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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabenstellung
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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.
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Dies
wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur einer Signal-
und Potentialverteilungskomponente auf einer Bodenplatte gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 erreicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als
Metallfolie kann erfindungsgemäß beispielsweise
eine Silberfolie, eine Goldfolie, eine Nickelfolie oder eine Aluminiumfolie
eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Kupferfolie als Metallfolie verwendet.
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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.
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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.
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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.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Metallfolie vor oder nach Schritt a) plattiert oder beschichtet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Signal- und Potentialverteilungssystems
für ein
mechatronisches Modul, bevorzugt für eine Getriebesteuerung, eines
Kraftfahrzeugs.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei
Ausführungsvarianten in
Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In
diesen zeigt:
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1 eine
perspektivische Draufsicht auf eine Leiterbahnstruktur auf einer
Bodenplatte;
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2 eine
Schnittdarstellung einer Kerneinheit eines mechatronischen Moduls
mit einem erfindungsgemäßen Signal-
und Potentialverteilungssystem;
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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.
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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.