DE102007017532A1 - Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte - Google Patents

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Signal- und Potentialverteilungssystems für mechatronische Module mit einer Leiterbahnstruktur (1) auf einer metallischen Bodenplatte (2), umfassend die folgenden Schritte: a) Aufbringen mindestens einer Metallfolie auf die metallische Bodenplatte (2) und Erzeugen eines elektrisch isolierten Haftverbunds zwischen Metallfolie und Bodenplatte (2) und b) Erzeugen einer Leiterbahnstruktur (1) aus der Metallfolie mittels Laser- oder Wasserstrahlschneidens, sowie ein Signal- und Potentialverteilungssystem für mechatronische Module mit einer metallischen Bodenplatte (2) und einer darauf aufgebrachten Leiterbahnstruktur (1), wobei die Leiterbahnstruktur (1) von einer direkt auf die Bodenplatte (2) auflaminierten strukturierten Metallfolie gebildet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere für die Herstellung von Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
  • Stand der Technik
  • In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Bremssystem. Steuergeräte weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken" sind diese Steuerungen nicht mehr ein einem separaten geschützten Elektronikraum untergebracht und müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten. Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse integriert. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion.
  • Die Kerneinheit einer solchen integrierten elektronischen Steuerung wird daher aus einer Bodenplatte, einem elektronischen Substrat, Leiterbahnstrukturen zur elektronischen Verbindung der zentralen Steuereinheit mit den außen liegenden Komponenten und einer hermetisch dichten Verdeckelung zum Schutz der empfindlichen Steuereinheit konzipiert. Solche in tegrierten elektronischen Module werden in großer Stückzahl benötigt und müssen daher kostengünstig herstellbar sein.
  • Um eine verlässliche kurzschlusssichere Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine kurzschlusssichere elektrische Verbindung von der hermetisch dichten Gehäuseinnenseite des Elektronikraums zur Gehäuseaußenseite zu peripheren Komponenten notwendig. Bisher werden diese Signal- und Potentialverteilungen üblicherweise durch Stanzgitter, starre Leiterplatten oder flexible Leiterplatten verwirklicht. Als besonders variabel haben sich flexible Leiterplatten erwiesen, da sie auch mit einer relativ einfachen Abdichtungskonfiguration der Verdeckelung die gewünschten Funktionalitäten erfüllen.
  • Der übliche Aufbau bezüglich der Verwendung flexibler Leitenplatten für solche mechatronische Anwendungen besteht aus einer Basislage als Verbund aus Polyimidbasisfolie, Acrylkleberfolie und strukturierter Kupferleiterbahn-Folie. Die Kupferleiterbahnlage erhält üblicherweise durch einen Ätzprozess eine leitende Bahnstruktur. Diese Leiterbahnstrukturen müssen bondbare, schweissbare und/oder lötbare Oberflächen im Kontaktierbereich aufweisen. Zum notwendigen Schutz vor Kontamination, Beschädigungen und Leiterbahnkurzschlüssen, auch Spanschutz genannt, wird eine Decklage aus Polyimidfolie auf die strukturierte Kupferleiterbahn-Lage mit Acrylkleberfolie auflaminiert. Dieser gesamte Verbund aus Basislage, Kupferleiterbahnlage und Decklage wird dann auf eine Bodenplatte auflaminiert. Der zwischenzeitlich verstärkte Einsatz von flexiblen Leiterbahnfolien dieses Aufbaus in integrierten Mechatroniken ist jedoch aufgrund der mehrstufigen und aufwendigen Herstellung mit sehr geringen erlaubten Toleranzen ein signifikanter Kostentreiber.
  • Bisher wurden verschiedene Konzepte entwickelt, den Einsatz der elektronischen Verbindungen, insbesondere der flexiblen Leiterplatten mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, kos tengünstiger herzustellen. Eines dieser Konzepte sieht den Einsatz von flexiblen Leiterplatten nur in Teilbereichen des Steuerungsgeräts vor, die unter anderem eine verbesserte Flächenausnutzung der flexiblen Leiterplattenbereiche ermöglichen. Ein alternativer Ansatz zur Kostenreduktion der Systeme mit flexiblen Leiterplatten ist der Verzicht auf Deckfolienbereiche der Leiterplatten, wobei der notwendige Spanschutz der Leiterbahnen selbst durch ohnehin vorhandene oder im Herstellungsprozess deutlich kostengünstigere Bauteile übernommen und gewährleistet wird. Es wird jedoch aufgrund des steigenden Bedarfs verstärkt nach weiteren Alternativen gesucht, die Kosten der Herstellung von elektrischen Verbindungen, insbesondere hinsichtlich der Systeme mit flexiblen Leiterplatten, zu reduzieren und insgesamt zu vereinfachen.
