专利名称：用于制造印刷电路板的方法及其应用以及印刷电路板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将部件固定在印刷电路板上或者印刷电路板中和/或用于 连接印刷电路板的各个元件的方法，以及这种方法的应用和一种印刷电路板。
背景技术：
在印刷电路板的制造方面，并且特别是在部件在印刷电路板上或者印刷电路板中 的固定方面和/或为了连接印刷电路板的各个部件例如在制造刚柔结合的印刷电路板时 根据当今的现有技术主要使用三种方法，其中在此，特别地可涉及引线键合、钎焊、借助导 电的或者可导电的粘接膜或者粘接材料的粘接。在制造刚柔结合的印刷电路板时此外也已 知具有较大空间需求的插接系统。在引线键合时，通过输入超声波、热量和压力，例如由金或者铝制成的金属线与电 子部件的接触垫或者接触部位连接且接着牵拉到印刷电路板上待与其连接的接触面或者 待与其连接的区域上，在那里连接或者键合过程例如通过超声波、热量和/或压力来重复 进行。除了这种键合方法的高的成本外，主要的缺点在于各个连接部的制造按一个接一个 的顺序进行，从而不能进行并行的过程且特别是每个接触部或者每个待接触的区域必须分 开制造，从而整体上形成费事的方法。此外，基于所使用的金属线的类型，待连接的或者待 联接的部件或者元件在例如高达大约300°C以及可能更高的温度情况下承受局部较高的热 负荷，其中此外能实现金属线连接的仅仅平均的且在很多情况下并不足够的抗拉强度。在钎焊过程中，例如在施设焊料膏沉积体之后，进行部件或者印刷电路板的待彼 此连接的元件或部分区域在所设置的焊料膏沉积体或者焊料部位上的设置，此后接着通过 对例如由印刷电路板的待与其连接的部分区域的基底和所述部件构成的整个组件在所谓 的回流炉中进行加热实现通过焊料膏体的熔化而连接。首先，在无铅的钎焊过程中，在此需 要至少短时间内高于240°C、特别是高于265°C的温度，其中，这对于印刷电路板或者印刷 电路板的与所述部件进行连接的部分区域是相应的负荷且可能导致各个印刷电路板层的 分离或者脱层。在应用导电的或者具有传导性的粘接膜或者粘接材料的情况下，例如由于在与能 实现的传导性相关的导电组分的填充材料含量(FUllstoffgehalt)和在待实现的粘附强 度方面之间的相互影响必须寻求一种平衡，从而通常在没有明显不利地影响到粘附特性的 情况下仅能够实现受限的传导性。此外，在加热例如由在印刷电路板上的一个部件或者多 个电子部件组成的粘接元件时，根据所使用的材料而出现不同程度的尺寸变化，其中，特别 是存在例如在无源部件情况下使用的陶瓷的膨胀系数、有源部件情况下的硅的膨胀系数以 及用于粘接膜或者粘接材料的塑料的膨胀系数和例如在印刷电路板的进行传导的接触部 位或者触垫或者印制导线的区域中的铜的膨胀系数的部分较大程度的不同，从而在温度波 动或者温度交变载荷下可能会导致对借助进行传导的粘接件或者粘接材料形成的接触部 位或者接触区域的损坏以及破坏。
发明内容
本发明的目的因此在于，从开头所述类型的方法出发，在维持符合规定的接触、将 部件固定在印刷电路板上或者印刷电路板中和/或连接印刷电路板的各个元件的问题方 面避免上述缺点，以及特别是提供至少一个部件在印刷电路板上或者印刷电路板中的连接 和固定和/或在印刷电路板的各个元件之间的连接和固定，所述连接和固定具有高阻抗的 和改善以及提高的抗拉强度，并且提供具有各个部件和/或部分区域的改善的粘附性的印 刷电路板。为了实现该目的，一种开头所述类型的方法基本上以如下内容为特征部件和/ 或印刷电路板的待彼此连接或者待彼此固定的区域分别设有至少一个焊料层；所述焊料层 彼此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度的情况下在形成金属间的 扩散层的情况下彼此连接。