-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe, umfassend ein Trägerelement sowie ein oder mehrere elektronische Bauteile. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektronische Baugruppe.
-
Elektronische Baugruppen, bei deren Betrieb eine signifikante Menge an Wärme erzeugt wird, so wie es beispielsweise bei Leuchtdioden oder bei Leistungselektronik der Fall ist, benötigen ein Wärmemanagement, um ein Überhitzen der Bauteile zu verhindern. Es ist dazu bekannt, beispielsweise aus wärmeleitfähigen Materialien wie Metall gefertigte Wärmesenken zu verwenden. Diese Wärmesenken oder Kühlkörper können beispielsweise durch Fräsen oder Gießen gefertigt werden und an den Bauteilen oder an dem Trägerelement der elektronischen Baugruppe angeordnet werden. Dabei ist es wünschenswert, dass die Wärmesenke in möglichst gutem thermischen Kontakt insbesondere zu dem oder den Bauteilen der elektronischen Baugruppe steht, damit eine effiziente Abfuhr von Wärme aus dem Bauteil zu ermöglicht wird. Insbesondere bei sehr kleinen Bauteilen, wie SMD-Bauteilen und/oder bei Mikroelektronikkomponenten, ist eine Anordnung von einzelnen Wärmesenken an die jeweiligen Bauteile nicht oder nur mit großen Aufwand möglich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein aufwandsarmes Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe und eine entsprechende elektronische Baugruppe anzugeben, welche eine effiziente Wärmeabfuhr aus einem elektronischen Bauteil ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Baugruppe nach Anspruch 15 gelöst.
-
Die Grundidee der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe, umfassend ein Trägerelement sowie wenigstens ein elektronisches Bauteil, bei dem wenigstens ein wenigstens eine zur Abfuhr von Wärme aus dem Bauteil ausgebildete Kühlkörperstruktur umfassender, aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehender Kontakt, der wenigstens einen Anschluss wenigstens eines des wenigstens einen elektronischen Bauteils mit wenigstens einer Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe verbindet, in einem 3D-Druckverfahren gebildet wird. Somit werden in einem einzigen Prozessschritt als eine Einheit der Kontakt und die Kühlstruktur geschaffen. Dabei sind zwei grundlegende Varianten der Erfindung denkbar, die im Folgenden genauer dargestellt werden sollen.
-
Für eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens eines des wenigstens einen elektronischen Bauteils der Baugruppe in einer Aussparung des Trägerelements angeordnet wird, wobei der wenigstens eine Anschluss des elektronischen Bauteils mit der wenigstens einen Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe durch Abscheidung des wenigstens einen den wenigstens einen Anschluss und die wenigstens eine Leitungsstruktur zumindest teilweise überdeckenden, die wenigstens eine zur Abfuhr von Wärme aus dem elektronischen Bauteil ausgebildete Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes mittels des 3D-Druckverfahrens verbunden wird.
-
Für das zweite erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass als das Trägerelement ein Trägerelement verwendet wird, welches wenigstens eine oberflächenseitige Aussparung aufweist, wobei die Aussparung mit wenigstens dem elektrisch leitfähigen Material mittels des 3D-Druckverfahrens zur Bildung des wenigstens einen die Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes verfüllt wird, wonach wenigstens eines des wenigstens einen elektronischen Bauteils derart auf dem wenigstens einen Kontakt angeordnet wird, dass der wenigstens eine Anschluss des elektronischen Bauteils zumindest bereichsweise in Berührung mit dem verfüllten, elektrisch leitfähigen Material gebracht wird.
-
Beide Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens beruhen auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung eines eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes ein direkter Kontakt zwischen der Kühlkörperstruktur und dem zu kühlenden elektronischen Bauteil erreicht wird. Über den Kontakt kann somit sowohl eine elektrische Verbindung zwischen einer Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe und dem elektronischen Bauteil gebildet werden als auch aufgrund der Kühlkörperstruktur des Kontaktes im Betrieb des elektronischen Bauteils entstehende Wärme nach außen abgeführt werden. Durch die Integration der Kühlkörperstruktur in den Kontakt wird vorteilhaft ein besonders geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen dem elektronischen Bauteil und der Kühlkörperstruktur erzielt.
-
Das Trägerelement kann dabei ein wenigstens eine Leiterbahn umfassender Leitungsträger, insbesondere eine Leiterplatte, sein. Dabei können als Trägerelement beispielsweise konventionelle Leiterplatten verwendet werden. Es ist auch möglich, dass neben starren auch flexible oder bereichsweise flexible Leiterplatten als Trägerelemente verwendet werden. Alternativ zu einer planaren Leiterplatte kann das Trägerelement in einem 3D-Druckverfahren oder mittels einer Spritzgusstechnik hergestellt werden und eine dreidimensionale Struktur aufweisen, wobei das Trägerelement entweder keine Leiterbahn aufweisen kann oder eine oder mehrere Leiterbahnen umfassen kann.
-
Die Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe kann eine Leiterbahn des Trägerelements sein. Es ist auch möglich, dass die Leitungsstruktur ein Anschluss wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils der elektronischen Baugruppe ist. Auf diese Weise kann das wenigstens eine elektronische Bauteil durch den die Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakt vorteilhaft mit einer Leiterbahn des Trägerelements und/oder mit dem Anschluss eines weiteren elektronischen Bauteils der elektronischen Baugruppe verbunden werden, so dass mithin also die Bildung wenigstens eines Kontakts derart erfolgt, dass er jeweils wenigstens einen Anschluss von zwei oder mehr elektronischen Bauteilen der elektronischen Baugruppe verbindet. Es ist insbesondere möglich, dass bei einer Verbindung des wenigstens einen elektronischen Bauteils mit dem Anschluss wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils der elektronischen Baugruppe ein Trägerelement ohne Leiterbahnen verwendet wird. Dies bietet den Vorteil, dass ein Trägerelement verwendet werden kann, welches nur aus einem einzigen Material gefertigt ist, wodurch sich dessen Herstellungsprozess und damit auch der Herstellungsprozess der elektronischen Baugruppe insgesamt vereinfacht. Auf diese Weise kann durch die Kontakte eine Verbindung mehrerer Bauteile untereinander und/oder eine Verbindung eines oder mehrerer Bauteile, beispielsweise Leuchtdioden, zu einer Energiequelle oder einem auf dem Trägerelement vorgesehenen Anschlussmittel, beispielsweise einem Stecker, realisiert werden.
