DE10151242A1

DE10151242A1 - Zumindest bereichsweise flexible, mit Bauelementen bestückbare oder bestückte Leiterplatte

Info

Publication number: DE10151242A1
Application number: DE2001151242
Authority: DE
Inventors: Stefan Kautz; Heinz Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Zumindest bereichsweise flexible, mit Bauelementen bestückbare oder bestückte Leiterplatte, wobei an der Leiterplatte (1) wenigstens ein Element (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung vorgesehen ist, das abhängig von der Temperatur eine ihm aufgeprägte Form einnimmt und mittels dem unter Ausnutzung der Formänderung die Leiterplatte (1) verformbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine zumindest bereichsweise flexible, mit Bauelementen bestückbare oder bestückte Leiterplatte.

Durch die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte wird das verfügbare Volumen für bestückte Leiterplatten, die in ein elektronisches Gerät einzusetzen sind, immer geringer. Zum einen gewährleisten neue Designs und Bestückungstechnologien eine hohe Integrationsdichte, zum anderen muss sich jedoch die Elektronik immer mehr der Umgebung anpassen (z. B. immer kleiner werdende Foto- oder Videokameras etc.) und auch dezentral platzsparend eingesetzt werden. Wegen der Möglichkeit der platzsparenden Anpassung an beliebige Formen werden in verstärktem Umfang dreidimensional geformte Leiterplatten eingesetzt. Eine Möglichkeit hierbei ist die sogenannte MID- Technologie, bei der durch Integration von elektronischen und mechanischen Funktionen in einem Spritzgussteil (PPS, PES, PA) durch Spritzgusstechnik verschiedene Formen gestaltbar sind. Problematisch sind die hohen Investitionskosten sowie die hohe Taktzeit bei der Bestückung von Bauelementen mit komplexen Geometrien. Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination hochintegrierter "Rigid Boards", also gewöhnlicher starrer Leiterplatten mit flexiblen Leiterplatten bzw. rein flexible Leiterplatten. Zwar kann hier auf relativ kostengünstige Weise mit konventioneller Planar-Technologie bestückt werden. Um die flexiblen Leiterplatten (z. B. aus Polyimid) jedoch in die optimale Form zu bringen und so die Baugruppe an verschiedene Produktformen anzupassen (z. B. zur Integration in ein Kameragehäuse oder ein anderes elektronisches Gerät) ist bei miniaturisierten Bauteilen/Baugruppen eine relativ aufwendige manuelle Montage notwendig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Leiterplatte anzugeben, die auf einfache Weise bleibend dreidimensional verformt werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Leiterplatte der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Leiterplatte wenigstens ein Element aus einer Formgedächtnis-Legierung vorgesehen ist, das abhängig von der Temperatur eine ihm aufgeprägte Form einnimmt und mittels dem unter Ausnutzung der Formänderung die Leiterplatte verformbar ist.

Ein solches der Verformung dienendes Element besteht aus einer Formgedächtnis-Legierung, die auch Memory-Metall genannt wird. Ein derartiges Metall hat die Eigenschaft, dass es temperaturabhängig seine Form ändern kann. Für den erfindungsgemäßen Einsatzzweck bedeutet dies, dass ausgehend von einem auf der ebenen, also quasi zweidimensionalen Leiterplatte befindlichen Element eine Erwärmung des Elements erfolgt. Oberhalb einer Phasenumwandlungstemperatur wandelt sich die Phase der Legierung von einer Tieftemperaturphase in eine Hochtemperaturphase (z. B. von Martensit zu Austenit) um. Der Hochtemperaturphase ist eine spezifische Form, die Formgedächtnis-Eigenschaften ausnutzend, aufgeprägt. Mit der Phasenumwandlung wandelt sich die Form des Elements von einer ebenen Form, in der es auf der zweidimensionalen ebenen Leiterplatte angeordnet ist, in eine dreidimensionale Form um. Beispielsweise biegt sich oder krümmt sich das Element. Aufgrund seiner Befestigung an der Leiterplatte wird diese ebenfalls verformt, also in eine dreidimensionale Form überführt. Diese Form behält das Element auch bei Abkühlung bei, d. h. die Verformung ist - bis zu einer bestimmten zweiten Phasenumwandlungstemperatur, in der von der Hochtemperaturphase eine Umwandlung in die Niedertemperaturphase stattfindet - auf jeden Fall beständig.

