DE102015005205A1 - Trägerkörper zur Aufnahme elektronischer Schaltungen - Google Patents

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Abstract

Trägerkörper (11) zur Aufnahme elektronischer Schaltungen, der aus einem partiell metallisierbaren Material hergestellt ist und elektrische Anschlüsse aufweist, wobei die Anschlüsse als Noppen (13) ausgebildet und der Trägerkörper (11) und die Noppen (13) einstückig sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Trägerkörper zur Aufnahme elektronischer Schaltungen, der aus einem partiell metallisierbaren Material hergestellt ist, und elektrische Anschlüsse aufweist.
  • Aus dem Stand der Technik sind so genannte „Ball Grid Arrays” bekannt. Dabei handelt es sich um einen Trägerkörper zur Aufnahme von integrierten Schaltungen, bei dem die Anschlüsse für eine mit einer Schaltung bedruckte Leiterplatte in Form von kleinen Lotperlen an dem Trägerkörper angebracht sind. Nachteilig hierbei ist, dass die Lotperlen sehr empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen sind. Bei Erschütterungen oder steigenden Temperaturen nimmt die Gefahr zu, dass die Lotperlen am Übergang zum Trägerkörper elektrisch getrennt werden. Für eine Kontaktunterbrechung genügen bereits kleine Risse im μ-Bereich. Sie können zu Ausfällen einer auf dem Trägerkörper angeordneten Schaltung führen.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, einen gattungsgemäßen Trägerkörper dahingehend zu verbessern, dass Anschlüsse für eine mit einer Schaltung bedruckte Leiterplatte zukünftig gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen deutlich robuster sind.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem Trägerkörper der eingangs genannten Art, bei dem erfindungsgemäß Anschlüsse als Noppen ausgebildet und der Trägerkörper und die Noppen einstückig sind. Die Noppen und der Trägerkörper sind somit fest miteinander verbunden. Zweckmäßigerweise sind die Noppen und der Trägerkörper aus demselben Material gefertigt. Folglich weisen die Noppen und der Trägerkörper denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Eine Verbindungsstelle zwischen den Noppen und dem Trägerkörper entfällt durch die erfindungsgemäße Lösung. Dadurch wird neben der thermischen Robustheit auch die mechanische Widerstandsfähigkeit deutlich verbessert. Auf dem erfindungsgemäßen Trägerkörper aufgebrachte Schaltungen, sind folglich deutlich betriebssicherer als bisher. Die von dem Trägerkörper aufgenommene elektrische Schaltung kann ein Chip, insbesondere ein Prozessor-, Speicherchip oder dergleichen, sein. Auf die Noppen des Trägerkörpers kann beispielsweise eine mit einer Schaltung bedruckte Leiterplatte gelötet werden. Die Lötverbindung kann eine höhere Funktionssicherheit als bisher aufweisen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Material des Trägerkörpers individuell an das Material der bedruckten Leiterplatte hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten angepasst wird. Wenn der Trägerkörper aus einem Kunststoff gefertigt ist, so weist er ohnehin eine höhere Flexibilität auf als beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannte Lotperlen. Darüber hinaus kann die Geometrie der Noppen hinsichtlich mehr Flexibilität variiert werden. Auf diese Weise hat die Lötverbindung zwischen der bedruckten Leiterplatte und dem Trägerkörper eine besonders hohe Robustheit.
  • Zweckmäßigerweise kann der Trägerkörper partiell metallisiert werden. Somit lassen sich ganz bestimmte individuelle Leiterbahnen und Anschlüsse erzeugen, die auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sind.
  • Auch die Noppen können wenigstens partiell metallisiert werden. Dies gilt insbesondere für die freien Enden der Noppen, an welche die eine mit einer Schaltung bedruckte Leiterplatte angelötet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können die Noppen Durchgangsbohrungen aufweisen. Die Innenwandungen der Durchgangsbohrungen können metallisiert sein. Dadurch eignen sich die Noppen zur elektrischen Signalübertragung.
