DE102014209357B4 - Printed circuit board and method of making a printed circuit board - Google Patents
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Abstract
Leiterplatte (1') mit innen liegenden Leiterbahnen (5'), die auf wenigstens einer Leiterbahnebene (L1 bis Ln) angeordnet sind, sowie mit mindestens einem elektronischen Bauteil (2'), welches mittels mindestens eines Anschluss-Pins (3') mit einer der Leiterbahnen (5') verbunden ist, wobei das elektronische Bauteil (2') innerhalb der Leiterbahnebene (L1 bis Ln) dieser Leiterbahn (5') angeordnet ist, so dass das elektronische Bauteil (2') teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene (L1 bis Ln) positioniert ist, wobei mindestens eine Kupferlage (6) oberhalb und unterhalb des elektronischen Bauteils (2') angeordnet ist.Printed circuit board (1') with internal conductor tracks (5') which are arranged on at least one conductor track level (L1 to Ln), and with at least one electronic component (2') which is connected by means of at least one connection pin (3'). one of the conductor tracks (5'), the electronic component (2') being arranged within the conductor track level (L1 to Ln) of this conductor track (5'), so that the electronic component (2') is partially above and partially below it Conductor track level (L1 to Ln) is positioned, with at least one copper layer (6) being arranged above and below the electronic component (2').
Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger, wie eine Leiterplatte, mit innen liegenden Leiterbahnen und einem elektronischen Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte.The invention relates to a circuit carrier, such as a printed circuit board, with internal conductor tracks and an electronic component. Furthermore, the invention relates to a method for producing a printed circuit board.
Leiterplatten als Schaltungsträger von elektronischen Schaltungen und Bauteilen, wie Steuergeräte, Sensoren, die im Allgemeinen von einem Gehäuse umgeben sind, sind hinlänglich bekannt. Die Bestückung und Integration von verschiedenen gehäusten Bauteilen, zum Beispiel Hall-Sensoren, Beschleunigungssensoren, erfolgt üblicherweise zwischen Außenlagen oder Oberflächen eines Schaltungsträgers oder einer Leiterplatte durch unterschiedliche sogenannte „Surface Mounted“ Technologien und „Embedding“-Technologien, die aus der Leiterplattentechnik bekannt sind.Printed circuit boards as circuit carriers for electronic circuits and components, such as control units and sensors, which are generally surrounded by a housing, are well known. The assembly and integration of various housed components, for example Hall sensors, acceleration sensors, usually takes place between the outer layers or surfaces of a circuit carrier or a printed circuit board using different so-called "surface mounted" technologies and "embedding" technologies that are known from printed circuit board technology.
Das hat bei der Anwendung in Getriebesteuerungen den Nachteil, dass die gehäusten Bauteile 2 direkt oder indirekt (die Getriebesteuerung befindet sich in der mit ölumspülten Getriebeglocke) mit dem Getriebeöl in Kontakt stehen. Durch die im Getriebeöl enthaltenen aggressiven Anteile können die Funktionalitäten des jeweiligen Bauteils 2 stark beeinflusst werden, was in Einzelfällen auch zum Ausfall führen kann. Des Weiteren können andere Umgebungsmedien leichter in das Gehäuseinnere des Bauteils 2 gelangen und dieses schädigen.When used in transmission controls, this has the disadvantage that the
Um die vorher genannten Nachteile zu umgehen, ist es bekannt, die Bauteile 2 neben der existierenden konventionellen Oberflächenbestückung auch in die Leiterplatte 1 zu integrieren.In order to avoid the aforementioned disadvantages, it is known to also integrate the
In diesem Bereich der sogenannten „Embedding“ Technologie sind bereits verschiedene Konzepte vorhanden. Zwei Beispiele seien nachfolgend kurz genannt:
- Bei der sogenannten AML (Aktiver MultiLayer) „Embedding“ Technologie der Firma Leiterplatten Hofmann Regensburg wird eine Leiterplattenlage mittels „konventioneller“ Reflow-Löttechnik (Oberflächenbestückung wie nach
1 und2 zum Stand der Technik) bestückt. Diese Leiterplattenlage wird als eine „Innenlage“ in einen Multilayerverbund einerLeiterplatte 1 eingelegt und somit integriert.
