DE102014013564A1

DE102014013564A1 - Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers, sowie umgeformter Schaltungsträger

Info

Publication number: DE102014013564A1
Application number: DE102014013564.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schmidegg; Stephan Trassl; Andreas Tanda; Christoph Ramsauer; Philipp Weissel
Original assignee: PLASTIC ELECTRONIC GmbH; Hueck Folien GmbH
Current assignee: PLASTIC ELECTRONIC GmbH; Hueck Folien GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-24
Also published as: EP3195705A2; WO2016042414A3; WO2016042414A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers in Form eines Laminats aus Haftvermittlerfolie (1), ggf. Kleberschicht (2), Schaltungsträgerfolie (3) und rein metallischer Leiterbahn (4), letztere mit einer bevorzugten Dickenabmessung in der Größenordnung von 1000 Atomlagen. Ferner betrifft die Erfindung einen umgeformten Schaltungsträger (1–4). Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schaltungsträger (1–4) umgeformt mittels eines gasförmigen Druckmittels, wobei das Umformen oberhalb der Glastemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur der umzuformenden Schaltungsträgerfolie (3) unter hohem Gasdruck schlagartig erfolgt. Dank der Erfindung lassen sich erstmals stark umgeformte, insbesondere frei oder sphärisch geformte Schaltungsträger auch mit rein metallischen Leiterbahnen erzeugen. Durch optionale Hinterspritzung (9), Aufbringung von Dekorlagen (11) und/oder Überzugsschichten (10) lassen sich multifunktionale, nahtlos freigeformte Kunststoffbauteile mit Elektronikintegration erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers gemäß Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung einen umgeformten Schaltungsträger nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.
Schaltungsträger zur Aufnahme beispielsweise von elektronischen Bauelementen und/oder zur Realisierung sonstiger elektrischer Funktionen wie beispielsweise Sensorfunktionen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gattungsgemäße Schaltungsträger sind zumeist als flexible Folienschaltungsträger oder als weitgehend starre bzw. geringfügig biegsame, starr-flexible Leiterplatten ausgeführt.
Starre Leiterplatten werden dabei üblicherweise aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, flexible Leiterplatten aus Kunststofffolien, beispielsweise aus Polyimid-Folien hergestellt. Als leitfähige Strukturen werden bei starren Leiterplatten zumeist Kupferlagen verwendet, die mittels Fotolithographie und durch Ätzvorgänge strukturiert werden. Bei flexiblen Folienschaltungsträgern, die häufig aus Polyesterfolie (PET/PEN) oder auch aus Polyimid (PI) bestehen, werden leitfähige Strukturen teilweise auch aufgedampft, oder durch Lamination von Kupferfolien hergestellt.
Als Alternative zur Ausbildung von Leiterbahnen, insbesondere auf Folien, sind auch gedruckte Silberleitbahnen bekannt. Hierzu wird eine Paste bzw. Tinte mit Silberpartikeln im Siebdruck oder mittels anderer Druckverfahren auf eine Folie aufgebracht und bildet nach Trocknung entsprechend leitfähige Strukturen. Bei der Verwendung gewisser Silberpasten können solche Schaltungsträger innerhalb relativ enger Grenzen auch umgeformt werden, wobei deren Herstellung jedoch teuer und relativ unzuverlässig ist.
Elektronische Funktionalitäten werden heute vermehrt direkt in Kunststoffteile integriert. Das bringt Vorteile in Bezug auf Designmöglichkeiten, Robustheit, Kosten, Bauraum, Korrosionsschutz sowie diverse weitere technische Vorteile, insbesondere auch in Kombination mit dekorativen Flächen an Geräten und Bedienungspanels. Hierfür sind Schaltungsträger erforderlich, die einerseits die elektronischen Anforderungen erfüllen und andererseits auf die Verwendung in der Kunststoffverarbeitung, wie Verformen oder Spritzguss, optimiert sind.
Die eingangs genannten, bekannten Schaltungsträger können jedoch üblicherweise nicht in Kunststoffprozessen weiterverarbeitet, beispielsweise in ein Kunststoffteil eingeformt oder mit Kunststoff beschichtet werden, da die für die Schaltungsträger verwendeten Trägermaterialien keine Verbindung mit in der Kunststoffverarbeitung verwendeten Materialien eingehen, und sich daher kein Haftverbund herstellen lässt. Auch sind bekannte Schaltungsträger üblicherweise nicht bzw. nur in engen Grenzen verformbar, insbesondere nicht frei umformbar im Sinne des Tiefziehens bzw. im Sinne einer 3D-Umformung, also einer Umformung aus der ebenen Form in eine Form mit sphärischen Flächenanteilen. Einerseits sind die Trägermaterialien oft nicht für eine derartige Verformung geeignet, andererseits können die leitfähigen Strukturen bekannter Schaltungsträger beim Verformen, insbesondere 3D-Verformen leicht reißen und so ihre Leitfähigkeit verlieren.
Zwar können auf Folie gedruckte Silberleiterbahnen bei Verwendung spezieller Silberpasten (in engen Grenzen) verformt, teilweise auch sphärisch bzw. 3D-umgeformt werden. Das mögliche Tiefziehverhältnis bei der freien Umformung derartiger gedruckter Silberleitbahnen ist dabei jedoch mit weniger als 2:1 relativ gering. Auch ist die Schichtdicke siebgedruckter Silberleiterbahnen vergleichsweise hoch, was zu Abzeichnungen der Leiterbahnstrukturen beispielsweise auf später aufgebrachten Dekoroberflächen führt. Zudem weisen Leiterbahnen aus Silberpasten eine im Vergleich zu Kupferleiterbahnen geringere Leitfähigkeit auf, zudem ist Silber vergleichsweise teuer. Auch ist die Prozesssicherheit und -geschwindigkeit zur Herstellung gedruckter Silberleitbahnen auf Folie relativ gering und der Ausschuss ist vergleichsweise hoch.
Weiterhin sind Fertigungsverfahren zur Herstellung herkömmlicher Schaltungsträger üblicherweise auf kleinere Flächen bis zu maximal 600 mm × 600 mm beschränkt, und auf großen Flächen überproportional teuer.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers, sowie einen umgeformten Schaltungsträger bereitzustellen, mit dem die eingangs genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll der Schaltungsträger kostengünstig und auch bei großen Flächenmaßen mit hoher Prozesssicherheit und Präzision herstellbar sein, ein hohes Tiefziehverhältnis bei der Verformung erreichen, und zur weiteren Kunststoffverarbeitung, wie insbesondere zur Beschichtung oder Hinterspritzung, eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und durch einen Schaltungsträger gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers, umfassend eine Haftvermittlerfolie aus thermoplastischem Polymer sowie eine Schaltungsträgerfolie aus organischem Polymer.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt a) zunächst ein zumindest bereichsweises Beschichten der Schaltungsträgerfolie mit zumindest einer rein metallischen Leiterbahn.
