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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenfügen von Substraten, die wenigsten eine elektrisch leitfähige Struktur, insbesondere eine elektrisch leitfähige Leiterbahn und/oder ein elektronisches Bauteil aufweisen, wobei ein erstes Substrat mit einem zweiten Substrat in Kontakt gebracht und verklebt wird.
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Stand der Technik:
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Auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer Schaltkreise sind insbesondere Leiterplatten bekannt, die einen starren oder flexiblen Träger aus isolierendem Material aufweisen, auf dem elektrisch leitfähige Verbindungen und/oder Bauteile vorgesehen sind. Hierbei dient der starre oder flexible Träger vornehmlich der mechanischen Befestigung der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen sowie der elektronischen Bauteile.
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Neben einschichtigen Leiterplatten sind in der Elektronikindustrie mehrlagige Leiterplatten bekannt, bei denen die elektrisch leitfähigen Strukturen auf mehreren Ebenen angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist aus der zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Schrift noch nicht veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
EP09012750 eine mehrlagige Leiterplatte bekannt, die als Träger der Leiterbahnstrukturen Folien verwendet. Die beschriebene technische Lösung sieht hierbei vor, dass wenigsten zwei folienartige Substrate mit geeigneten elektrisch leitfähigen Strukturen erzeugt, die beiden Substrate übereinander angeordnet und miteinander verfügt werden und abschließend eine Kontaktierung der elektrischen Strukturen an den hierfür vorgesehenen Stellen über im wesentlichen vertikal zur Erstreckung des folienartigen Substrats verlaufende Kontakte erfolgt.
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Ein Hauptproblem bei der Herstellung mehrlagiger Leiterplatten, deren einzelne Grundsubstrate flexibel ausgeführt sind, besteht darin, dass eine exakte Positionierung aufgrund der Elastizität der Folien oftmals nicht möglich ist. Dies ist vor allem darauf zurück zu führen, dass sich die folienartigen Substrate, die als Träger der Leiterstrukturen und/oder der elektronischen Bauteile dienen, leicht verziehen und damit nur schwer in einer mehrlagigen Struktur, insbesondere in einer sogenannten HDI-Leiterplattenstruktur (High Density Interconnect-Leiterplatte) exakt zusammengefügt werden können.
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Ausgehend von dem Stand der Technik und dem geschilderten Problem, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Substrate, insbesondere folienartige Substrate, mit höher Genauigkeit übereinander angeordnet und miteinander verfügt werden können. Das anzugebende Verfahren soll mit verhältnismäßig einfachen Mitteln und ohne erheblichen konstruktiven Aufwand realisiert werden. Die anzugebende technische Lösung soll ferner für unterschiedlich ausgeführte, mehrlagige Leiterplatten, deren elektrische Strukturen unterschiedliche geometrische Formen aufweisen können, anwendbar sein.
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Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Zusammenfügen von Substraten, die wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur, insbesondere eine elektrisch leitfähige Leiterbahn und/oder ein elektronisches Bauteil, aufweisen, wobei ein erstes Substrat mit einem zweiten Substrat in Kontakt gebracht und verklebt wird, derart weitergebildet worden, dass wenigstens ein Substrat ein Ausrichtungselement aufweist und dass das erste sowie das zweite Substrat unter Berücksichtigung des Ausrichtungselements relativ zueinander positioniert werden.
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Die Erfindung beruht somit auf dem grundlegenden Konzept, dass eine exakte Übereinanderordnung flexibler Substrate, insbesondere von Folien, durch lokal auf oder in den Folien befindliche Ausrichtungselemente realisiert oder zumindest unterstützt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ausrichtungselemente auf übereinander anzuordnenden flexiblen Substraten komplementär zueinander ausgeführt. Unter komplementärer Ausführung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Ausrichtungselemente übereinander angeordneter flexibler Substrate derart in Wechselwirkung treten, dass durch die Wechselwirkung eine exakte Positionierung der beiden flexiblen Substrate übereinander verwirklicht wird. Hierbei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die zwischen den Ausrichtungselementen wirkenden Kräfte orthogonal zur Substratfläche oder parallel hierzu verlaufen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und das zweite Substrat vor dem Inkontaktbringen relativ zueinander positioniert werden. In diesem Fall erfolgt die Positionierung der miteinander zu verfügenden Substrate, ohne dass sich diese bereits berühren. Ein derartiges Verfahren weist vor allem den Vorteil auf, dass die flexiblen Substrate positioniert werden, ohne dass beispielsweise auf die Substratflächen aufgebrachte Klebstoffe oder andere Haftvermittler in Berührung mit der zu kontaktierenden Fläche kommen.
