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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Schaltungsanordnung, insbesondere Spritzguss-Schaltungsanordnung, sowie eine hierdurch herstellbare Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Die Herstellung von räumlich ausgedehnten, dreidimensionalen Spritzguss-Schaltungsanordnungen, sog. MID-Schaltungsanordnungen (Molded interconnect devices, MID), verläuft im Allgemeinen in mehreren Schritten. Zunächst wird ein Schaltungsträger, beispielsweise mit mehreren Stufen oder Vertiefungen, in einem Spritzgussverfahren gefertigt. Anschließend werden elektrisch leitfähige Strukturen, die später z.B. als Leiterbahnen oder Anbindungs- bzw. Kontaktstrukturen dienen, auf die Oberflächen des Schaltungsträgers aufgebracht. Über diese können beispielsweise einzelne Bauteile elektrisch miteinander verbunden werden.
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Hierzu sind das PCK(printed circuit board kollmorgen)- und SKW(Sankyo Kasei Wiring board)-Spritzgussverfahren hergestellt werden, in denen eine metallisierbare und eine nicht-metallisierbare Schicht derartig miteinander kombiniert werden, dass die metallisierbare Schicht auf der Oberfläche des Schaltungsträgers die gewollte Leiterbahnstruktur ausbildet. Anschließend wird eine Metallisierung auf die Oberfläche des gesamten Schaltungsträgers aufgebracht, die aber lediglich an der metallisierbaren Schicht haften bleibt. Diese bildet je nach Form z.B. eine Leiterbahnstruktur auf der Oberfläche aus.
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Weiterhin sind Oberflächenbehandlung eines Schaltungsträgers, z. B. einer Leiterplatte (PCB, printed circuit board) bekannt. Die Strukturierung des Schaltungsträgers kann beispielsweise mit einem Laser erfolgen.
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Weiterhin sind Prägeverfahren bekannt, bei denen beispielsweise eine elektrisch leitfähige Folie auf die Oberfläche des Schaltungsträgers aufgelegt und diese durch den Prägestempel an den entsprechenden Stellen in die Oberfläche des Schaltungsträgers gedrückt wird. Ebenfalls bekannt ist das Aufbringen von elektrisch leitfähigen Strukturen auf die Oberfläche des Schaltungsträgers durch eine Abscheidung, z.B. durch Aufdampfen, von elektrisch leitfähigen Materialen an den entsprechenden Stellen.
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Derartige Verfahren erlauben im Allgemeinen nur relativ spezifische Ausbildungen von Schaltungsanordnungen und sind zum Teil aufwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Spritzguss-Schaltungsanordnung geschaffen, das mit relativ geringem Aufwand die Ausbildung unterschiedlicher elektrisch leitfähigen Strukturen auf einem räumlich ausgedehnten Schaltungsträger ermöglicht. Weiterhin wird eine entsprechende Spritzguss-Schaltungsanordnung geschaffen
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Eine Oberfläche des Schaltungsträgers kann z.B. mehrere Stufen oder Vertiefungen aufweisen, wobei die elektrisch leitfähigen Strukturen diesem Höhenprofil zumindest teilweise auch folgen können. Die elektrisch leitfähigen Strukturen können je nach Anwendung auch von der Oberfläche des Schaltungsträgers abstehen oder unter der Oberfläche angeordnet sein. Sie bilden z.B. eine Leiterbahnstruktur aus mehreren Leiterbahnsegmenten aus, über die zusätzlich ein oder mehrere auf dem Schaltungsträger angeordnete Bauteile angesteuert werden können. Die Leiterbahnsegmente können hierbei auch durch den Schaltungsträger, z.B. von einer oberen Seite zu einer unteren Seite, verlaufen.
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Der Schaltungsträger wird in einem Spritzgussverfahren hergestellt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, die elektrisch leitfähigen Strukturen bereits bei der Herstellung des Schaltungsträgers mit in diesen einzubringen bzw. zu integrieren, wobei zwischen dem Schaltungsträger und den elektrisch leitfähigen Strukturen eine vorzugsweise stoffschlüssige oder chemische Verbindung ausgebildet werden kann.
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Erfindungsgemäß werden somit bereits einige Vorteile erreicht:
Indem eine stoffschlüssige oder eine chemische Verbindung geschaffen wird, kann ein Lösen der elektrisch leitfähigen Strukturen von dem Schaltungsträger bei einer starken Beanspruchung, z.B. bei Vibrationen, vermieden werden; die leitfähigen Strukturen sind somit fest im Schaltungsträger eingeschlossen. Dadurch kann auch ein zusätzlicher Galvanikprozess, bei dem sich die elektrisch leitfähigen Strukturen mit dem Schaltungsträger stoffschlüssig verbinden, entfallen.