因为在分别将至少一个焊料层施设在一个部件和印刷电路板或 者印刷电路板的部分区域或部分元件的待彼此连接或者待彼此固定地区域上后，焊料层彼 此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度时在形成金属间的扩散层的 情况下彼此连接，能够在彼此邻接或者彼此接触的焊料层之间形成合金或者连接的情况下 确保待彼此连接或者待彼此固定的部件和/或印刷电路板的元件之间的符合规定的和高 强度的连接，其中，在例如变化的温度条件或者温度负荷情况下使用时能够实现相对于已 知方法提高的抗拉强度以及改善的抵抗损坏的阻抗。通过形成用于将一个部件或印刷电路 板的元件的待彼此连接或者待彼此固定的区域、特别是接触部位进行连接的金属间的扩散 层，能够实现例如所使用的材料的热膨胀系数的接近或者相一致，从而自身在波动的温度 负荷情况下通过用于连接所使用的材料的膨胀系数的匹配或者均勻化能够实现大大改善 的防止连接的损坏或者破坏的阻抗。此外，通过固定或者连接过程确保不仅待设置的或者 待固定的部件，而且印刷电路板或者印刷电路板(例如刚柔结合的电路板)的待接触的或 者待连接的部分区域例如与已知的钎焊键合或者引线键合相比承受均勻的且特别是较小 的热负荷。通过使用扩散钎焊方法或者熔化扩散钎焊方法在施加相对周围环境条件提高的 压力和提高的温度的情况下为了形成金属间的扩散层而进行彼此接触的焊料层的材料或 者组分的彼此交错的扩散，从而通过焊料层彼此交错以及彼此间的扩散能够实现高强度的 连接。在此，能够在为形成金属间扩散层而使用的材料之间出现或者生成金属间相或者合 金，其中需要注意的是，材料的这种彼此交错的扩散在温度远低于分别焊料层所使用的原 材料的熔化温度时发生，这将在下面更详细地阐述。为了在印刷电路板的部分区域也能够不受损害地承受压力和温度情况下实施扩 散钎焊方法，并且为了同时通过用于相应一个或多个焊料层的材料的扩散实现合适的连接 和固定，根据本发明的方法的优选的实施方式提出，至少一个焊料层由导电的金属制成，所 述导电的金属从包括银、金、镍和铜和/或锌、铟、铋的组中选取。上述材料具有相应好的以 及高的导电性，所述导电性是为了实现一个部件和/或印刷电路板待彼此连接区域或者接 触部位之间符合规定的接触所必需的，并且此外确保特别在相对较低的温度下在施加相 应的压力持续一个相应的时间段时能够在待彼此连接的部件或者元件的焊料层之间实现 可靠的金属间连接。为了防止为形成金属间的扩散层而作为焊料连接部使用的材料扩散到待彼此连 接或者待彼此固定的部件或者元件的接触部位或者接触区域内，根据另一优选的实施方式提出，在施设所述至少一个焊料层之前，在部件和/或印刷电路板的待彼此连接或者待彼 此固定的区域上施设阻挡层。所述阻挡层阻止产生的金属间连接的或者可能产生的合金的 焊料或者元件扩散到所述部件和/或所述印刷电路板的待彼此连接或者待彼此固定的区 域或者接触部位的区域中。为了可靠地形成阻挡层，在同时维持足够的传导性以及维持与待彼此连接或者待 彼此固定的部件及元件和此外待设置的至少一个焊料层的连接到其上的区域或者接触部 位的可靠连接的情况下，根据另一优选的实施方式提出，所述阻挡层由导电的金属制成，所 述金属从包括镍、铁或者钼和/或包含镍和/或铁的合金的组中选取。为了对用于待彼此连接或者待彼此固定的区域、特别是接触部位的连接的熔化扩 散过程进行支持，根据另一优选的实施方式提出，分别将两个不同的焊料层施设到一个待 连接或者待彼此固定的区域上。通过设置或者施设两个不同的焊料层，能够在待彼此连接 的区域接触后通过相应地选取彼此直接贴靠的焊料层而例如有针对性地启动或者开始扩 散过程，而继续的或者进一步的连接在形成金属间扩散层的情况下受控制或者受调节地通 过设置另一焊料层而能够实现。