemäß F i g. 1 besteht die Schaltungskarte aus dem schichtartigen Trägermaterial 10, auf welches Leitungszüge 11 in Form von dünnen, folienartigen Kupferstreifen aufgebracht sind. Durch die Endabschnitte der Leitungszüge 11 wie auch durch das Trägermaterial 1.0 sind an ihren Wandungen in bekannter Weise metallisierte Durchbohrungen 12 (F i g. 2 bis 4) eingebracht, in welche Anschlußelemente 13 eingeführt werden.According to FIG. 1, the circuit card consists of the layer-like carrier material 10, on which line runs 11 are applied in the form of thin, foil-like copper strips. Through the end sections of the cable runs 11 as well as through the carrier material 1.0 , metalized through-bores 12 (FIGS. 2 to 4) are made on their walls in a known manner, into which connection elements 13 are inserted.

Das Basis- bzw. Trägermaterial 10 besteht vorteilhafterweise aus einem Phenol- oder Epoxy-Glas-Isolierstoff, und die Leitungszüge 11 bestehen aus Nicht-Eisen-Metallen, wie Kupfer od. dgl., wie z. B. aus Beryllium-Kupfer, Zink, Aluminium, Zinn oder einer Bronze oder auch Kadmium, Wismut, Antimon, Gold, Blei, Magnesium, Mangan, Molybdän, Palladium, Platin, Silber, Titan und Zirkonium oder Legierungen davon. Die Herstellung der gedruckten Schaltungskarte erfolgt nach einem beliebigen hierfür bekannten Verfahren. Die Bohrungen 12 sind vorzugsweise entlang ihrer Innenwandungen verkupfert und können mit den Leitungszügen 11 eine elektrische Einheit bilden. Die in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Anschlußelemente 13 stellen Ausführungsformen dar, die sich als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Jedes dieser Anschlußelemente 13 weist einen vorzugsweise ringförmigen Querschnitt zumindest in einem Teil seiner Länge auf, wobei dieser Teil vorteilhafterweise mit einem Längsschlitz 13 b versehen ist. Dieser ermöglicht es, daß wenigstens eine Teillänge des Anschlußelementes radial federt. Mit diesem Federteil wird das Anschlußelement 13 in die Bohrung 12 eingesetzt. Die Anschlußelemente nach den F i g. 2 bis 4 sind weiterhin dergestalt ausgeführt, daß ein elektrischer Anschlußdraht in einfacher Weise entsprechend der Erfindung mit ihnen verbunden werden kann.The base or carrier material 10 advantageously consists of one Phenolic or epoxy glass insulating material, and the cable runs 11 are made of non-ferrous metals, like copper or the like. B. from beryllium copper, zinc, aluminum, or tin a bronze or cadmium, bismuth, antimony, gold, lead, magnesium, manganese, Molybdenum, palladium, platinum, silver, titanium and zirconium or alloys thereof. The production of the printed circuit card is carried out according to any one for this known procedures. The bores 12 are preferably along their inner walls copper-plated and can form an electrical unit with the lines 11. The in the F i g. 2 to 4 shown connecting elements 13 represent embodiments which have proven to be particularly beneficial. Each of these connection elements 13 has a preferably annular cross-section at least in part of it Length on, this part advantageously provided with a longitudinal slot 13 b is. This makes it possible that at least a partial length of the connecting element radially springs. The connection element 13 is inserted into the bore 12 with this spring part. The connection elements according to FIGS. 2 to 4 are still designed in such a way that an electrical connection wire in a simple manner according to the invention can be connected to them.