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Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass als elektrisch leitfähige Struktur beispielsweise ein Polymer mit darin eingeschlossenen, metallischen Partikeln verwendet wird, z.B. eine Silberleitpaste oder eine Lötpaste. Die stoffschlüssige Verbindung kann dann beim Spritzgießen zwischen dem Polymer der elektrisch leitfähigen Strukturen und dem im Spritzgussverfahren eingespritzten isolierenden Material, vorzugsweise Kunststoff, des Schaltungsträgers ausgebildet werden. Zudem kann es bei entsprechend gewähltem Material auch zu einer zumindest teilweisen chemischen Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Polymer kommen, indem diese chemisch miteinander reagieren.
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Zum Ausbilden der elektrisch leitfähigen Strukturen werden zunächst mindestens zwei Spritzgusswerkzeuge bereitgestellt, die zusammengefügt werden können und nach dem Zusammenfügen einen Hohlraum zwischen sich einschließen. Zum Herstellen komplexerer Strukturen können auch mehr als zwei Spritzgusswerkzeuge verwendet werden, die dann entsprechend zusammengesetzt ebenfalls einen Hohlraum definieren; der Hohlraum wird somit durch die Oberflächen bzw. Wirkflächen der Spritzgusswerkzeuge begrenzt, wobei diese quasi das „Negativ“ der herzustellenden Spritzguss-Schaltungsanordnung aus dem Schaltungsträger und den leitfähigen Strukturen ausbilden. Als Wirkflächen werden hierbei lediglich die Bereiche der Oberflächen der Spritzgusswerkzeuge bezeichnet, die den Hohlraum begrenzen. Die Wirkflächen können nahezu beliebig geformt sein, sie können z.B. geschwungen sein oder mehrere Absätze aufweisen.
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Auf die Wirkflächen mindestens eines der Spritzgusswerkzeuge wird die elektrisch leitfähige Struktur in Form eines vorzugsweise viskosen bzw. pastösen, elektrisch leitfähigen Materials, z.B. einer Paste mit einem Polymer und leitfähigen, beispielsweise metallischen, Partikeln, insbesondere eine Silberleitpaste oder eine Lötpaste, aufgebracht, wobei mit dem elektrisch leitfähigen Material Leiterbahnstrukturen aus mehreren Leiterbahnsegmenten „geschrieben“ bzw. „gezeichnet“ werden. Das Aufbringen kann dabei beispielsweise durch Drucken (Jetten) oder Dispensen erfolgen, wobei das Material beim Aufdrucken kontinuierlich zugeführt wird und beim Dispensen tröpfchenweise. Es sind aber auch andere Auftragungsverfahren möglich.
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In diesem Zustand kann das elektrisch leitfähige Material zunächst schwach leitend sein, da die metallischen Partikel in dem Polymer einen relativ hohen Abstand zueinander aufweisen. Wird das elektrisch leitfähige Material anschließend verfestigt, indem es beispielsweise durch Erwärmen ausgehärtet wird, zieht es sich insbesondere zusammen, wodurch sich sein Volumen verringert und die metallischen Partikel aneinander gezogen werden, bis sich die Mehrzahl der Partikel berühren; somit wird das elektrisch leitfähige Material leitfähiger.
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Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass der Verlauf der elektrisch leitfähigen Strukturen in einfacher Weise nahezu beliebig eingestellt werden kann, da die Wirkflächen der Spritzgusswerkzeuge beliebig „beschrieben“ werden können, wobei die Flexibilität lediglich durch die Viskosität und den minimalen Durchmesser des ausgehärteten, elektrisch leitfähigen Materials einschränkt wird. Somit ist man zum Aufbringen einer Metallisierung nicht mehr an vorher aufwendig herzustellende 3D-Masken gebunden und kann den Verlauf der elektrisch leitfähigen Strukturen schnell an eine neue Anwendung anpassen. Auch kann die Höhe bzw. der Durchmesser des elektrisch leitfähigen Materials eingestellt und somit über verschiedene Bereiche variiert werden.
