DE3500303C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Es sind Leiterplatten aus Harz bekannt, auf denen wenigstens eine Leiterschicht ausgebildet ist. Mit fortschreitender Miniaturisierung der elektronischen Bauteile wird durch die zunehmende Dichte der auf den Leiterplatten angeordneten Komponenten die von diesen erzeugte Wärme größer. Die schlechter werdende Leistung dieser Komponenten, die sich aus der Erhöhung der Temperatur in den benachbarten Bereichen der Leiterplatten aufgrund einer unzureichenden Wärmeabgabe dieser Platten ergibt, stellt ein großes Problem dar. Um dieses zu lösen, hat man Bauelemente mit Strahlungsrippen versehen, dies ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Mit steigender Anzahl der auf der Leiterplatte angeordneten Bauelemente bzw. Komponenten biegen sich die Leiterplatten aus Harz aufgrund ihrer geringen Biegefestigkeit durch, wodurch ihr Einsetzen in ein elektronisches System unmöglich wird. Auch wenn dieses Einsetzen durchführbar sein sollte, besteht die Möglichkeit eines Kontakts mit benachbarten Leiterplatten, was die Funktion der Schaltung ernsthaft gefährden kann. Da Leiterplatten aus Harz einen geringen Abschirmungseffekt haben, kann durch das Auftreten von Rauschen nicht vermieden werden.

Aus der DE-24 53 788 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten bekannt, bei dem zur Lösung der vorgenannten Probleme in einer als Trägermaterial dienenden Metallplatte für die elektrische Schaltung Löcher vorgesehen und anschließend diese mit einem thermoplastischen, wärmehärtenden Kunststoffmaterial ausgefüllt werden. Dieses Kunststoffmaterial wird anschließend gehärtet. Unter Verwendung dieses Aufbaus wird schließlich die Leiterplatte hergestellt. Hierzu werden auf den Hauptflächen der Metallplatte Isolierschichten vorgesehen und anschließend verhältnismäßig kleine Löcher durch das in den Löchern der Metallplatte befindliche Kunststoffmaterial sowie durch die Isolierschichten gebohrt und die Leiterbahnen auf die Isolierschichten in üblicher Weise aufgebracht. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenaufwendig.

Aus der DE 27 39 494 B2 ist ein Verfahren zum Herstellen elektrischer Leiterplatten bekannt, bei denen das Trägermaterial für die Leiterzüge aus Metall besteht. Der Metallträger wird hierzu mit Löchern versehen, deren Durchmesser größer gewählt wird, als der für die fertige Leiterplatte gewünschte Lochdurchmesser. Nach Säubern des Metallträgers wird anschließend aus einer oder mehreren aus wärmefließfähigem Material bestehenden Schichten ein Schichtenaufbau hergestellt, dessen außen liegende Oberfläche mit einem Kupferbelag versehen wird. Dieser Schichtenaufbau wird dann unter Wärme- und Druckeinwirkung verpreßt, wodurch die im Metallträger vorgesehenen Löcher mit Isoliermaterial ausgefüllt werden. Bei einem nachfolgenden Bohrvorgang entstehen somit einwandfrei isolierende Löcher, die mittels nachfolgender Lochwandmetallisierung die Verbindung zwischen den Schaltungen in verschiedenen Ebenen bilden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Leiterzüge aus vorgeformtem, drahtförmigem Material und ist gleichfalls sehr kostenaufwendig.

Aus der US 33 34 395 ist ein Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten bekannt, bei dem in eine Metallplatte an Stellen Löcher vorgebohrt werden, an denen später beim fertigen Produkt durchkontaktierte Löcher vorliegen sollen. Auf zumindest eine Seite der gelochten Metallplatte wird eine Schicht aus wärmehärtbarem Klebematerial und darauf eine Metallfolie aufgebracht. Anschließend wird die Folie gepreßt, wodurch das Klebematerial in die Löcher der Metallplatte eindringt, und das Klebematerial durch zugeführte Wärme gehärtet, so daß die Metallfolie an der beschichteten Metallplatte befestigt wird. Anschließend werden durch die Folie und das Klebematerial Löcher gebohrt, die im Vergleich zu den anfangs in die Metallplatte gebohrten Löchern einen geringeren Durchmesser aufweisen. Die aus gehärtetem Klebematerial bestehenden Lochwandungen werden anschließend mit elektrisch leitendem Metall beschichtet. Auf diesen Schichtaufbau werden anschließend die gewünschten Leiterbahnen in üblicher Weise hergestellt. Da die durch die Leiterbahnen bestimmte elektrische Schaltung erst nach der Kontaktierung der Wandungen der Löcher vorgenommen wird, besteht die Gefahr, daß diese verschmutzen, was bei der späteren Bestückung der Leiterplatte Probleme hervorruft.

