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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektronische Komponente.
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Elektronische Komponenten, die beispielsweise als Getriebesteuergeräte in Fahrzeugantrieben eingesetzt werden, sind allgemein bekannt. Dabei umfasst die elektronische Komponente üblicherweise auf einer Leiterplatte angeordnete, elektronische Bauteile, die eine Schaltungsanordnung bilden. Zur Spannungsversorgung sowie zur Signalleitung, z. B. von Steuersignalen oder Messsignalen zu oder von den elektronischen oder elektromechanischen Bauteilen, sind die elektronischen Bauteile beispielsweise über Stanzgitter elektrisch leitend mit Sensoren und/oder Aktoren und/oder mit Anschlusssteckern verbunden.
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Zur Herstellung einer derartigen elektronischen Komponente wird oder werden insbesondere eine oder beide Außenlagen der Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen bestückt. Dies erfolgt beispielsweise mittels Löten. Des Weiteren ist bekannt, elektronische Bauteile in die Leiterplatte einzubetten. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen und Alterungsprozessen können die elektronischen Bauteile und/oder die Verbindungsstellen, z. B. die Lotstellen, mittels bestimmter Lackier- und/oder Vergussprozesse geschützt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente und eine verbesserte elektronische Komponente anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der elektronischen Komponente wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente mit einer Mehrzahl von Leiterplatten werden mindestens zwei Leiterplatten zu wenigstens einem Leiterplattenmodul miteinander verbunden, indem die mindestens zwei Leiterplatten elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch mittels eines Sinter-Laminier-Prozesses miteinander verbunden werden.
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Bei dem Verfahren können die Leiterplatten in einem gemeinsamen Prozessschritt miteinander gesintert und laminiert werden. Dies ermöglicht gleichzeitig eine elektrisch und thermisch leitende sowie mechanische Verbindung der Leiterplatten. Zur Bildung eines derartigen Leiterplattenmoduls kann eine Prozesszeit gegenüber konventionellen Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente verkürzt werden.
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Des Weiteren ermöglicht das Verfahren die Bildung von Leiterplattenmodulen, wobei eine Schaltungsanordnung in mehrere Module aufgeteilt wird. Dabei können die Module derart gebildet werden, dass diese für verschiedene Applikationen individuell miteinander kombinierbar sind. Je nach Anforderung können dabei einzelne Module ausgetauscht werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Skalierbarkeit der elektronischen Komponente sowie verringerte Abmessungen gegenüber konventionellen elektronischen Komponenten. Das Laminieren der Leiterplatten ermöglicht zudem einen verbesserten Schutz des Leiterplattenmoduls vor äußeren Einflüssen und ermöglicht einen Einsatz der elektronischen Komponente in einem Bereich mit einer höheren Umgebungstemperatur als konventionelle elektronische Komponenten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird auf mindestens eine zur elektrisch und thermisch leitenden Verbindung vorgesehenen Kontaktierungsstelle zumindest einer Leiterplatte des wenigstens einen Leiterplattenmoduls eine Sinterpaste aufgetragen.
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Die Kontaktierungsstelle ist eine elektrisch leitende Kontaktierungsfläche, auch bekannt als Pad, und besteht beispielsweise aus Kupfer. Welches gegebenenfalls mit einer Beschichtung aus Silber, Gold oder Zinn versehen ist. Je nach Anforderung an die Leiterplatte sind an deren Oberflächenseite eine oder mehrere Kontaktierungsstellen vorgesehen. Als Sinterpaste wird beispielsweise eine Silberpaste und/oder eine Kupferpaste auf die mindestens eine Kontaktierungsstelle aufgebracht.
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Des Weiteren wird mindestens zwischen zwei Leiterplatten abschnittsweise wenigstens ein plattenförmiges, elektrisch isolierendes Isolationsmaterial angeordnet. Das wenigstens eine Isolationsmaterial ist ein sogenanntes Prepreg, welches aus einem faserverstärkten, z. B. glasfaserverstärkten, Epoxidharz gebildet ist. Das Isolationsmaterial ist insbesondere zur Herstellung eines Laminatverbunds der Leiterplatten vorgesehen.