Nachfolgend erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt b) ein flächiges Verbinden von zumindest Bereichen der Haftvermittlerfolie mit der Leiterbahn-beschichteten Schaltungsträgerfolie. ”Zumindest Bereiche der Haftvermittlerfolie” soll im Sinne der Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Haftvermittlerfolie auch größer als die Schaltungsträgerfolie sein kann, so dass nur Bereiche der Haftvermittlerfolie flächig mit der Schaltungsträgerfolie beschichtet bzw. verbunden werden, während andere Bereiche der Haftvermittlerfolie über Ränder der Schaltungsträgerfolie hinausragen. Auch der umgekehrte Fall (Zuschnitt der Schaltungsträgerfolie größer als Haftvermittlerfolie) kann auftreten, und soll von der Erfindung umfasst sein. Ein Beispiel hierfür ist die Ausbildung einer überstehenden Anschlussfahne an der Schaltungsträgerfolie.
In einem weiteren Verfahrensschritt c) erfolgt sodann ein isostatisches Umformen von zumindest Teilbereichen des Schaltungsträgers, also des Verbunds bzw. Laminats aus Haftvermittlerfolie und Leiterbahn-beschichteter Schaltungsträgerfolie. ”Isostatisches Umformen” bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein in eine Form hinein erfolgendes Umformen mittels eines gasförmigen Druckmittels, welches oberhalb einer Glastemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur des umzuformenden Materials unter hohem Gasdruck schlagartig erfolgt. Die isostatische Umformung erfolgt vorzugsweise mindestens 40 Kelvin unterhalb der Schmelztemperatur/Fließtemperatur des umzuformenden Folienmaterials der Schaltungsträgerfolie. Die Schmelztemperatur beispielsweise von Polycarbonaten liegt bei etwa 220°C, umgeformt wird daher vorzugsweise bei 180°C.
Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt d) die so gebildete einstückige verformte Einheit aus Haftvermittlerfolie, Schaltungsträgerfolie und Leiterbahn aus der Formkavität entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber dem eingangs geschilderten Stand der Technik vorteilhaft insofern, als sich hiermit erstmals umgeformte, insbesondere freigeformte Schaltungsträger für elektronische Schaltungen mit rein metallischer Leiterbahn herstellen lassen, anstelle der bisher einzig (in nennenswertem Umfang) verformbaren Folienschaltungsträger mit Leiterbahnen aus metallhaltiger Paste, insbesondere Silberleitpaste. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten können infolge der Erfindung auch großflächige Schaltungsträger bereitgestellt und umgeformt werden.
Auch können die erfindungsgemäß erzeugten Schaltungsträger, im Gegensatz zu üblichen Schaltungsträgern z. B. aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, zur Kunststoffweiterverarbeitung eingesetzt werden, insbesondere für Spritzguss bzw. zum Hinterspritzen/Vorspritzen, beispielsweise in Form von Film Insert Molding (FIM), da das Material für die Haftvermittlerfolie des Schaltungsträgers so gewählt werden kann, dass dieses eine Verbindung mit dem jeweils zum Hinterspritzen verwendeten Kunststoff eingeht. Durch die geringen und gleichmäßigen Schichtdicken der erfindungsgemäß rein metallischen Leiterbahn werden geringere oder keine sichtbaren Abzeichnungen der Strukturen der Leiterbahnen auf darüberliegenden, insbesondere dekorativen Flächen des Kunststoffteils erzeugt.
Bezüglich der Patentansprüche und der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll dabei grundsätzlich gelten, dass verwendete Abfolgebeschreibungen wie ”nachfolgend wird durchgeführt” oder ”nach Verfahrensschritt x) erfolgt” nicht im Sinne von ”unmittelbar nach” zu verstehen sind, sondern lediglich im Sinne einer relativen zeitlichen Abfolge. Mit anderen Worten, beispielsweise besagt der Ausdruck ”Nach Verfahrensschritt x) erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt y)...” lediglich, dass Verfahrensschritt y) dem Verfahrensschritt x) zeitlich nachfolgt. Damit ist jedoch nicht ausgeschlossen, sondern teilweise ausdrücklich vorgesehen, dass beispielsweise weitere Verfahrensschritte, insbesondere Verfahrensschritte gemäß bevorzugter Ausführungsformen, zwischen Verfahrensschritt x) und Verfahrensschritt y) eingefügt und durchgeführt werden können.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schaltungsträger beim Umformen 3D-verformt, tiefgezogen bzw. freiform-umgeformt wird. Auf diese Weise wird die Herstellung eines weitgehend beliebig bzw. 3D-freigeformten Schaltungsträgers mit Leiterbahnen möglich. Im Vergleich zum herkömmlichen Umformen von Folienschaltungsträgern mit gedruckter Silberleitpaste wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise ein erheblich größeres Tiefziehverhältnis von 2:1 bis über 3:1 erreicht, bei gleichzeitig höherer Prozesssicherheit, höherem Durchsatz, reduzierten Kosten und reduziertem Ausschuss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Schichtdicke der in Verfahrensschritt a) auf der Schaltungsträgerfolie erzeugten, rein metallischen Leiterbahn in der Größenordnung von 1000 Atomlagen. Die Anmelderin hat herausgefunden, dass es durch eine metallische Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 Atomlagen, beispielsweise bei Kupfer also im Bereich von 200 bis 350 nm, möglich wird, die Schaltungsträgerfolie mit den metallischen Leiterbahnen insbesondere auch sphärisch zu verformen (beispielsweise tiefzuziehen), ohne dass die Leiterbahnen reißen oder ihre durchgängige Leitfähigkeit verlieren. Die besonders geringe Schichtdicke der Leiterbahnen führt zudem zu einem geringen Verbrauch von leitfähigem Material, insbesondere Kupfer.