在这方面，能够对不同的焊料层例如关于其熔化温度进行 选取，其中例如分别将一种熔化温度较低的材料的焊料层固定在待彼此连接区域的上侧 上，在该焊料层上接着施设由具有较高熔化温度和可能改善的或者提高的导电性的材料制 成的焊料层，从而此外在扩散过程中例如产生焊料层所使用的材料的共晶的合金，所述合 金具有防止连接破坏的相应较高的阻抗以及对于待实现接触的良好的导电性。为了在印刷电路板的制造方面以较小的厚度或者层厚特别可靠和简单地分别施 设至少一个焊料层，根据基于本发明的方法的另外的优选的实施方式提出，所述至少一个 焊料层和阻挡层电化学地或者化学地被沉积或者施设。
在印刷电路板的制造方面，随着印刷电路板自身的逐渐小型化，在印刷电路板中 相应使用层厚较小的各个元件并且在考虑实现相应的阻抗性连接或者接触的情况下，根据 另一优选的实施方式提出，所述至少一个焊料层和/或阻挡层具有至少5nm，特别是至少 IOOnm至最大100 μ m，优选最大20 μ m的厚度。待使用的一个或者多个焊料层和/或阻挡 层的这样的层厚通常处于这种印刷电路板的各个元件或者层的层厚的在制造印刷电路板 时所使用的范围内，从而待制造的接触部能够以简单的方式集成到这种印刷电路板中。为了在形成金属间的扩散层的情况下实现彼此待接触的区域或者元件的可靠连 接，根据另一优选的实施方式提出，钎焊过程在小于300巴、特别是小于250巴的压力下以 及在低于600°C、特别是在150°C至450°C之间的温度下实施。特别是在考虑用于熔化扩散 钎焊的温度的情况下直接能够看出，钎焊过程在部分显著低于为了形成焊料层而使用的材 料的熔化温度的温度下进行。为了在连接或者固定过程中形成金属间扩散层，根据另一优选的实施方式提出， 施加或者加载提高的压力和提高的温度持续至少10分钟、特别是至少20分钟以及最高150 分钟、特别是最高120分钟的时间段。在根据本发明的连接或者固定方法方面，附加地需要注意的是，在分别施设至少 一个焊料层后且在焊料层彼此实现接触后能够同时进行大量的连接和固定，从而不同于现 有技术，例如钎焊或者引线键合，能够并行以及同时进行可能非常多的待彼此连接或者待 彼此固定的区域、特别是接触部位的连接或者固定过程。
为了在施设至少一个焊料层和可能的阻挡层后以及在待彼此连接的元件或者部 件的焊料层接触后，能够确保待固定的部件或者印刷电路板的待彼此固定的元件的可能必 需的暂时的或者预先准备(vorsorgliche)的定位，根据本发明的方法的另一优选实施方 式提出，待固定的部件或者印刷电路板的待彼此固定的元件在应用粘接层的情况下暂时地 彼此连接。因为通过粘接的固定仅设置用于在对形成连接或者固定的熔化扩散方法进行实 施之前或者在对形成连接或者固定的熔化扩散方法进行实施期间进行暂时的定位，在粘附 强度方面满足相应简单的以及仅较低的要求的粘接件或者粘接材料就足够，因为最终待实 现的连接或者接触接下来在用于将部件或者元件彼此固定的扩散方法中实现，所述扩散方 法在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度的情况下使用。如上面已经多次提及的，根据本发明的方法例如用于在印刷电路板上或者印刷电 路板中装配电子部件或者构件而特别优选使用，其中，这种部件或者构件可以是有源的或 者无源的部件、单个部件或者组件。此外，根据本发明的方法优选能够应用或者使用以用于连接印刷电路板部分或者 印刷电路板元件，特别是用于制造刚柔结合的印刷电路板。根据本发明的方法的另一优选的使用或者应用领域在于在印刷电路板上或者印 刷电路板中制造或者构造散热元件，其中，通过设置由相应的材料制成的焊料层，这种散热 元件能够例如在建立部件在印刷电路板上或者印刷电路板中的连接或者固定的同时或者 建立印刷电路板的各个元件彼此间的连接的同时而制造。