Entweder die Innenwandung der Durchbohrungen 12 oder das Anschlußelement 13 oder auch beide sind mit einer Schicht versehen, die aus zumindest einem der Stoffe der Gruppe besteht, die im wesentlichen von Indium, Gallium, Zinn, Indium-Legierungen und Gallium-Legierungen gebildet wird. Die Anschlußelemente können aus dem gleichen Metall wie die Leitungszüge 11 hergestellt werden. Vorzugsweise bestehen sie aus Beryllium-Kupfer oder anderen Nicht-Eisen-Metallen, welche hinreichend gute Federeigenschaften aufweisen.Either the inner wall of the through bores 12 or the connection element 13 or both are provided with a layer consisting of at least one of the Substances of the group consists essentially of indium, gallium, tin, indium alloys and gallium alloys is formed. The connection elements can consist of the same Metal how the lines 11 are made. Preferably they consist of Beryllium-copper or other non-ferrous metals, which have sufficiently good spring properties exhibit.

In einer anderen Ausführungsform bestehen die Anschlußelemente aus mehreren Schichten, wobei auch eine Eisenmetallschicht Verwendung finden kann. Dies ermöglicht es, Materialien mit besonders guten mechanischen und Federeigenschaften zu benutzen; beispielsweise kann das Anschlußelement aus einem Röhrchen gebildet sein, das aus einer 421)/o Eisen enthaltenden Eisen-Nickel-Legierung besteht; dieses Röhrchen ist entweder vollständig oder zumindest auf seiner inneren oder auf seiner äußeren Oberfläche mit Kupfer oder einer überwiegend Kupfer enthaltenden Legierung überzogen.In another embodiment, the connection elements consist of several layers, whereby a ferrous metal layer can also be used. this enables materials with particularly good mechanical and spring properties to use; for example, the connection element can be formed from a tube be composed of an iron-nickel alloy containing 421) / o iron; this Tube is either complete or at least on its inner or on its outer surface with copper or an alloy predominantly containing copper overdrawn.

Das Aufbringen der Indiumschicht auf die Anschlußelemente kann vorteilhafterweise auf galvanischem Wege erfolgen, wobei die Schichtdicke in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 6,35 beträgt. In gleicher Weise ist Gallium verwendbar. Geeignet sind auch Indium- oder Gallium-Legierungen, wie Zinn Indium, Aluminium-Indium und Zink Indium, mit einem Indium-Gehalt von minimal 50 Gewichtsprozent, sowie Gallium-Zinn-Aluminium-Gallium und Zink-Gallium, mit einem minimalen Gehalt an Gallium von 50 Gewichtsprozent. Weiter können die Legierungen auch aus mehreren Metallen mit Indium- und Galliumanteilen bestehen.The application of the indium layer to the connection elements can advantageously take place by galvanic means, the layer thickness in a preferred embodiment 6.35. Gallium can be used in the same way. Indium- or gallium alloys such as tin indium, aluminum indium and zinc indium an indium content of at least 50 percent by weight, as well as gallium-tin-aluminum-gallium and zinc gallium, with a minimum gallium content of 50 percent by weight. The alloys can also consist of several metals with indium and gallium components exist.

Es ist zweckmäßig, die Anschlußelemente so auszubilden, daß sie unter Anwendung von Druck in die zugeordneten Bohrungen der Leiterplatte eingepreßt werden können. Hierzu wird vorteilhafterweise der Ringdurchmesser des radial federnden Anschlußelementes 13 größer ausgebildet als der Durchmesser der Durchbohrung 12. Somit kann ein seitlicher bzw. radialer Druck von beispielsweise 2,1 kg/cm2 zwischen Bohrungswandung und Wandung des Anschlußelementes 13 erreicht werden.It is expedient to design the connection elements in such a way that they can be pressed into the associated bores of the circuit board with the application of pressure. For this purpose, the ring diameter of the radially resilient connection element 13 is advantageously made larger than the diameter of the through hole 12. Thus, a lateral or radial pressure of, for example, 2.1 kg / cm2 between the wall of the bore and the wall of the connection element 13 can be achieved.

