DE102017209297A1 - Method for producing an electrical conductor track on a plastic carrier and sensor module comprising a plastic carrier with a conductor track produced in this way - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Leiterbahn (5) auf einem Kunststoffträger (1), bei dem in einem ersten Verfahrensschritt (201) mittels eines strahlgebundenen thermischen Spritzverfahrens eine Kupferleiterbahn (2) auf den Kunststoffträger (1) aufgebracht wird. Es wird vorgeschlagen, die Kupferleiterbahn (2) nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger (1) abgewandten Seite (21) mit einer zusammenhängenden Schicht (3) aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Metalllegierung zu beschichten. The invention relates to a method for producing an electrical conductor track (5) on a plastic carrier (1), in which in a first method step (201) a copper conductor track (2) is applied to the plastic carrier (1) by means of a jet-bonded thermal spraying method. It is proposed to coat the copper conductor track (2) after its production on its side facing away from the plastic carrier (1) (21) with a continuous layer (3) made of tin or a tin-containing metal alloy.
Description
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik sind vielfältige Formen elektrischer Verbindungstechniken bekannt, die Leiterbahnen auf Kunststoffträgern verwenden. Insbesondere in elektronischen Steuergeräten werden zunehmend Steuermodule verwandt, die neben der elektrischen Verdrahtung von Schaltungsteilen auch Sensoren oder Aktuatoren verwenden, die über Leiterbahnen zu kontaktieren sind. Dies findet beispielsweise in der Getriebesteuertechnik zunehmend Anwendung. Die bekannten Steuergeräte verwenden unter anderem konventionelle Leiterplatten mit einem Trägermaterial aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, die Leiterbahnen auf mehreren Lagen des Trägermaterials aufweisen. Weiterhin sind Steuermodule bekannt, die flexible Leiterplatten oder mit Kunststoff umspritzte Stanzgitter einsetzen. Weiterhin sind Steuergeräte bekannt, die ein Zweikomponenten-MID (Molded Interconnect Device) verwenden, bei denen spritzgegossene Kunststoffbauteile mit metallischen Leiterbahnen versehen werden.Various forms of electrical connection techniques using printed conductors on plastic carriers are known in the prior art. In particular in electronic control units, control modules are increasingly being used which, in addition to the electrical wiring of circuit components, also use sensors or actuators which are to be contacted via conductor tracks. This is increasingly used, for example, in transmission control technology. The known control devices use, inter alia, conventional printed circuit boards with a carrier material made of glass-fiber-reinforced epoxy resin having printed conductors on several layers of the carrier material. Furthermore, control modules are known which use flexible printed circuit boards or plastic encapsulated stamped grid. Furthermore, control devices are known which use a two-component MID (Molded Interconnect Device), in which injection-molded plastic components are provided with metallic conductor tracks.
Seit geraumer Zeit sind zudem alternative Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen auf Kunststoffträgern bekannt geworden, bei denen ein thermischer Spritzvorgang eingesetzt wird. Beispielsweise beschreibt die
In den letzten zehn Jahren sind zudem Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen auf Kunststoffträgern diskutiert worden, die mittels eines strahlgebundenen thermischen Spritzverfahrens Leiterbahnen auf einen Kunststoffträger aufbringen. Bei einem strahlgebundenen Verfahren wird ein gerichteter Materialstrom gezielt über den Kunststoffträger geführt. Am Ort des Auftreffens des Materialstroms entsteht die Leiterbahn. In diesem Sinne wird das Material quasi durch „Sputtern“ auf den Kunststoffträger aufgetragen. Hierbei kommt vor allem Kupfer zum Einsatz. Aber auch Zinn und andere Metalle werden verwandt. Die Metallpartikel werden mittels eines speziellen Sprühkopfes und mittels kinetischer Energie und Wärmezufuhr auf den Kunststoffträger aufgebracht. Maskenschritte kommen nicht zum Einsatz. Das Verfahren wird allgemein auch als thermisches Spritzen bezeichnet. Die erwärmten Metallpartikel können dabei teilweise oder ganz aufgeschmolzen werden. Aufgrund ihres kinetischen Impulses können die Teilchen zumindest teilweise in die Oberfläche des Kunststoffträgers eindringen. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem Flammspritzen, Kaltgasspritzen und insbesondere Plasma-Spritzverfahren.In the last ten years, methods for the production of electrical conductors on plastic carriers have also been discussed which apply conductor tracks to a plastic carrier by means of a jet-bonded thermal spraying method. In a beam-bound method, a directed material flow is deliberately guided over the plastic carrier. At the place of impact of the material flow, the conductor path is formed. In this sense, the material is applied quasi by "sputtering" on the plastic carrier. Here, especially copper is used. But also tin and other metals are used. The metal particles are applied by means of a special spray head and by means of kinetic energy and heat to the plastic carrier. Mask steps are not used. The process is also commonly referred to as thermal spraying. The heated metal particles can be partially or completely melted. Due to their kinetic momentum, the particles can at least partially penetrate into the surface of the plastic carrier. These methods include, but are not limited to, flame spraying, cold gas spraying and, more particularly, plasma spraying.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Leiterbahn auf einem Kunststoffträger, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines strahlgebundenen thermischen Spritzverfahrens eine Kupferleiterbahn auf den Kunststoffträger aufgebracht wird. Erfindungsgemäß wird die Kupferleiterbahn nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite mit einer zusammenhängenden Schicht aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Metalllegierung beschichtet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Sensorbaugruppe, umfassend einen Kunststoffträger als Sensordom mit einer auf der Außenseite des Kunststoffträgers nach dem genannten Verfahren hergestellten elektrischen Leiterbahn.The invention relates to a method for producing an electrical conductor on a plastic carrier, wherein in a first method step by means of a jet-bonded thermal spraying method, a copper conductor is applied to the plastic carrier. According to the invention, the copper conductor track is coated after its production on its side remote from the plastic carrier side with a continuous layer of tin or a tin-containing metal alloy. Furthermore, the invention relates to a sensor assembly, comprising a plastic carrier as a sensor dome with an electrical conductor produced on the outside of the plastic carrier according to said method.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die mittels der bekannten strahlgebundenen thermischen Spritzverfahren auf Kunststoffträgern hergestellten Kupferleiterbahnen sind herstellungsbedingt relativ porös. Die elektrische Leitfähigkeit der Kupferleiterbahnen beträgt daher nur 10-20 % der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Als Folge ist die Fähigkeit dieser Leiterbahn starke Ströme zu leiten relativ gering und der elektrische Widerstand recht groß. Weiterhin beträgt die elektrische Leitfähigkeit von Zinnleiterbahnen, die mittels der bekannten strahlgebundenen thermischen Spritzverfahren hergestellt werden, trotz der Porosität zwar immerhin noch 50 % der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Zinn, die Zinnleiterbahnen können aber nicht durch Löten weiterkontaktiert werden, weil das beim Löten aufgeschmolzene Zinn Tröpfchen bildet und sich vom Kunststoffträger wieder lösen kann. Aufgrund der Porosität der Leiterbahnen können diese von aggressiven Medien stark angegriffen werden. Letzteres ist insbesondere für Getriebesteuermodule sehr nachteilig, da diese oft dem aggressiven Getriebefluid direkt ausgesetzt werden.The copper conductor tracks produced on plastic carriers by means of the known jet-bonded thermal spraying methods are relatively porous due to their production. The electrical conductivity of the copper interconnects is therefore only 10-20% of the electrical conductivity of pure copper. As a result, the ability of this trace to conduct strong currents is relatively low and the electrical resistance quite large. In addition, despite the porosity, the electrical conductivity of tin conductor tracks which are produced by means of the known jet-bonded thermal spraying method is still 50% of the electrical conductivity of pure tin, but the tin conductor tracks can not be further contacted by soldering because the tin melted during soldering droplets forms and can dissolve again from the plastic carrier. Due to the porosity of the tracks, they can be severely attacked by aggressive media. The latter is very disadvantageous especially for transmission control modules, since they are often exposed directly to the aggressive transmission fluid.