Bei der genannten Schichtdicke der metallischen Leiterbahnen ergibt sich nach den Erkenntnissen der Anmelderin beim Tiefziehen bzw. bei der 3D-Umformung von Schaltungsträgerfolie und Leiterbahnen, aufgrund mikroskopischer Metallgittervorgänge, nach dem Verformen selbsttätig eine Streckmetall-ähnliche Struktur der Leiterbahnen im molekularen Größenmaßstab auf der Schaltungsträgerfolie. Hierdurch ertragen die Leiterbahnen auf der Schaltungsträgerfolie die bei der Verformung, insbesondere 3D-Verformung, bzw. Verformung mit sphärischen Flächenanteilen, auftretende erhebliche Flächenveränderung, insbesondere auch Flächenvergrößerung, ohne dass dabei makroskopische Risse bzw. Unterbrechungen in den Leiterbahnen entstehen. Weitere Rahmenbedingungen zur Erzeugung von Leiterbahnen, die eine sphärische Umformung der Schaltungsträgerfolie besonders gut ertragen, sind in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen genannt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das flächige Verbinden der Haftvermittlerfolie mit der Schaltungsträgerfolie in Verfahrensschritt b) mittels eines Nasskaschiervorgangs in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Rolle-zu-Rolle-Verfahren sind vorteilhaft bezüglich Prozesssicherheit und Geschwindigkeit insbesondere bei hohen Stückzahlen, erlauben einen hohen Durchsatz bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit und geringen Kosten. Der Kaschiervorgang kann in Form einer Nasskaschierung ausgeführt sein, bei dem zunächst ein flüssiger Kaschierkleber auf eine der beiden Folien aufgetragen, ggf. vorgetrocknet und die so beschichtete Folie anschließend unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur mit der anderen Folie verbunden wird. Der Auftrag des flüssigen Kaschierklebers erfolgt dabei vorzugsweise mittels Walzenauftragsverfahren (Rotationstiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, Mehrwalzenauftrag, etc.) oder mittels Sprüh-, Tauch- bzw. Düsenbeschichtung. Der Kaschierkleber selbst kann lösemittelfrei sein (LF-Kaschierung) oder mit organischen Lösemitteln verdünnt sein, die vor der Verklebung mittels Trockner entfernt werden. Zur Erhöhung der Beständigkeit der Kaschierung werden bevorzugt 2-komponentige Kaschierkleber eingesetzt, die hohe Vernetzungsdichten aufweisen und somit entsprechende Kaschierfestigkeiten ermöglichen. Alternativ können UV-härtende Kaschierkleber verwendet werden. Bei besonders anspruchsvollen Verklebungen, die eine gewisse Zähigkeit aufweisen sollen, werden bevorzugt sogenannte Hotmelt-Systeme bzw. Hotmelt-Folien eingesetzt. Dabei handelt es sich um Klebstoffe, die durch Temperatur aktiviert bzw. aufgeschmolzen werden und eine besonders innige Verbindung mit der Haftvermittler- und Schaltungsträgerfolie eingehen. Diese Temperaturaktivierung kann auch in einem nachfolgenden Verfahrensschritt (z. B. Umformen oder Hinterspritzen) erfolgen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Umformen in Verfahrensschritt c) auf der freiliegenden Oberflächenseite des Schaltungsträgers (also gegenüber der Seite der Haftvermittlerfolie) ein Kaschieren einer Dekorlage auf die Schaltungsträgerfolie erfolgt. Auf diese Weise kann eine schützende (beispielsweise besonders kratzfeste), dekorative und/oder Informationszwecken dienende (beispielsweise mit Hinweisen oder Skalen bedruckte) Dekorlage, insbesondere auf die spätere Sichtseite des 3D-geformten Schaltungsträgers (nachfolgend auch als Benutzer- bzw. A-Seite bezeichnet, im Unterschied zur B-Seite, welche die Rückseite bzw. vom Benutzer abgewandte Seite beispielsweise eines Bedienpanels bezeichnet) aufgebracht werden.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zumindest Teilbereiche des Schaltungsträgers nach dem Umformen in Verfahrensschritt c) mit einem polymeren Gusswerkstoff, insbesondere mit einem thermoplastischen Spritzgusswerkstoff hinterspritzt werden. Auf diese Weise lassen sich weitgehend frei geformte, multifunktionale Spritzgussteile mit integrierter Schaltungsträgerfolie und integrierten Leiterbahnen erzeugen, die durch das Hinterspritzen die Gestalt robuster und eigensteifer multifunktionaler Bauteile erhalten, welche weitgehend ohne Nacharbeit einbaufertig sind. Auch lassen sich – je nach Anordnung der Hinterspritzung – Schaltungsträgerfolie und Leiterbahnen hermetisch geschützt, also insbesondere resistent gegen Umgebungsmedien einschließen. Das Verfahren liefert auf diese Weise ein einstückiges, multifunktionales, freigeformtes Spritzgussteil mit integriertem Schaltungsträger, das robust, wenig fehleranfällig und einfach in Handhabung und Montage ist.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass alternativ zu oder nach dem Hinterspritzen in einem weiteren Verfahrensschritt eine schützende und/oder dekorative Überzugsschicht auf der A-Seite des Schaltungsträgers aufgetragen wird. Dies kann insbesondere in Form von In-Mold-Coating dadurch erfolgen, dass nach einem etwaigen Hinterspritzen zumindest in Teilbereichen der späteren Sicht- bzw. A-Seite des Schaltungsträgers eine Zusatzkavität in der Tiefziehform oder Spritzgussform eröffnet und ein (vorzugsweise bezüglich Oberflächeneigenschaften optimierter) polymerer Guss- oder Spritzgusswerkstoff in die Zusatzkavität eingebracht und so auf den Schaltungsträger aufgetragen wird, wodurch dieser Werkstoff nach der Erstarrung bzw. Aushärtung die Überzugsschicht bildet.
Auf diese Weise kann der umgeformte und ggf. hinterspritzte Schaltungsträger, alternativ oder zusätzlich auch zu einer ggf. vorab aufgebrachten Dekorlage, eine (weitere) schützende, beispielsweise transparent-kratzfeste und zudem nahtlose Überzugsschicht auf der Vorder- bzw. A-Seite erhalten. Auf diese Weise lassen sich z. B. optisch besonders ansprechende und gleichzeitig robuste und korrosionsbeständige, darüber hinaus langlebige sowie haptisch angenehme, freigeformte multifunktionale Schaltungsträger erzeugen, beispielsweise als anspruchsvolle Bedienkonsolen mit integrierter Touchsensorik, die gleichzeitig mit hochwertigen gedruckten oder echten Dekoren wie z. B. Carbongeweben, Textilstoffen oder Holzfurnieren ausgestattet sein können.
Die so erzeugte nahtlose Überzugsschicht schützt den enthaltenen Schaltungsträger (einschließlich einer etwaigen Dekorlage), sowie die etwa enthaltenen sensorischen, visuellen oder sonstigen elektronischen Funktionen vor Schmutz, Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen. Falls die entsprechenden Schichten des Schaltungsträgers zumindest bereichsweise transparent ausgeführt werden, so kann der Schaltungsträger auf diese Weise als zusätzliche Funktionalität beispielsweise auch die Fähigkeit zur Informationsausgabe erhalten, indem optische Bauteile wie beispielsweise LEDs auf den Schaltungsträger bestückt und somit in das multifunktionale Spritzgussteil integriert werden. Je nach vorderseitiger oder rückseitiger Anordnung solcherart integrierter LEDs können als Materialien für die Überzugsschicht bzw. auch für die Hinterspritzung entsprechend transparente Materialien gewählt werden.
Es kann somit ein robuster multifunktionaler Schaltungsträger mit sensorischen, elektrischen, mechanischen sowie schützenden und anspruchsvollen dekorativen Funktionen einstückig erzeugt werden. Dergestalt hergestellte Bauteile, beispielsweise integrierte Bedienkonsolen mit kapazitiver Sensorik und ggf. visuellen Anzeigefunktionen, lassen sich dank des erfindungsgemäßen Verfahrens zudem auch deutlich dünner und leichter als bei aus dem Stand der Technik bekannten Bedienkonsolen ausführen. Hierdurch, sowie durch die freie Formbarkeit, eignen sich die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten, umgeformten Schaltungsträger besonders gut für schwierige oder anspruchsvolle Einbausituationen, für flache Geräte, oder für innovative berührungssensitive Bedienkonsolen z. B. in Fahrzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaltungsträger im Vorfeld von Verfahrensschritt b) (Laminieren bzw. Verbinden von Haftvermittlerfolie und Schaltungsträgerfolie), oder im Vorfeld von Verfahrensschritt c) (Verformen), auf einer oder beiden Oberflächenseiten mit elektronischen und/oder elektrischen Bauteilen bestückt. Diese Ausführungsform stellt eine Alternative zu einer nachträglichen Bestückung des verformten Schaltungsträgers dar und ermöglicht die Erzeugung und ggf. Hinterspritzung eines – zumindest front- bzw. A-seitig, ggf. auch beidseitig – bereits teilweise oder komplett bestückten, umgeformten Schaltungsträgers. Es ergibt sich somit die Möglichkeit zur Erzeugung umgeformter Schaltungsträger bzw. entsprechender multifunktionaler Spritzgussbauteile mit eingebetteten elektronischen Funktionen, insbesondere Sensorik, Auswertungselektronik und/oder visuelle Signalisierung. Im Fall einer nachfolgenden Hinterspritzung kann zudem auch eine schützende Einbettung von zumindest Teilen der Bauteilbestückung in den Spritzgusswerkstoff erfolgen.