Aus dem "Handbuch der Leiterplattentechnik", Hermann, Günther; Eugen G. Leuze Verlag; Saulgau 1982; Seiten 76 bis 78 und 321 und 322 sind Wirbelsinterverfahren und elektrostatische bzw. elektrophoretische Beschichtungsverfahren bekannt, mit deren Hilfe Isolierschichten auf Metallplatten aufgetragen werden können. Es bereitet jedoch Schwierigkeiten, lediglich die Innenflächen der in eine Metallplatte gebohrten Löcher mit einer Isolierschicht zu versehen.

Aus der US 33 54 542 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Metallkern-Leiterplatte bekannt, bei dem ein aus zwei Teilen bestehendes Formwerkzeug Verwendung findet. Eine mit einem flexiblen, dielektrischen Material überzogene Metallplatte weist an den Anschlußstellen der auf dem dielektrischen Material vorgesehenen Leiterbahnen Bohrungen auf. An den entsprechenden Stellen der Bohrungen sind am Formwerkzeug Dorne vorgesehen, die beim Zusammenpressen der beiden Formhälften in die entsprechenden Bohrungen eindringen und dabei das dielektrische Material sowie den Leiteranschluß in das Innere der Bohrung einpressen, so daß das Innere der in der Metallplatte vorgesehenen Bohrung von einem dielektrischen Material umgeben und die Metallplatte gegen den eingepreßten Leiteranschluß isoliert ist. Bei diesem Verfahren zur Herstellung von gedruckten Leiterplatten muß für jede Leiterplatte ein speziell darauf abgestimmtes Formwerkzeug hergestellt werden, was nur dann wirtschaftlich zu vertreten ist, wenn die spezielle Leiterplatte in sehr hohen Stückzahlen hergestellt wird.

Aus der US 32 59 805 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem zur Herstellung einer Metallkern- Leiterplatte eine mit einer Leiterschicht und entsprechenden Durchgangsöffnungen versehene Harzplatte mit einer ebenfalls Löcher aufweisenden Metallplatte verklebt wird. Die Mitten der Löcher beider Platten liegen hierbei auf gleichen Achsen. Um die Löcher der Metallplatte zu isolieren, wird die gesamte Metallplatte vor der Verklebung mit der Harzplatte mit einem Isolierharz überzogen. Infolge dieser Isolierharzschicht wird das Wärmeabgabevermögen der Metallplatte jedoch wesentlich verschlechtert. Außerdem dringt beim Verkleben der Harzplatte mit der Metallplatte leicht Klebstoff in die Öffnungen ein, so daß zusätzlich eine Säuberung dieser Öffnungen vorgenommen werden muß.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Metallkern-Leiterplatte vorzuschlagen, mit dessen Hilfe sich eine verbesserte Wärmeabgabe bei gleichzeitig vereinfachter Herstellung erzielen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich anhand der Merkmale des Patentanspruches.

Gemäß der Erfindung kann die Isolierung der Metallplatte auf diejenigen Bereiche begrenzt werden, für die eine Isolierung unbedingt erforderlich sind. Da beim Bohren der Harzlöcher in die Metallplatte ein größerer Bohrdurchmesser als für die Öffnungen in der Harzplatte gewählt wird und die größeren Bohrungen gleichzeitig in ein Prepreg eingebracht werden, ist für das Prepreg beim Zusammenpressen ein entsprechender Raum zur Ausdehnung vorhanden, so daß dieses dabei nicht in die entsprechenden Löcher der Metallplatte bzw. die Durchgangsöffnungen der Harzplatte eindringt. Demzufolge ist eine Säuberung der Öffnungen und Löcher nicht erforderlich. Da das Bohren der Löcher des Prepregs gleichzeitig mit dem Bohren der Löcher für die Metallplatte geschieht, ergibt sich kein Mehraufwand bei der Herstellung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine erste Ausführungsform einer Metallkern-Leiterplatte,

Fig. 2 die Herstellungsschritte der in Fig. 1 gezeigten Metallkern-Leiterplatte,

Fig. 3 die Herstellung einer zweiten Ausführungsform einer Metallkern-Leiterplatte und

Fig. 4 in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Betriebszeit der Bauelemente auf der Leiterplatte und der Temperatur der Leiterplatte.