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Vor der Anordnung des wenigstens einen Isolationsmaterials zwischen den Leiterplatten wird wenigstens eine Durchgangsöffnung in das Substrat eingebracht, deren Abmessungen mit Abmessungen der mindestens einen Kontaktierungsstelle der zumindest einen Leiterplatte korrespondiert. Alternativ können die Abmessungen der Durchgangsöffnung auch geringfügig größer als die Abmessungen der mindestens einen Kontaktierungsstelle sein. Damit wird sichergestellt, dass bei der Anordnung des Isolationsmaterials zwischen den Leiterplatten einander zugeordnete Kontaktierungsstellen der Leiterplatten nicht elektrisch voneinander isoliert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird das wenigstens eine Isolationsmaterial zwischen den Leiterplatten derart angeordnet, dass die wenigstens eine Durchgangsöffnung, die mindestens eine mit Sinterpaste versehene Kontaktierungsstelle der einen Leiterplatte und zumindest eine weitere Kontaktierungsstelle wenigstens einer anderen Leiterplatte miteinander fluchten. Dies ermöglicht die elektrisch und thermisch leitende Verbindung der Leiterplatten miteinander. Die zumindest eine weitere Kontaktierungsstelle muss dabei nicht zwingend mit einer Sinterpaste versehen sein.
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Weiterhin werden das wenigstens eine Isolationsmaterial und die Leiterplatten zur Bildung des wenigstens einen Leiterplattenmoduls mit einem vorgegebenen Druck und einer vorgegebenen Temperatur beaufschlagt. Beispielsweise werden das wenigstens eine Isolationsmaterial und die Leiterplatten in einer sogenannten Laminierpresse unter Einwirkung eines Drucks von z. B. 30 bar und einer Temperatur von z. B. 190°C bis 230°C angeordnet und härten anschließend aus. Damit ermöglicht das Verfahren das gleichzeitige Sintern und Laminieren mindestens von zwei Leiterplatten. Das dabei gebildete Leiterplattenmodul kann auch mehr als zwei elektrisch und thermisch leitend sowie mechanisch miteinander verbundene Leiterplatten aufweisen, wobei jeweils zwischen zwei Leiterplatten ein Isolationsmaterial angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das wenigstens eine Leiterplattenmodul auf einer Oberflächenseite einer Verdrahtungsleiterplatte angeordnet. Dies erhöht ebenfalls die Funktionalität der elektronischen Komponente.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Komponente umfasst eine Mehrzahl von Leiterplatten, wobei mindestens zwei Leiterplatten zu wenigstens einem Leiterplattenmodul elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden sind und wobei das wenigstens eine Leiterplattenmodul als ein Sinter-Laminat-Verbund ausgebildet ist.
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Die derart ausgebildete elektronische Komponente ist gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger und aufwandsverringert herstellbar. Des Weiteren ist mittels des mindestens einen Leiterplattenmoduls eine technische Flexibilität der elektronischen Komponente gegenüber konventioneller elektronischer Komponenten verbessert, insbesondere wenn die elektronische Komponente eine Mehrzahl miteinander kombinierbarer Leiterplattenmodule aufweist. Die elektronische Komponente ist beispielsweise ein Getriebesteuergerät für ein Fahrzeuggetriebe.
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Gemäß einer Ausgestaltung der elektronischen Komponente umfasst der Sinter-Laminat-Verbund die mindestens zwei Leiterplatten und wenigstens ein abschnittsweise zwischen den mindestens zwei Leiterplatten angeordnetes, elektrisch isolierendes Isolationsmaterial. Das wenigstens eine Isolationsmaterial ist aus einem faserverstärkten, z. B. glasfaserverstärkten, Epoxidharz gebildet und damit kostengünstig und einfach herstellbar.