- With the so-called AML (Active MultiLayer) "Embedding" technology from printed circuit boards Hofmann Regensburg, a printed circuit board layer is soldered using "conventional" reflow soldering technology (surface assembly as per
1 and2 to the state of the art). This circuit board layer is placed as an “inner layer” in a multilayer composite of acircuit board 1 and is thus integrated.
Bei der sogenannten „Laser Cavity“ Technik der Fa. Würth wird eine Kavität in einen Multilayerkern einer Leiterplatte 1 gelasert und diese Kavität mit dem Bauteil 2 bestückt. Das Bauteil 2, zum Beispiel ein Chip mit Au-Stud-Bumps, wird in die Kavität platziert und mittels Ultraschallschweißen mit dem Multilayerkern verbunden. Nachfolgend werden auf und unter dem bestückten Multilayerkern weitere Prepreg- und strukturierte Kupferlagen verlegt und anschließend zur Multilayer-Leiterplatte verpresst.With the so-called "laser cavity" technology from Würth, a cavity is lasered into a multilayer core of a
Nachteile der bisherigen Integrationsmethoden sind, dass die Leiterplattendicke zunimmt und falls Sensoren integriert (=„embedded“) werden, sind diese von zum Teil mehreren Prepreg-Lagen umgeben und somit von der Umgebung oder Leiterplattenoberfläche „weit“ entfernt. Des Weiteren können Luftspalte zwischen Bauteil 2 und Kavitätswand entstehen, die die Funktionalität des Bauteils 2, wie eines Chips, in seinem Einsatzgebiet beeinflussen.Disadvantages of previous integration methods are that the circuit board thickness increases and if sensors are integrated ("embedded"), they are sometimes surrounded by several prepreg layers and are therefore "far" away from the environment or the circuit board surface. Furthermore, air gaps can arise between the
Weitere Leiterplatten aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kompakte Leiterplatte mit innen liegenden Leiterbahnen und einem elektronischen Bauteil anzugeben. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a printed circuit board that is as compact as possible with internal conductor tracks and an electronic component. In addition, the object of the invention is to specify a method for producing a printed circuit board.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.The object is achieved according to the invention by the features specified in
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Leiterplatte umfasst innen liegende Leiterbahnen, die auf wenigstens einer Leiterbahnebene angeordnet sind, sowie mindestens ein elektronisches Bauteil, welches mittels mindestens eines Anschluss-Pins mit einer der Leiterbahnen verbunden ist, wobei das elektronische Bauteil innerhalb der Leiterbahnebene dieser Leiterbahn angeordnet ist, so dass das elektronische Bauteil teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene positioniert ist.The printed circuit board according to the invention comprises internal conductor tracks, which are arranged on at least one conductor track level, and min at least one electronic component which is connected to one of the conductor tracks by means of at least one connection pin, the electronic component being arranged within the conductor track plane of this conductor track, so that the electronic component is positioned partly above and partly below this conductor plane.
Damit können die aus dem Stand der Technik genannten Nachteile reduziert werden, wenn das oder die insbesondere gehäusten elektronischen Bauteile in die Leiterplattenkavität „umgekehrt“ integriert werden. Das elektronische Bauteil ist insbesondere ein Halbleiterbauteil, wie ein Halbleiterchip, der von einem Gehäuse und/oder einem Kunststoffmantel umgeben ist.In this way, the disadvantages mentioned from the prior art can be reduced if the electronic component(s), in particular housed, are integrated “vice versa” into the printed circuit board cavity. The electronic component is in particular a semiconductor component, such as a semiconductor chip, which is surrounded by a housing and/or a plastic jacket.
