DE102016002060A1

DE102016002060A1 - Leiterplatte sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102016002060A1
Application number: DE102016002060.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Fenker
Original assignee: Liebherr Components Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Components Biberach GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leiterplatten, die zumindest eine Grundplatte umfassen, auf der elektronische Bauelemente angeordnet und miteinander elektrisch verbunden werden. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplatte. Es wird vorgeschlagen, die Leiterplatte und ggf. auch deren elektronischen Komponenten möglichst weitgehend mit dreidimensionaler Drucktechnik herzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leiterplatten oder Platinen, die eine Grundplatte umfassen, auf der elektrische Schaltelemente angeordnet und miteinander elektrisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplatte.
In der bisherigen Art, Leiterplatten aufzubauen, sind viele verschiedene Vorgänge enthalten, beispielsweise das Bohren der Grundplatine, das Anbringen der elektrischen Bauteile sowie das Verbinden der einzelnen elektrischen Anschlüsse der Bauteile. Diese verschiedenen Vorgänge benötigen eine Vielzahl von verschiedenen Maschinen und haben daher hohe Kosten. Zudem ist es in weiten Bereichen üblich, eine Leiterplatte in einem darauf spezialisierten Betrieb zu fertigen und dann an den Einsatzort zu transportieren, wo diese dann elektrisch und mechanisch angeschlossen werden, sowie dies beispielsweise bei Kranen wie Baukranen, Hafen- oder Offshorekranen der Fall ist. Dies verursacht regelmäßig hohe Transportkosten.
Dabei sind auf Grundplatten oder -platinen regelmäßig eine Vielzahl von Bauelementen montiert, die miteinander elektrisch verbunden bzw. verkabelt werden, um die Schaltungslogik zu realisieren. Die genannten elektrischen oder bzw. elektronischen Bauelemente können hierbei verschiedenster Art sein, beispielsweise Induktivitäten, Spulen, Kapazitäten, Kühlkörper, Schalter, Taster, Kondensatoren, Widerstände, Halbleiterbauelemente und dergleichen. Auch Sicherungen oder Prüfschalter können an der Leiterplatte angebracht sein.
Diese Schaltelemente müssen bislang gelagert werden, bis sie zur Verarbeitung anstehen, wobei die Schaltelemente allerdings eine begrenzte Lebensdauer haben, da beispielsweise ihre Lötflächen nicht beliebig lange Sauerstoff ausgesetzt sein können. Zudem verursacht die Lagerhaltung Kosten und erfordert einen dann folgenden Transport zum Einsatzort.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Leiterplatte und ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll der Aufwand beim Fertigen der Leiterplatte vermieden, eine Lagerhaltung der Schaltelemente reduziert und eine dezentrale Fertigung der Leiterplatte ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einen Leiterplatte gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, die Leiterplatte möglichst weitgehend mit dreidimensionaler Drucktechnik herzustellen. Erfindungsgemäß wird zumindest die Grundplatte und gegebenenfalls auch zumindest eines der auf der Grundplatte angeordneten Bauelemente mittels eines 3D-Druckers in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Hierbei können die Grundplatte und/oder das genannte Bauelement schichtweise aufgebaut werden, wobei mittels eines Energiestrahls Werkstoffschichten nacheinander schichtweise verflüssigt und/oder verfestigt werden können. Beispielsweise können ein oder mehrere Werkstoffe pulverförmig und/oder pastös und/oder flüssig schichtweise aufgetragen und durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder Plasmastrahl entsprechend schichtweise aufgeschmolzen oder verfestigt und/oder ausgehärtet und/oder zur chemischen Reaktion gebracht werden, um jeweils eine ausgehärtete Schicht zu bilden.
Durch eine solche Herstellung im 3D-Druckverfahren können die Platinen direkt bzw. nahe am Einsatzort gefertigt werden, wodurch Transportkosten drastisch reduziert werden können, da nicht mehr die ganzen Platinen transportiert werden müssen, sondern lediglich noch die für den 3D-Drucker benötigten Fertigungsdaten. Zudem können diverse Montage- und Bestückungsschritte eingespart und hierdurch die zugehörige Fehleranfälligkeit vermieden werden. Zudem ergeben sich deutlich größere Gestaltungsfreiheiten bei der Konzeptionierung und Architektur der Platinen und deren Bauteile.
In Weiterbildung der Erfindung kann eine Schaltlogik in die Grundplatte integriert werden. Insbesondere können elektrische Verbindungsleiter zum Verbinden der elektrischen Bauelemente in die Grundplatte integriert werden, wobei die genannte Schaltlogik bzw. die genannten elektrischen Verbindungsleiter mittels des 3D-Druckers gleich beim Ausbilden der Grundplatte mit ausgebildet werden können, sodass die Schaltungslogik und der Korpus der Grundplatte in einem Arbeitsschritt hergestellt werden können.