-
Die erfindungsgemäßen Verfahren haben in vorteilhafter Weise weiterhin zur Folge, dass die Größe bzw. der Bauraumbedarf der elektronischen Baugruppe verkleinert werden kann, da die Größe der Kühlstrukturen genau an die jeweils abzuführende Wärmemenge angepasst werden kann. Auf den Einsatz vorgefertigter, beispielsweise gegossener, Wärmesenken, welche im Allgemeinen nicht in beliebigen Größen zur Verfügung stehen, kann daher verzichtet werden. Durch die direkte Integration der Kühlkörperstruktur in den Kontakt entfällt auch die Notwendigkeit beispielsweise isolierende Zwischenschichten zwischen einer Kühlkörperstruktur und elektrischen Verbindungen zwischen den Leitungsstrukturen und den Anschlüssen des Bauteils vorzusehen. Neben einer Verringerung des thermischen Widerstandes zwischen dem elektronischen Bauteil und der Kühlkörperstruktur führt auch dies zu einer Vereinfachung des Aufbaus sowie zu einer geringeren Größe der elektronischen Baugruppe.
-
Weiterhin führt das Abscheiden des eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes zu einer Reduktion von Prozessschritten, da sowohl die elektrische Verbindung als auch die Kühlkörperstruktur in einem einzigen Prozessschritt hergestellt werden können. Dies führt zu einer schnelleren und effizienteren Herstellung der elektronischen Baugruppe.
-
Die Verwendung eines 3D- Druckverfahrens zur Herstellung des eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes erlaubt es vorteilhaft, eine individuelle Anpassung des Kontaktes und insbesondere seiner Kühlkörperstruktur in Abhängigkeit der Erfordernisse des jeweiligen Bauteils vorzunehmen. Insbesondere können auf die jeweiligen Erfordernisse des Bauteils optimierte Kontakte individuell bestimmt und gefertigt werden. 3D-Druckverfahren ermöglichen weiterhin vorteilhaft die Bildung sehr kleiner Strukturen, sodass auch für oberflächenmontierte Bauteile, auch SMD-Bauteile genannt, und/oder für Mikroelektronikkomponenten ein Aufbringen von jeweils einem oder mehreren, jeweils eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakten möglich ist.
-
Im ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird der elektrische Kontakt zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leitungsstruktur dadurch realisiert, dass der die Kühlkörperstruktur umfassende Kontakt mittels eines 3D-Druckverfahrens derart abgeschieden wird, dass er den wenigstens einen Anschluss des elektronischen Bauteils sowie wenigstens eine Leitungsstruktur zumindest teilweise überdeckt, wodurch eine elektrische Verbindung erzeugt wird. Durch die Abscheidung des den Kontakt bildenden, elektrisch leitfähigen Materials mittels des 3D-Druckverfahrens können die Größe und die Form des Kontaktes bzw. der vom Kontakt ausgebildeten Kühlkörperstruktur an die Erfordernisse der jeweiligen elektronischen Baugruppe angepasst werden. So kann beispielsweise eine Dicke des Kontaktes bzw. eine Querschnittsfläche der elektrischen Verbindung zwischen dem Anschluss und der Leitungsstruktur an eine während des Betriebes des elektronischen Bauteils zu erwartende, maximale Stromstärke angepasst werden. Die Größe und die Form der Kühlkörperstruktur, beispielsweise die Größe der mit der Umgebungsluft oder eines anderen Kühlmediums in Verbindung stehenden Oberfläche der Kühlkörperstruktur, kann an die abzuführende Wärmemenge angepasst werden.
-
Die Kühlkörperstruktur kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie die im Bauteil entstehende Wärme an ein die Kühlkörperstruktur bereichsweise umgebendes Kühlmedium, wie beispielsweise die Umgebungsluft, abgibt. Bei einem Bauteil, welches zwei oder mehr Anschlüsse umfasst, kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeder der Anschlüsse des Bauteils über jeweils einen eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakt mit einer Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe verbunden ist. Ebenso kann die elektronische Baugruppe mehrere elektronische Bauteile umfassen, bei denen jeweils ein oder mehrere Anschlüsse über einen eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakt mit einer Leitungsstruktur verbunden sind. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Bauteile untereinander zumindest teilweise über einen oder mehrere, jeweils eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakte verbunden sind.
-
Dadurch, dass das elektronische Bauteil in einer Aussparung der Leiterplatte angeordnet wird, kann ein Höhenunterschied zwischen dem Anschluss des Bauteils und der Leitungsstruktur reduziert werden, so dass der Anschluss und die Leitungsstruktur möglichst einfach verbunden werden können. Eventuell verbleibende Höhenunterschiede können jedoch aufgrund der Verwendung des 3D-Druckverfahrens zur Abscheidung des Kontaktes durch eine entsprechende Form des Kontaktes problemlos überbrückt werden. Das verwendete Trägerelement kann konventionell gefertigt sein oder ganz oder teilweise in einem 3D-Druckverfahren gefertigt sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Fertigung des Trägerelements, insbesondere als Leiterplatte, mittels des 3D-Druckverfahrens vor dem Anordnen des wenigstens einen elektronischen Bauteils und der Herstellung des Kontaktes erfolgt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das wenigstens eine elektronische Bauteil in der Aussparung des Trägerelements, insbesondere in einem Pick-and-Place-Verfahren, angeordnet wird, wobei das Bauteil mit der Aussparung durch Einpressen und/oder durch einen zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Trägerelement aufgebrachten Klebstoff mit dem Trägerelement verklebt wird und/oder durch den Kontakt an dem Trägerelement befestigt wird.