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Beispielsweise sind die Leiterplatten über zumindest zwei Kontaktierungsstellen elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden, wobei zwischen den zumindest zwei Kontaktierungsstellen eine Sinterschicht ausgebildet ist, wobei das zumindest eine elektrisch isolierende Isolationsmaterial wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist, deren Abmessungen mit Abmessungen der zumindest zwei Kontaktierungsstellen korrespondiert und wobei das wenigstens eine Isolationsmaterial zwischen den Leiterplatten derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine Durchgangsöffnung und die zumindest zwei Kontaktierungsstellen miteinander fluchten. Dies ermöglicht eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen den Leiterplatten im Laminatverbund.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in zumindest einer der Leiterplatten mindestens ein elektronisches Bauteil angeordnet. Insbesondere wird das mindestens eine elektronische Bauteil in die Leiterplatte eingebettet. Das mindestens eine elektronische Bauteil ist ein aktives oder passives Bauteil und Bestandteil einer Schaltungsanordnung der elektronischen Komponente. Das mindestens eine elektronische Bauteil wird mittels eines Einbettungsverfahrens in die Leiterplatte eingebracht, so dass dieses vollständig in den Aufbau der Leiterplatte integriert ist. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise der Leiterplatte, so dass ein Bauraum und ein Gewicht der Leiterplatte reduzierbar sind. Des Weiteren sind die eingebetteten Bauteile vor äußeren Einflüssen geschützt.
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In Abhängigkeit einer Anforderung an die elektronische Komponente kann alternativ oder zusätzlich zu dem mindestens einen eingebetteten elektronischen Bauteil auf einer äußeren Oberflächenseite mindestens einer Leiterplatte mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil angeordnet werden. Dies erhöht die Funktionalität der Schaltungsanordnung.
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Zum Schutz der elektronischen Bauteile und Kontaktierungsstellen kann das wenigstens eine Leiterplattenmodul mit Kunststoffspritzguss versehen werden. Dies erhöht eine Lebensdauer des Leiterplattenmoduls.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1A schematisch eine Schnittdarstellung eines Leiterplattenmoduls für eine elektronische Komponente in einem nicht zusammengesetzten Zustand,
- 1B schematisch eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leiterplattenmoduls gemäß 1 im zusammengesetzten Zustand,
- 2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektronischen Komponente mit einem Leiterplattenmodul, einem Einzelmodul und einer Verdrahtungsleiterplatte,
- 3 schematisch eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel eines Leiterplattenmoduls,
- 4 schematisch eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leiterplattenmoduls für eine elektronische Komponente im zusammengesetzten Zustand und
- 5 schematisch eine Schnittdarstellung des Leiterplattenmoduls gemäß 4 mit einem Kunststoffspritzguss.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1A zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Leiterplattenmoduls 1 für eine beispielhaft in 2 gezeigte elektronische Komponente E in einem nicht zusammengesetzten Zustand. 1B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterplattenmoduls 1 in einem zusammengesetzten Zustand.
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Die elektronische Komponente E ist beispielsweise ein Getriebesteuergerät für ein Fahrzeuggetriebe, in welchem die elektronische Komponente E angeordnet wird. Die elektronische Komponente E ist somit insbesondere als eine elektromechanische Komponente ausgeführt. Alternativ kann die elektronische Komponente E auch eine beliebige andere elektronische Schaltungsanordnung umfassen oder darstellen.
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Das in 1A gezeigte Leiterplattenmodul 1 umfasst zwei Leiterplatten 1.1, 1.2 und ein Isolationsmaterial S.
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Die Leiterplatten 1.1, 1.2 sind aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und je nach Verwendung einlagig oder mehrlagig ausgebildet. Die Leiterplatten 1.1, 1.2 können mechanisch starr oder flexibel ausgebildet sein. Beispielsweise umfasst dazu das elektrisch isolierende Material der Leiterplatten 1.1, 1.2 entweder ein mechanisch festes Material, z. B. Epoxidharz, oder ein mechanisch flexibles Material, wie z. B. Polyimid.
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Die Leiterplatten 1.1, 1.2 sind jeweils als ein Träger für elektronische Bauteile 2 (siehe 4) ausgebildet, die eine Schaltungsanordnung bilden. Wie in 4 gezeigt, können die elektronischen Bauteile 2 in und/oder auf der Leiterplatte 1.1, 1.2 angeordnet sein.