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Nach dem Verfestigen bzw. Aushärten des elektrisch leitfähigen Materials werden die Spritzgusswerkzeuge so zusammengesetzt, dass die Wirkflächen mit den darauf aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Strukturen einen Hohlraum ausbilden. In diesen Hohlraum wird anschließend das isolierende Material, z.B. Kunststoff, eingespritzt, z.B. über eine kleine Öffnung in einem der Spritzgusswerkzeuge, so dass sich der Kunststoff an die Wirkflächen und an die elektrisch leitfähigen Strukturen legt, wobei diese zumindest teilweise auch vom Kunststoff umschlossen werden können. Die verdrängte Luft in dem Hohlraum kann durch zusätzliche Belüftungsöffnungen entweichen. Hierbei kann bereits eine stoffschlüssige oder chemische Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Strukturen und dem eingefüllten Kunststoff ausgebildet werden, indem das Polymer der Paste mit dem Kunststoff chemisch reagiert. Somit ist es hilfreich, wenn das für die elektrisch leitfähigen Strukturen verwendete Material mit dem spritzgegossenen, isolierenden Material zumindest teilweise eine chemische Verbindung eingehen bzw. mit diesem stoffschlüssig verbunden werden kann.
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Ist der Hohlraum vollständig mit Kunststoff gefüllt, wird dieser ausgehärtet und die Spritzgusswerkzeuge anschließend wieder entfernt. Die elektrisch leitfähigen Strukturen können sich hierbei leicht von den Wirkflächen lösen, da die Verbindung zum Kunststoff stärker ist als die Verbindung zu den Wirkflächen des Spritzgusswerkzeuges. Es ist auch möglich, die Wirkflächen vor dem Auftragen des elektrisch leitfähigen Materials zusätzlich zu behandeln, so dass sich die elektrisch leitfähigen Strukturen noch einfacher lösen lassen.
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Übrig bleibt die Spritzguss-Schaltungsanordnung mit dem Schaltungsträger, in den die elektrisch leitfähigen Strukturen eingearbeitet sind. Die Oberflächen der elektrisch leitfähigen Strukturen und des spritzgegossenen Schaltungsträgers gehen vorzugsweise ineinander über, da beide direkt an den Wirkflächen der Spritzgusswerkzeuge anliegen und der eingespritzte Kunststoff in möglicherweise ausgebildete Zwischenräume fließen kann.
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Somit ist der Verlauf der elektrisch leitfähigen Strukturen auf dem Schaltungsträger vorteilhafterweise nicht von einer zusätzlichen Behandlung oder Strukturierung des fertigen Schaltungsträgers abhängig, sondern kann bereits vorher festgelegt werden. Nach dem Spritzgießen ist die Anordnung somit im Großen und Ganzen bereits fertiggestellt. Lediglich zusätzliche elektronische oder elektrische Bauteile oder elektrische Anschlüsse, z.B. zu einem Verbraucher, können mit den elektrisch leitfähigen Strukturen verbunden werden, wobei dafür weitere Anbindungsstrukturen, z.B. Metallplättchen, vorgesehen sein können, die ebenfalls bereits vor dem Spritzgießen auf die Wirkflächen der Spritzgusswerkzeuge aufgelegt und mit dem elektrisch leitfähigen Material in Verbindung gebracht werden können. Diese Anbindungsstrukturen erleichtern den elektrischen Übergang, z.B. durch Löten oder Kleben, mit beispielsweise einer elektrischen Leitung.