Nach dem Einsetzen der Anschlußelemente 13 in die zugeordneten Bohrungen 12 der Leiterplatte bzw. des Trägermaterials 10 wird diese Anordnung einer Temperatur ausgesetzt, die geeignet ist, die Ausbildung der Diffusionsverbindung zwischen den Anschlußelementen 13 und der Metallwandung der Durchbohrung 12 herbeizuführen.After inserting the connecting elements 13 into the associated bores 12 of the circuit board or the carrier material 10, this arrangement is a temperature exposed, which is suitable for the formation of the diffusion connection between the Connecting elements 13 and the metal wall of the through hole 12 bring about.

In einer bevorzugten Ausführung, in der die Anschlußelemente 13 mit einer Indium-Schicht überzogen sind, wird die Anordnung beispielsweise auf eine Temperatur von 260° C erhitzt bzw. bei dieser Temperatur getempert. Diese Temperatur liegt beträchtlich über dem Schmelzpunkt von Indium (etwa 156° C), jedoch unterhalb der Zerstörungstemperatur für das verwendete Isolierungsmaterial der Trägerplatte, die beispielsweise bei etwa über 300° C liegen kann. Oberhalb der Schmelztemperatur des Indiums diffundiert dieses verhältnismäßig schnell sowohl in das Kupfermetallgitter des Anschlußelementes als auch in dasjenige der metallisierten Durchbohrung. Wenn die aus den Anschlußelementen 13, den Leitungszügen 11 und dem Trägermaterial 10 bestehende Anordnung beispielsweise für 30 Minuten auf einer Temperatur gehalten wird, die oberhalb des Schmelzpunktes des Indiums liegt, so kann danach der vollständige Abschluß des Diffusionsvorganges auch bei Raumtemperatur erreicht werden. Die Diffusion findet jedoch bei erhöhter Temperatur wesentlich schneller statt. Nach der Beendigung der Diffusion bilden Anschlußelement und Kupferschicht in der Durchbohrung eine feste, mechanische bzw. kristallstrukturelle Einheit, wobei in den Grenzschichten sich eine Kupfer-Indium-Legierung ausgebildet hat. Diese Diffusionsverbindung kennzeichnet sich dadurch, daß sich am Ende des Diffusionsvorganges praktisch das gesamte Indium in die entsprechende Legierung umgewandelt hat.In a preferred embodiment, in which the connecting elements 13 with an indium layer are coated, the arrangement is, for example, on a Temperature of 260 ° C heated or annealed at this temperature. This temperature is considerably above the melting point of indium (about 156 ° C), but below the destruction temperature for the insulation material used for the carrier plate, which can be above 300 ° C, for example. Above the melting temperature of the indium, it diffuses relatively quickly both into the copper metal lattice of the connection element as well as that of the metallized through-hole. if those from the connection elements 13, the cable runs 11 and the carrier material 10 the existing arrangement is kept at one temperature for example for 30 minutes which is above the melting point of indium, then the complete Completion of the diffusion process can also be achieved at room temperature. The diffusion however, takes place much more quickly at elevated temperatures. After the termination the diffusion form the connection element and copper layer in the through hole solid, mechanical or crystal structural unit, whereby in the boundary layers a copper-indium alloy has formed. This diffusion connection characterizes by the fact that at the end of the diffusion process practically all of the indium converted into the corresponding alloy.