-
Vor der Abscheidung des Kontaktes kann das Bauteil beispielsweise in einem Pick-and-Place-Verfahren in der Aussparung des Trägerelements angeordnet werden. Das Pick-and-Place-Verfahren kann beispielsweise durch ein automatisiertes Aufnehmen des Bauteils aus einem Vorrat sowie das anschließende Bewegen und Absetzen des Bauteils in der Aussparung des Trägerelements umgesetzt werden. Die Aussparung kann dabei insbesondere eine das Trägerelement durchdringende Öffnung wie beispielsweise ein Loch sein. Zur Fixierung des Bauteils in der Aussparung kann das Bauteil in die Aussparung eingepresst werden, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Bauteil und dem Trägerelement entsteht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in der Aussparung und/oder am Bauteil ein Klebstoff aufgebracht werden, welcher das Bauteil mit der Leiterplatte verklebt. Es ist auch möglich, dass eine Fixierung des elektronischen Bauteils in der Aussparung auch durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Kontakt erreicht wird, da dieser sowohl bauteilseitig mit dem Anschluss des Bauteils sowie trägerelementseitig mit einer Leiterbahn und/oder einem Anschluss wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils verbunden ist.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass ein Kontakt gebildet wird, welcher einen ersten Abschnitt und zweiten Abschnitt, welche in thermischen Kontakt stehen, umfasst, wobei der erste Abschnitt aus einem ersten Material gebildet wird und der zweite Abschnitt aus einem zweiten Material gebildet wird.
-
Dabei kann das erste Material und/oder das zweite Material elektrisch leitfähig sein, um die elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss des Bauteils und der Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe herzustellen. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien bietet beispielsweise den Vorteil, den ersten Abschnitt durch ein elektrisch sehr gut leitfähiges Material zu bilden, um die elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss und der Leitungsstruktur zu gewährleisten. Der zweite Abschnitt, welcher beispielsweise die Kühlkörperstruktur zumindest teilweise umfassen kann, kann aus einem zweiten Material gebildet werden, da für die Kühlkörperstruktur die elektrische Leitfähigkeit nur eine geringere Rolle spielen kann und somit für den zweiten Abschnitt insbesondere ein zweites Material verwendet werden kann, welches die Abfuhr der Wärme aus dem Bauteil ermöglicht, aber gegebenenfalls keine oder nur eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das erste Material. Auf diese Weise können die Materialkosten bei der Herstellung der elektronischen Baugruppe reduziert werden. Es ist auch möglich, dass die mechanischen Eigenschaften des Kontaktes, insbesondere einer Oberfläche des Kontaktes, durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Material angepasst werden können. Dadurch, dass die beiden Abschnitte des Kontaktes in thermischen Kontakt zueinander stehen, hat die Verwendung von zwei verschiedenen Materialien für den Kontakt keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Abfuhr der Wärme aus dem Bauteil, da die wärmeabführende Funktion der Kühlkörperstruktur des Kontaktes nicht beeinträchtigt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, dass der Kontakt zumindest abschnittsweise hohl ausgeführt ist bzw. in seinem Inneren einen oder mehrere Hohlräume aufweist, was ebenfalls zu einer Materialersparnis führen kann.
-
Um die Effizienz der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu erhöhen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine Leiterbahn des Trägerelements durch Abscheidung von wenigstens einem elektrisch leitfähigem Material mittels eines 3D-Druckverfahrens gebildet und in demselben Verfahrensschritt wie der Kontakt aufgebracht wird. Es ist insbesondere möglich, dass der Kontakt ganz oder teilweise aus demselben Material gebildet wird wie die Leiterbahn des Trägerelements, so dass ein Aufbringen der Leiterbahn sowie des Kontaktes in einem Prozessschritt möglich ist. Insbesondere in einem Verfahren, in dem auch das Trägerelement ganz oder teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wird, kann auf diese Weise eine weitere Steigerung der Effizienz des Verfahrens erreicht werden. Die Leiterbahn kann dabei eine beliebige Länge haben und/oder Verzweigungen oder ähnliches aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Leiterbahn die Verbindung zu einer weiteren Leiterbahn des Trägerelements und/oder zu einem weiteren elektronischen Bauteil und/oder zu einem weiteren Kontakt der Baugruppe herstellt.
-
Für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Trägerelement verwendet wird, welche wenigstens eine oberflächenseitige Aussparung aufweist, wobei die Aussparung mit wenigstens einem elektrisch leitfähigem Material mittels eines 3D-Druckverfahrens zur Bildung wenigstens eines eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontaktes verfüllt wird, wonach wenigstens ein elektronisches Bauteil derart auf den wenigstens einen Kontakt angeordnet wird, dass wenigstens ein Anschluss des elektronischen Bauteils zumindest bereichsweise in Berührung mit dem verfüllten, elektrisch leitfähigen Material gebracht wird.
-
Erfindungsgemäß ist es in der zweiten Variante vorgesehen, dass zunächst der Kontakt durch Verfüllen der wenigstens einen oberflächenseitigen Aussparung in dem Trägerelement gebildet wird. Die oberflächenseitige Aussparung kann dabei beispielsweise eine das Trägerelement teilweise durchdringende Vertiefung sein, welche an einer Oberseite des Trägerelements offen ist, so dass von dort das wenigstens eine elektrisch leitfähige Material mittels eines 3D-Druckverfahrens, insbesondere durch Dispensen, verfüllt werden kann. Nach der Bildung des Kontaktes wird das Bauteil derart auf dem wenigstens einen Kontakt angeordnet, dass wenigstens ein Anschluss des elektronischen Bauteils zumindest bereichsweise in Berührung mit dem aus dem verfüllten, elektrisch leitfähigen Material gebildeten Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss des Bauteils und dem Kontakt erzeugt. Das Anordnen des elektronischen Bauteils auf dem wenigstens einen Kontakt kann beispielsweise wie vorangehend beschrieben mittels eines Pick-and-Place-Verfahrens erfolgen. Durch Verfüllung der oberflächenseitigen Aussparung mit dem elektrisch leitfähigen Material wird ein Kontakt erzeugt, welcher zumindest bereichsweise in das Trägerelement integriert ist und eine Wärmeabfuhr bzw. eine Spreizung der von dem elektronischen Bauteil erzeugten Wärme an eine der Oberfläche des Trägerelements gegenüberliegende Unterseite des Trägerelements und/oder in der Ebene des Trägerelements ermöglicht.