Ersichtlich kann auf diese Weise eine sehr einfache Verformung der Leiterplatte in die gewünschte Form durch Verwendung eines oder mehrerer entsprechend positionierter Elemente durch einfaches Verändern der Umgebungstemperatur erreicht werden.

Dabei kann die ganze Leiterplatte aus einem flexiblen Material bestehen, alternativ kann die Leiterplatte auch aus starren Abschnitten, die über flexible Verbindungsabschnitte verbunden sind, bestehen. Im letztgenannten Fall wird das Element derart positioniert, dass es sich von einem starren Abschnitt über den flexiblen Verbindungsabschnitt zu einem anderen starren Abschnitt hin erstreckt und so die beiden starren Abschnitte bei einer Verformung des Elements bezüglich einander um den flexiblen Verbindungsabschnitt verschwenkt oder bewegt werden.

Wenngleich das Element jede beliebige Form aufweisen kann ist es zweckmäßig, wenn es band-, streifen- oder drahtförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann es platzsparend und dennoch sehr effektiv an der Leiterplatte positioniert werden. Die Breite des band- oder streifenförmigen Elements sollte ≤ 5 mm, insbesondere ≤ 2 mm sein. Die Elementdicke sollte ≤ 1,0 mm, insbesondere ≤ 0,5 mm sein. Die entsprechende Bemessung des Elements, insbesondere hinsichtlich der Dicke ist insoweit variabel, als sie sich letztlich nach den Gegebenheiten einerseits an der Leiterplatte selbst und zum anderen den Verformungseigenschaften der Leiterplatte und der gewünschten zur erreichenden Plattenform richtet. Je dicker ein Element ist, desto größer ist zwar die auf die Leiterplatte übertragbare Kraft, jedoch ist der Krümmungsradius des Elements kleiner als bei einem dünneren Element, über welches eine geringere Kraft erzeugbar ist.

Das Element ist zweckmäßigerweise auf die Leiterplatte aufgeklebt, was entweder mittels eines auf die Leiterplatte oder auf das Element bei der Befestigung des Elements aufgebrachten Klebers erfolgen kann. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, ein bereits mit einer Kleberschicht versehenes, also quasi selbstklebendes Element zu verwenden. Das oder die Elemente können dabei nur an einer Seite der Leiterplatte oder an beiden Seiten der Leiterplatte vorgesehen sein. Dabei können Elemente, die an beiden Plattenseiten vorgesehen sind, so ausgewählt und positioniert sein, dass sie sich in ihrer Kraftwirkung bzw. Verformungsrichtung ergänzen.

Die Elemente können erfindungsgemäß einen Ein-Weg-Effekt zeigen. Bei einem Element aus einer derartigen Formgedächtnis- Legierung wird beispielsweise bei der Temperaturerhöhung die aufgeprägte Form eingenommen, wenn der Phasenübergang zu dem harten, z. B. austenitischem Material erfolgt. Wird diese Formgedächtnis-Legierung anschließend abgekühlt, so tritt zwar eine Phasenumwandlung ab Erreichen einer niedrigeren zweiten Phasenumwandlungstemperatur in die weiche Niedertemperaturphase, im vorliegenden Beispiel die martensitische Phase, ein, jedoch tritt hierbei keine Formänderung ein. Das Element behält seine Form, es wird lediglich weicher. Denkbar ist aber auch die Verwendung von Elementen, die einen Zwei- Weg-Effekt zeigen. Bei solchen Elementen besteht die Möglichkeit, die Leiterplatte nach ihrem Ausbau aus dem Gerät, wenn dieses z. B. defekt ist und die Leiterplatte zu recyceln ist, wieder in die ebene Form zu überführen, was z. B. für die nachfolgende Reparatur und/oder Demontage von Vorteil ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn an der Leiterplatte Elemente vorgesehen sind, die ihre Form bei verschiedenen Temperaturen ändern. Beispielsweise sind zwei verschiedene Elementgruppen vorgesehen, bestehend aus unterschiedlichen Formgedächtnis-Legierungen. Die erste Gruppe ändert ihre Form bei einer niedrigeren Temperatur, während die zweite Gruppe ihre Form bei einer höheren Temperatur ändert. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Leiterplattenabschnitte in einer bestimmten Reihenfolge verformt werden können.