此外，为了实现开头所述的目的，提供一种印刷电路板，其特征基本上在于，部件 和/或印刷电路板的待彼此连接或者待彼此固定的区域分别设有至少一个焊料层；所述焊 料层能够彼此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度情况下在形成金 属间的扩散层的条件下能够彼此连接。通过形成在待彼此连接或者接触的区域、例如接触 部位之间的金属间扩散层，因此能够提供下述的印刷电路板，在所述印刷电路板中，部件或 者待彼此连接的元件彼此固定或者彼此连接，所述部件或者待彼此连接的元件的所建立的 连接或者接触具有较高的可靠性。
下面借助在附图中示意示出的实施例详细阐述本发明。其中图1示出根据本发明的印刷电路板以及与其分离的且待与其连接的部件的部分 区域的示意示图，其中在待彼此连接的区域的区域中根据本发明的方法分别已经施设有一 个阻挡层和两个焊料层；图IA以放大的尺寸示出图1的部分区域A的细节图；图2以类似于图1的视图示出印刷电路板的部分视图，所述印刷电路板具有用于 与印刷电路板待连接的部件的暂时定位的粘接部位；图3示出在实施熔化扩散方法之前借助根据图2施设的粘接剂而设置在印刷电路 板上的部件；图4示出在实施熔化扩散方法后在焊料层之间形成金属间的扩散层的条件下固 定在印刷电路板上的部件；图5以类似于图1的视图示出特别是刚柔结合的印刷电路板的待彼此连接的元件在彼此连接之前以及将焊料层施设到待彼此连接区域上之后的视图。
具体实施例方式
图1至4示出在实施用于将部件固定在印刷电路板上或者印刷电路板中的方法时 不同的方法步骤。图1示出，在整体以1标记的印刷电路板上，在分别以2标记的例如由铜层制成的 接触部位的区域内，在铜层2上设置有阻挡层3，接着将两个由彼此不同的焊料制成的层4 和5设置或者施设到所述阻挡层上。在待与印刷电路板1连接的电子部件6上以类似的方式在接触部位或者触垫 (Pads) 7的区域内分别设置或者施设有一个阻挡层8，在该阻挡层上接着又施设或者设置 有由彼此不同的材料制成的焊料层9和10。在图IA中以放大图示出根据图1的部件6的部分区域A，其中，可以看到的是，在 以夸大示出的厚度所示出的接触层7上接着设置有阻挡层8，在阻挡层上接下来连接有焊 料层9和10。各个层7至10在根据图IA的示图中，在此为了清楚起见彼此稍微分离地示出，其 中，这种分离仅用于使图示的示图的清楚性变得简单。此外，各个层7至10的厚度仅是示 例性的且是不成比例的，其中，下面进一步详细阐述层厚度可使用的、可能的范围。类似于根据图IA的图示，同样构成印刷电路板1的接触部位2的区域，从而由此 出发，在图1中所示出的实施例中，层或者接触部位2和7例如分别由铜所制成，接下来在 其上施设例如由镍制成的阻挡层3以及8。待彼此连接的焊料层4和5或者9和10能够在 图1中所示出的实施例中例如分别由用于层4和9的银以及用于层5和10的锌所构成。层3、4和5或者8、9和10的施设可以通过电化学的或者化学沉积或者涂敷来实 现。在设置或者施设阻挡层3以及至少一个焊料层4和5之后在印刷电路板1上在接 触部位2的区域内实现粘接部位或者粘接层11的设置或者施设，如其在图2中所示出的那 样，通过所述粘接部位或者粘接层接下来实现部件6的暂时性的固定或者设置，如其在图3 中所示出的那样，其中，从图3中可以看出，以这种方式接下来实现焊料层的彼此接触，其 中，特别是彼此相对的层5和10彼此直接接触。在特别是借助粘接部位11的情况下将部件6设置在印刷电路板1上之后，实现施 加相对周围环境条件升高的压力以及升高的温度，由此，形成金属间的扩散层12，其中，在 使用银用于层3和9以及使用锌用于层5和10的情况下，该扩散层12由共晶的银锌合金 形成，该银锌合金例如与已知的化合物相比在部件6和印刷电路板1的各接触部位之间具 有例如大于1000N/mm2的增高的抗拉强度。