-
Für das in beiden Varianten von erfindungsgemäßen Verfahren verwendete elektrisch leitfähige Material kann vorgesehen sein, dass ein Flüssigmaterial insbesondere eine metallhaltige Tinte, oder wenigstens eine ein Metall enthaltende Suspension, insbesondere eine aus Nanopartikeln und wenigstens einem flüssigen Lösungsmittel gebildete Suspension oder eine aus Metallflocken und einem flüssigen Klebstoff gebildete Suspension oder eine ein keramisches Material umfassende Suspension, verwendet wird, welche durch Bildung eines flüssigen Strahls, eines das Flüssigmaterial umfassenden Aerosols, durch Dispensen und/oder durch piezoaktuierte Strahlbildung aufbringbar ist und/oder dass als elektrisch leitfähiges Material ein Filamentmaterial, insbesondere ein Kunststofffilamentmaterial, welches mittels eines Fused-Filament-Fabrication-Druckverfahrens und/oder eines Fused-Deposition-Modeling-Druckverfahrens aufbringbar ist, verwendet wird. Unter Verwendung eines flüssigen Ausgangsmaterials kann sowohl eine Kontaktstruktur gemäß des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet werden, welche den Anschluss eines in einer Aussparung des Trägerelements angeordneten elektronischen Bauteils mit der Leitungsstruktur verbindet als auch eine Verfüllung einer oberflächenseitigen Aussparung gemäß des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen werden. Es ist auch möglich, dass das elektrisch leitfähige Material und/oder ein gegebenenfalls verwendetes zweites Material als Filament vorliegt, wobei als 3D-Druckverfahren ein Fused-Filament-Fabrication-Druckverfahren (FFF-Druck) oder ein Fused-Deposition-Modeling-Druckverfahren (FDM-Druck) verwendet wird.
-
Um einen festen Kontakt zu erhalten, kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Flüssigmaterial während oder nach dem 3D-Drucken verfestigt wird. Insbesondere ist es auch möglich, dass das elektrisch leitfähige Material bereichsweise bereits während des Abscheidungsprozesses verfestigt wird, um die Bildung von dreidimensionalen Strukturen zu ermöglichen. Insbesondere bei der Verfüllung der oberflächenseitigen Aussparung ist es jedoch auch möglich, dass der gesamte Kontakt erst nach Beendigung des Verfüllens verfestigt wird. Ein Verfestigen des elektrisch leitfähigen Materials kann beispielsweise durch ein gegebenenfalls nur bereichsweises Erhitzen während des Abscheidens und/oder durch ein Ausheizen und/oder ein Sintern nach der Abscheidung erfolgen.
-
Ein Aufbringen des Flüssigmaterials kann durch Bildung eines flüssigen Strahls, eines das Flüssigmaterial umfassenden Aerosols, durch Dispensen und/oder durch piezoaktuierte Strahlbildung erfolgen. Als Metall oder Metallpartikel für eine Suspension können zum Beispiel Silber, Gold, Aluminium, Kupfer oder Legierungen dieser Metalle verwendet werden. Ebenso können Nanopartikel aus diesen Metallen und/oder Legierungen davon verwendet werden. Es ist auch möglich, dass keramische Materialien oder kohlenstoffhaltige Nanopartikel wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren oder Graphitpartikel verwendet werden. Denkbar ist auch, dass mehrere verschiedene Flüssigmaterialien verwendet werden, welche insbesondere nacheinander verfüllt und verfestigt werden können, so dass sich ein Schichtaufbau des Kontaktes ergibt. Auf diese Weise kann, wie vorangehend beschrieben, ein aus zwei oder mehr Materialien bestehender Kontakt gebildet werden.
-
Für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine stoffschlüssige, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Anschluss des wenigstens einen elektronischen Bauteils und dem Kontakt durch ein Verfestigen des wenigstens einen elektrisch leitfähigen Materials gebildet wird. Das erfindungsgemäß vorgesehene Anordnen des elektrisches Bauteils derart, dass wenigstens ein Anschluss des elektronischen Bauteils zumindest bereichsweise in Berührung mit dem verfüllten, elektrisch leitfähigen Material gebracht wird, kann dazu verwendet werden, das elektronische Bauteil nach dem Anordnen durch ein Verfestigen des elektrisch leitfähigen Materials an der dadurch gebildeten Kontaktstruktur zu befestigen. Auf diese Weise kann vorteilhaft das Anordnen des Bauteils sowie dessen Befestigung in einem Prozessschritt erfolgen, wodurch die Effizienz des Verfahrens gesteigert wird, da auf einen zusätzlichen Prozessschritt zur Befestigung des Bauteils verzichtet werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu ist natürlich auch eine Befestigung des Bauteils an dem verfestigten Kontakt durch eine Abscheidung von einem gegebenenfalls elektrisch leitfähigen Befestigungsmaterial im Bereich der Anschlüsse des elektronischen Bauteils denkbar.
-
Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die oberflächenseitige Aussparung wenigstens eine das Trägerelement zumindest teilweise durchdringende Kapillare, insbesondere eine Spaltkapillare, umfasst, wobei durch das in die Kapillare verfüllte Flüssigmaterial eine Finne der Kühlkörperstruktur gebildet wird.
-
Unter Finne ist in diesem Zusammenhang ein Strukturabschnitt der Kühlkörperstruktur zu verstehen, welcher die Oberfläche der Kühlkörperstruktur vergrößert. Dies können beispielsweise flächige Strukturabschnitte mit geringerer Dicke sein, deren große Seitenflächen in Kontakt zu einem die Körperstruktur umgebenden Medium sind. Durch Ausnutzung des Kapillareffekts ist eine vorteilhafte Bildung der Kühlkörperstruktur insbesondere hinsichtlich der Bildung von Finnen möglich, da durch den Kapillareffekt das Füllen schmaler Spalte ermöglicht wird. Dadurch können vorteilhaft Abschnitte der Kühlkörperstruktur mit einem großen Oberfläche-zu-Volumenverhältnis wie beispielsweise Finnen erzeugt werden. Für die Finnen können Strukturgrößen von beispielsweise 10 µm bis einigen Millimetern vorgesehen sein. Die Ausnutzung des Kapillareffekts ermöglicht weiterhin eine schnelle Fertigung mit einem hohen Durchsatz, da das verfüllte Flüssigmaterial selbständig aufgrund des Kapillareffekts in die Kapillaren bzw. Spaltkapillaren gezogen wird.