Neben der erfindungsgemäßen Leiterplatte betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung einer mit elektronischen Bauelementen bestückten, zu Montagezwecken in eine dreidimensionale Form zu bringenden Leiterplatte. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

- Befestigen eines oder mehrerer Elemente aus einer Formgedächtnis-Legierung an der zumindest bereichsweise flexiblen Leiterplatte in dem oder den zu verformenden Bereichen vor oder nach der Bestückung der Leiterplatte mit den Bauelementen,

und

- Durchführung einer Temperung bei einer Temperatur oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur der Formgedächtnis- Legierung.

Vorzugsweise werden zunächst die Bauelemente bestückt und beispielsweise in einem Reflow-Lötprozess verlötet und anschließend die Elemente aufgebracht, um eine Verformung der Elemente während des vorangehenden Lötprozesses zu vermeiden, da dies die Kontaktierung der Bauelemente zur Leiterplatte nachteilig beeinflussen könnte. Werden die Bauelemente nicht in einem Hochtemperatur-Lötprozess befestigt (sondern z. B. durch Einpressen oder dergleichen), so kann die Befestigung der Elemente vor, nach oder zusammen mit der Bestückung der Bauelemente erfolgen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Anbringung der Verformungselemente an der Leiterplatte vor der Bestückung oder nach der Bestückung erfolgen. Dies kann beliebig gewählt werden. Nach erfolgter Bestückung wird lediglich ein Temperungsschritt, also eine Temperaturerhöhung durchgeführt, bis die Phasenumwandlung und damit die Formänderung einsetzt und sich die Leiterplatte verformt.