Die vermittels der erfindungsgemäßen Diffusionslegierungen bewirkte Verbindung zwischen Anschlußelement und Metallschicht in der Durchbohrung weist eine außerordentliche hohe Festigkeit auf. Um beispielsweise ein Anschlußelement von einem äußeren Durchmesser von etwa 1,2 mm und einer Verbindungslänge von etwa 2,4 mm aus der Bohrung zu reißen, sind mehr als 35 kg Zug erforderlich. Der Vergleichswert für ein gleichartiges, eingelötetes Anschlußelement liegt bei etwa 19 kg Zug. Diese für die praktische Verwendung derartiger Bauelemente besonders vorteilhafte, hohe Festigkeit wird einmal dadurch bewirkt, daß eine Verbindung zwischen Anschlußelement 13 und Metallschicht in der Bohrung auf der ganzen Bohrungslänge erfolgt, und zum anderen, daß Kupfer-Indium-Legierungen eine außerordentlich hohe Scherfestigkeit aufweisen. Die Schmelztemperatur der Kupfer-Indium-Legierung liegt bei etwa 480° C.Which brought about by means of the diffusion alloys according to the invention Has connection between the connection element and the metal layer in the through hole extremely high strength. To, for example, a connection element of an outer diameter of about 1.2 mm and a joint length of about Pulling 2.4 mm out of the hole requires more than 35 kg of pull. The comparison value for a similar soldered connection element the pull is around 19 kg. These for the practical use of such components particularly advantageous, high strength is brought about by the fact that a connection between the connecting element 13 and metal layer in the hole takes place over the entire length of the hole, and for others that copper-indium alloys have an extraordinarily high shear strength exhibit. The melting temperature of the copper-indium alloy is around 480 ° C.

Um zu noch höheren Festigkeiten zu gelangen, kann nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Legierungsoberfläche in verschiedener Weise vergrößert werden. F i g. 4 zeigt eine beispielsweise Ausführung, bei der das Anschlußelement 13 einen Flansch 14 aufweist, der sich über den gesamten von ihm bedeckten Bereich des Leitungszuges 11 durch Diffusion verbindet.In order to achieve even higher strengths, according to an embodiment according to the invention, the alloy surface can be enlarged in various ways. F i g. FIG. 4 shows an example of an embodiment in which the connection element 13 has a flange 14 which is connected by diffusion over the entire area of the cable run 11 covered by it.

Wie bereits erwähnt, sind die Anschlußelemente 13 vorzugsweise derart ausgeführt, daß sie in einfacher Weise mit einem Drahtanschluß verbunden werden können. Wie F i g. 2 bis 4 zeigen, sind hierfür die verschiedenartigsten Ausführungsformen brauchbar. In der Regel wird das Anschlußelement 13 so ausgebildet werden, daß der Anschlußdraht in dessen Öffnung eingeführt werden kann.As already mentioned, the connection elements 13 are preferably designed in such a way that they can be connected in a simple manner to a wire connection. Like F i g. 2 to 4 show, the most varied of embodiments can be used for this purpose. As a rule, the connecting element 13 will be designed so that the connecting wire can be inserted into its opening.

Jedoch sind auch andere Ausführungsformen unter Umständen besonders geeignet. F i g. 2 zeigt beispielsweise ein Anschlußelement 13, welches eine Fahne 15 aufweist, die es in einfacher Weise ermöglicht, einen nicht dargestellten Anschlußdraht entweder anzuschweißen, herumzuwinden, einzusicken oder auch anzulöten.However, other embodiments may also be particularly suitable. F i g. 2 shows, for example, a connection element 13 which has a tab 15 which makes it possible in a simple manner to either weld on, wind around, bead or also solder a connecting wire (not shown).

Das Anschlußelement nach F i g. 3 besitzt eine ringförmige Ausdellung 16. Hierdurch wird erreicht, daß die Federspannung, welche die Wandung des Anschlußelementes 13 gegen die Metallschicht in der Durchbohrung 12 preßt, möglichst groß wird.The connection element according to FIG. 3 has an annular bulge 16. This ensures that the spring tension which presses the wall of the connecting element 13 against the metal layer in the through-hole 12 is as great as possible.