  • Aufgabenstellung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Signal- und Potentialverteilungssystem für mechatronische Module einfach und kostengünstig auf einer metallischen Bodenplatte hergestellt werden kann.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur einer Signal- und Potentialverteilungskomponente auf einer Bodenplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erreicht.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte eines Signal- und Potentialverteilungssystems für mechatronische Module durch folgende Verfahrensschritte herzustellen:
    • a) Aufbringen mindestens einer Metallfolie auf die metallische Bodenplatte und Erzeugen eines elektrisch isolierten Haftverbunds zwischen Metallfolie und Bodenplatte und
    • b) Erzeugen einer Leiterbahnstruktur aus der Metallfolie mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden.
  • Mit anderen Worten können durch das erfindungsgemäße Verfahren komplexe Leiterbahnstrukturen aus einer Metallfolie durch einen Laser- oder Wasserstrahlschneideprozess erzeugt werden, wobei die Metallfolie bereits auf der metallischen Bodenplatte aufgebracht ist. Die auf der Bodenplatte erzeugten Leiterbahnstrukturen können auf diese Weise die vollständige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen, übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist nicht mehr notwendig.
  • Die einzelnen Verfahrensschritte a) und b) sind automatisierbar und daher vorteilhafterweise für die Massenproduktion geeignet. Die Aufbringung der Metallfolie auf die metallische Bodenplatte und anschließende Erzeugung der gewünschten Leiterbahnstrukturen gewährleistet die Einhaltung der korrekten relativen Positionierung der einzelnen, durch den Schneidprozess in Schritt b) voneinander getrennten, Leitungsträgerbahnen zueinander in ihrer Endlage auf der Bodenplatte. Darüber hinaus kann mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu den bisher eingesetzten Verfahren eine erhebliche Materialeinsparung verwirklicht werden. Denn im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, sowohl die Basisfolie der flexiblen Leiterplatte als auch eine Acrylkleberlage wegzulassen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dagegen möglich, die Metallfolie und mithin die Leitbahnstruktur elektrisch isoliert direkt auf der Bodenplatte zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass keinerlei Chemikalien, wie aggressive Alkalien oder Säuren für einen Ätzprozess zur Herstellung der Leiterbahnstrukturen aus der Metallfolie benötigt werden und entsprechend auch keine Umwelt belastenden Abfallstoffe entstehen, die kostenintensiv entsorgt werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch dieser Prozessschritt des Laser- oder Wasserstrahlschneidens ohne Probleme automatisierbar und daher für die Massenproduktion verwendbar sind.
  • Als Metallfolie kann erfindungsgemäß beispielsweise eine Silberfolie, eine Goldfolie, eine Nickelfolie oder eine Aluminiumfolie eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Kupferfolie als Metallfolie verwendet.
  • Die metallische Bodenplatte ist bevorzugt eine Aluminiumplatte. Auch andere Materialien sind denkbar, sofern sie für die jeweilige Anwendung eine geeignete Wärmeableitung für mechatronische Module gewährleisten.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Metallfolie mittels einer Kleberfolie, insbesondere einer Acrylklebefolie, auf die Bodenplatte auflaminiert. Damit ist gewährleistet, dass sowohl eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen der metallischen Bodenplatte und der Metallfolie bereitgestellt wird als auch eine dauerhaft haltbare und temperaturbeständige Verbindung zwischen den einzelnen Lagen.
  • Der Verbund aus Metallfolie und Bodenplatte in Schritt a) kann besonders bevorzugt durch einen Rolle-zu-Rolle Prozess erzeugt werden. Die industrialisierte Herstellung eines solchen Verbundprodukts kann vorteilhafterweise zum Beispiel aus der Etikett-Herstellungsindustrie angepasst auf die vorliegenden Anforderungen übernommen werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Metallfolie vor oder nach Schritt a) plattiert oder beschichtet werden.
  • Die Plattierung oder Beschichtung kann ganz oder nur teilweise vorgesehen werden. Die Beschichtungen können beispielsweise Schutzbeschichtungen sein oder zur besseren Anbindung an weitere Komponenten eines mechatronischen Moduls dienen. Es können zum Beispiel Ni/Au-Auflagen auf der Leiterbahnoberfläche vorgesehen werden, um diese für Bondprozesse vorzubereiten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Metallfolie vor Schritt a) mit einer passiv haftenden Schicht versehen werden. Passiv haftend bedeutet, dass diese Schicht erst unter Druck- oder Temperatureinwirkung Haftungseigenschaften entwickelt und so an weiteren Schichten und/oder Oberflächen befestigt werden kann. Die weitere Schicht kann die Bodenplatte oder eine auf der Bodenplatte angeordnete Schicht sein.