Die Temperung sollte bei einer Temperatur zwischen 40°C bis 100°C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C erfolgen, d. h. das oder die Elemente sind aus einer Legierung, die die Formwandlung innerhalb der angegebenen Temperaturbereiche vollzieht. Dabei ist darauf zu achten, dass die Formwandlung erst bei Temperaturen oberhalb der Montage- oder Betriebstemperatur einsetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
In dieser Prinzipskizze ist zum einen das verfahrensgemäße Flussdiagramm gezeigt, zum anderen zu den jeweiligen Verfahrensschritten die Leiterplatte.
Im Schritt I erfolgt die Bestückung der ebenen Leiterplatte mit Bauelementen. Die erfindungsgemäße Leiterplatte 1, bei der es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine vollständig flexible Leiterplatte beispielsweise auf Polyimid- Basis handelt, ist auf einem Bestückungsrahmen 2 angeordnet. Die Leiterplatte weist eine spezifische, den jeweiligen Anfordernissen entsprechende Form auf. Zur Bestückung wird sie z. B. einem Bestückungsautomaten zugeführt, der die Bauelemente 3 auf die Leiterplatte aufbringt. Die Leiterplatte ist hierzu eben und unverformt. Die Befestigung der Bauelemente erfolgt in einem nachfolgenden Reflow-Lötprozess.
Im Schritt II werden an ausgewählten Stellen Elemente 4 (SMA- Elemente = Shape Memory Alloy-Elemente) aus einer Formgedächtnis-Legierung aufgeklebt, wozu ein geeigneter Kleber verwendet wird. Die Elemente 4 sind im gezeigten Beispiel streifenförmig, sie können aber auch band- oder drahtförmig sein. Die Elemente werden an den Stellen aufgeklebt, um die entsprechende Leiterplattenabschnitte gebogen werden sollen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Elemente 4 lediglich an der einen Seite aufgebracht. Es ist jedoch auch denkbar, nach einem entsprechenden Lösen der Leiterplatte 1 vom Bestückungsrahmen und Umdrehen derselben auch auf der gegenüberliegenden Seite entsprechende Elemente vorzusehen. Zum Befestigen dient z. B. ein Acrylatkleber.
Die Dicke dieser streifenförmigen Elemente sollte ca. 0,1 mm betragen, ihre Breite bei ca. 1 mm liegen. Die Länge ist insoweit beliebig wählbar.
Sind nun alle Elemente 4 angebracht, so erfolgt im Schritt III eine Temperung bei erhöhter Temperatur im Bereich von z. B. 40-100°C. Im Rahmen dieser Temperung werden die Elemente 4 auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, bis die Phasenumwandlungstemperatur erreicht ist, bei der die Formwandlung einsetzt. Es findet bei der Phasenumwandlungstemperatur eine Umwandlung von Martensit (weich) zu Austenit (hart), wobei der Austenit-Phase eine bestimmte vorgegebene Form aufgeprägt ist, die dann eingenommen wird. Im Ergebnis krümmen sich die im Schritt II aufgebrachten Elemente 4. Aufgrund der Befestigung der Elemente an der flexiblen Leiterplatte werden die entsprechenden Leiterplattenabschnitte ebenfalls gekrümmt, wie in Fig. 1 ersichtlich ist. Die Leiterplattenabschnitte 5 werden hierbei nach oben gebogen, der Leiterplattenabschnitt 6 nach unten, der Leiterplattenabschnitt 7 bleibt - da dort kein Element vorgesehen ist - unverformt. Nach erfolgter Phasenumwandlung und damit Formwandlung wird die Leiterplatte 1 wieder abgekühlt, die dreidimensionale Form bleibt jedoch erhalten, da die Elemente ihre Form beibehalten.
Mittels der Elemente kann bei entsprechender Positionierung und Auslegung der Elemente beispielsweise eine wellige Struktur, einfache nach oben gebogene Abschnitte oder auch nestartige Strukturen geformt werden. Ersichtlich kann damit auf einfache Weise eine definierte dreidimensionale Topographie der bestückten Leiterplatte eingestellt werden. Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Leiterplatte liegen in der hohen Integrationsdichte hinsichtlich der Bestückung sowie der hohen Zuverlässigkeit der Einstellung der gewünschten Verformung. Auch ist die Montage einfach, da lediglich die bereits vorgeformte dreidimensionale Leiterplatte eingesetzt werden muss. Ferner kann auf einfache Weise die Produktgeometrie optimiert werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass anstelle der Verwendung von Elementen, die aus der gleichen Formgedächtnis- Legierung bestehen, auch Elemente aus unterschiedlichen Formgedächtnis-Legierungen, die unterschiedliche Phasenumwandlungstemperaturen aufweisen, eingesetzt werden können. Dies ermöglicht es, bestimmte Bereiche der Leiterplatte der unterschiedlichen Temperaturen und damit zeitlich nacheinander zu verformen. Die Anforderungen an die Formgedächtnis-Legierung sind relativ gering, solange eine hinreichende Verformung einsetzt. Zweckmäßigerweise werden Ein-Weg-Effekt-Legierungen verwendet. Es ist aber auch denkbar, Formgedächtnis-Legierungen einzusetzen, die einen Zwei-Weg-Effekt zeigen und die es ermöglichen, die Leiterplatte z. B. nach ihrem Ausbau aus dem Gerät durch entsprechende Temperaturbehandlung wieder ebenflächig zu machen, da bei derartigen Legierungen bei einer bestimmten zweiten Phasenumwandlungstemperatur eine zweite Formänderung in die ursprüngliche Form stattfindet. Dies kann z. B. zu nachfolgenden Demontagezwecken von Vorteil sein.
Wie ausgeführt bestehen sämtliche gezeigten Elemente bzw. Elementstreifen zumindest teilweise aus einer bekannten Formgedächtnis-Legierung. Beispiele solcher Legierungen sind Ti- Ni-Legierungen, wobei die Ti-Komponente als auch die Ni- Komponente die Hauptkomponenten bilden und noch weitere Legierungspartner vorhanden sein können. Daneben sind auch Cu- Al-Legierungen mit weiteren Legierungspartnern bekannt, wobei der Anteil der Al-Komponente größer oder kleiner als der des weiteren Legierungspartners sein kann. Als besonders geeignet sind Ti-Ni-Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus "Materials Science and Engineering, Vol. A 202, 1995, Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni- und Ti-Ni-Cu- Legierungen hervor. In "Intermetallic", Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und "Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", Vol. 27, 1992, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti₅₀Ni_50-xPd_x- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-Legierungen geeignet. So kommen beispielsweise Cu-Al- Formgedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende Cu- Zn24Al3-Legierung ist aus "Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In "Scripta Materialia", Vol. 34, No. 2, 1996, Seiten 255 bis 260 ist eine weitere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbstverständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr oder gegebenenfalls Ti in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein. Beispielsweise liegt der Anteil dieser mindestens einen weiteren Komponente unter 5 Atom-Prozent. Er kann jedoch auch davon stärker abweichen. Weitere mögliche Legierungspartner verschiedener binärer Memory-Metalle, u. a. auch für Ni-Mn-Legierungen, sind in "Transactions of the ASME", Vol. 121, Jan. 1999, Seiten 98 bis 101 genannt.