Die in Fig. 1 gezeigte Metallkern-Leiterplatte besteht aus einer Metallplatte 10 und einer Harzplatte 20, die miteinander durch ein vorgefertigtes Glasfasermaterial bzw. Prepreg 30 verklebt sind. Durch die Metallplatte 10 gehen Löcher 12 hindurch, die mit Isolierharz 14 gefüllt sind. Die mit Harz 14 gefüllten Löcher 12 sind konzentrisch mit Löchern 16 kleineren Durchmessers versehen. Ein Teil der Oberfläche der Metallplatte 10 ist mit einer Isolationsschicht 18 beschichtet. Die Harzplatte 20 ist mit Leiterstrukturen 22 und Durchgangs- bzw. Kurzschlußöffnungen 24 versehen, die mit den Leiterstrukturen 22 verbunden sind. Das Prepreg 30 weist Löcher 32 auf, deren Mitten auf identischen Linien liegen, die durch die Mitten der einen kleineren Durchmesser aufweisenden Löcher 16 der Metallplatte 10 und der Durchgangsöffnungen 24 der Harzplatte 20 hindurchgehen.

Bei der Herstellung der Metallkern-Leiterplatte gemäß Fig. 1 wird zunächst ein Band für die numerische Steuerung angefertigt, welches die Daten für die Mittenpositionen der einen kleineren Durchmesser aufweisenden Löcher 16 der Metallplatte 10 enthält. Danach wird die Metallplatte 10 in der festgelegten Position an einer numerisch gesteuerten Bohrmaschine festgelegt, welche die Löcher in Übereinstimmung mit den von dem numerischen Steuerband vorgegebenen Richtungen bohrt. Unter Verwendung dieses Bandes für die numerische Steuerung kann alternativ auch ein Preß- bzw. Stanzwerkzeug gesteuert werden. Die Metallplatte 10 mit dem daran befestigten Prepreg 30 wird in der vorgegebenen Position auf der Bohr- bzw. Preßmaschine festgelegt. Anschließend werden mittels der Bohr- bzw. Preßmaschine die mit Harz 14 auszufüllenden Löcher 12 der Metallplatte 10 und die Löcher 32 des Prepregs ausgebildet (Fig. 2a). Die Metallplatte 10 und das Prepreg 30 werden dann von der Bohr- bzw. Stanzmaschine entfernt. Anschließend wird Harz 14 in die Löcher 12 der Metallplatte 10 mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens oder eines Walzenbeschichtungsverfahrens gefüllt. Das Isolierharz 14 wird dann durch Wärmetrocknung oder mit Hilfe von Ultraviolettstrahlen gehärtet (Fig. 2b). Danach wird die Metallplatte 10 wieder fest in der vorgegebenen Position auf der numerisch gesteuerten Bohrmaschine angebracht. Die mit Harz 14 gefüllten Löcher 12 der Metallplatte 10 werden dann konzentrisch mit Löchern 16 kleineren Durchmessers versehen, und zwar mit Hilfe der numerisch gesteuerten Bohrmaschine unter Einsatz des erwähnten Bandes für die numerische Steuerung (Fig. 2c). Zwischen die Metallplatte 10 und die Harzplatte 20 mit den Leiterstrukturen 22 und den Durchgangsöffnungen 24 wird das Prepreg 30 so eingesetzt, daß die Mitten der einen kleineren Durchmesser aufweisenden Löcher 16, der Durchgangsöffnungen 24 und der Löcher 32 auf identischen Linien liegen (Fig. 2d). Mit Hilfe der Preßmaschine werden dann die Platten miteinander wärmeverpreßt (Fig. 2e). Bei diesem Preßvorgang werden die Durchmesser der Löcher 32 des Prepregs 30 kleiner. Schließlich wird nach dem Aufbringen der Isolationsschicht 18 an der erforderlichen Stelle auf der Oberfläche der Metallplatte 10 durch Bedrucken einer Außengestalt durch Endbearbeitung bestimmt.

Für die Metallplatte 10 wird vorzugsweise eine Aluminiumplatte verwendet. Es kann jedoch auch eine Platte aus Eisen, Kupfer oder einer Aluminiumlegierung verwendet werden. Eine Eisenplatte ist kostengünstig. Eine Kupferplatte hat ein besseres Wärmeabgabeverhalten. Bei einer Platte aus einer Aluminiumlegierung ist das Gewicht geringer. Als Harzplatte 20 können Platten aus Glas-Epoxyd, Polyimid usw. eingesetzt werden. Die Metallplatte 10 kann eine größere Abmessung als die Harzplatte 20 aufweisen. In diesem Fall kann die Wärmefreisetzung erheblich verbessert werden. Wenn die Platte einem Biegeprozeß unter Erwärmung ausgesetzt ist, kann ihr Querschnitt L-förmig, rechtecksnutförmig oder kastenförmig sein. In diesem Fall wird die Haltefunktion, die Abschirmfunktion und die Leiterschutzfunktion der Leiterplatte verbessert. Die Metallplatte 10 wird mit der Harzplatte 20 durch das Prepreg 30 verklebt. Die Metallplatte 10 kann mit der Harzplatte 20 jedoch auch durch einen Klebstoff verklebt werden.