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Vorteilhafterweise sind auch komplexere Verläufe der elektrisch leitfähigen Strukturen möglich. Beispielsweise können auf die Wirkflächen auch mehrere Schichten des elektrisch leitfähigen Materials übereinander aufgebracht werden, wobei die Schichten durch isolierende Schichten voneinander getrennt werden können. Somit ist es auch möglich, sich kreuzende Leiterbahnen in der Spritzguss-Schaltungsanordnung zu fertigen. Weiterhin können vor dem Spritzgießen auch weitere elektrische oder elektronische Bauteile, z.B. Widerstände oder Transistoren, auf die Wirkflächen aufgebracht und mit den elektrisch leitfähigen Strukturen verbunden werden, so dass diese beim Einspritzen des Kunststoffes ebenfalls mit umspritzt werden. Dadurch können vorteilhafterweise auch diese Bauteile vor Umwelteinflüssen geschützt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a, b zeigt zwei Spritzgusswerkzeuge mit auf ihren Wirkflächen ausgebildeten elektrisch leitfähigen Strukturen;
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2 die Wirkfläche des Spritzgusswerkzeuges gemäß 1a mit zusätzlichen Strukturen;
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3 die Spritzgusswerkzeuge im zusammengesetzten Zustand vor dem Einspritzen des Kunststoffes;
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4 eine fertiggestellte Spritzguss-Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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5 eine fertiggestellte Spritzguss-Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
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6 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen zwei Spritzgusswerkzeuge 1, 2, wobei ein erstes Spritzgusswerkzeug 1 als ein Quader und ein zweites Spritzgusswerkzeug 2 als ein Quader mit einer Vertiefung 3 ausgeführt ist. Die Kantenlängen der Grundflächen beider Spritzgusswerkzeuge 1, 2 sind in etwa identisch, so dass beide Spritzgusswerkzeuge 1, 2 bündig aufeinander gelegt werden können. Die Spritzgusswerkzeuge 1, 2 definieren mit ihren als Wirkflächen ausgeführten Oberflächen 1.1, 2.1 und Seitenflächen 2.2 die äußere Form der herzustellenden Spritzguss-Schaltungsanordnung 4, d.h. sie bilden das „Negativ“ der Spritzguss-Schaltungsanordnung 4, die in zwei Beispielen in den 4 und 5 dargestellt ist. Die beiden dargestellten Spritzgusswerkzeuge 1, 2 stellen hierbei lediglich eine einfache Ausführungsform dar; es können jedoch auch mehr als zwei Spritzgusswerkzeuge, die beispielsweise eine Vielzahl an Stufen und Vertiefungen aufweisen, verwendet werden, um eine komplexe, räumlich ausgedehnte Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 zu erhalten.
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Zum Herstellen der in den 4 und 5 dargestellten Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 werden zunächst in einem ersten Schritt St1 elektrisch leitfähige Strukturen 6.1, 6.2 auf die Spritzgusswerkzeuge 1, 2 aufgetragen. Dazu wird ein elektrisch leitfähiges Material 5, z.B. eine viskose Paste, insbesondere eine Silberleitpaste oder eine Lötpaste, auf die Spritzgusswerkzeuge 1, 2 aufgebracht. Gemäß 1a wird das elektrisch leitfähige Material 5 auf eine erste Oberfläche 1.1 des ersten Spritzgusswerkzeuges 1 und gemäß 1b auf eine zweite Oberfläche 2.1 in der Vertiefung 3 des zweiten Spritzgusswerkzeuges 2 aufgebracht, wobei das elektrisch leitfähige Material 5 auch „abgeknickt“ auf die Seitenflächen 2.2 der Vertiefung 3 aufgetragen werden kann. Das aufgetragene Material 5 wird hierbei quasi auf die Oberflächen 1.1, 2.1 bzw. die Seitenflächen 2.2 „geschrieben“, um als elektrisch leitfähige Struktur 6.1, 6.2 beispielsweise Leiterbahnstrukturen mit mehreren Leiterbahnsegmenten 6.1a, 6.1b, 6.2a, 6.2b auszubilden. Die Oberflächen 1.1, 2.1 und Seitenflächen 2.2 werden allerdings nur in einem gewissen Bereich, der Wirkfläche, beschrieben, in dem später auch die Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 ausgebildet wird.
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Die Abmessungen der Leiterbahnstrukturen 6.1, 6.2 sind hierbei insbesondere durch die Zusammensetzung des elektrisch leitfähigen Materials 5 sowie durch die Auftragungsart bestimmt. Das elektrisch leitfähige Material 5, das beispielsweise aus einem Polymer mit darin eingeschlossenen elektrisch leitfähigen Partikeln, z.B. Silber, bestehen kann, wird gemäß 1a vorzugsweise aus einem Vorrat 8 über eine Düse 7 auf die Wirkflächen 1.1, 2.1, 2.2 aufgetragen, z.B. durch Aufdrucken (Jetten) oder Dispensen. Das Auftragen kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung 9 gesteuert werden.
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Die Abmessungen des elektrisch leitfähigen Materials 5 sind somit insbesondere von dem Durchmesser der Düse 7 sowie von der Partikelgröße des Polymers bzw. der elektrisch leitfähigen Partikel abhängig. Der Durchmesser liegt also beispielsweise in der Größenordnung von ca. 0.5 mm. Nach dem Auftragen des elektrisch leitfähigen Materials 5 wird dieses verfestigt, beispielsweise durch Erwärmen ausgehärtet, damit die Form bei den folgenden Prozessschritten im Wesentlichen beibehalten wird. Durch das Aushärten kann sich insbesondere das Volumen des Materials 5 verringern, wodurch sich die elektrisch leitfähigen Partikel zusammenziehen; der Widerstand des Materials 5 sinkt, d.h. es wird leitfähiger.