Um dabei eine exakte Positionierung des Bauteils zu ermöglichen und um sicherzustellen, dass das gehäuste Bauteil, wie ein Chip, komplett mit Leiterplattenfüllstoffen oder Leiterplattenmaterial (Resin) umgeben ist, wird das Bauteil umgekehrt in die Leiterplatte eingebettet und integriert, so dass das Bauteil oberhalb und unterhalb der Leiterbahnebene positioniert ist. Die dafür benötigte Kavität kann exakt mechanisch oder via Laser erzeugt werden. Durch das umgedrehte Verbauen des Bauteils in die Leiterplatte kann deren Dicke deutlich verringert werden. Dies führt ebenfalls dazu, dass der Abstand des Bauteils zur jeweiligen Leiterplattenoberfläche reduziert ist und somit gegenüber herkömmlichen Leiterplatten geringer ist. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Leiterplatte insbesondere zur Integration von als Sensoren ausgebildeten elektronischen Bauteilen, da diese oberflächennah in die Leiterplatte integriert sind und somit genauere und feinere Messungen ermöglicht sind.In order to enable an exact positioning of the component and to ensure that the packaged component, like a chip, is completely surrounded with circuit board fillers or circuit board material (resin), the component is embedded and integrated in the circuit board in reverse, so that the component is above and below is positioned below the trace level. The cavity required for this can be created precisely mechanically or via laser. By installing the component upside down in the printed circuit board, its thickness can be significantly reduced. This also means that the distance between the component and the respective printed circuit board surface is reduced and is therefore smaller compared to conventional printed circuit boards. The printed circuit board according to the invention is therefore particularly suitable for the integration of electronic components designed as sensors, since these are integrated into the printed circuit board close to the surface and more precise and finer measurements are thus made possible.
Ein weiterer Vorteil dieser Leiterplatte ergibt sich dadurch, dass das integrierte Bauteil durch das gezielte Einbringen von Kupferlagen eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen kann. Durch das Einsparen von Prepreglagen, welche beim nicht umgedrehten Integrieren notwendig sind, entsteht auch eine Preiseinsparung bei der Herstellung.Another advantage of this printed circuit board is that the integrated component can have better electromagnetic compatibility through the targeted introduction of copper layers. By saving on prepreg layers, which are necessary when integrating not upside down, there is also a price saving in production.
Der Vorteil des Schutzes gegen äußere Medien bleibt bei dieser Anordnung weiterhin erhalten. Ein zusätzlicher Vorteil bei Bauteilen, die mit höheren Leistungen beaufschlagt werden, ist, dass die entstehende Verlustleistung des Bauteils, wie eines Chips, durch gezielt eingebrachte Kupferlagen über oder unterhalb des Bauteils schneller abgeführt werden kann. Dies wird ebenfalls durch den geringen Abstand zur Leiterplattenoberfläche und den somit geringen Abstand zur Wärmesenke (Kühlkörper) realisiert.The advantage of protection against external media is retained with this arrangement. An additional advantage of components that are subjected to higher power is that the resulting power loss of the component, such as a chip, can be dissipated more quickly by deliberately introduced copper layers above or below the component. This is also achieved by the small distance to the circuit board surface and the resulting small distance to the heat sink (heat sink).
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das elektronische Bauteil in einer vergossenen Kavität angeordnet ist, die zwischen zwei innen liegenden Leiterbahnen in einer Leiterbahnebene ausgebildet ist, so dass das elektronische Bauteil teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene positioniert ist. Eine solche zentrierte Positionierung ermöglicht einen besonders kompakten Leiterplattenaufbau mit einer möglichst geringen Leiterplattenhöhe.A further development of the invention provides that the electronic component is arranged in a cast cavity which is formed between two inner conductor tracks in a conductor track plane, so that the electronic component is positioned partly above and partly below this conductor plane. Such a centered positioning enables a particularly compact printed circuit board design with the lowest possible printed circuit board height.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das elektronische Bauteil in einem vorgegebenen Randabstand zur Leiterbahn angeordnet ist. Hierdurch eignet sich die Leiterplatte insbesondere zur Integration eines als Sensor ausgebildeten elektronischen Bauteils.One embodiment provides that the electronic component is arranged at a predetermined edge distance from the conductor track. As a result, the printed circuit board is particularly suitable for integrating an electronic component designed as a sensor.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Anschluss-Pin als eine Bond-Verbindung ausgebildet ist, die in Art eines Armes von dem elektronischen Bauteil abgeht und derart, insbesondere S-förmig, gebogen ist, dass dessen freies Ende auf einer der Leiterbahnen aufliegt. Dies ermöglicht eine ebene und flache Verbindung von Anschluss-Pin und Leiterbahn sowie eine hinreichend große Verbindungsfläche.A further embodiment provides that the connection pin is designed as a bond connection, which branches off the electronic component in the manner of an arm and is bent in such a way, in particular in an S-shape, that its free end rests on one of the conductor tracks. This enables an even and flat connection between the connection pin and the conductor track as well as a sufficiently large connection area.