-
Erfindungsgemäß kann für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass ein mit wenigstens einer zumindest teilweise in die oberflächenseitige Aussparung hineinragenden Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe elektrisch leitfähig verbundener Kontakt verwendet wird. Die wenigstens eine Leitungsstruktur kann dabei eine Leiterbahn des Trägerelements, insbesondere eine Leiterplatte, sein. Die Leiterbahn kann an einer beliebigen Stelle in die oberflächenseitige Aussparung des Trägerelements hineinragen, so dass der Kontakt mit dieser Leiterbahn elektrisch verbunden wird. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen dem am Kontakt angeordneten Bauteil und der elektrischen Leiterbahn erreicht. Es ist möglich, dass ein Kontakt mit mehreren Leiterbahnen verbunden ist und/oder dass das Bauteil auf mehreren Kontakten, welche jeweils mit wenigstens einer Leiterbahn verbunden sind, angeordnet wird. Das Ausbilden der in die oberflächenseitige Aussparung hineinragenden Leiterbahn kann insbesondere bei einer Herstellung der Leiterplatte in einem 3D-Druckverfahren in vorteilhafter Weise umgesetzt werden. Es ist auch möglich, dass die wenigstens eine Leitungsstruktur ein Anschluss eines weiteren elektronischen Bauteils der elektronischen Baugruppe ist, wobei der Anschluss des weiteren Bauteils an einer beliebigen Stelle in die oberflächenseitige Aussparung der Leiterplatte hineinragen kann, so dass der Kontakt mit diesem Anschluss elektrisch verbunden wird.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem Oberflächenteilbereich des Trägerelements neben dem elektronischen Bauteil wenigstens eine weitere Lage eines Trägerelements mittels eines 3D-Druckverfahrens gebildet wird. Dabei kann beispielsweise eine elektrische Verbindung des Kontaktes mit einer Leiterbahn des Trägerelements durch ein direktes Abscheiden eines Teils der Leiterbahn auf dem Kontakt erzeugt werden. Das Abscheiden weiterer Lagen des Trägerelements neben dem elektronischen Bauteil ermöglicht ein Einbetten des elektronischen Bauteils in das Trägerelement sowie das Erzeugen von weiteren elektrischen Verbindungen, Schaltungsabschnitten oder Ähnlichem. Eine Lage des Trägerelements kann dabei beispielsweise eine oder mehrere Leiterbahnen und/oder eine oder mehrere Schichten aus einem isolierenden Material umfassen, um gegebenenfalls mehrere übereinander abzuscheidende Leiterbahnen durch das isolierende Material voneinander trennen zu können.
-
Für eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kühlkörperstruktur kann vorgesehen sein, dass sie umfassend einen Basisabschnitt sowie wenigstens eine Finne gebildet wird. Die Finne kann dabei bereichsweise an dem Trägerelement anliegen oder in Kontakt mit einem die Kühlkörperstruktur des Kontaktes umgebenden Kühlmediums, beispielsweise Luft, stehen. Der Basisabschnitt kann dabei insbesondere derart ausgeführt werden, dass er einen Wärmetransport und/oder eine Spreizung der Wärme zu der wenigstens einen Finne ermöglicht. Weiterhin kann der Basisabschnitt so ausgeführt werden, dass er eine ausreichende Dicke bzw. einen ausreichenden Querschnitt zur Führung des elektrischen Stromes zum elektrischen Bauteil ermöglicht. Die Geometrie des Basisabschnitts sowie die Geometrie und die Anzahl der Finnen kann aufgrund der Verwendung des 3D-Druckverfahrens an die Erfordernisse des jeweiligen elektronischen Bauteils angepasst werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang möglich, im Vorfeld eine optimierte Geometrie mittels eines computerbasierten Optimierungsverfahrens zu bestimmen.
-
Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Basisabschnitt mit einer sich zumindest bereichsweise graduell ändernden Dicke und/oder einer sich zumindest bereichsweise graduell ändernden Breite gebildet wird. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Dicke und/oder die Breite des Basisabschnittes in einem am Anschluss des elektronischen Bauteils anliegenden Bereich des Kontaktes dicker ist als in einem weiteren Bereich des Kontaktes, welcher an der wenigstens einen Leitungsstruktur anliegt. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere am elektronischen Bauteil eine große Dicke und/oder Breite des Basisabschnitts der Kühlkörperstruktur vorliegt, so dass eine gute Verteilung der Wärme innerhalb der Kühlkörperstruktur und damit insbesondere ein guter Wärmetransport zu der wenigstens einen Finne ermöglicht wird.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei durch einen Spalt voneinander beabstandete Kontakte gebildet werden, welche jeweils zumindest teilweise mit einem unterschiedlichen Anschluss des elektronischen Bauteils verbunden sind. Da die unterschiedlichen Anschlüsse eines Bauteils gemeinhin jeweils auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential liegen, wird durch das Vorsehen eines Spaltes zwischen zwei oder mehr voneinander beabstandeten Kontakten ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Anschlüssen des Bauelementes vermieden. Bei einem zweipoligen Bauteil, welches zwei Anschlüsse aufweist, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die beiden Kontakte spiegelsymmetrisch zum Spalt geformt sind. Die Breite des Spaltes kann dabei selbstverständlich an die zwischen den Anschlüssen liegende Potentialdifferenz angepasst werden, so dass ein elektrischer Kurzschluss durch Lichtbogenbildung oder ähnliche Effekte bei einem Betrieb des elektronischen Bauteils ausgeschlossen wird. Bei einem Bauteil, das mehr als zwei Anschlüsse aufweist, können mehr als zwei Kontakte vorgesehen sein, welche jeweils durch einen oder mehrere Spalte voneinander beabstandet sind.