Ganz allgemein kann das Anschlußelement 13 auch aus einer Eisenlegierung bestehen, beispielsweise aus Nickel-Eisen mit 58% Nickelgehalt, jedoch eignen sich derartige Eisenlegierungen kaum dazu, mit Indium, Gallium oder Zinn eine Diffusionsverbindung einzugehen. In einer Weiterführung der Erfindung wird daher das Anschlußelement 13 z. B. mit einer Kupferschicht 17 überzogen. Auf die Kupferschicht wird dann die Schicht aus Gallium oder Indium aufgebracht. Um auch den Anschlußdraht mit dem Anschlußelement 13 durch Diffusion verbinden zu können, kann die innere Oberfläche desselben ebenfalls mit Indium oder einem anderen Stoff der genannten Gruppe von Diffusionsmetallen überzogen werden.In general, the connection element 13 can also be made of an iron alloy consist, for example, of nickel-iron with 58% nickel content, but are suitable such iron alloys hardly add a diffusion bond with indium, gallium or tin enter into. In a further development of the invention, the connecting element 13 z. B. coated with a copper layer 17. The Layer of gallium or indium applied. To also the connecting wire with the connecting element 13 to be able to connect by diffusion, the inner surface of the same can also with indium or another substance from the group of diffusion metals mentioned be coated.

In das Anschlußelement 13 nach F i g. 3 wird hierfür ein Anschlußdraht eingebracht und anschließend durch Deformation des Anschlußelementes 13 in dieses fest eingepreßt, so daß ein fester Kontakt zwischen Drahtoberfläche und Innenwandung des Anschlußelementes entsteht. Anschließend wird die ganze Anordnung in der oben beschriebenen Weise einer Wärmebehandlung ausgesetzt und die Diffusionsverbindung zwischen Anschlußdraht und Anschlußelement 13 hergestellt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß eine solche zweite Wärmebehandlung ohne nachteiligen Einfluß auf eine in einem vorherigen Verfahrensschritt ausgebildete Diffusionsverbindung zwischen Metallschicht in der Durchbohrung 12 und dem Anschlußelement 13 ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, beide Diffusionsverbindungen mittels einer Wärmebehandlung herzustellen.In the connection element 13 according to FIG. 3 a connecting wire is introduced for this purpose and then firmly pressed into this by deformation of the connecting element 13, so that a firm contact is created between the wire surface and the inner wall of the connecting element. The entire arrangement is then subjected to a heat treatment in the manner described above and the diffusion connection between connecting wire and connecting element 13 is established. It is particularly advantageous here that such a second heat treatment does not have any adverse effect on a diffusion connection formed in a previous method step between the metal layer in the through-hole 12 and the connection element 13 . It is of course also possible to produce both diffusion connections by means of a heat treatment.

Claims

Claims: 1. A method for producing high quality electrical Line connections between the lines of a printed circuit board and connecting elements inserted into metallized through-bores thereof, thereby characterized in that the line connection is made exclusively by thermal diffusion is produced by a very thin, between the connecting element (13) and the Inner wall of the through hole (12) existing and applied in a known manner Layer from the group indium, gallium, tin in metallically pure or alloyed Form, consuming itself through the diffusion process, both in the surface layer of the connecting element (13) as well as that of the through hole (12) diffused, wherein the connection element (13) as well as the metallic inner wall of the through hole (12) at least in their surfaces brought into contact with one another from one Metal or an alloy exist, which (s) the diffusion process for the above Metal group allows.

2. The method according to claim 1, characterized in that Copper or a copper alloy, preferably beryllium-copper-bronze, for the formation the diffusion alloy with a metal or an alloy selected from the group consisting of made of indium, gallium and tin.

3. The method according to claim 1, characterized characterized in that the connecting element (13) made of a ferrous metal, preferably an alloy with high spring force, for example an iron-nickel alloy, which is coated with a suitable metal, for example copper.

4. The method according to claim 1, characterized in that the connecting element (13) preferably has a larger diameter than the through hole (12) assigned to it and is provided with a longitudinal slot (13 b) so that it is tight, with high pressure of for example 2.5 kg / cm2, clings to the wall of the bore.

5. Procedure according to claim 1, characterized in that the for forming the diffusion alloy applied temperature above the melting temperature of the diffusion metal used lies.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the connecting element (13) is designed as a tube or partially as a tube and the cavity for Attachment of a connecting wire is used.

7. The method according to claim 1, characterized characterized in that the connection between the connecting element (13) and a so that the connecting wire to be connected is done by means of a diffusion alloy.