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Zusätzlich können gemäß 1a auch elektrische und/oder elektronische Bauteile 32 und Anbindungsstrukturen 31, z.B. Kontaktflächen auf die Wirkflächen 1.1, 2.1, 2.2 aufgetragen werden, wobei diese mit den leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 verbunden werden.
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In einem folgenden Schritt St2 werden die beiden Spritzgusswerkzeuge 1, 2, wie in 3 gezeigt, bündig aufeinandergesetzt. Aufgrund der Vertiefung 3 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein durch die Oberfläche 1.1, die Seitenflächen 2.2 und die Oberfläche 2.1 begrenzter Hohlraum 10 ausgebildet.
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In diesen Hohlraum 10 wird anschließend in einem Schritt St3 vorzugsweise ein viskoses, isolierendes Material, vorzugsweise Kunststoff, eingespritzt. Dazu ist in einem der Spritzgusswerkzeuge 1, 2 eine nicht dargestellte Einlassöffnung vorgesehen, durch die der Kunststoff eingelassen werden kann. Weiterhin sind Entlüftungsöffnungen vorgesehen, aus denen die durch das Einspritzen verdrängte Luft aus dem Hohlraum 10 entweichen kann.
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Der eingespritzte Kunststoff legt sich im Hohlraum 10 an die Wirkflächen 1.2, 2.1, 2.2 an und umschließt auch die vorher darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2. Bereits beim Einspritzen des Kunststoffs kann sich dieser mit dem Polymer des elektrisch leitfähigen Materials 5 stoffschlüssig oder auch chemisch verbinden.
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Anschließend wird der eingespritzte Kunststoff ausgehärtet, wobei der ausgehärtete Kunststoff einen Schaltungsträger 11 der Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 bildet. D.h. der Schaltungsträger 11 stabilisiert bzw. trägt die darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 und möglicherweise auch weitere Bauteile. Die Abmessungen bzw. die Form des Schaltungsträgers 11 werden durch die Form der Spritzgusswerkzeuge 1, 2 bestimmt und können nahezu beliebig gewählt werden, wobei der Schaltungsträger 11 ausreichend dick sein sollte, so dass dieser je nach Art der Benutzung auch beansprucht werden kann. Die Dicke sollte somit im Bereich von einigen Millimetern liegen, so dass eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist.
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Nach dem Aushärten des Kunststoffs können die Spritzgusswerkzeuge 1, 2 auseinander genommen und beispielsweise für die nächste Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 vorbereitet werden. Beim Abnehmen der Spritzgusswerkzeuge 1, 2 bleiben die elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 aufgrund der stoffschlüssigen oder chemischen Verbindung zum Kunststoff-Schaltungsträger 11 an diesem haften. Um das Abnehmen zu erleichtern, können die Wirkflächen 1.1, 2.1, 2.2 vor dem Auftragen des elektrisch leitfähigen Materials 5 auch zusätzlich behandelt werden, so dass beim Abnehmen keine Reste des Materials 5 haften bleiben.
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Somit ist der Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 fertiggestellt und kann in einem Schritt St4 entnommen werden. Gemäß 4 und 5 gehen der Schaltungsträger 11 und die elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 direkt ineinander über, bilden also eine planare Oberfläche. In einigen Bereichen sind die elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 dicker ausgeführt oder bilden eine Anbindungsstruktur 31, d.h. eine Kontaktfläche, für z.B. Leitungen zu einem Verbraucher oder für weitere Bauteile, die darauf aufgelötet werden können. Je nach Anwendung sind auch übereinanderliegende Strukturen möglich, bei denen zwischen zwei elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 eine isolierende Schicht 12 angeordnet ist, wie es in der 2 beispielhaft dargestellt ist. Gemäß 4 können in der Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 auch elektrische und/oder elektronische Bauteile 32, z.B. Widerstände oder Transistoren angeordnet sein, die mit den leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 verbunden sind. Diese werden beim Spritzgießen zumindest teilweise mit umgossen und sind somit zumindest teilweise vor Umwelteinflüssen geschützt.
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Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen die elektrisch leitfähigen Strukturen 6.1, 6.2 aus dem Schaltungsträger 11 herausragen oder als Löcher im Schaltungsträger 11 ausgeführt sind. Ebenso kann die quaderförmige Form der Spritzguss-Schaltungsanordnung 4 je nach Anwendung variieren.