Die in die Grundplatte integrierte Schaltlogik kann dabei ggf. auch über die Verbindungsleiter hinaus elektronische Bauteile wie kleinere Kapazitäten, Widerstände oder Induktivitäten aufweisen, die ebenfalls in die Grundplatte integriert und durch 3D-Druck ausgebildet sein können.
Grundsätzlich können hierbei nur die Grundplatte und die darin integrierte Schaltungslogik per 3D-Drucker ausgebildet werden, auf der dann an sich handelsübliche Bauteile und Elektronikkomponenten montiert, insbesondere in an sich bekannter Weise verlötet werden können. Alternativ können aber auch die Elektronikbausteine bzw. Bauelemente zumindest teilweise per 3D-Druck hergestellt werden, wie noch erläutert wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Grundplatte als Verbundwerkstoffplatte aus verschiedenen Werkstoffen im 3D-Druckverfahren ausgebildet werden, wobei hier insbesondere ein signal- und/oder stromleitendes Material in Form gezielter Strukturen in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet werden kann. Beispielsweise können Kupferstrukturen, die dann als Leiter in der fertigen Grundplatte fungieren, in ein nicht leitendes Matrixmaterial, beispielsweise ein keramisches Material, eingebettet werden, wobei der sich mit der Kupferstruktur bildende Plattenkorpus Schicht für Schicht aufgebaut wird. Hierzu kann beispielsweise in jeder Schicht ein Matrixmaterial pulverförmig verteilt werden, in das an den gewünschten Stellen Kupferpartikel oder ein Kupferpulver eingebracht wird, sodass dann bei der Energiestrahlbehandlung eine Schicht entsteht, in der lokal begrenzt ein Kupferstrukturteil ausgebildet wird, welches sich mit den Kupferstrukturteilen in der darunterliegenden Schicht und in der darüberliegenden, erst noch auszubildenden Schicht, zu einer bspw. leiter- oder strangförmigen Leitstruktur verbindet.
Alternativ oder zusätzlich zu dem vorgenannten Verlöten der Bauteile auf der Grundplatine können auch Steckverbindung zwischen der Grundplatte und den daran anzuordnenden Bauelementen vorgesehen werden, insbesondere derart, dass an der Grundplatte und zumindest einem elektrischen Bauelement zueinander passende Steckverbindungsanschlüsse ausgebildet werden und das zumindest eine elektrische Bauelement durch Einstecken in eine Steckverbindung an die Grundplatte angeschlossen werden kann.
Die genannten Steckanschlüsse an der Grundplatte und/oder an dem elektrischen Bauelement können vorteilhafter Weise ebenfalls durch den 3D-Drucker ausgebildet werden, insbesondere im selben Arbeitsschritt, in dem auch der weitere Korpus der Grundplatte und/oder des Bauelements ausgebildet wird. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, den Steckanschluss am Bauelement in herkömmlicher Weise herzustellen und in den durch 3D-Druck hergestellten Steckanschluss an der Grundplatte einzustecken, oder umgekehrt an der Grundplatte durch andere Fertigungstechniken die Steckanschlüsse vorzusehen und einen durch 3D-Druck hergestellten Steckanschluss am Bauelement daran einzustecken.
In vorteilhafter Weise kann nicht nur die Grundplatte, sondern auch zumindest eines der Bauelemente bzw. Elektronikkomponenten, vorzugsweise auch mehrere oder alle der Bauelemente, die auf der Grundplatte angeordnet werden, durch den 3D-Drucker in einem dreidimensionalen Druckverfahren hergestellt werden. Je nach Bauelement kann eine solche 3D-Druck-Ausbildung des Bauelement auch nur einen Teil des Bauelements betreffen oder ggfs. das gesamte Bauelement auf diese Weise ausgebildet werden.
Vorteilhafter Weise kann das Bauelement als Verbundwerkstoffkörper aus mehreren Werkstoffen durch 3D-Druck ausgebildet werden, wobei hier zumindest ein signal- und/oder wärme- und/oder stromleitendes Material in gezielten Strukturen in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet werden kann. Beispielsweise kann eine Spule als 3D-Druck-Bauteil ausgebildet werden, bei dem ein Spulenleiter in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet oder darauf angeordnet und Schicht für Schicht aufgebaut wird. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise auch ein Widerstand oder eine Kapazität oder ein anderes Elektronikbauteil zur Bestückung der Leiterplatte im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, wobei das Bauelement in entsprechender Weise Schicht für Schicht aufgebaut wird.