Das vorgeschlagene Verfahren vermeidet diese Nachteile, indem eine Kupferleiterbahn nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite mit einer zusammenhängenden Schicht aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Metalllegierung beschichtet wird. Dadurch wird vorteilhaft die elektrische Leitfähigkeit erhöht und die Anbringung von Lötkontaktierungen auf der Leiterbahn ermöglicht. Zudem bietet die zusammenhängende Schicht im Verhältnis zu einer porösen Oberfläche einen besseren Schutz gegen aggressive Medien.The proposed method avoids these disadvantages by coating a copper conductor track after its production on its side facing away from the plastic carrier with a continuous layer of tin or a tin-containing metal alloy. This advantageously increases the electrical conductivity and allows the attachment of Lötkontaktierungen on the conductor track. In addition, the continuous layer provides better protection against aggressive media in relation to a porous surface.
Vorteilhaft kann das Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Leiterbahn auf einem Kunststoffträger in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Neben der Herstellung von mit mehreren Leiterbahnen versehenen elektronischen Schaltungsträgern ist das Verfahren besonders zur Anbringung von Leiterbahnen auf Kunststoffträgern von Sensoren, Steckerteilen oder Aktuatorbaugruppen geeignet und bietet insbesondere eine kostengünstige Alternative zu dem relativ teuren und werkzeugtechnisch aufwendigen Zweikomponenten-MID-Verfahren.Advantageously, the method for producing an electrical conductor on a plastic carrier can be used in many ways. In addition to the production of multi-conductor printed circuit boards is electronic The method is particularly suitable for mounting printed conductors on plastic carriers of sensors, plug parts or actuator assemblies and in particular offers a cost-effective alternative to the relatively expensive and technically complex two-component MID method.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.Advantageous embodiments and further developments of the invention are made possible by the features contained in the dependent claims.
In dem ersten Verfahrensschritt kann als strahlgebundenes thermisches Spritzverfahren vorteilhaft ein Plasma-Spritzverfahren zur Auftragung der Kupferleiterbahn eingesetzt werden. Bei einem strahlgebundenen Plasma-Spritzverfahren wird ein relativ zum Kunststoffträger beweglicher Sprühkopf mit einem Formgas, beispielsweise N2H2 befüllt. Als Trägergas wird dem Sprühkopf Stickstoff N2 zugeführt, der mit pulverförmigen Kupferpartikeln versetzt ist. Der Sprühkopf beinhaltet einen Plasmabrenner der unter Zuführung von elektrischer Energie und Formgas ein hochaufgeheiztes Plasma erzeugt. In dem Plasma werden die in den Sprühkopf eingedüsten pulverförmigen Kupferpartikel ganz oder teilweise aufgeschmolzen. Der Plasmastrom des Sprühkopfes reißt die aufgeschmolzenen Kupferpartikel mit und schleudert sie auf den zu beschichtenden Kunststoffträger. Das Verfahren ist als solches bekannt und kostengünstig einsetzbar. In the first method step, a plasma spraying method for application of the copper conductor track can advantageously be used as the beam-bonded thermal spraying method. In a jet-bonded plasma spraying process, a spray head movable relative to the plastic carrier is filled with a shaping gas, for example N 2 H 2 . The carrier gas nitrogen N 2 is supplied to the spray head, which is mixed with powdered copper particles. The spray head includes a plasma torch which generates a highly heated plasma while supplying electrical energy and forming gas. In the plasma, the pulverulent copper particles sprayed into the spray head are completely or partially melted. The plasma stream of the spray head entrains the molten copper particles and throws them onto the plastic carrier to be coated. The method is known as such and can be used inexpensively.
Besonders vorteilhaft kann in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens die Kupferleiterbahn nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite in einem zweiten strahlgebundenen Spritzverfahren, bei dem es sich ebenfalls um ein strahlgebundenes Plasma-Spritzverfahren handeln kann, mit einer beispielsweise 20 bis 500 Mikrometer dicken Zinnschicht versehen werden und diese Zinnschicht in einem folgenden Verfahrensschritt anschließend aufgeschmolzen und verdichtet werden, so dass eine zusammenhängende Schicht aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Metalllegierung gebildet wird. Die durch Erwärmen aufgeschmolzene Zinnschicht verdichtet sich, wobei die ursprüngliche Porosität aufgehoben wird.In a first embodiment of the method, the copper conductor track can, after its production, particularly advantageously be on its side remote from the plastic carrier in a second jet-bonded spray method, which may also be a jet-bonded plasma spray method, with a tin layer, for example 20 to 500 micrometers thick In a subsequent process step, this tin layer is subsequently melted and compacted so that a continuous layer of tin or a tin-containing metal alloy is formed. The tin-melted by heating condenses, whereby the original porosity is removed.