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Eine spezielle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass das Ausrichtungselement als elektrisch aufgeladener Teil der zu verfügenden Substrate ausgeführt wird. Alternativ oder in Ergänzung hierzu ist es ebenfalls denkbar, dass das Ausrichtungselement ein magnetisches und/oder ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Positionierung zweier flexibler Substrate zueinander wird in der zuvor geschilderten Fallen durch elektrostatische und/oder magnetische Anziehungs- oder Abstoßungskräfte realisiert, so dass die relative Anordnung der Ausrichtungselemente und somit der zu verfügenden Folien durch geeignete Wahl der entsprechenden Kräfte und Geometrien gezielt einstellbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zur Positionierung der ersten und zweiten, vorzugsweise flexiblen Substrate relativ zueinander das Ausrichtungselement mit einem Gegenelement in mechanischen Kontakt gebracht wird. Vorzugsweise ist das Ausrichtungselement hierbei derart ausgeführt, dass beispielsweise ein erstes Substrat über eine Erhebung verfügt, während das zweite Substrat eine komplementäre Ausnehmung aufweist. In bevorzugter Weise verfügt die Erhebung über Zentrierungsmittel, die ein leichtes Einfädeln der Erhebung in die komplementäre Ausnehmung ermöglichen. In diesem Zusammenhang eignet sich besonders die Kegelform für eine erfindungsgemäß ausgebildete Erhebung als mechanisches Ausrichtungselement.
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In einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung wird als Substrat ein flexibles Substrat, insbesondere ein flexibles Polymer verwendet. Vorzugsweise kommen ein Polyethylen (PE), insbesondere ein Polyethylenterephthalat (PET), oder ein Polykarbonat (PC) als flexibles Substrat zum Einsatz.
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Üblicherweise werden die Leiterbahnen in Form von metallischen Bahnen auf die Substratoberfläche aufgebracht oder in diese eingebettet. In diesen Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Ausführung der Leiterbahnen bzw. der elektronischen Bauteile nicht wesentlich für die Erfindung ist. So ist es grundsätzlich auch denkbar, elektrisch leitfähige Polymerstrukturen als elektrisch leitfähige Leiterbahnen zu nutzen. Derartige Polymerstrukturen werden vorzugsweise durch Polymerisation eines niedermolekularen Monomers hergestellt. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren für elektrisch leitfähige Polymerstrukturen sowie die hierfür geeigneten Monomere werden beispielsweise in der
DE 101 40 666 C2 in den Spalten 3 bis 5 beschrieben. Insoweit wird darauf hingewiesen, dass der Offenbarungsgehalt der zuvor genannten Zitatstelle als Bestandteil dieser Schrift anzusehen ist.
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Eine weitere geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zwischen das erste und das zweite Substrat zumindest abschnittsweise eine Isolationsschicht eingebracht wird. Hierbei ist es wesentlich, dass die auf den Substraten vorgesehenen Leiterbahnen gegeneinander isoliert sind. Eine Kontaktierung räumlich von einander beabstandeter elektrisch leitfähiger Strukturen erfolgt vorzugsweise mittels einer entsprechenden Durchkontaktierung bzw. durch eine Herstellung von Löchern, die mittels elektrisch leitfähiger Stoffe aufgefüllt werden. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten aus folienartigen Substraten eignet. Vor allem im Rahmen der Herstellung einer HDI-Leiterplatte (High Density Interconnect-Leiterplatte) ist das erfindungsgemäße Verfahren auf bevorzugte Weise einzusetzen.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: Positionierung zweier miteinander zu verfügender folienartiger Substrate mittels eines elektrostatischen Verfahrens;
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2: Verfahren zur Positionierung zweier miteinander zu verfügender flexibler Substrate mittels eines magnetischen Verfahrens, sowie
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3: Positionierung zweier miteinander zu verfügender folienartiger Substrate mittels eines mechanischen Verfahrens.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Positionierung der beiden miteinander zu verfügenden Folien erreicht, indem elektrisch geladene Bereiche auf der ersten Folie mit entgegengesetzt geladenen Bereichen der aufzusetzenden Folie in Wirkverbindung treten. Durch die elektrostatischen Kräfte, die zwischen den Bereichen mit unterschiedlicher Ladung herrschen, wird die exakte Positionierung der Substrate, die über elektrisch leitfähige Leiterbahnen verfügen, erreicht. Durch das Vorsehen geeignet geladener Bereiche, wird die Positionierung unterstützt, wobei die elektrisch geladenen Bereiche lokal stark abgegrenzt werden können bzw. eine hohe Auflösung ermöglichen.