In Weiterbildung der Erfindung können die Grundplatte und das zumindest eine Bauelement jeweils mittels 3D-Druck als separate Bauteile hergestellt werden, die anschließend aneinandermontiert werden können, beispielsweise durch Anlöten der Bauteile auf der Oberfläche der Platine.
In alternativer Weiterbildung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Grundplatte und zumindest eines der Bauelemente integral einstückig miteinander in einem 3D-Drucktechnik-Prozess schichtweise aufgebaut werden, sodass sozusagen das an der Grundplatte angebrachte Bauelement Schicht für Schicht aus der Grundplatte herauswächst und/oder die Grundplatte Schicht für Schicht an das Bauelement anwächst.
Die Verwendung der 3D-Drucktechnik erlaubt es, in die Grundplatte und/oder das jeweilige Bauelement leitende Strukturen einzubringen, deren Erstreckung vom schichtweisen Aufbau des Matrixkorpus, in dem sie eingebettet ist, abweicht. Insbesondere können schräg zu den Schichtebenen verlaufende Leiter eingebracht werden, die sich nach Art eines elektrischen Leiters oder Kabels schlangenförmig auf und ab oder auch nur schräg ansteigend durch mehrere Matrixmaterial-Schichten hindurch erstrecken können. Anders als bei Laminiertechniken können signal- und/oder wärme- und/oder stromleitende Strukturen eingebracht werden, die sich in allen drei Dimensionen krümmen und/oder in ihrer Erstreckung verändern können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert, in denen zeigen:
1: eine Schnittansicht durch eine Leiterplatte und deren Grundplatte mit drei darauf angeordneten Bauelementen, die die im inneren der Grundplatte aufgenommenen Verbindungsleiter zwischen den Bauelementen zeigt.
Wie 1 zeigt, kann die Leiterplatte 1 eine Grundplatte 5 aufweisen, auf der mehrere Bauelemente 6 angeordnet sind, wobei die genannten Bauelemente 6 in der eingangs erwähnten Weise ausgebildet sein und verschiedene schalttechnische und/oder elektronische Funktionen erfüllen können.
Wie 1 verdeutlicht, kann die Grundplatte 5 in Schichtbauweise aufgebaut werden, und zwar mittels eines 3D-Druckers in 3D-Drucktechnik, wobei hier Schicht für Schicht ein oder mehrere Werkstoffe beispielsweise in Pulverform und/oder pastöser Form und/oder flüssiger Form aufgetragen und durch einen Energiestrahl wie beispielsweise einen Laserstrahl verflüssigt und/oder verfestigt und/oder gesintert und/oder in anderer Weise chemisch umgewandelt und/oder ausgehärtet werden können. Wie 1 zeigt, kann dabei in den nicht leitenden Matrixmaterialschichten 7 eine Schaltlogik 8 umfassend elektrische Verbindungsleiter 9 und ggf. einfache elektronische Bauelemente wie Widerstände oder Induktivitäten 2 integriert bzw. eingebettet werden, wobei die genannte Schaltlogik 8 bzw. deren Verbindungsleiter 9 und ggf. weitere Schaltlogikelemente aus einem signal- und/oder elektrischleitenden Material wie beispielsweise Kupfer im Zuge des 3D-Druckprozesses aufgebaut und eingebracht werden können, beispielsweise indem an den gewünschten Stellen der elektrisch leitenden Struktur eine Kupferpulverspur gelegt und dann bei der Energiebeaufschlagung durch den Laserstrahl verschmolzen wird. Es kann also auch die Schaltlogik 8 bzw. deren Verbindungsleiter 9 Schicht für Schicht aufgebaut werden.
Vorteilhafter Weise werden dabei in die Grundplatte 5 ebenfalls mittels der 3D-Drucktechnik Anschlüsse 3 zum oberflächenseitigen Anlöten von Bauteilen und/oder Steckanschlüsse 10 an einer Oberfläche der Grundplatte 5 ausgebildet und mit den Verbindungsleitern 9 verbunden ausgebildet, wobei die genannten Lötanschlußpunkte 3 beispileswesie aus Lötflächen und die Steckanschlüsse 10 beispielsweise aus Steckbuchsen und/oder Steckervorsprüngen bestehen können.
Die an der Grundplatte 5 anzubringenden Bauelemente 6 können herkömmlicher Natur sein, vorteilhafter Weise aber ebenfalls zumindest teilweise mittels 3D-Drucktechnik hergestellt sein, wobei vorteilhafter Weise auch an den Bauelementen 6 – soweit vorhanden – Lötanschlüsse oder andere gasdichte Verbindungen z. B. Steckanschlüsse 11 mittels 3D-Drucktechnik ausgebildet werden können. Die Steckanschlüsse 10 der Grundplatte 5 und die Steckanschlüsse 11 der Bauelemente 6 sind dabei zueinander passend ausgebildet, sodass sie ineinandergesteckt werden können, um die Verbindung herzustellen. Vorteilhafter Weise können hierbei verschieden konturierte und/oder dimensionierte und/oder vom Lochbild her speziell konfigurierte Steckanschlüsse vorgesehen werden, sodass ein bestimmtes Bauelement 6 nur an einer bestimmten Stelle in die Grundplatte gesteckt bzw. in einen bestimmten Steckanschluss 10 der Grundplatte angeschlossen werden kann, sodass sich automatisch die richtige Verbindung und Schaltlogik ergibt.