-
Das elektronische Bauteil kann erfindungsgemäß eine Leuchtdiode, eine Laserdiode, ein Transistor, insbesondere ein Leistungstransistor, oder ein Mikroprozessor sein. Sowohl bei Leuchtdioden und Laserdioden als auch bei Transistoren und insbesondere bei Leistungstransistoren oder Mikroprozessoren kann es im Betrieb zu einer signifikanten Wärmeentwicklung kommen, die den Einsatz einer Kühlkörperstruktur zu Abfuhr dieser Wärme erforderlich macht, um Leistungseinbußen oder Beschädigungen des Bauteils zu verhindern.
-
Für eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe ist vorgesehen, dass sie wenigstens ein elektronisches Bauteil sowie ein Trägerelement umfasst, wobei wenigstens ein Anschluss des elektronischen Bauteils mit wenigstens einer Leitungsstruktur der elektronischen Baugruppe durch wenigstens einen einstückigen, eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakt verbunden ist, wobei die Kühlkörperstruktur von dem Trägerelement weg weist oder in eine Aussparung des Trägerelements hineinragt. Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe kann dabei insbesondere in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein. Der Vorteil der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe liegt in ihrem einfachen und kompakten Aufbau, da erfindungsgemäß wenigstens ein einstückiger, eine Kühlkörperstruktur umfassender Kontakt verwendet wird, welcher in vorteilhafter Weise sowohl eine elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leitungsstruktur, insbesondere einer Leiterbahn des Trägerelements oder dem Anschluss eines weiteren elektronischen Bauteils der elektronischen Baugruppe, bewirkt als auch zur Wärmeabfuhr von im elektronischen Bauteil entstehender Wärme dient.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines in einer Aussparung einer Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteils,
- 2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe,
- 3 eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kontakts,
- 4 eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kontakts,
- 5 eine weitere Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe,
- 6 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe,
- 7 eine geschnittene Seitenansicht einer Leiterplatte,
- 8 eine geschnittene Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe,
- 9 eine geschnittene Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe, und
- 10 eine geschnittene Seitenansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe.
-
In 1 ist eine geschnittene Seitenansicht eines als Leiterplatte 1 ausgeführten Trägerelements dargestellt, welche eine Aussparung 2 aufweist, in der ein elektronisches Bauteil 3 angeordnet ist. Das elektronische Bauteil 3 kann ein oberflächenmontiertes Bauelement (surface-mounted device, SMD) sein und beispielsweise als Leuchtdiode ausgeführt sein. Das elektronische Bauteil 3 umfasst zwei Anschlüsse 4, 5 und kann in der Aussparung 2 der Leiterplatte 1 beispielsweise in einem Pick-and-Place-Verfahren angeordnet werden. Dabei wird das elektronische Bauteil 3 nach Bereitstellen der die Aussparung 2 umfassenden Leiterplatte 1 beispielsweise automatisiert einem Vorrat entnommen in die Aussparung 2 eingesetzt. Eine Befestigung des Bauteils 3 in der Aussparung 2 kann beispielsweise durch ein Einpressen des Bauteils 3 in die Aussparung 2 und/oder durch das Aufbringen eines Klebstoffes 6 in die Aussparung 2 und/oder an das Bauteil 3 erfolgen.
-
Die Leiterplatte 1 kann starr oder flexibel sein oder auch als bereichsweise starr und bereichsweise flexibel ausgeführt sein. Die Leiterplatte 1 kann mehrere Schichten 7 umfassen und beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren gebildet werden. Die Schichten 7 können dabei jeweils aus einem isolierenden Material bestehen und/oder eine oder mehrere Leiterbahnen 8, 9 umfassen. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nur zwei Leiterbahnen 8, 9 dargestellt, wobei es selbstverständlich möglich ist, dass in den Schichten 7 der Leiterplatte weitere Leiterbahnen vorhanden sind.
-
2 zeigt eine Schnittansicht einer mit der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektronischen Baugruppe 15. Das elektronische Bauteil 3 ist dabei in der Aussparung 2 der Leiterplatte 1 angeordnet und wird durch die nach dem Anordnen des elektronischen Bauteils 3 durch ein 3D-Druckverfahren abgeschiedenen Kontakte 10, 11 an der Leiterplatte 1 befestigt. Die Bildung der Kontakte 10, 11 erfolgt mittels eines 3D-Druckverfahrens durch Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Materials, wie beispielsweise Silber oder Aluminium. Der Kontakt 10 überdeckt dabei den Anschluss 4 des elektronischen Bauteils 3 sowie die Leiterbahn 8 der Leiterplatte 1. Entsprechend überdeckt der Kontakt 11 den Anschluss 5 des elektronischen Bauteils 3 sowie die Leiterbahn 9 der Leiterplatte 1. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 4 und der Leiterbahn 8 sowie dem Anschluss 5 und der Leiterbahn 9 hergestellt. Das elektronische Bauteil 3 kann somit durch eine Bestromung der Leiterbahnen 8, 9 betrieben werden, wobei der Strom von den Leiterbahnen 8, 9 durch die Kontakte 10, 11 an die jeweiligen Anschlüsse 4, 5 geführt wird. Es ist möglich, dass in demselben Prozessschritt, in dem die Kontakte 10, 11 gebildet werden, auch eine Abscheidung wenigstens einer weiteren Leiterbahn auf der Leiterplatte 1 erfolgt. Die weitere Leiterbahn kann dabei insbesondere elektrisch mit dem Kontakt 10, 11 verbunden sein und beispielsweise eine Verbindung zu weiteren Bauteilen oder Schaltungselementen der Leiterplatte 1 herstellen.