Die Erwärmung kann dabei vorteilhaft beispielswiese in einem Reflow-Ofen erfolgten, wobei das Zinn aufschmilzt und sich in einer dichten Gefügestruktur auf der darunterliegenden Kupferleiterhahn anordnet. Die Erwärmung im Reflow-Ofen kann erfolgen, falls der Kunststoffträger die hohen Temperaturen im Bereich von beispielsweise etwa 232 °C verkraftet. Das Aufschmelzen und Verdichten kann aber auch mittels einer über die Leiterbahn gelenkten Laserstrahls oder einer anderen geeigneten Wärmequelle durchgeführt werden, die den gleichen Weg abfährt, den der zur Auftragung der Kupferschicht oder Zinnschicht verwandte Plasma-Sprühkopf zuvor zurückgelegt hat. Dabei wird vorteilhaft nur das Metall der Leiterbahn erwärmt und nicht zusätzlich noch der Kunststoff des Trägermaterials neben der Leiterbahn. Weiterhin kann die Leiterbahn auch in einer Dampfphasenlötanlage erwärmt werden, in der das Zinn aufschmilzt. Dies hat den Vorteil, dass das dabei verwandte Wärmeübertragungsöl nur auf der Zinnschicht der Leiterbahn kondensiert und dort die Wärme überträgt, während die Kondensation auf dem Kunststoffträger aufgrund der geringeren Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit geringer ausfällt, so dass der Kunststoff weniger belastet wird.The heating can be carried out advantageously example meadow in a reflow oven, wherein the tin melts and arranges in a dense microstructure on the underlying copper conductor cock. The heating in the reflow oven can be done if the plastic carrier can withstand the high temperatures in the range of, for example, about 232 ° C. However, the melting and densification can also be carried out by means of a laser beam directed via the conductor track or another suitable heat source, which travels the same path which the plasma spray head, which is used for the application of the copper layer or tin layer, has previously traveled. In this case, only the metal of the conductor track is advantageously heated and not additionally the plastic of the carrier material next to the conductor track. Furthermore, the conductor can also be heated in a vapor phase soldering, in which the tin melts. This has the advantage that the related heat transfer oil condenses only on the tin layer of the conductor track and transfers the heat there, while the condensation on the plastic support due to the lower heat capacity and thermal conductivity is lower, so that the plastic is less stressed.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, die Kupferleiterbahn nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite in einer Wellenlötanlage mit einer zusammenhängenden Schicht aus einer Zinn enthaltenden Metalllegierung, insbesondere mit einer Lotschicht zu versehen. Vorzugsweise ist hierzu das Kunststoffträgerteil relativ flach ausgebildet ist, so dass die Lötwelle über die Oberfläche des Kunststoffträgerteils geführt werden kann. Bei einer dreidimensionalen Geometrie kann eine relativ kleine Lötwelle verwandt werden, um einen lokal begrenzten Lotauftrag zu erzielen. Hierzu wird das Kunststoffträgerteil mittels einer Vorrichtung so über die Lötwelle bewegt, dass die Kupferleiterbahnen mit der Lötwelle in Kontakt kommen.In a second advantageous embodiment of the method, it is provided to provide the copper interconnect after its production on its side facing away from the plastic carrier side in a wave soldering with a continuous layer of a tin-containing metal alloy, in particular with a solder layer. For this purpose, the plastic carrier part is preferably designed to be relatively flat, so that the soldering wave can be guided over the surface of the plastic carrier part. For a three-dimensional geometry, a relatively small solder wave can be used to achieve a localized solder application. For this purpose, the plastic carrier member is moved by means of a device over the solder wave, that the copper conductor tracks come into contact with the solder wave.