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Die je nach Anwendung mit den elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 10, 11 versehenen Folien 1, 2 werden an freien Stellen in definiertem Abstand durch die Folienträger 8, 9 hindurch mit metallischen Kontakten 3, 4 versehen. Auf wenigsten eine der Folien wird eine Haftschicht 5, die über einen Klebstoff verfügt, aufgebracht. Die metallischen Kontakte der beiden Folienträger werden jeweils miteinander elektrisch leitend verbunden und elektrisch negativ (Position 6) bzw. elektrisch positiv (Position 7) geladen. Beim Zusammenbringen der Folien richten sich diese zunächst aufgrund elektrostatischer Anziehungen mit gegenüberliegenden Kontakten aus und befinden sich somit an der gewünschten Position, bevor die beiden Folien miteinander verbunden und verklebt werden. Durch den aufgetragenen Kleber 5 bleibt die Haftung erhalten.
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Das Herstellen der metallischen Kontakte 3, 4 erfolgt vorzugsweise durch Lochen der Folien 1, 2 mittels eines Lasers oder eines Bohrers und anschließendem Auffüllen der so entstandenen Löcher mit einem elektrisch leitfähigen Metall. Das Metall wird auf bevorzugte Weise durch galvanische Abscheidung aufgebracht. Als Kontaktmaterial eignen sich insbesondere aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit Metalle, insbesondere Nickel und Kupfer.
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Im Zusammenhang mit der 2 wird ein Verfahren zur Positionierung zweier folienartiger Substrate relativ zueinander beschrieben, bei dem magnetische Kräfte genutzt werden. Um eine exakte Positionierung der miteinander zu verfügenden Folien 1, 2 zu erreichen, sind in den Folien magnetische und/ferromagnetische Elemente vorgesehen. Besonders geeignet sind hierbei Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Neodym.
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Die wiederum je nach Anwendung mit Leiterbahnen und/oder elektronischen Bauteilen versehenen Folien 1, 2 werden an freien Stellen in definiertem Abstand mit magnetischen oder ferromagnetischen Elementen 3, 4 und mit einer Haftschicht 5 aus einem Kleber versehen. Die Magnetisierungseinrichtungen der besagten Elemente werden dergestalt ausgerichtet, dass die im Sinne der korrekten Ausrichtung räumlich zueinander gehörigen Paare sich beim Annähern der Folien anziehen. Auf diese Weise kann eine Positionierung der beiden Folien übereinander in exakter Weise realisiert werden. Nach dem Zusammenfügen der beiden Folien 1, 2 hält die Klebstoffschicht 5 die Folien sicher zusammen.
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Nachdem mit dem zuvor beschriebenen Verfahren die gewünschte Anzahl von Folien zusammengefügt wurde, werden die Kontakte zwischen den elektrisch leitfähigen Strukturen der einzelnen folienartigen Substrate durch Laserschneiden entfernt, um später die elektrischen Eigenschaften des Systems nicht zu beeinflussen. Anschließend können bei Bedarf die dadurch entstandenen Löcher wieder aufgefüllt werden.
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In 3 ist ein Verfahren zum Positionieren zweier folienartiger Substrate dargestellt, bei dem die Positionierung der beiden Substrate relativ zueinander mit Hilfe mechanisch wirkender Ausrichtungselemente erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Ausrichtung der beiden übereinander angeordneten Folien 1, 2 mit Hilfe eines Stecksystems, das vorzugsweise eine kegelförmige Erhebung auf der einen Folie und Löcher auf der zweiten Folie aufweist. Die je nach Anwendung mit Leiterbahnen versehenen Folien 1, 2 werden an freien Stellen im definiertem Abstand perforiert oder mit den Erhebungen 4 versehen. Im Anschluss hieran wird vorzugsweise die gelochte Folie mit einem Klebstoff 5 versehen. Mit Hilfe des beschriebenen Stecksystems werden die Folien bei einer Annäherung exakt gegeneinander ausgerichtet, indem zunächst eine Grobausrichtung erfolgt ist, bei der die Kegelspitzen zunächst im Bereich der zugehörigen Löcher liegen. Bei einer weiteren Annäherung justiert sich die wenigsten eine bzw. justieren sich die Kegelspitzen in den jeweiligen Löchern selbstständig. Auch bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden folienartigen Substrate mit Hilfe der Klebstoffschicht 5 aufeinander gehalten.
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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Ausführung des zuvor beschriebenen „Stecksystems” grundsätzlich flexibel ist. Grundsätzlich ist jede Art einer Erhebung, die in eine komplementäre Ausnehmung einbringbar ist zur Realisierung einer mechanisch unterstützen Positionierung der beiden Substrate denkbar. Neben der zuvor beschriebenen Kegelform einer Erhebung sind grundsätzlich auch zylindrische Ausführungen denkbar. Die kegligen oder zylinderförmigen Erhebungen können wahlweise aus Vollmaterial oder als Hohlzylinder bzw. Hohlkegel ausgeführt werden.