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Des Weiteren weisen die Leiterplatten 1.1, 1.2 jeweils auf mindestens einer Oberflächenseite Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 auf, welche hierbei als Sinterpads zur elektrisch und thermische leitenden Verbindung der Leiterplatten 1.1, 1.2 vorgesehen sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Leiterplatten 1.1, 1.2 an einander zugewandten Oberflächenseiten jeweils eine Kontaktierungsstelle 1.1.1, 1.2.1. Zusätzlich können an den Oberflächenseiten und/oder an nicht einander zugewandten Oberflächenseiten der Leiterplatten 1.1, 1.2 Lötpads und/oder Bondpads und/oder Klebepads und/oder Presspads und/oder Schweißpads und/oder weitere Sinterpads angeordnet sein.
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Die Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 sind jeweils eine elektrisch leitende Kontaktierungsfläche, die aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Kupfer, bestehen. Das elektrische leitende Material kann zusätzlich mit einer Beschichtung, z. B. aus Gold, Silber oder Zinn, versehen sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine der Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1, hierbei die Kontaktierungsstelle 1.2.1, mit einer Sinterpaste P versehen. Als Sinterpaste P wird beispielsweise eine Silberpaste und/oder eine Kupferpaste auf die Kontaktierungsstelle 1.2.1 gedruckt.
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Die Leiterplatten 1.1, 1.2 können ferner jeweils auf mindestens einer Oberflächenseite Leiterbahnen L, z. B. in Form von Metallisierungen oder mittels Dickschichttechnik aufgebrachte Leiterbahnen L aufweisen (siehe 4), die die elektronischen Bauteile 2 elektrisch miteinander verbinden.
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Das zwischen den Leiterplatten 1.1, 1.2 angeordnete Isolationsmaterial S ist plattenförmig und als ein sogenanntes Prepreg ausgebildet, welches aus einem faserverstärkten, z. B. glasfaserverstärkten, Epoxidharz gebildet ist.
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Das Isolationsmaterial S weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Durchgangsöffnung S1 auf, die vor der Anordnung des Isolationsmaterials S zwischen den Leiterplatten 1.1, 1.2 in das Isolationsmaterial S eingebracht wird. Die Durchgangsöffnung S1 wird beispielsweise mittels Heraustrennen, insbesondere Herausschneiden, eines Materialabschnitts aus dem Isolationsmaterial S gebildet. Abmessungen der Durchgangsöffnung S1 in Richtung einer Isolationsmaterialebene korrespondieren mit Abmessungen der Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 in Richtung einer Leiterplattenebene.
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Zur Herstellung des Leiterplattenmoduls 1 wird das Isolationsmaterial S auf die untere Leiterplatte 1.2 derart angeordnet, dass die Durchgangsöffnung S1 fluchtend mit der Kontaktierungsstelle 1.2.1 angeordnet ist. Eine Ausrichtung des Isolationsmaterials S kann beispielsweise mittels eines Stifts erfolgen. Anschließend wird die obere Leiterplatte 1.1 auf dem Isolationsmaterial S derart angeordnet, dass die Kontaktierungsstelle 1.1.1 mit der Durchgangsöffnung S1 fluchtet.
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Bei dem in 1B gezeigten Leiterplattenmodul 1 weisen die Leiterplatten 1.1, 1.2 jeweils drei Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 und das Isolationsmaterial S entsprechend drei Durchgangsöffnungen S1 auf, die mittels der Sinterpaste P verschlossen sind. Hierbei ist eine fluchtende Anordnung aller einander zugeordneten Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 und Durchgangsöffnungen S1 erforderlich. Dies ist auch dann möglich, wenn die Leiterplatten 1.1, 1.2 und/oder das Isolationsmaterial S voneinander abweichende Abmessungen aufweisen.
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Zur elektrisch und thermisch leitenden sowie mechanischen, insbesondere stoffschlüssigen, Verbindung der Leiterplatten 1.1, 1.2 werden die aufeinander angeordneten Leiterplatten 1.1, 1.2 und das dazwischen angeordnete Isolationsmaterial S beispielsweise in einer nicht dargestellten Laminierpresse angeordnet und mit einem vorgegebenen Druck von z. B. 30 bar und einer vorgegebenen Temperatur von z. B. 190°C bis 230°C beaufschlagt und härten anschließend unter Bildung eines Sinter-Laminat-Verbunds SLV aus, wie es beispielhaft 1B zeigt. Die Kontaktierungsstellen 1.1.1, 1.2.1 sind dabei mittels einer Sinterschicht Si elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden.