Zusätzlich ist mindestens eine Kupferlage oberhalb und unterhalb des elektronischen Bauteils angeordnet. Diese Kupferflächen dienen dem Schutz des Bauteils. Insbesondere dienen die Kupferflächen als Wärmeableiter.In addition, at least one copper layer is arranged above and below the electronic component. These copper surfaces serve to protect the component. In particular, the copper surfaces serve as heat sinks.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das innen liegende elektronische Bauteil in Bezug auf die Leiterplattenhöhe zentriert angeordnet ist. Hierdurch ist bei einem als Sensor ausgebildeten elektronischen Bauteil eine beidseitige Sensoroberfläche im Bereich der betreffenden Leiterplattenoberflächen ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht eine solche zentrierte Anordnung eine kompakte Leiterplatte mit einer möglichst geringen Leiterplattenhöhe.A further embodiment provides that the internal electronic component is arranged centered in relation to the height of the printed circuit board. As a result, in the case of an electronic component designed as a sensor, a sensor surface on both sides is made possible in the region of the printed circuit board surfaces in question. In addition, such a centered arrangement enables a compact printed circuit board with the lowest possible printed circuit board height.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit innen liegenden Leiterbahnen und einem elektronischen Bauteil wird in eine Leiterplatte eine Kavität derart eingebracht, insbesondere gelasert, dass das Bauteil in diese Kavität innerhalb der Leiterbahnebene der Leiterbahn anordenbar ist, so dass das Bauteil in dieser Kavität teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene positioniert wird und der Anschluss-Pin mit der Leiterbahn verbunden wird und anschließend die Kavität mit dem darin positionierten Bauteil vergossen wird.In the method according to the invention for producing a printed circuit board with internal conductor tracks and an electronic component, a cavity is introduced into a printed circuit board, in particular lasered, in such a way that the component can be arranged in this cavity within the conductor track plane of the conductor track, so that the component in this cavity is partially above and partially positioned below this conductor track level and the connection pin is connected to the conductor track and then the cavity with the component positioned therein is encapsulated.
Gegenüber aufwendigen Embedded-Technologien mit sogenannten Prepreg-Lagen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein einfaches und somit vollständiges Vergießen der Kavität ohne Luftspalte. Die Bauteile können je nach Anwendungsfall in verschiedenen Ausführungen (zum Beispiel als SOT (= Small Outline Transistor), QFP (= Quad Flat Package), DPAK (= Decawatt Package, auch unter TO-252 bekannt), DIL (= Dual in-Line), DIP (= Dual in-Line Package), usw.) integriert werden. Viele gängige Chipgehäuse können somit beim erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit der Kontaktierungsart- und/oder -möglichkeiten in die Leiterplatte eingebettet und integriert werden.Compared to complex embedded technologies with so-called prepreg layers the inventive method a simple and thus complete encapsulation of the cavity without air gaps. Depending on the application, the components can come in different versions (e.g. as SOT (= Small Outline Transistor), QFP (= Quad Flat Package), DPAK (= Decawatt Package, also known as TO-252), DIL (= Dual in-Line ), DIP (= Dual in-Line Package), etc.) can be integrated. Many common chip housings can thus be embedded and integrated into the printed circuit board in the method according to the invention, depending on the type and/or possibilities of contacting.
Erfindungsgemäß wird vor einem Vergießen der Kavität eine Kupferlage oberhalb und unterhalb des Bauteils eingebracht.According to the invention, before the cavity is cast, a copper layer is introduced above and below the component.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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4 schematisch in Schnittdarstellung eine Leiterplatte mit innen und außen liegenden Leiterbahnen und einem integrierten elektronischen Bauteil.