-
Um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden, sind der Kontakt 10 und der Kontakt 11 durch einen Spalt 12 voneinander beabstandet. Die Kontakte 10, 11 umfassen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen Basisabschnitt 13 mit einer graduell abnehmenden Dicke. Die Dicke des Basisabschnitts 13 ist in den Bereichen der Kontakte 10, 11 am größten, in denen die Kontakte 10, 11 die Anschlüsse 4, 5 sowie das elektronische Bauteil 3 überlappen. Die Dicke der Basisabschnitte 13 nimmt in Richtung der Leiterbahnen 8, 9 graduell ab. Auf diese Weise wird eine effiziente Spreizung der Wärme innerhalb der Kontakte 10, 11 und dadurch eine effiziente Abfuhr der Wärme aus dem elektronischen Bauteil 3 erreicht.
-
Weiterhin umfassen die Kontakte 10, 11 als Kühlkörperstruktur jeweils mehrere Finnen 14, welche die Oberfläche der Kontakte 10, 11 vergrößern und somit eine größere Kontaktfläche zwischen den Kontakten 10, 11 und einem die Kontakte 10, 11 umgebenden Kühlmedium, wie beispielsweise Luft, erzeugen.
-
3 zeigt eine Aufsicht auf eine Unterseite der Leiterplatte 1 und die dort angeordneten Kontakte 10, 11. Die Basisabschnitte 13 der Kontakte 10, 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel der Kontakte 10, 11 jeweils so ausgeführt, dass ihre Breite in ihrem dem elektronischen Bauteil 3 gegenüberliegenden Bereich größer ist als in dem den Leiterbahnen 8, 9 überdeckenden Bereich. Auch die Breite der Finnen 14 nimmt entsprechend zur Breite des Basisabschnitts 13 zu.
-
4 zeigt eine Aufsicht auf die Unterseite der Leiterplatte 1 mit einer alternativen Ausführung der Kontakte 10, 11. Dabei weisen die Basisabschnitte 13 der Kontakte 10, 11 nach außen hin eine konvexe Krümmung auf, wodurch die Breite der Basisabschnitte 13 graduell vom ihrem dem elektronischen Bauteil 3 gegenüberliegenden Bereich zu den Leiterbahnen 8, 9 hin graduell abnimmt. Weiterhin umfassen die Kontakte 10, 11 jeweils mehrere Finnen 14, welche sich hinsichtlich ihrer Länge und ihrer Breite sowie ihrer Querschnittsfläche unterscheiden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Geometrie der Kontakte und insbesondere der Finnen 14 an die jeweiligen Erfordernisse zur Wärmeabfuhr aus dem elektronischen Bauteil 3 anzupassen. So ist es möglich, dass die Anzahl und/oder die Größe der Finnen 14 und/oder die Dicke bzw. die Breite des Basisabschnitts an die aus dem elektronischen Bauteil 3 abzuführende Wärmemenge angepasst wird. Weiterhin kann die Anzahl und/oder die Anordnung der Finnen 14 auch an die Anordnung der elektronischen Baugruppe 15 innerhalb eines Kühlmediumstroms angepasst werden. Insbesondere ist es möglich, eine hinsichtlich der Wärmeabfuhr aus dem Bauteil 3 optimierte Geometrie der Kontakte 10, 11 vor deren Aufbringen durch ein beispielsweise computerbasiertes Optimierungsverfahren zu bestimmen.
-
5 zeigt schematisch den Wärmefluss in der mit dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektronischen Baugruppe 15. Der Wärmefluss aus dem elektronischen Bauteil 3 in die Kontakte 10, 11 wird durch die Pfeile 16 schematisch dargestellt. Durch die graduell abnehmende Dicke der Basisabschnitte 13 wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung der abfließenden Wärme in den Kontakten 10, 11 ermöglicht. Über die Finnen 14 der Kontakte 10, 11 kann die aus dem elektronischen Bauteil 3 abgeführte Wärme beispielsweise an einen in der Abbildungsebene fließenden Luftstrom abgegeben werden. Die Finnen 14 stellen dabei die Kühlkörperstruktur der Kontakte 10 bzw. 11 dar. Das elektronische Bauteil 3 kann als Leuchtdiode ausgeführt sein, es ist jedoch auch möglich, dass es sich beim elektronischen Bauteil 3 um eine Laserdiode und/oder um einen Transistor, insbesondere einen Leistungstransistor handelt.
-
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mit der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten elektronischen Baugruppe 15 dargestellt. Die Kontakte 10, 11 umfassen dabei jeweils einen ersten Abschnitt 17 sowie einen zweiten Abschnitt 18. Der erste Abschnitt 17 überlappt dabei die Anschlüsse 4 bzw. 5 des elektronischen Bauteils 3 sowie die Leiterbahnen 8 bzw. 9. Der zweite Abschnitt 18 befindet sich in einem thermischen Kontakt zum ersten Abschnitt 17 und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlkörperstruktur der Kontakte 10, 11, welche jeweils durch den Basisabschnitt 13 sowie die Mehrzahl von Finnen 14 gebildet wird. Es ist dabei insbesondere möglich, dass die ersten Abschnitte 17 aus einem ersten Material mittels des 3D-Druckverfahrens gebildet werden und die zweiten Abschnitte 18 nach der Bildung der ersten Abschnitte 17 durch Abscheidung eines zweiten Materials in einen 3D-Druckverfahren gebildet werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die ersten Abschnitte 17 aus einem anderen Material bestehen als die zweiten Abschnitte 18. Beispielsweise ist es möglich, dass die ersten Abschnitte 17 aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit gebildet werden, um die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 4, 5 und den Leiterbahnen 8, 9 möglichst widerstandsarm umzusetzen. Die in diesem Ausführungsbeispiel vom Volumen her umfangreicheren zweiten Abschnitte 18 können anschließend aus einem zweiten Material gebildet werden, welches gegebenenfalls eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist, jedoch günstiger ist, so dass insgesamt die Materialkosten für die Kontakte 10, 11 gesenkt werden können. Entscheidend für das zweite Material ist in dem Ausführungsbeispiel nicht seine elektrische Leitfähigkeit, sondern seine Fähigkeit, die aus dem elektronischen Bauteil 3 abgeführte Wärme an die Umgebung der elektronischen Baugruppe 15 abzugeben. Es ist beispielsweise möglich, dass als erstes Material zur Bildung der ersten Abschnitte 17 der Kontakte 10, 11 Silber verwendet wird und für die zweiten Abschnitte 18 Aluminium, ein wärmeleitfähiger Kunststoff oder ein wärmeleitfähiger keramischer Werkstoff. Durch die Abscheidung des zweiten Materials zur Bildung der zweiten Abschnitte 18 direkt auf den ersten Abschnitten 17 wird ein guter thermischer Kontakt zwischen den ersten Abschnitten 17 und den zweiten Abschnitten 18 erreicht.