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Ein Sintern und Laminieren der Leiterplatten 1.1, 1.2 erfolgt somit in einem gemeinsamen Prozessschritt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Komponente E mit einem Leiterplattenmodul 1 und einer einzelnen Leiterplatte 1.1, die jeweils mit einer Verdrahtungsleiterplatte 3 verbunden sind, in einer perspektivischen Darstellung.
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Das Leiterplattenmodul 1 umfasst einen Sinter-Laminat-Verbund SLV mit drei Leiterplatten 1.1 bis 1.3 und zwei Subtraten S, wobei die untere Leiterplatte 1.1 mittels eines weiteren Isolationsmaterials S' stoffschlüssig mit einer Oberflächenseite der Verdrahtungsleiterplatte 3 verbunden ist.
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Die einzelne Leiterplatte 1.1 ist auf einem anderen Abschnitt der Verdrahtungsleiterplatte 3 angeordnet und ebenfalls mittels eines weiteren Isolationsmaterials S' stoffschlüssig mit der Oberflächenseite der Verdrahtungsleiterplatte 3 verbunden. Die einzelne Leiterplatte 1.1 kann auch als Leiterplattenmodul 1 bezeichnet werden, welches ein Einzelmodul darstellt.
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Leiterplattenmoduls 1 mit vier Leiterplatten 1.1 bis 1.4 und drei Isolationsmaterialien S.
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4 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leiterplattenmoduls 1 mit drei Leiterplatten 1.1 bis 1.3 und zwei Isolationsmaterialien S.
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Die untere Leiterplatte 1.1 umfasst mehrere elektronische Bauteile 2, die hierbei als passive Bauteile 2.1 ausgebildet und in die Leiterplatte 1.1 eingebettet sind.
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Eine mittlere Leiterplatte 1.2 umfasst ebenfalls mehrere elektronische Bauteile 2, die in der Leiterplatte 1.2 eingebettet sind. Die elektronischen Bauteile 2 sind beispielsweise als gehäuste oder ungehäuste Halbleiterelemente 2.2 ausgebildet.
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Eine obere Leiterplatte 1.3 umfasst sowohl eingebettete elektronische Bauteile 2 als auch elektronische Bauteile 2, die auf einer Außenseite der Leiterplatte 1.3 angeordnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stellen die eingebetteten elektronischen Bauteile 2 passive Bauteile 2.1 und ein Halbleiterelement 2.2 dar. Auf der Außenseite sind als elektronische Bauteile 2 ebenfalls passive Bauteile 2.1 und ein aktives Bauteil 2.3 angeordnet.
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Das aktive Bauteil 2.3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Bonddrähten B elektrisch leitend mit außenseitigen Leiterbahnen L verbunden. Das aktive Bauteil 2.3 kann zur elektrischen Kontaktierung alternativ auch mit der Leiterplatte 1.3 verklebt und/oder verlötet und/oder mittels der sogenannten Flip-Chip-Montage verbunden sein. Die passiven Bauteile 2.1 sind mit einer der außenseitigen Leiterbahnen L verklebt und/oder verlötet.
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5 zeigt das Leiterplattenmodul 1 gemäß 4 mit einem Kunststoffspritzguss 4 zum Schutz vor äußeren Einflüssen. Alternativ kann anstelle des Kunststoffspritzgusses 4 auch eine Vergussmasse oder ein mit dem Leiterplattenmodul 1 verbundenes Kunststoffgehäuse vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplattenmodul
- 1.1 bis1.4
- Leiterplatte
- 1.1.1, 1.2.1
- Kontaktierungsstelle
- 2
- elektronisches Bauteil
- 2.1
- passives Bauteil
- 2.2
- Halbleiterelement
- 2.3
- aktives Bauteil
- 3
- Verdrahtungsleiterplatte
- 4
- Kunststoffspritzguss
- B
- Bonddrähte
- E
- elektronische Komponente
- L
- Leiterbahn
- P
- Sinterpaste
- S, S'
- Isolationsmaterial
- Si
- Sinterschicht
- S1
- Durchgangsöffnung
- SLV
- Sinter-Laminat-Verbund