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4 schematic sectional view of a circuit board with internal and external conductor tracks and an integrated electronic component.
Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding components are provided with the same reference symbols in all figures.
Ein elektronisches Bauteil 2' ist zwischen zwei Leiterbahnen 5' einer Leiterbahnebene L1 in einer Kavität angeordnet. Das elektronische Bauteil 2' ist beispielsweise ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Chip, ein Sensor, ein Steuergerät, etc..An electronic component 2' is arranged in a cavity between two conductor tracks 5' of a conductor track plane L1. The electronic component 2' is, for example, a semiconductor component, in particular a chip, a sensor, a control device, etc.
Das elektronische Bauteil 2' ist mittels mindestens eines Anschluss-Pins 3' mit einer der Leiterbahnen 5' verbunden. Im Ausführungsbeispiel nach
Das elektronische Bauteil 2' ist innerhalb der Leiterbahnebene L1 dieser innen liegenden Leiterbahnen 5' angeordnet, so dass das elektronische Bauteil 2' teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene L1 positioniert ist.The electronic component 2' is arranged within the conductor track level L1 of these inner conductor tracks 5', so that the electronic component 2' is positioned partially above and partially below this conductor track level L1.
Dabei ist das elektronische Bauteil 2' in einem vorgegebenen Randabstand a zu den innen liegenden Leiterbahnen 5' angeordnet, so dass eine einfache Montage ermöglicht ist.In this case, the
Beispielsweise ist/sind der/die Anschluss-Pin/s 3' jeweils als eine Bond-Verbindung ausgebildet, die in Art eines Armes von dem elektronischen Bauteil 2' abgeht und derart, insbesondere S-förmig, gebogen ist, dass dessen freies Ende auf einer der Leiterbahnen 5' aufliegt. Dies ermöglicht eine ebene und flache Verbindung von Anschluss-Pin 3' und Leiterbahn 5'.For example, is / are the connection pin /
Je nach Art des elektronischen Bauteils 2' kann oberhalb und/oder unterhalb des elektronischen Bauteils 2 zusätzlich mindestens eine Kupferlage 6 (gestrichelte Linie) angeordnet sein. Diese Kupferflächen oder -lagen 6 dienen dem Schutz des elektronischen Bauteils 2' und können entsprechend dick oder groß ausgebildet sein. Insbesondere dient die Kupferlage 6 als Wärmeableiter.Depending on the type of electronic component 2', at least one additional copper layer 6 (dashed line) can be arranged above and/or below
Wie in der Schnittdarstellung gezeigt, ist das innen liegende elektronische Bauteil 2' in Bezug auf die Leiterplattenhöhe zentriert angeordnet, so dass der jeweilige Bauteilabstand b zur Leiterplattenoberfläche in etwa gleich groß und insbesondere gering ist. Hierdurch ist bei einem als Sensor ausgebildeten elektronischen Bauteil 2' eine beidseitige Sensoroberfläche im Bereich der betreffenden Leiterplattenoberflächen ermöglicht. Ferner weist die Leiterplatte 1' hierdurch eine möglichst geringe Leiterplattenhöhe auf.As shown in the sectional view, the internal
Zur Herstellung einer solchen Leiterplatte 1` mit innen liegenden Leiterbahnen 5' und zentriert angeordnetem elektronischen Bauteil 2' wird in ein Rohmaterial der Leiterplatte 2' mit innen liegenden Leiterbahnen 5' eine Kavität derart eingebracht, insbesondere gelasert, dass das elektronische Bauteil 2' in diese Kavität innerhalb der Leiterbahnebene L1 der innen liegenden Leiterbahnen 5' anordenbar ist, so dass das elektronische Bauteil 2' in dieser Kavität teilweise oberhalb und teilweise unterhalb dieser Leiterbahnebene L1 positioniert wird und der Anschluss-Pin 3' mit der Leiterbahn 5' verbunden wird und anschließend die Kavität mit dem darin positionierten elektronischen Bauteil 2' vergossen wird.To produce such a
Somit ist das elektronische Bauteil 2' in einer vergossenen Kavität angeordnet, die im Ausführungsbeispiel nach
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