  • Darüber hinaus können die Noppen bestimmte an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Formen aufweisen. Sie können beispielsweise eine zylindrische Außenform aufweisen, an deren freien Ende ein konvex oder konkav ausgebildeter Abschnitt in Form eines Kugelsegments angebracht ist. Sie können auch nur als Halbkugel geformt sein oder in Gestalt eines Konus, einer Pyramide, eines Zylinders oder einer anderen bestimmten Form.
  • Der Trägerkörper kann mit einer Kühlfläche ausgerüstet sein. Sie nimmt die von den Bauelementen abgegebene Wärme auf und vermeidet somit eine Überhitzung der Bauelemente. Wenn beispielsweise auf einer Seite des Trägerkörpers ein Prozessor angeordnet ist, der im Betrieb große Wärmemengen erzeugt, so kann die Kühlfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerkörper direkt unterhalb des Prozessors angebracht sein.
  • In einer Weiterbildung des Trägerkörpers kann dieses mindestens eine Wandung aufweisen. Somit kann der Trägerkörper ein Gehäuse bilden, das die auf dem Trägerkörper angeordneten Bauelemente schützend umgibt.
  • Wenn die Wandung mit mindestens einer metallisierten Kontaktfläche ausgestattet ist, kann an dem Trägerkörper auch seitlich mindestens ein weiteres Bauelement angeschlossen bzw. angelötet werden.
  • Aus demselben Grund kann die Wandung mindestens eine Noppe aufweisen.
  • Sinnvollerweise können auf dem Trägerkörper elektrische Leiterbahnen angeordnet sein, welche die darauf angeordneten Bauelemente elektrisch miteinander verbinden.
  • Der Trägerkörper kann bevorzugterweise ein Spritzgussteil ist. Bevorzugterweise kann er ein Kunststoffspritzgussteil sein, das aus einem gefüllten Kunststoff hergestellt ist. Als Füllstoffe können insbesondere Glasfasern oder Mineralien gewählt werden. Ferner kann der Kunststoff mit hitzebeständigen Additiven ausgerüstet sein, damit der Trägerkörper auch hohen Temperaturen standhalten kann.
  • Der Trägerkörper kann jedoch auch ein keramisches Spritzgussteil sein. Der keramische Trägerkörper weist eine besonders hohe thermische Stabilität auf.
  • Es ist auch möglich, den Trägerkörper als ein Metallspritzgussteil herzustellen. Dann kann der Trägerkörper von ihm aufgenommene Wärme besonders gut abgeben, so dass der Chip und die bedruckte Leiterplatte geschont werden. Der metallische Trägerkörper kann anschließend mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung ummantelt werden. Die Beschichtung kann ebenfalls partiell metallisierbar sein, so dass auf den ummantelten Trägerkörper im nächsten Schritt die Leiterbahnen aufgebracht werden können.
  • Wenn der Trägerkörper ein Zweikomponenten-Kunststoffspritzgussteil ist, dann kann eine erste Komponente ein nichtmetallisierbarer Kunststoff und die zweite Komponente ein metallisierbarer Kunststoff, der beispielsweise mit Palladium dotiert ist, sein.
  • Für den Metallisierungsvorgang, mit dem die Leiterbahnen und Kontaktflächen auf den Trägerkörper und auf die mindestens eine Wandung aufgebracht werden, können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur partiellen Metallisierung eingesetzt werden. Besonders eignen sich hierzu Verfahren zur subtraktiven Laserstrukturierung, Heißprägeverfahren, Maskenbelichtungsverfahren, Verfahren zum Folienhinterspritzen Druckverfahren und Verfahren zur Laser-Direkt-Strukturierung. Das Verfahren zur Laser-Direkt-Strukturierung eignet sich besonders gut für mit einem Metall dotierte Kunststoffe und für kunststoffbeschichtete Metalle. Die Metallisierungsverfahren können außerdem durch Verfahren zur Verbesserung der Haftung der metallisierten Schicht auf dem Trägerkörper unterstützt werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner das SMD-Bauelement, welches erfindungsgemäß den Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist. Das SMD-Bauelement kann ferner auf den Trägerkörper aufgebrachte Leiterbahnen und die elektronische Schaltung aufweisen, die beispielsweise auch der Chip sein kann. Das SMD-Bauelement kann mit den als Noppen ausgebildeten Anschlüssen direkt auf die mit der Schaltung bedruckte Leiterplatte gelötet sein.