Nach einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor dem Verbinden bzw. Laminieren von Haftvermittlerfolie und Schaltungsträgerfolie in Verfahrensschritt b) ein separater Zuschnitt von Haftvermittlerfolie und/oder Schaltungsträgerfolie. Hierbei kann insbesondere die Haftvermittlerfolie auch größer zugeschnitten werden als die Schaltungsträgerfolie, so dass sich am fertigen, umgeformten Schaltungsträger ein teilweiser oder vollständiger Überstand der Haftvermittlerfolie über den Rand der Schaltungsträgerfolie ergibt. Hierdurch kann der umgeformte Schaltungsträger abschließend beispielsweise auch auf der Leiterbahnseite hinterspritzt bzw. vorgespritzt oder mit einer Überzugsschicht versehen werden, insbesondere auch im Bereich der überstehenden Haftvermittlerfolie, und so noch integraler und hermetischer in die Kunststoffhinterspritzung eingebettet werden. Auch der umgekehrte Fall (Zuschnitt der Schaltungsträgerfolie größer als Haftvermittlerfolie) kann auftreten, und soll von der Erfindung umfasst sein. Ein Beispiel hierfür ist die Ausbildung einer überstehenden Anschlussfahne an der Schaltungsträgerfolie.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor dem Umformen in Verfahrensschritt c) ein Zuschnitt des Folienlaminats aus Haftvermittlerfolie und Schaltungsträgerfolie. Hierdurch kann praktisch die gesamte Herstellung des Schaltungsträgers (im Vorfeld der Umformung) nahezu durchgehend im flachen Zustand bzw. im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgen. Die Umformung findet somit erst nach Abschluss aller vorherigen, im flachen Folienzustand sowie vorzugsweise noch Rolle-zu-Rolle vorgenommenen Prozessschritte statt. Dies erhöht vorteilhaft die Prozesssicherheit und den Durchsatz bei der Produktion, gleichzeitig werden im Sinne einer zuverlässigen und marktgerechten Serienproduktion Kosten und Ausschuss minimiert.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen umgeformten Schaltungsträger, wie auch bereits im Vorstehenden beschrieben. Der Schaltungsträger umfasst ein Laminat aus einer Haftvermittlerfolie aus thermoplastischem Polymer und aus einer Schaltungsträgerfolie aus organischem Polymer. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Schaltungsträger dadurch aus, dass die Schaltungsträgerfolie auf zumindest einer ihrer Oberflächen zumindest eine rein metallische Leiterbahn aufweist, wobei die Leiterbahn eine Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 Atomlagen aufweist, und wobei die Leiterbahn zusammen mit dem die Leiterbahn tragenden Laminat aus Schaltungsträgerfolie und Haftvermittlerfolie zumindest bereichsweise sphärisch umgeformt ist.
Wie die Anmelderin herausgefunden hat, wird es durch die beanspruchte metallische Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 Atomlagen, bei Kupfer also beispielsweise im Bereich einer Schichtdicke von 200 bis 350 nm möglich, die metallische Leiterbahn umzuformen (insbesondere freizuformen bzw. tiefzuziehen im Bereich von 200% bis über 300% Tiefziehverhältnis), ohne dass die Leiterbahn dabei reißt oder ihre durchgängige Leitfähigkeit verliert. Bei der vorgenannten Schichtdicke der zumindest einen Leiterbahn ergibt sich nach den Erkenntnissen der Anmelderin beim Tiefziehen bzw. bei der sphärischen oder 3D-Verformung des Laminats aus Haftvermittlerfolie, Schaltungsträgerfolie und Leiterbahn aufgrund mikroskopischer Metallgittervorgänge selbsttätig eine Streckmetall-ähnliche Struktur der Leiterbahn im molekularen Größenmaßstab. Hierdurch erträgt die Leiterbahn die insbesondere bei einer sphärischen bzw. 3D-Verformung auftretenden erheblichen Flächenveränderungen, ohne dass dabei makroskopische Risse bzw. Unterbrechungen in der Leiterbahn entstehen. Nicht zuletzt führt die besonders geringe Schichtdicke auch zu einem geringen Verbrauch von leitfähigem Material, insbesondere von Kupfer, und zu entsprechender Kostenreduktion.
Der erfindungsgemäße, zumindest bereichsweise sphärisch umgeformte Schaltungsträger stellt somit, insbesondere nach einer damit erstmals praktikablen Kunststoffweiterverarbeitung eines verformten Schaltungsträgers, wie beispielsweise Hinterspritzen, Beschichten, In-Mold-Coating etc., ein robustes, einstückiges Kunststoffbauteil mit integrierbaren elektrischen bzw. elektronischen Funktionen dar, wie insbesondere Informationseingabe (Sensorik) und ggf. Informationsausgabe (Licht/Anzeige).
Durch die ermöglichte freie Formgebung bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträger, bzw. bei dem Verfahren zu dessen Herstellung, ergeben sich umfangreiche neue Anwendungsfelder, beispielsweise beim Einsatz eines so erzeugten, freigeformten Schaltungsträgers in hochwertigen multifunktionalen Bedienkonsolen, mit maßgeblichen Vorteilen bezüglich Herstellungs- und Montagekosten, Handhabung, Integration sowie Nutzerfreundlichkeit und Design.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 in schematischer Längsschnittdarstellung die Schichtabfolge eines Schaltungsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung, zu Beginn einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung die Schaltungsträgerfolie gemäß 1 während der Erzeugung eines Leiterbahnbilds;
3 in einer 1 entsprechenden Darstellung den Schichtenaufbau des Schaltungsträgers gemäß 1 nach dem Verbinden der einzelnen Schichten zu einem Laminat;
4 in einer 1 und 3 entsprechenden Darstellung den Schaltungsträger gemäß 1 und 3 nach dem Verformen bzw. Tiefziehen;
5 in einer 1 und 3 bis 4 entsprechenden Darstellung den tiefgezogenen Schaltungsträger gemäß 4 nach dem (optionalen) Hinterspritzen oder Vorspritzen;
6 in einer 1 und 3 bis 5 entsprechenden Darstellung einen tiefgezogenen und hinterspritzten Schaltungsträger gemäß 5 mit einer zusätzlichen A-seitigen Überzugsschicht;
7 in einer 1 und 3 bis 6 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform eines Schaltungsträgers mit zusätzlicher Dekorlage, sowie mit Hinterspritzung und Überzugsschicht ähnlich 6;
8 in einer 1 und 3 bis 7 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform ähnlich 7, zusätzlich mit doppelseitiger Leiterbahn; und
9 in einer 1 und 3 bis 8 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform ähnlich 7, jedoch mit vertauschten A- und B-Seiten.