  • In einem erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren kann die Bodenplatte vor Schritt b) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sein. Dies kann zum Beispiel eine Eloxalschicht, eine Emailleschicht oder eine Lackschicht sein. Durch die elektrisch isolierende Schicht auf der Bodenplatte kann eine größere Auswahlmöglichkeit der Haftschicht zur Leiterbahnstruktur und ihrer Eigenschaften geschaffen werden. Es ist auf diese Weise sogar ohne die Gefahr von Kurzschlüssen möglich, die Leiterbahnstrukturen direkt auf die metallische beschichtete Bodenplatte aufzubringen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei oder mehr, gleich oder unterschiedlich ausgestaltete Metallfolien auf eine Bodenplatte aufgebracht werden und mittels Laser- oder Wasserstrahlschneidens Leiterbahnteilstrukturen erzeugt werden können. Es können zum Beispiel beschichtete und unbeschichtete Leiterbahnteilstrukturen auf die metallische Bodenplatte aufgebracht werden. Es können auch Leiterbahnteilstrukturen unterschiedlicher Größe und Form durch das erfindungsgemäße Verfahren auf der Bodenplatte erzeugt werden. Dies kann gleichzeitig in einem oder in aufeinander folgenden erfindungsgemäßen (Teil-)Prozessen erfolgen. Besonders vorteilhaft kann dies eingesetzt werden, wenn die Kontaktierbereiche zum Substrat hin mit Ni-Au-Auflagen auf der Leiterbahnoberfläche versehen werden. Damit können diese für Bondprozesse vorbereitet werden, während die weiteren Leiterbahnteilstrukturen keine Beschichtung benötigen. Bevorzugt können zwei oder mehr der auf die Bodenplatte aufgebrachten Leiterbahnteilstrukturen elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Signal- und Potentialverteilungssystem für mechatronische Module mit einer Bodenplatte und einer darauf aufgebrachten Leiterbahnstruktur, wobei die Leiterbahnstruktur von einer direkt auf die Bodenplatte auflaminierten strukturierten Metallfolie gebildet wird.
  • Mit anderen Worten können durch das erfindungsgemäße Verfahren komplexe Leiterbahnstrukturen durch einen Laminierprozess mit anschließendem Strukturieren der Metallfolie erzeugt werden, wobei die Leiterbahnstruktur durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden erzeugt wird. Die auf der Bodenplatte erzeugten Leiterbahnstrukturen können auf diese Weise die vollständige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen, übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere den vorstehend beschriebenen flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist nicht mehr notwendig.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Leiterbahnstruktur auf eine Bodenplatte aus Aluminium auflaminiert. Besonders bevorzugt wird die Leiterbahnstruktur mittels Acrylkleberfolie auf der Bodenplatte fixiert.
  • Die Leiterbahnstruktur kann auf die Größe der Bodenplatte angepasst sein oder sie kann die Bodenplatte an einer oder mehreren Kanten überragen. Die Leiterbahnstruktur erlaubt erfindungsgemäß einen beidseitigen Kontaktzugriff und ist daher offen für alle bekannten elektrischen Kontaktierprozesse, wie Löten, Schweißen, Bonden oder Leitkleben.
  • Die Leiterbahnstruktur und die damit ausgebildeten einzelnen Leiterbahnen können bündig mit der Bodenplatte abschließen oder über die Kanten der Bodenplatte herausragen. Die Leiterbahnstrukturen können auch über Öffnungen in der Bodenplatte verlaufen. Somit kann das erfindungsgemäße Signal- und Potentialverteilunssystem vorteilhaft auf spezifische Anwendungen und/oder besondere Kontaktiererfordernisse auf einfache Weise angepasst werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Signal- und Potentialverteilungssystems für ein mechatronisches Modul, bevorzugt für eine Getriebesteuerung, eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei Ausführungsvarianten in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
  • In diesen zeigt:
  • 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Leiterbahnstruktur auf einer Bodenplatte;
  • 2 eine Schnittdarstellung einer Kerneinheit eines mechatronischen Moduls mit einem erfindungsgemäßen Signal- und Potentialverteilungssystem;
  • 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterbahnstruktur 1, die auf einer Bodenplatte 2 fixiert ist. Die Leiterbahnstruktur 1 wird erfindungsgemäß bevorzugt aus einer Kupferfolie hergestellt, die mit einer Bodenplatte 2 einen elektrisch isolierten Haftverbund bildet. Die Leiterbahnstruktur 1 kann beispielsweise durch einen Laserschneidkopf 3 mittels Laserstrahlen 4, mit CNC-Steuerung erzeugt werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich die Leiterbahnstruktur 1 durch Wasserstrahlschneiden zu erzeugen und die einzelnen Leiterbahnen 5 herauszubilden. Dieser Verfahrensschritt ist vorteilhafterweise vollständig automatisierbar. Die geschnittene Leiterbahnstruktur 1 kann auf der Bodenplatte 2 auflaminiert sein. Bevorzugt wird hierfür eine Acrylkleberfolie 11 verwendet, die gleichzeitig auch eine elektrisch isolierende Schicht zwischen den fixierten Leiterbahnen 5 und der Bodenplatte 2 bildet. Auf diese Weise kann die erzeugte Leiterbahnstruktur 1 die vollständige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise nicht mehr notwendig.