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Trägerkörpers anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Im Einzelnen zeigen:
  • 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines SMD-Bauelements;
  • 2 eine perspektivische Detailansicht auf das SMD-Bauelement aus 1;
  • 3 eine erste perspektivische Schnittansicht aus 1 auf eine Noppe;
  • 4 eine zweite perspektivische Schnittansicht auf die Noppen aus 1;
  • 5 eine perspektivische Schnittansicht auf eine weitere Ausführungsform der Noppe;
  • 6 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des SMD-Bauelements;
  • 7 eine perspektivische Ansicht auf das SMD-Bauelement aus 6.
  • 1 zeigt SMD-Bauelement 10 mit einem Trägerkörper 11, auf dem ein Bauelement 12 montiert ist. Das Bauelement 12 kann ein Chip sein, beispielsweise ein Prozessor-Chip, ein Speicher-Chip oder dergleichen.
  • Unterhalb des Trägerkörpers 11 sind Noppen 13 angeordnet. Der Trägerkörper 11 und die Noppen 13 sind einstückig aus demselben Material hergestellt.
  • Auf dem Trägerkörper 11 sind Leiterbahnen 20 durch eine partielle Metallisierung aufgebracht (siehe 2). Die Leiterbahnen 20 verbinden das Bauelement 12 mit einer auf der Unterseite des Trägerkörpers 11 angeordneten mit einer Schaltung bedruckten Leiterplatte 14.
  • Das SMD-Bauelement 10, welches den Trägerkörper 11, die Leiterbahnen 20 und das Bauelement 12 aufweist, wird mit den Noppen 13 direkt auf die Leiterplatte 14 gelötet.
  • Die Noppen 13 bilden somit Anschlüsse für die bedruckte Leiterplatte 14 (siehe 1, 3 und 4). Die Noppen 13 weisen einen zylindrischen Abschnitt auf, an den sich zum freien Ende der Noppen 13 hin ein halbkugelförmiger Abschnitt anschließt.
  • Ferner sind die Noppen 13 mit Durchgangsbohrungen 30 versehen. Die Durchgangsbohrungen 30 sind metallisiert. Leiterbahnen 31 und 40 gehen in die metallisierten Durchgangsbohrungen 30 über. Somit sind die metallisierten Durchgangsbohrungen 30 mit den Leiterbahnen 31 und 40 elektrisch verbunden. Die Noppen 13 sind außen ebenfalls partiell metallisiert, so dass ein halbkugelförmiger Anschlusskontakt 41 entsteht. Die Metallisierungen der Durchgangsbohrungen 30 gehen in den halbkugelförmigen Anschlusskontakt 41 über. Somit ist der halbkugelförmige Anschlusskontakt 41 mit den Leiterbahnen 20, 31 und 40 elektrisch verbunden. Der halbkugelförmige Anschlusskontakt 41 bildet einen Anschluss für die bedruckte Leiterplatte 14, die mit dem Anschlusskontakt 41 verlötet werden kann. Durch die Verlötung ist die bedruckte Leiterplatte 14 mit dem Bauelement 12 elektrisch verbunden.
  • 5 zeigt als alternative Ausführungsform Noppen 50, die einen zylindrischen Abschnitt aufweisen, an den sich zum freien Ende der Noppen 50 hin ein kegelstumpfartiger Abschnitt anschließt.