Bei allen Figuren und allen dargestellten Ausführungsformen ist zu beachten, dass die Schichtdicken gemäß der Zeichnungsdarstellung nicht maßstabsgerecht sind, weder gegenüber der jeweiligen Gesamtfigur, noch gegenüber den Schichtdicken anderer Schichten. Einige oder alle Schichtdicken, besonders jedoch die Schichtdicken der Leiterbahnen 4, 4' sind in allen Figuren stark vergrößert dargestellt
1 zeigt schematisch die Schichtabfolge für eine Ausführungsform eines Schaltungsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung. Man erkennt zeichnungsbezogen unten (schwarz) die Haftvermittlerfolie 1, die – zusätzlich zu einer stützenden Versteifung des der Schaltungsträgerfolie 3 – beispielsweise bei einem späteren Hinterspritzen als Haftvermittler für einen zum Hinterspritzen gewählten, insbesondere thermoplastischen Spritzgusswerkstoff dient. Zu diesem Zweck besteht die Haftvermittlerfolie vorzugsweise aus einem Thermoplast, beispielsweise ABS, PC, ABS/PC, PP und APET o. dgl. mit einer bevorzugten Dicke im Bereich von 150 μm bis 500 μm.
Vorzugsweise richtet sich das Material der thermoplastischen Haftvermittlerfolie 1 nach dem später in der Weiterverarbeitung, beispielsweise im Spritzguss, verwendeten Material, falls die Haftvermittlerfolie 1 bzw. der Schaltungsträger 1, 2, 3, 4 später beispielsweise hinterspritzt bzw. vorgespritzt werden soll. In diesem Fall muss die Materialpaarung von Haftvermittlerfolie und Spritzgussmaterial kompatibel zueinander sein, um eine ausreichende Haftung zwischen Spritzgussmaterial und Haftvermittlerfolie 1 zu gewährleisten.
Die Dicke der Haftvermittlerfolie 1 beträgt vorzugsweise 150 μm bis 500 μm, besonders bevorzugt 350 μm bis 500 μm. Mit dieser Schichtdicke wird eine ausreichende Eigensteifigkeit der Geometrie des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers nach dem späteren Umformen sowie vor einem etwaigen Hinterspritzen sichergestellt, bei gleichzeitig genügender Umformbarkeit.
Zeichnungsbezogen oberhalb der Haftvermittlerfolie 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform eine vorzugsweise per Rolle-zu-Rolle-Verfahren, vorzugsweise mittels Walzenauftragsverfahren (Rotationstiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, Mehrwalzenauftrag, etc.) oder mittels Sprüh-, Tauch- bzw. Düsenbeschichtung auf die Haftvermittlerfolie 1 oder auf die Schaltungsträgerfolie 3 aufgetragene Schicht aus Kaschierlack oder Kaschierkleber 2 angeordnet, welche zur flächigen Verbindung zwischen Haftvermittlerfolie 1 und Schaltungsträgerfolie 3 zu einem stabilen Laminat dient. Der Kaschierkleber 2 kann dabei insbesondere in Form von Klebefolien oder Klebefilmen, durch Beschichtung oder Bedruckung oder als flüssigdosierter (dispenster) Kleber vorliegen bzw. aufgetragen werden. Die bevorzugte Schichtdicke der Kleberschicht 2 liegt bei Nasskaschierungen vorzugsweise im Bereich von 3–10 μm, bei Hotmelt-Kaschierung vorzugsweise im Bereich von 5–50 μm, und bei Klebefolien und Klebefilmen vorzugsweise im Bereich von 20–130 μm.
Zeichnungsbezogen wiederum oberhalb der Kleberschicht 2 folgt in der Darstellung gemäß 1 die Schaltungsträgerfolie 3, auf welcher vorzugsweise bereits vor dem Laminieren der Schaltungsträgerfolie 3 mit der Haftvermittlerfolie 1 Leiterbahnen 4 angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen 4 rein metallisch ausgeführt sind und eine besonders bevorzugte Dickenabmessung im Bereich von 1000 Atomlagen aufweisen. Als Material für die Leiterbahnen 4 wird bevorzugt Kupfer mit einem Oberflächenwiderstand von weniger als 30 mOhm/☐ eingesetzt.
Vorzugsweise wird für die Schaltungsträgerfolie 3 als Material Polyester, besonders bevorzugt in den Varianten PET oder PEN, in einer Dicke von 12 μm bis 50 μm, besonders bevorzugt in einer Dicke von 23 μm bis 38 μm verwendet. Besonders geeignet ist das Material PEN aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften (Temperaturstabilität, geringer Schrumpf, geringe Wasseraufnahme), die für die Weiterverarbeitung von Vorteil sind.
Die Leiterbahnen 4 werden gemäß der Ausschnittsdarstellung in 2 vorzugsweise dadurch auf die Schaltungsträgerfolie 3 aufgebracht, dass in einem Printverfahren zunächst ein in einem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, löslicher Farb- bzw. Lackauftrag 8 in denjenigen Bereichen 5 der Schaltungsträgerfolie 3 aufgebracht wird, die später keine Leiterbahnen 4 enthalten sollen, mit anderen Worten in Form einer inversen Kodierung oder in Form einer Negativmaske. Die Aufbringung des Lackauftrags 8 in den Bereichen 5 kann durch ein beliebiges Verfahren bzw. Druckverfahren, beispielsweise durch Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, Digitaldruck und dergleichen erfolgen. Die Strukturierung der Leiterbahnen 4 kann auch durch Ätzen oder durch Laser erfolgen.
Der verwendete Lack 8 ist in einem Lösungsmittel, vorzugsweise in Wasser löslich, es kann jedoch auch ein in einem anderen Lösungsmittel, beispielsweise in Alkohol, Ester und dergleichen löslicher Lack verwendet werden. Der Lack 8 kann in Form von Zusammensetzungen auf Basis von natürlichen oder künstlichen Makromolekülen vorliegen. Der lösliche Lack 8 kann grundsätzlich mit beliebigen Pigmenten pigmentiert, oder nicht pigmentiert sein. Als Pigmente besonders geeignet sind TiO₂, ZnS, Kaolin und dergleichen.
Die so in den Bereichen 5 mit Lackauftrag 8 bedruckte Schaltungsträgerfolie 3 wird sodann gemäß 2 zunächst vollflächig (also sowohl in den Bereichen 5 mit Lackauftrag als auch in den Bereichen 7 der späteren Leiterbahnen 4 ohne Lackauftrag) mittels eines Plasmaprozesses (Niederdruck- oder Atmosphärenplasma-, mittels eines Corona- oder mittels eines Flammprozesses behandelt.
Durch energiereiches Plasma, beispielsweise Ar- oder Ar/O2-Plasma werden einerseits die nicht mit Lackauftrag 8 bedruckten Flächenbereiche 7 der Schaltungsträgerfolie 3 (die späteren Bereiche der Leiterbahnen 4 gemäß 1) von Resten des Lackauftrags gereinigt. Andererseits wird hierdurch die notwendige scharfe Abgrenzung der Konturen erreicht, die für die notwendige Präzision der späteren Leiterbahnen 4 notwendig ist. Auch wird durch diese Vorbehandlung die freiliegende Oberfläche der Schaltungsträgerfolie 3 in den Bereichen 7 der späteren Leiterbahnen 4 ionisiert bzw. polar aktiviert, indem endständige polare Gruppen an der Oberfläche erzeugt werden. Dadurch wird insbesondere die anschließende Anhaftung der metallischen Leiterbahnschicht 6 auf der zeichnungsbezogen oberen Oberfläche der Schaltungsträgerfolie 3 entscheidend verbessert.