阻挡层或者阻挡层3以及8的厚度在此例如在IOOnm至20 μ m之间。焊料层4与 5以及9与10的厚度在大约IOOnm至最高100 μ m的范围内。如上所述的，在焊料层接触之后实现施加相对周围环境条件升高的压力以及升高 的温度，其中，对于在图1至4中所选择的材料，选取例如至少15min，特别是大约20至120 分钟的时间段，其中选取小于250巴的压力以及特别是根据印刷电路板1和部件6所使用 的材料选取150°C和450°C之间的温度，其中，其也可能被称为软焊。
作为用于阻挡层3和8的镍的替代，例如也可以使用铁或者钼和/或包含镍和/ 或铁的合金。对于焊料层4和 5以及9和10特别是能够使用具有不同熔点的材料或者金属，其 中，彼此邻接的层5和10由熔点较低以及因此熔化能力较高的金属制成，而例如层4和9 由例如传导性通常提高的材料特别是金属(诸如金或者铜)替代银制成。此外，用于层4和5以及9和10的材料的选择也在对应用相应温度和压力条件下 通过熔化扩散所能实现的合金进行考虑的情况下进行，其接下来能够提供高阻抗的、特别 是高抗拉强度的所期望的接触或者连接。在图5中示出类似于根据图1的示图的实施方式，其中，用于在构成金属间的扩散 层的情况下连接的方法用于连接印刷电路板的各个元件。在此，在图5中，以13和14表示 待制造的刚柔结合的印刷电路板的刚性部件或者元件，所述印刷电路板如其通常所已知的 那样包括多个层。在待制造的刚柔结合的印刷电路板25的与柔性部件或者元件15连接的区域内设 置或者示出接触部位16，其中，在例如也由铜构成的接触部位16上，分别设置或者施设有 焊料层17。以类似的方式，在也能够由铜所制成的接触部位18的区域内在柔性元件上分别 又设置一个焊料层19。类似于前面的实施例，对于元件13、14和15的暂时的定位设置有粘接部位或者粘 接区域20。类似于根据图1至4的实施方式，在施设焊料层17以及19后实现焊料层17、19的 接触，在其上又通过施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度在焊料层17和19的 区域内构成金属间的扩散层，所述扩散层在形成多个连接部位或者接触部位的情况下导致 刚性的部分区域13和14与柔性的部分区域15的高强度的以及相应高阻抗的连接。柔性元件15在此例如由柔性的芯部21构成，在芯部上设置有带印制导线和接触 部23的半固化片(Pr印reg) 22，其中，此外，以附图标记24示出屏蔽层。同样在这种情况下，通过熔化扩散过程在施加比焊料17和19的熔化温度低的温 度的情况下实现在接触部位16和18的各个区域之间的固定的连接。作为用于焊料层17和19的材料在此也可以使用上面所提及的材料。此外，熔化扩散方法可以用于构造热导出区域，以导出特别是在集成在印刷电路 板1中的部件6的区域中可能点状地产生的热量。
权利要求
1.用于将部件固定在印刷电路板(1)上或者印刷电路板中和/或用于连接印刷电路板 (1)的各个元件的方法，其特征在于，部件(6)和/或印刷电路板(1、25)的待彼此连接或 者待彼此固定的区域分别设有至少一个焊料层(4、5、9、10、17、19)；所述焊料层(5、10、17、 19)彼此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度的情况下在形成金属间 的扩散层(12)的情况下彼此连接。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个焊料层(4、5、9、10、17、19)由 导电的金属制成，其从包括银、金、镍和铜和/或锌、铟和铋的组中选取。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在施设所述至少一个焊料层(4、5、9、 10)之前，在部件(6)和/或印刷电路板(1)的待彼此连接或者待彼此固定的区域上施设阻 挡层(3、8)。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阻挡层(3、8)由导电的金属制成，其从 包括镍、铁或者钼和/或包含镍和/或铁的合金的组中选取。