  • 6 und 7 zeigen ein SMD-Bauelement 60 mit einem Trägerkörper 61, der Wandungen 62, 63 und 64 aufweist. Der Trägerkörper 61 bildet somit ein Gehäuse, das ein Bauelement 66 umschließt.
  • An der Wandung 64 sind Kontaktflächen 70 angebracht. An die Kontaktflächen 70 können weitere Bauelemente angeschlossen bzw. angelötet werden. Somit erweitern die Wandungen 62, 63 und 64 die Anschlussmöglichkeiten des Trägerkörpers 61. In die Kontaktflächen 70 münden Leiterbahnen 71. Die Leiterbahnen 71 können zum Bauelement 66 oder zu anderen hier nicht näher dargestellten Bauelementen führen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den Kontaktflächen 70 können an der Wandung 64 auch Noppen zu Anschlusszwecken weiterer Bauelemente angebracht werden.
  • Unterhalb des Trägerkörpers 61 ist eine Kühlfläche 72 aufgebracht. Sie befindet sich zweckmäßigerweise gegenüber der Seite des Trägerkörpers 61, auf welcher beispielsweise ein Prozessor oder ein anderes Bauelement mit großer Wärmeerzeugung angeordnet ist. Sie kann somit die von dem Bauelement abgegebene Wärme optimal aufnehmen, um dessen Überhitzung zu vermeiden.
  • Unterhalb des Trägerkörpers 61 sind Noppen 65 angeordnet. Sie entsprechen vom Aufbau und der Ausgestaltung den Noppen 13 aus den 1 bis 4. Das SMD-Bauelement 60 ist an den Noppen 65 direkt auf eine bedruckte Leiterplatte 67 aufgelötet. Zur besseren Darstellung ist die Leiterplatte 67 in 7 weggelassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    SMD-Bauelement
    11
    Trägerkörper
    12
    Bauelement
    13
    Noppe
    14
    Leiterplatte
    20
    Leiterbahnen
    30
    Durchgangsbohrung
    31
    Leiterbahnen
    40
    Leiterbahnen
    41
    Anschlusskontakt
    50
    Noppen
    60
    SMD-Bauelement
    61
    Trägerkörper
    62
    Wandung
    63
    Wandung
    64
    Bauelement
    65
    Noppe
    66
    Bauelement
    67
    Leiterplatte
    70
    Kontaktflächen
    71
    Leiterbahnen
    72
    Kühlfläche

Claims (12)

  1. Trägerkörper (11, 61) zur Aufnahme elektronischer Schaltungen, der aus einem partiell metallisierbaren Material hergestellt ist und elektrische Anschlüsse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse als Noppen (13, 50, 65) ausgebildet und der Trägerkörper (11, 61) und die Noppen (13, 50, 65) einstückig sind.
  2. Trägerkörper (11, 61) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (13, 50, 65) wenigstens partiell metallisierbar sind.
  3. Trägerkörper (11, 61) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (13, 50, 65) Durchgangsbohrungen (30) aufweisen.
  4. Trägerkörper (11, 61) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandungen der Durchgangsbohrungen (30) metallisiert sind.
  5. Trägerkörper (61) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einer Kühlfläche (72) ausgerüstet ist.
  6. Trägerkörper (61) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einer Wandung (62, 63, 64) versehen ist.
  7. Trägerkörper (61) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (64) mindestens eine metallisierte Kontaktfläche (70) aufweist.
  8. Trägerkörper (61) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (62, 63, 64) mindestens einen Noppen aufweist.
  9. Trägerkörper (11, 61) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm elektrische Leiterbahnen (20, 31, 40) angeordnet sind.
  10. Trägerkörper (11, 61) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Spritzgussteil ist.
  11. Trägerkörper (11, 61) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zweikomponenten-Kunststoffspritzgussteil ist.
  12. SMD-Bauelement (10, 60), dadurch gekennzeichnet, dass es den Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
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