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kerneinheit eines mechatronischen Moduls mit einem erfindungsgemäßen Signal- und Potentialverteilungssystem. Diese Kerneinheit beinhaltet einen Gehäusedeckel 6, ein elektronisches Substrat 7 und eine Bodenplatte 2. Die Bodenplatte 2 ist bevorzugt eine Aluminiumplatte. Die Bodenplatte 2 kann Kontaktieröffnungen 8 aufweisen, durch die eine elektrische Anbindung der peripheren Komponenten, beispielsweise mittels Laserschweißen, möglich ist. Auf der Bodenplatte 2 ist in einem Ausschnitt 10 in der Leiterbahnstruktur 2 ein elektronisches Substrat 7 angeordnet, das mit Leiterbahnen 5 mittels Dickdrahtbondungen 9 kontaktiert ist. Die Leiterbahnstrukturen 1 können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren präzise auf der Bodenplatte 2 positioniert werden. Die hermetische Abdichtung des Elektronikraums mit dem Substrat 7 kann auf bekannte Arten, beispielsweise durch Einlegedichtungen zwischen Deckel 6 und Bodenplatte 2 und/oder Leiterbahnstruktur 1, Vergusskleber und/oder Auflaminieren des Gehäusedeckels 6 auf der Bodenplatte 2 und/oder der Leiterbahnstruktur 1 realisiert werden. Wird der Deckel 6 auflaminiert, kann die Laminierung vorteilhafterweise auch über den Gehäusedeckel 6 hinausragen und damit ganz oder teilweise offene Leiterbahnbereiche vor leitender Kontamination schützen und diese gleichzeitig unterstützen oder versteifen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Signal- und Potentialverteilungssystems für mechatronische Module mit einer Leiterbahnstruktur (1) auf einer metallischen Bodenplatte (2) umfassend die folgenden Schritte a) Aufbringen mindestens einer Metallfolie auf die metallische Bodenplatte (2) und Erzeugen eines elektrisch isolierten Haftverbunds zwischen Metallfolie und Bodenplatte (2) und b) Erzeugen einer Leiterbahnstruktur (1) aus der Metallfolie mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie mittels einer Kleberfolie, insbesondere einer Acrylkleberfolie (11), auf die Bodenplatte (2) auflaminiert wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Metallfolie und Bodenplatte (2) in Schritt a) durch einen Rolle-zu-Rolle Prozess erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie vor oder nach Schritt a) plattiert oder beschichtet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie vor Schritt a) mit einer passiv haftenden Schicht versehen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) vor Schritt a) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet dass die elektrisch isolierende Beschichtung eine Eloxalschicht, eine Emailleschicht und/oder eine Lackschicht ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr, gleich oder unterschiedlich ausgestaltete Metallfolien auf die Bodenplatte (2) aufgebracht werden und mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden Leiterbahnteilstrukturen erzeugt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Leiterbahnteilstrukturen elektrisch miteinander verbunden werden.
  10. Signal- und Potentialverteilungssystem für mechatronische Module mit einer metallischen Bodenplatte (2) und einer darauf aufgebrachten Leiterbahnstruktur (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur (1) von einer direkt auf die Bodenplatte (2) auflaminierten strukturierten Metallfolie gebildet wird.
  11. Signal- und Potentialverteilungssystem nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie mit Acrylkleberfolie (11) auf die Bodenplatte (2) auflaminiert wird.
  12. Verwendung eines Signal- und Potentialverteilungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 11 für ein mechatronisches Modul, bevorzugt für eine Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs.
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