Gegebenenfalls kann im Wesentlichen gleichzeitig mit der Anwendung der Plasma- bzw. Corona- oder Flammbehandlung eine dünne Metall- oder Metalloxidschicht als Haftvermittler, beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen, auf die Schaltungsträgerfolie 3 aufgebracht werden. Besonders geeignet sind dabei Cr, Al, Ag, Ti, Cu, TiO2, Si-Oxide oder Chromoxide. Diese Haftvermittlerschicht weist im allgemeinen eine Dicke von 0,1 nm–5 nm, vorzugsweise 0,2 nm–2 nm, besonders bevorzugt 0,2 nm bis 1 nm auf. Dadurch wird die Haftung der später aufgebrachten Leiterbahnschicht 6 weiter verbessert.
Anschließend wird die Leiterbahnschicht 6 gemäß 2 zunächst durchgängig sowohl über die Flächenbereiche 5 der Lackschicht 8 als auch über die Flächenbereiche 7 der späteren Leiterbahnen 4 aufgetragen, mit anderen Worten in den Flächenbereichen 5 der Lackschicht 8 wird die Leiterbahnschicht 6 auf die Lackschicht 8, und in den Flächenbereichen 7 der späteren Leiterbahnen 4 wird die Leiterbahnschicht 6 direkt auf die Schaltungsträgerfolie 3 aufgetragen.
Die Leiterbahnschicht 6 besteht aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wofür Al, Cu, Fe, Ag, Au, Cr, Ni, Zn und dergleichen geeignet sind. Geeignete Legierungen sind beispielsweise Cu-Al Legierungen, Cu-Zn Legierungen und dergleichen. Die Leiterbahnschicht 6 kann durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Bedampfen, Sputtern, Drucken (Tief-, Flexo-, Sieb-, Digitaldruck und dergleichen), Sprühen, Galvanisieren und dergleichen aufgebracht werden. Die Dicke der Leiterbahnschicht 6 beträgt vorzugsweise 100 nm bis 1000 nm, und liegt besonders bevorzugt in der Größenordnung von 1000 Atomlagen, bei Kupfer also im Bereich von 200 nm bis 350 nm.
Nach dem Auftragen der Leiterbahnschicht 6 wird die Lackschicht 8 durch ein geeignetes Lösungsmittel, das auf die Zusammensetzung des Materials der Lackschicht 8 abgestimmt ist, entfernt. Bevorzugt ist das für die Lackschicht 8 gewählte Material wasserlöslich. Gegebenenfalls kann die Ablösung der (nun von der Leiterbahnschicht 6 abgedeckten) Lackschicht 8 durch mechanische Einwirkung unterstützt werden. Durch das Ablösen der Lackschicht 8 mit den auf der Lackschicht 8 befindlichen Bereichen 5 der Leiterbahnschicht 6 wird schlussendlich die gewünschte Positiv-Strukturierung der Leiterbahnschicht 6 in Form der vorgesehenen Leiterbahnen 4 gemäß 3 erhalten.
Auf die vorstehend beschriebene Weise lassen sich Leiterbahnen 4 mit der gewünschten geringen und gleichmäßigen, vorgegebenen Dicke exakt und randscharf sowie vorzugsweise im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Schaltungsträgerfolie 3 so aufbringen, dass sich zudem eine vorteilhafte starke Anhaftung der metallischen Leiterbahnen 4 auf der Schaltungsträgerfolie 3 ergibt. Die Einhaltung der vorgesehenen Schichtdicke der Leiterbahnen 4 ist dabei von besonderer Bedeutung, da der später zu erwartende Umformungsgrad in entscheidendem Maße hiervon abhängt.
Eine gute Anhaftung der Leiterbahnen 4 auf dem Grundmaterial der Schaltungsträgerfolie 3, die vorzugsweise durch die oben beschriebene Oberflächenaktivierung und/oder Einsatz einer zusätzlichen Haftvermittlerschicht vor der Beschichtung mit dem Leiterbahnmaterial 6 erfolgt, ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung für das spätere Verformen, beispielsweise 3D-Tiefziehen, ohne dass dabei makroskopische Risse in den Leiterbahnen 4 entstehen.
Nach der vorstehend beschriebenen Erzeugung der Leiterbahnen 4 auf der Schaltungsträgerfolie 3 wird die Schaltungsträgerfolie 3 mit den darauf angeordneten Leiterbahnen 4 beispielsweise in einem Nasskaschiervorgang mittels des Kaschierlacks bzw. -Klebers 2 mit der Haftvermittlerfolie 1 verbunden dergestalt, dass auf der einen (in den Figuren zeichnungsbezogen unteren) Seite die Haftvermittlerfolie 1, und auf der anderen (in den Figuren zeichnungsbezogen oberen) Seite die Schaltungsträgerfolie 3 mit der selektiven Leiterbahnbeschichtung 4 außen liegt. Der Kaschiervorgang wird dabei so geführt, dass eine bevorzugte Kaschierfestigkeit gegen Ablösen von 8–10 N/mm erzielt wird.
Die Verbindung zwischen Schaltungsträgerfolie 3 und Haftvermittlerfolie 1 erfolgt im Sinne eines hohen Durchsatzes bevorzugt im flachen Zustand bzw. im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Das so erzeugte Laminat wird sodann, beispielsweise mittels Bandstahlschnitt in einer Tiegelstanze, vom Rollenformat in eine zumindest vorläufige Geometrie vereinzelt, wodurch sich ein Laminat-Zuschnitt aus Schaltungsträgerfolie 3 mit Leiterbahnen 4 sowie Haftvermittlerfolie 1 gemäß 3 ergibt.
3 zeigt die Schichtabfolge gemäß 1, als fertigen Schichtenaufbau für einen verformbaren Schaltungsträger vor dessen Verformung. Man erkennt den im Bereich der Schaltungsträgerfolie 3 vollflächigen Verbund zwischen Haftvermittlerfolie 1, Kaschierkleber-Schicht 2 und Schaltungsträgerfolie 3, wobei auf der Schaltungsträgerfolie 3, vorzugsweise gemäß vorstehender Verfahrensbeschreibung, die Leiterbahnen 4 angeordnet sind.
Der noch ebene Schaltungsträger 1–4 gemäß 3 wird nun mittels isostatischen Umformens durch fluides, vorzugsweise gasförmiges Druckmittel oberhalb der Glastemperatur sowie unterhalb der Schmelztemperatur der Schaltungsträgerfolie 3, unter hohem Druck schlagartig in eine Form hinein umgeformt bzw. tiefgezogen. Die dabei bevorzugten Parameter, bezogen auf ein Laminat aus Schaltungsträgerfolie 3 und Haftvermittlerfolie 1 lauten: Umformdruck zwischen 20 und 155 bar, Vorheiztemperatur 180°C, lokale Dehnung bis zu 150% und Ziehtiefen bis 55 mm, wodurch sich der erfindungsgemäß freigeformte Schaltungsträger 1–4 gemäß 4 ergibt.