In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, die Kupferleiterbahn nach ihrer Herstellung auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite galvanisch mit einer zusammenhängenden Schicht aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Metalllegierung zu beschichten. Wie bei einem Leiterplattenherstellverfahren wird dabei das Werkstück mit den Kupferleiterbahn in Zinn-Galvanik-Technik beschichtet, wobei das Zinn wird in dichter Form auf der Kupferleiterbahn abgeschieden wird.In a third advantageous embodiment of the method, it is provided to coat the copper conductor track after its production on its side facing away from the plastic carrier side galvanically with a continuous layer of tin or a tin-containing metal alloy. As with a printed circuit board manufacturing process, the workpiece is coated with the copper conductor in tin plating technique, wherein the tin is deposited in dense form on the copper conductor.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die elektrische Leiterbahn auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite über der zusammenhängenden Schicht aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Legierung in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer Schutzabdeckung versehen wird. Die Schutzabdeckung deckt vorzugsweise die elektrische Leiterbahn auf ihrer von dem Kunststoffträger abgewandten Seite und ihren Seitenflächen vollständig nach außen ab. Dadurch können aggressive Substanzen nicht mit der Leiterbahn in unmittelbaren Kontakt treten und es wird vermieden, dass ein aggressives Medium in eventuell lokal noch vorhandene poröse Bereich eindringt.It is particularly advantageous if the electrical conductor track on its side facing away from the plastic carrier over the continuous layer of tin or an alloy containing tin in a further process step is provided with a protective cover. The protective cover preferably covers the electrical conductor on its side facing away from the plastic carrier side and their side surfaces completely to the outside. As a result, aggressive substances can not come into direct contact with the conductor track and it is avoided that an aggressive medium penetrates into any possibly still locally existing porous area.
Vorzugsweise wird ein Lötstopplack als Schutzabdeckung eingesetzt, der auf dem Kunststoffträger gut haftet. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als Kunststoffträger ein Duroplast oder Epoxidharzsubstrat eingesetzt wird.Preferably, a solder mask is used as a protective cover, which on the Plastic carrier adheres well. This is the case in particular when a thermoset or epoxy resin substrate is used as the plastic carrier.
In den Kunststoffträger kann ein elektrisches Anschlusselement eines elektrischen Bauelementes eingebettet sein, das mit einem Ende bündig an der Außenseite des Kunststoffträgers freiliegt. Die Kupferleiterbahn kann vorteilhaft derart auf den Kunststoffträger über dem freiliegenden Ende aufgebracht werden, dass die Kupferleiterbahn mit dem elektrischen Anschlusselement elektrisch leitend verbunden ist. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn mittels des Verfahrens eine Sensorbaugruppe herstellt wird, welche einen Kunststoffträger als Sensordom mit einer auf der Außenseite des Kunststoffträgers hergestellten elektrischen Leiterbahn umfasst.In the plastic carrier, an electrical connection element of an electrical component can be embedded, which is exposed at one end flush to the outside of the plastic carrier. The copper conductor track can advantageously be applied to the plastic carrier over the exposed end such that the copper conductor track is electrically conductively connected to the electrical connection element. This is particularly appropriate if the method produces a sensor module which comprises a plastic carrier as a sensor dome with an electrical conductor track produced on the outside of the plastic carrier.
Figurenlistelist of figures
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1a bis1c zeigen Querschnitte durch eine elektrische Baugruppe bei der nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine elektrische Leiterbahn auf einem Kunststoffträger aufgebracht wird,1a to1c show cross sections through an electrical assembly in which according to a first embodiment of the method according to the invention an electrical conductor is applied to a plastic carrier, -
2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens,2 shows a flow chart of the method, -
3 zeigt eine Sensorbaugruppe mit einem Kunststoffträger als Sensordom und mit einer auf der Außenseite des Kunststoffträgers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Leiterbahn.3 shows a sensor assembly with a plastic carrier as a sensor dome and with an electrical conductor produced on the outside of the plastic carrier according to the inventive method.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die
In einem folgenden zweiten Verfahrensschritt
In dem folgenden Verfahrensschritt
Die Zinnschicht
Alternativ zu der in den
Im letzten Verfahrensschritt
Mit dem hier vorgestellten Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Leiterbahn auf einem Kunststoffträger können eine einzelne oder mehrere Leiterbahnen auf dem gleichen Kunststoffträger aufgebracht werden.With the method presented here for producing an electrical conductor on a plastic carrier, a single or multiple conductor tracks can be applied to the same plastic carrier.
Die Sensorbaugruppe kann auf einer Leiterplatte
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 5891527 [0002]US 5891527 [0002]
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WO2021018713A1 (en) * | 2019-07-26 | 2021-02-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for thermally spraying conductor paths, and electronic module |
Citations (1)
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