Anstelle des Bandes für die numerische Steuerung als Einrichtung zur Festlegung der Position eines jeden Loches kann auch irgendeine andere bekannte Einrichtung für die Festlegung der Lochposition eingesetzt werden. Wenn die Oberfläche der Metallplatte 10 durch mechanische Behandlung oder durch eine elektrische Behandlung, beispielsweise eine anodische Oxidation vor dem Ausbilden der mit Harz zu füllenden Löcher 12 aufgerauht wird, können ihr Wärmefreigabevermögen und ihre Haftfähigkeit verbessert werden. Wie Fig. 3a zeigt, kann eine leitende Schicht 26 in dem Bereich angrenzend an die Durchgangsöffnungen 24 auf der Seite der Harzplatte 20 ausgebildet werden, auf die die Metallplatte 10 aufgeklebt wird. Dies verhindert, daß das Prepreg 30 in die Durchgangsöffnungen 24 aufquillt, wenn die Metallplatte 10 mit der Harzplatte 20 gemäß Fig. 3b verklebt wird.

Wegen des ausgezeichneten Wärmefreisetzungsvermögens wird die Temperatur der vorstehend beschriebenen Metallkern- Leiterplatte niemals höher, auch wenn die Dichte der Anordnung der Bauteile größer wird und die von den montierten Bauteilen erzeugte Wärme zunimmt.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Einsatz- bzw. Betriebszeit der montierten Bauelemente und der Temperatur der Leiterplatte, wobei die Bauelemente ununterbrochen acht Stunden in Betrieb sind. Die Linie A bezieht sich auf eine herkömmliche Leiterplatte aus Harz und die Linie B auf die vorstehend erläuterte Metallkern- Leiterplatte. Man sieht aus dem Diagramm, daß die Temperatur der Metallkern-Leiterplatte wesentlich niedriger als die der herkömmlichen Leiterplatte aus Harz bleibt. Aufgrund dessen ergibt sich weder eine funktionelle Beeinträchtigung der auf der Metallkern-Leiterplatte sitzenden Bauelemente noch die Notwendigkeit einer aufwendigen Ausrüstung mit Strahlungsrippen oder dergleichen. Die größere Biegesteifigkeit hält die Leiterplatte völlig frei von irgendeiner Wölbung, auch wenn die Anzahl der aufgebrachten Bauelemente zunimmt, so daß ein einfaches Einführen der Leiterplatte in das elektronische System gewährleistet ist und verhindert wird, daß die Leiterplatte in Kontakt mit benachbarten Leiterplatten kommt. Der verbesserte Abschirmeffekt erleichtert auch die Verhinderung von Rauschen, das sonst vorhanden wäre. Somit kann die Metallkern- Leiterplatte in einem weiten Bereich Anwendung finden. Da bei der Herstellung der Metallkern-Leiterplatte die Löcher mit geringerem Durchmesser genau in den Mitten der mit Harz gefüllten Löcher durch Verwendung von Einrichtungen zur Festlegung identischer Lochpositionen vorgesehen werden, können die in den Mitten der mit Harz ausgefüllten Löcher vorgesehenen Löcher geringeren Durchmessers äußerst einfach ausgebildet werden. Da die Genauigkeit der Positionierung der einen geringeren Durchmesser aufweisenden Löcher sehr hoch ist, kann die Anbringung der Bauelemente an der Leiterplatte ohne Schwierigkeiten mit einer Maschine für die automatische Beschickung mit Bauelementen ausgeführt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten, bei dem

   • - in der Metallplatte durch Bohren oder Stanzen ein gewünschtes Lochmuster ausgebildet wird,
   • - die Löcher mit einer Isolierung versehen werden und
   • - diese Metallplatte mit einer wenigstens eine Leiterstruktur und Durchgangsöffnungen aufweisenden Harzplatte verklebt wird, so daß die Mitten der Lochungen beider Platten auf gleichen Achsen liegen,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - die Metallplatte und ein Prepreg gleichzeitig gebohrt werden,
   • - das Prepreg nach dem Bohren der Löcher von der Metallplatte entfernt wird,
   • - die in der Metallplatte befindlichen Löcher mittels Siebdruck- oder Walzenbeschichtung vollständig mit Isolierharz ausgefüllt werden,
   • - die mit Harz gefüllten Löcher konzentrisch mit Löchern kleineren Durchmessers versehen werden und
   • - die Harzplatte und die Metallplatte mit Hilfe des gebohrten Prepregs verklebt werden.