Mittels der vorbezeichneten Verfahrensführung kann nach den Erkenntnissen der Anmelderin sichergestellt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen 4 nach dem Umformen des Laminats gemäß 4 ungestört erhalten bleibt. Dies hängt damit zusammen, wie die Anmelderin erkannt hat, dass bei einer 3D-Verformung des Laminats aus Schaltungsträgerfolie 3 und Leiterbahn 4, aufgrund von mikroskopischen Metallgittervorgängen, Streckmetall-ähnliche Strukturen der Leiterbahn 4 im molekularen Größenmaßstab auf der Schaltungsträgerfolie 3 entstehen, sofern die weiter oben bei 1 bis 3 beschriebenen Bedingungen hinsichtlich der Erzeugung und insbesondere Schichtdicke der Leiterbahnen 2 eingehalten werden. Auf diese Weise erträgt die Leiterbahn 4 die insbesondere bei einer Verformung mit sphärischen Anteilen, bzw. 3D-Verformung, auftretenden Flächenveränderungen, ohne dass dabei makroskopische Risse bzw. Unterbrechungen in der Leiterbahn 4 auftreten.
5 enthält zunächst einen umgeformten, vorzugsweise 3D-freigeformten Schaltungsträger in Form eines Laminats aus Haftvermittlerfolie 1, Kaschierkleber 2 und Schaltungsträgerfolie 3 mit Leiterbahnen 4, wie auch bereits in 4 dargestellt. Zusätzlich zur Darstellung in 4 ist der umgeformte Schaltungsträger 1–4 in der Darstellung von 5 mit einem Thermoplastwerkstoff 9 hinterspritzt. Durch die Hinterspritzung 9 erhält der umgeformte Schaltungsträger 1–4 zusätzliche Steifigkeit und eine zusätzliche schützende Kunststofflage 9. Auf diese Weise wird der umgeformte Schaltungsträger 1–4 zu einem eigensteifen, robusten Bauteil.
Zusätzlich oder alternativ zur Hinterspritzung 9 kann der hinterspritzte Schaltungsträger 1–4 auch eine schützende und/oder dekorative Überzugsschicht 10 gemäß 6 erhalten. Bei der Ausführungsform gemäß 6 ist die Hinterspritzung 9 auf der B-Seite, und die Überzugsschicht 10 auf der A-Seite (Vorderseite/Sichtseite bzw. Benutzerseite) des späteren Bauteils angeordnet.
Die Überzugsschicht 10 wird bei der dargestellten Ausführungsform nach dem Hinterspritzen mit dem Thermoplastwerkstoff 9 aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch In-Mold-Coating, indem der Schaltungsträger 1–4 nach dem Hinterspritzen 9 zunächst noch im Spritzgusswerkzeug verbleibt, wonach durch entsprechende Werkzeugbewegung eine Zusatzkavität im Spritzgusswerkzeug eröffnet wird, deren Größe der zu erstellenden Überzugsschicht 10 entspricht, und wonach die Zusatzkavität mit dem flüssigen Werkstoff der Überzugsschicht 10, beispielsweise mit einem Reaktionspolymer wie Polyurethan, geflutet wird. Nach der Erstarrung bzw. Aushärtung der so erzeugten Überzugsschicht 10 in der Zusatzkavität des Spritzgusswerkzeugs kann das fertige Bauteil gemäß 6 aus der Werkzeugform entnommen werden. Es wird ein hochgradig robustes und oberflächlich zusätzlich geschütztes Bauteil gemäß 6 erhalten, welches integrierte elektronische Funktionen, insbesondere Sensorikfunktionen wie beispielsweise berührungssensitive Flächen 4 aufweisen kann.
Die Ausführungsform gemäß 7 entspricht bezüglich der Kunststoff-Weiterverarbeitung (Hinterspritzung 9 und Überzugsschicht 10) zunächst der Ausführungsform gemäß 6. Zusätzlich weist gemäß 7 der enthaltene Schaltungsträger noch eine Dekorlage 11, beispielsweise eine eingefärbte, dekorativ und/oder informativ bedruckte Folie, oder auch beispielsweise eine als Holzfurnier oder als anderer Dekorations- bzw. Oberflächenwerkstoff ausgebildete Schicht auf. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch Echtholzfurniere, Echtcarbon oder Textilstoffe als Dekorlage 11 verwenden, was beispielsweise für den hochwertigen Automobilbereich von zunehmender Bedeutung ist.
Bei der Überzugsschicht 10 kann es sich insbesondere um ein reaktionsgehärtetes Hardcoat, beispielsweise um eine hochglänzend ausgeführte PUR-Überflutung handeln. Diese verschafft dem Bauteil einen zusätzlichen, hermetischen Oberflächenschutz, und lässt eine etwaige, darunter befindliche Dekorlage 11 mit noch besserer Brillanz zur Geltung kommen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 8 entspricht im Wesentlichen dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gemäß 7, jedoch mit dem Unterschied, dass die Ausführungsform gemäß 8 eine Schaltungsträgerfolie 3 mit doppelseitiger Leiterbahn 4, 4' aufweist. Die doppelseitige Leiterbahn 4, 4' der Ausführungsform gemäß 8 erlaubt beispielsweise eine rückseitige Bestückung (B-Seite, zeichnungsbezogen unten) der Leiterbahnen 4' mit Bauelementen (wofür dann z. B. entsprechende Aussparungen zur Aufnahme der Bauelemente in der Haftvermittlerfolie 1 vorzusehen sind), während die vorderseitigen Leiterbahnen 4 (A-Seite, zeichnungsbezogen oben) beispielsweise wieder für Sensorikzwecke, insbesondere zum Einsatz als kapazitive Berührungssensoren eingesetzt werden können.
Bei einer möglichen Variante kann eine rückseitige (B-seitige) Bestückung beispielsweise auch Leuchtdioden umfassen, während umgebende sowie zeichnungsbezogen oberhalb der Leuchtdioden befindliche Schichtbereiche ganz oder bereichsweise transparent ausgeführt werden, um das Licht der rückwärtigen Leuchtdioden nach vorne durchzuleiten, während zeichnungsbezogen unterhalb der Leuchtdioden befindliche Schichtbereiche lichtundurchlässig oder reflektierend ausgeführt werden, um einen möglichst großen Lichtanteil der Leuchtdioden nach vorne zu richten und auf der Nutzer- bzw. A-Seite abzustrahlen. Auf diese Weise kann zusätzlich oder alternativ zur berührungssensitiven Sensorik beispielsweise auch eine optische Signalausgabe erfolgen.