5.按权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，分别将两个不同的焊料层(4、5、9、 10)施设到一个待连接或者待彼此固定的区域上。
6.按权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个焊料层(4、5、9、10、 17,19)和/或所述阻挡层(3、8)电化学地或者化学地被沉积或者施设。
7.按权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个焊料层(4、5、9、10、 17、19)和/或所述阻挡层(3、8)具有至少5nm、特别是至少IOOnm至最大100 μ m、优选最大 20 μ m的厚度。
8.按权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，钎焊过程在小于300巴、特别是小 于250巴的压力下以及在低于600°C、特别是在150°C至450°C之间的温度下实施。
9.按权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，施设或者施加提高的压力和提高的 温度持续至少10分钟、特别是至少20分钟以及最高150分钟、特别是最高120分钟的时间段。
10.按权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，待固定的部件(6)或者印刷电路 板(1、25)的待彼此固定的元件(13、14、15)在应用粘接层(11、20)的情况下暂时地彼此连接。
11.按权利要求1至10之一所述的方法的应用，用于在印刷电路板(1)上或者在印刷 电路板中装备电子部件(6)或者构件。
12.按权利要求1至10之一所述的方法的应用，用于连接印刷电路板部分(13、14、 15)，特别是用于制造刚柔结合的印刷电路板(25)。
13.按权利要求1至10之一所述的方法的应用，用于在印刷电路板(1、25)上或者印刷 电路板中制造散热元件。
14.印刷电路板，其特征在于，部件(6)和/或印刷电路板(1、25)的待彼此连接或者待 彼此固定的区域分别设有至少一个焊料层(4、5、9、10、17、19)；所述焊料层(4、5、9、10、17、 19)能够彼此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度情况下能够在形成 金属间的扩散层(12)的情况下彼此连接。
全文摘要
在一种用于将部件(6)固定在印刷电路板(1)上或者印刷电路板中和/或用于连接印刷电路板的各个元件的方法中，提出部件(6)和/或印刷电路板(1)的待彼此连接或者待彼此固定的区域分别设有至少一个焊料层(4、5、9、10)；所述焊料层(4、5、9、10)彼此接触且在施加相对周围环境条件提高的压力和提高的温度的情况下在形成金属间的扩散层(12)的情况下彼此连接，由此能够实现高强度的连接。此外，提供这种方法的应用以及印刷电路板(1)。
文档编号H05K1/02GK102037793SQ200980118407
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月21日
发明者约翰尼斯·施塔尔, 贡特尔·魏克塞尔贝格尔 申请人:At&S奥地利科技及系统技术股份公司