Claims

1. Zumindest bereichsweise flexible, mit Bauelementen bestückbare oder bestückte Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte (1) wenigstens ein Element (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung vorgesehen ist, das abhängig von der Temperatur eine ihm aufgeprägte Form einnimmt und mittels dem unter Ausnutzung der Formänderung die Leiterplatte (1) verformbar ist.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ganze Leiterplatte (1) aus einem flexiblen Material besteht, oder dass die Leiterplatte aus starren Abschnitten, die über flexible Verbindungsabschnitte verbunden sind besteht.

3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sich das Element von einem starren Abschnitt über den flexiblen Verbindungsabschnitt zu einem anderen starren Abschnitt erstreckt.

4. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) band-, streifen- oder drahtförmig ist.

5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des band-, streifen- oder drahtförmigen Elements (4) ≤ 5 mm, insbesondere ≤ 2 mm ist.

6. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) eine Dicke ≤ 1,0 mm, insbesondere ≤ 0,5 mm aufweist.

7. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) aufgeklebt ist.

8. Leiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) mittels eines auf die Leiterplatte oder das Element bei der Befestigung des Elements aufgebrachten Kleber befestigt ist, oder dass ein bereits mit einer Kleberschicht versehenes Element verwendet ist.

9. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Elemente (4) nur an einer Seite oder an beiden Seiten der Leiterplatte (1) vorgesehen sind.

10. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (4) aus einer einen Ein-Weg-Effekt zeigenden Formgedächtnis-Legierung bestehen.

11. Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte (1) Elemente (4) vorgesehen sind, die ihre Form bei verschiedenen Temperaturen ändern.

12. Verfahren zur Herstellung einer mit elektronischen Bauelementen bestückten, zu Montagezwecken in eine dreidimensionale Form zu bringenden Leiterplatte, mit folgenden Schritten:

- Befestigen eines oder mehrere Elemente aus einer Formgedächtnis-Legierung an der zumindest bereichsweise flexiblen Leiterplatte in dem oder den zu verformenden Bereichen vor oder nach der Bestückung der Leiterplatte mit den Bauelementen,

und

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperung bei einer Temperatur zwischen 40°C bis 100°C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständig flexible Leiterplatte oder eine aus mehreren starren Abschnitten, die über flexible Abschnitte miteinander verbunden sind, verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Elemente auf die Leiterplatte aufgeklebt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element mittels eines auf die Leiterplatte oder auf das Element bei der Befestigung des Elements aufgebrachten Klebers aufgeklebt wird, oder dass ein bereits mit einer Kleberschicht versehenes Element verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Elemente nur an einer Seite oder an beiden Seiten der Leiterplatte befestigt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein band-, streifen- oder drahtförmiges Element verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein band-, streifen- oder drahtförmiges Element mit einer Breite ≤ 5 mm, insbesondere ≤ 2 mm verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element mit einer Dicke ≤ 1,0 mm, insbesondere 0,5 mm verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element aus einer einen Ein-Weg-Effekt zeigenden Formgedächtnis- Legierung verwendet wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente verwendet werden, die ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen ändern.