Eine weitere, nicht eigens dargestellte Ausführungsform kann darin bestehen, die Überzugsschicht 10 gemäß 7 oder 8 wegzulassen. Bei dieser Ausführungsform kann dann die Dekorlage 11 selbst die A- bzw. Sichtseite (zeichnungsbezogen oben) des Bauteils bilden.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform, die – zunächst ähnlich wie die Ausführungsformen gemäß 5 bis 8 – eine Hinterspritzung bzw. hier Vorspritzung 9 aufweist. Bei der Ausführungsform gemäß 9 befindet sich die Benutzer- bzw. Sichtseite A jedoch – anders als bei den vorgenannten Ausführungsformen gemäß 6 bis 8 – auf der zeichnungsbezogen unteren Seite, also auf der mit Thermoplast 9 vorgespritzten Seite.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 wird für die Hinterspritzung 9 insbesondere ein transparentes bzw. glasklares Polymer verwendet. Zudem übernimmt die Haftvermittlerfolie 1, die sich bei der Ausführungsform gemäß 9 nicht auf der Rückseite (B-Seite) des Bauteils, sondern auf der Sichtseite (A-Seite) befindet, gleichzeitig die Aufgabe der Dekorlage 11 (vgl. 7 und 8), mit anderen Worten die Haftvermittlerfolie 1, 11 gemäß 9 weist hier eine entsprechende Einfärbung oder ein entsprechendes Dekor auf. Zeichnungsbezogen oben (hier auf der B-Seite, also auf der Bauteilrückseite) ist bei der Ausführungsform gemäß 9 eine schützende Lackschicht 12 aufgebracht, um die ansonsten freiliegenden Leiterbahnen 4 vor mechanischen oder Medieneinflüssen wie beispielsweise Oxidation zu schützen.
Auch bei der Ausführungsform gemäß 9 ist wieder eine abschließende Überzugsschicht 10 vorgesehen, welche vorzugsweise wieder als Hardcoat ausgebildet ist, und dem Bauteil auf der Nutzer- bzw. Sichtseite A (zeichnungsbezogen unten) ein entsprechend hochglänzendes Erscheinungsbild, eine hochwertige Haptik sowie eine widerstandsfähige, korrosions- und abriebfeste Oberfläche verleiht.
An dieser Stelle sei nochmals vermerkt, dass in den Figuren insbesondere die Leiterbahnen 4, 4' eine stark übermaßstäblich gezeichnete Dicke aufweisen. Am realen Bauteil können beispielsweise die Dekorlage 11 und die Haftvermittlerfolie 1 eine um einen Faktor 100 bis 1000 größere Dicke aufweisen als die Leiterbahnen 4, 4'. Aufgrunddessen ist eine mechanische, optische oder haptische Beeinträchtigung der Oberflächenschicht (beispielsweise der Dekorlage 11 gemäß 7 oder 8) durch die Leiterbahnen 4 ausgeschlossen.
Im Ergebnis wird ersichtlich, dass sich dank der Erfindung einbaufertige, freigeformte, hermetisch in einstöckige Kunststoffbauteile einbettbare Schaltungsträger mit Leiterbahnen erzeugen lassen, beispielsweise zur Realisierung kapazitiver Sensorik oder weitergehender elektronischer Funktionen einschließlich Anzeigefunktionen, und die sowohl eine dekorative Sichtoberfläche, beispielsweise auch Carbon-, Textil- oder Echtholzdekor, als auch eine strapazierfähige, kratzfeste, schützende und/oder hochglänzende Überzugsschicht aufweisen können.
Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dank des erfindungsgemäßen freigeformten Schaltungsträgers lassen sich maßgebliche neue Anwendungsfelder beispielsweise für nahtlos frei geformte multifunktionale Bedienkonsolen erschließen, mit denen entscheidende Vorteile hinsichtlich Herstellungs- und Montageaufwand, ferner hinsichtlich Handhabung und Bauteilintegration, sowie bezüglich Robustheit, Nutzerfreundlichkeit und Design erreichbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Haftvermittlerfolie
2: Kaschierkleber-Schicht
3: Schaltungsträgerfolie
4, 4': Leiterbahn
5: Flächenbereich des Lackauftrags
6: Leiterbahnschicht
7: Flächenbereich der Leiterbahn
8: Lackschicht
9: Hinterspritzung
10: Überzugsschicht
11: Dekorlage
12: Schutzlack
A: Sichtseite, Sichtoberfläche, Nutzerseite
B: Rückseite

Claims

Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Schaltungsträgers (1, 3, 4), der Schaltungsträger (1, 3, 4) umfassend eine Haftvermittlerfolie (1) aus thermoplastischem Polymer sowie eine leiterbahntragende Schaltungsträgerfolie (3) aus organischem Polymer, mit den folgenden Verfahrensschritten a. Beschichten der Schaltungsträgerfolie (3) mit zumindest einer rein metallischen Leiterbahn (4); b. flächiges Verbinden von zumindest Bereichen der Haftvermittlerfolie (1) mit der Leiterbahn-beschichteten Schaltungsträgerfolie (3); c. Isostatisches Hochdruckumformen von zumindest Teilbereichen des Schaltungsträgers (1, 3, 4); d. Entformen der einstückigen, umgeformten Einheit aus Haftvermittlerfolie (1), Schaltungsträgerfolie (3) und Leiterbahn (4).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen von zumindest Teilbereichen des Schaltungsträgers (1, 3, 4) ein 3D- bzw. Freiform-Umformen bzw. Tiefziehen ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der in Verfahrensschritt a) erzeugten metallischen Leiterbahn (4) auf der Schaltungsträgerfolie (3) in der Größenordnung von 1000 Atomlagen liegt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Verbinden der Haftvermittlerfolie (1) mit der Schaltungsträgerfolie (3) in Verfahrensschritt b) mittels eines Nasskaschiervorgangs (2) in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen in Verfahrensschritt c) auf der freiliegenden Oberflächenseite des Schaltungsträgers (1, 3, 4) ein Kaschieren einer Dekorlage (11) auf die Schaltungsträgerfolie (1) erfolgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche des Schaltungsträgers (1, 3, 4) nach dem Verformen in Verfahrensschritt c) einem weiteren Verfahrensschritt mit einem polymeren Gusswerkstoff, insbesondere Spritzgusswerkstoff (9) hinterspritzt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt c) oder d) in einem weiteren Verfahrensschritt eine schützende und/oder dekorative Überzugsschicht (10) auf der späteren Sichtseite A des Schaltungsträgers (1, 3, 4) aufgetragen wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1, 3, 4) im Vorfeld von Verfahrensschritt b) oder c) auf einer oder beiden Oberflächenseiten mit elektronischen und/oder elektrischen Bauteilen bestückt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden von Haftvermittlerfolie (1) und Schaltungsträgerfolie (3) in Verfahrensschritt b) ein separater Zuschnitt der Haftvermittlerfolie (1) und/oder der Schaltungsträgerfolie (3) erfolgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen in Verfahrensschritt c) ein Zuschnitt des Folienlaminats aus Haftvermittlerfolie (1) und Schaltungsträgerfolie (3) erfolgt.
Umgeformter Schaltungsträger, umfassend ein Laminat aus einer Haftvermittlerfolie (1) aus thermoplastischem Polymer und einer Schaltungsträgerfolie (3) aus organischem Polymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsträgerfolie (3) auf zumindest einer ihrer Oberflächen zumindest eine rein metallische Leiterbahn (4) mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 1000 Atomlagen aufweist, wobei die Leiterbahn (4) zusammen mit dem die Leiterbahn (4) tragenden Laminat aus Haftvermittlerfolie (1) und Schaltungsträgerfolie (3) zumindest bereichsweise sphärisch umgeformt ist.