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Die Herstellung der Erhebungen, insbesondere der Kegel erfolgt vorteilhafter Weise durch Laser gestützte 3D-Mikrostrukturierung fotohärtbarer Materialien. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang die 2-Photonen-Polymerisation beschrieben, bei der fotochemisches Material mit Hilfe eines Lasers beleuchtet wird. Mit Hilfe eines derartigen Verfahrens, das schematisch in 4 gezeigt ist, ist ein mehrschichtiger Aufbau eines Kegels auf einfache Weise zu realisieren.
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Alternativ zur Mikrostrukturierung ist es denkbar, geeignete Erhebungen durch eine Mikrodosierung herzustellen, bei der jeweils kleine Tropfen einer Flüssigkeit auf die entsprechende Stelle der Folie aufgetragen werden. Bei einem derartigen Verfahren werden die einzelnen Tropfen nacheinander aufgebracht, wobei zunächst ein Tropfen verfestigt wird, bevor ein weiterer Tropfen auf die gleiche Stelle aufgebracht wird. Der Vorgang wird wiederholt, bis aus den einzelnen Tropfen eine Erhebung, insbesondere eine kegelförmige Erhebung entstanden ist.
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Auf vorteilhafte Weise wird eine Flüssigkeit verwendet, deren Verfestigung durch Fotohärtung erfolgt.
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Eine weitere Möglichkeit, die für die Positionierung der Substrate benötigten Erhebungen herzustellen, stellt das Aufbringen zweier flüssiger Chemikalien bei relativ niedrigen Temperaturen per Mikrodruckverfahren dar. Die zwei Chemikalien werden hierbei derart gewählt, dass sie miteinander chemisch reagieren und dadurch aushärten. Hierbei handelt es sich somit um einen 2-Komponenten-Klebstoff, mit dem ebenfalls auf bevorzugte Weise eine Erhebung aus mehreren Schichten aufgebaut werden kann.
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Eine weitere Methode zur Herstellung der erfindungsgemäß als mechanische Ausrichtungselemente verwendeten Erhebungen stellt das Aufbringen eines flüssigen Stoffes bei relativ hohen Temperaturen, insbesondere oberhalb des Schmelzpunktes des Materials, mit dem zuvor beschriebenen Mikrodruckverfahren dar. Anschließend erfolgt das Aushärten des Stoffes durch Abkühlung unter den Schmelzpunkt, was insbesondere durch eine geeignete Temperierung des folienartigen Substrates vorgenommen werden kann.
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5 zeigt eine weitere Herstellungsvariante, mit der mechanisch wirkende Ausrichtungselemente erzeugt werden können. Zur Herstellung der benötigten Erhebungen wird eine Schablone 1 über die zu beschichtende Folie 2 gelegt. Die Schablone weist hierbei kegelförmige Auskerbungen 3 an den gewünschten Stellen auf. Anschließend füllen Mikrodosierer 4 die Einkerbungen der Schablone mit einem geeigneten Material aus. Nach der Aushärtung wird die Schablone entfernt. Die Aushärtung des in die Schablone dosierten Materials erfolgt mit UV-Licht, wobei zu beachten ist, dass es sich bei dem in die Einkerbungen eingebrachten Material um einen UV-härtbaren Klebstoff und bei dem Material der Schablone um einen UV-Lichtlichter-Material handelt, in das das zur Härtung benötigte UV-Licht eingekoppelt werden kann.
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6 zeigt eine weitere Möglichkeit der Herstellung der mehrfach erläuterten Erhebungen. Hierbei wird zunächst eine Schicht aus einem Fotolack auf die komplette Folie aufgebracht und punktuell mit einem Laser beleuchtet. Der Laser wirkt unter variierendem Winkel auf den Fotolack ein oder wird in geeigneter Weise auf bestimmte Stellen der Fotolack fokussiert, sodass an den gewünschten Stellen Erhebungen, insbesondere kegelförmige Erhebungen aushärten. Alternativ hierzu wird das benötigte Laser-Intensitätsprofil im Fotolack durch punktweises Scannen eines Laserfokuses erzeugt. Im Anschluss daran wird unbeleuchteter Fotolack entfernt, sodass die benötigten Erhebungen auf der folienartigen Substratschicht verbleiben.
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An Stelle des zuvor beschriebenen Fotolacks kann wahlweise ein UV-härtender Klebstofffilm in Verbindung mit einem UV-Laser als Belichtungsquelle verwendet werden. Der nicht gehärtete Anteil des Klebstoffs wird in diesem Fall mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt, sodass auch in diesem Fall nur die ausgehärteten Kegel als Erhebungen auf dem folienartigen Substrat als Ausrichtungselemente verbleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 09012750 [0003]
- DE 10140666 C2 [0014]