Alternativ zu den genannten Löt- oder Steckanschlüssen ist es jedoch auch möglich, zumindest eines der Bauelemente 6 integral einstückig mit der Grundplatte 5 im Zuge der 3D-Druckfertigung herzustellen. Insbesondere können die Bauteile sozusagen nach Erstellung der Grundplatine darauf weiter „aufgewachsen” werden, d. h. durch 3D-Druck schichtweise aufgebaut werden. In der 1 ist das dort ganz rechte Bauteil 6 integral einstückig mit der Grundplatine „gedruckt”.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (4), die eine Grundplatte (5) aufweist, auf der elektrische und/oder elektronische Bauelemente (6) angeordnet und miteinander elektrisch verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Grundplatte (5) mittels eines 3D-Druckers in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in die Grundplatte (5) eine Schaltlogik und/oder elektrische Verbindungsleiter zum Verbinden der elektronischen Bauelemente (6) und/oder elektronische Bauelemente (2) integriert wird, wobei die genannte Schaltlogik und/oder die genannten elektrischen Verbindungsleiter und/oder Bauelemente (2) mittels des 3D-Druckers beim Ausbilden der Grundplatte (5) mit ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundplatte (5) als Verbundwerkstoffplatte aus verschiedenen Werkstoffen im 3D-Druckverfahren ausgebildet wird, wobei ein signal- und/oder stromleitendes Material in Form gezielter Strukturen in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der elektronischen Bauteile (6) mittels eines 3D-Druckers in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Grundplatte (5) zumindest ein Löt- und/oder Steckanschluss und/oder eine andere gasdichte Verbindung (3, 10) mittels des 3D-Druckers ausgebildet wird und/oder an zumindest einem Bauelement (6) ein Steckanschluss und/oder anderen gasdichten Verbindung (11) mittels des 3D-Druckers ausgebildet wird, und zumindest ein elektrisches Bauelement (6) durch Anlöten an den Lötanschluß (3) und/oder Einstecken in eine Steckverbindung und/oder durch eine andere gasdichte Verbindung an die Grundplatte (5) angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundplatte (5) zusammen mit zumindest einem darauf angeordneten Bauelement (6) integral einstückig miteinander mittels des 3D-Druckers ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Bauelemente (6) als Verbundwerkstoffkörper aus verschiedenen Werkstoffen durch 3D-Druck ausgebildet wird, wobei zumindest ein signal- und/oder wärme- und/oder stromleitendes Material in gezielten Strukturen in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundplatte (5) und/oder zumindest eines der Bauelemente (6) in Schichtbauweise Schicht für Schicht aufgebaut wird, wobei die Werkstoffschichten mittels Laserstrahl und/oder Elektronenstrahl und/oder Plasmastrahl verflüssigt und/oder verfestigt werden.
Leiterplatte, auf deren Grundplatte (5) elektronische Bauelemente (6) angeordnet und miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (5) und/oder zumindest eines der elektronischen Bauelemente (6) als Schichtbaukörper ausgebildet ist, dessen Materialschichten einzeln Schicht für Schicht verfestigt sind.
Leiterplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Grundplatte (5) und/oder das zumindest eine der elektronischen Bauelemente (6) mittels eines 3D-Druckers im 3D-Druckverfahren hergestellt ist.
Leiterplatte nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundplatte und/oder das zumindest eine elektrische Bauelement als Verbundwerkstoffkorpus aus verschiedenen Werkstoffen ausgebildet ist, wobei ein signal- und/oder stromleitendes Material in einer gezielten dreidimensionalen Struktur in ein nicht leitendes Matrixmaterial eingebettet ist, wobei die genannte dreidimensionale, leitende Struktur eine vom Schichtaufbau des Matrixmaterials abweichende Erstreckung besitzt.
Leiterplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dreidimensionale, leitende Struktur zumindest abschnittsweise einen Längsverlauf besitzt, der zu den Schichtebenen des Matrixmaterials spitzwinklig geneigt ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundplatte (5) eine Tragschicht und/oder eine Kupferschicht und/oder mehrere abwechselnd übereinander angeordnete Trag- und Kupferschichten aufweist.