-
Sowohl das erste Material als auch das zweite Material können während des 3D-Druckverfahrens in flüssiger Form in Form einer metallhaltigen Tinte und/oder wenigstens einer ein Metall enthaltenden Suspension oder als eine ein keramisches Material umfassende Suspension vorliegen, welche jeweils durch Bildung eines flüssigen Strahls, eines das Flüssigmaterial umfassenden Aerosols und/oder durch piezoaktuierte Strahlbildung auf die Leiterplatte 1 bzw. auf bereits abgeschiedenes Material zur Bildung der Kontakte 10, 11 aufgebracht werden kann. Es ist auch möglich, dass das erste und/oder das zweite Material als Filament vorliegt, wobei als 3D-Druckverfahren ein Fused-Filament-Fabrication-Druckverfahren (FFF-Druck) oder ein Fused-Deposition-Modeling-Druckverfahren (FDM-Druck) verwendet wird. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Material und/oder das zweite Material bereits während des Abscheidungsprozesses bereichsweise verfestigt wird, um das Bilden einer dreidimensionalen Struktur zu ermöglichen. Als Metall oder Metallpartikel für eine Suspension können zum Beispiel Silber, Gold, Aluminium, Kupfer oder Legierungen dieser Metalle verwendet werden. Ebenso können Nanopartikel aus diesen Metallen und/oder Legierungen davon verwendet werden. Es ist auch möglich, dass kohlenstoffhaltige Nanopartikel wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren oder Graphitpartikel und/oder keramische Werkstoffe und/oder Kunststoffe verwendet werden.
-
Bei dem ersten und/oder dem zweiten Material kann es sich auch um eine aus metallischen Nanopartikeln und wenigstens einem flüssigen Lösungsmittel gebildete Suspension oder um eine aus Metallflocken und einem flüssigen Klebstoff gebildete Suspension handeln. Derartige Suspensionen können beispielsweise durch Wärmeeinwirkung während oder nach dem Aufbringen verfestigt werden. Das Verfestigen tritt dabei beispielsweise durch ein Verdampfen des Lösungsmittels und/oder durch ein Aushärten des Klebstoffes ein. Die Verwendung einer metallische Nanopartikel enthaltenen Suspension bzw. einer Metallflocken enthaltenden Suspension bietet den Vorteil, dass nach einem Ausheizen, wie beispielsweise einem Sintern, eine vergleichsweise hohe Oberflächenrauigkeit erreicht werden kann. Eine derartige Oberflächenrauigkeit trägt weiter dazu bei, die Kontaktfläche zwischen den Kontakten 10, 11 und ihrer Umgebung zu vergrößern und somit die Wärmeabfuhr aus dem elektronischen Bauteil 3 zu verbessern. Insbesondere für das zweite Material kann ein wärmeleitfähiger Kunststoff oder ein wärmeleitfähiger keramischer Werkstoff verwendet werden.
-
In 7 ist eine Leiterplatte 1 dargestellt. Diese kann für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt werden und/oder mittels eines 3D-Druckverfahrens insbesondere vor Durchführung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt werden. Die Leiterplatte 1 umfasst mehrere Schichten 7, welche aus Isolationsmaterial bestehen können und/oder eine oder mehrere Leiterbahnen umfassen können. Weiterhin weist die Leiterplatte 1 in einer Oberfläche 19 zwei oberflächenseitige Aussparungen 20, 21 auf. Die Aussparungen 20, 21 weisen dabei eine zu einer Form der anschließend im Zuge des Verfahrens zu bildenden Kontakte negative Form auf. Zur Bildung der Finnen 14 umfassen die oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 jeweils eine Mehrzahl von Spaltkapillaren 22. Die oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 sind durch einen Sockel 26 getrennt, wobei der Sockel 26 durch die mehreren Schichten 7 der Leiterplatte 1 gebildet ist. Gestrichelt dargestellt sind die Leiterbahnen 8, 9 welche jeweils teilweise in die oberflächenseitigen Aussparungen 20 bzw. 21 hineinragen.
-
Ausgehend von einer derartigen Leiterplatte 1 können im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren die Kontakte 10, 11 durch Verfüllen der Aussparungen 20, 21 mittels eines flüssigen Füllmaterials gebildet werden. Die Verwendung eines flüssigen Füllmaterials ermöglicht eine Füllung der Spaltkapillaren 22 unter Ausnutzung des Kapillareffekts, so dass diese sich selbständig füllen. Insbesondere können Spaltkapillaren 22 mit einer sehr geringen Breite verwendet werden. Als flüssiges Füllmaterial kann beispielsweise eine metallhaltige Tinte oder wenigstens eine ein Metall enthaltene Suspension, insbesondere eine aus metallischen Nanopartikeln und wenigstens einem flüssigen Lösungsmittel gebildete Suspension oder eine aus Metallflocken und einem flüssigen Klebstoff gebildete Suspension, verwendet werden. Auch die Verwendung von keramischen Werkstoffen oder von Material in Filamentform, insbesondere von Kunststofffilamenten ist hierbei möglich. Analog zum Materialauftrag während des 3D-Druckverfahrens kann auch das Verfüllen der oberflächenseitigen Aussparung 20, 21 durch Bildung eines flüssigen Strahls, eines das Flüssigmaterial umfassenden Aerosols, durch Dispensen, insbesondere durch Piezo-Jet-Dispensen, und/oder durch piezoaktuierte Strahlbildung erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein Fused-Filament-Fabrication-Druckverfahren (FFF-Druck) oder ein Fused-Deposition-Modeling-Druckverfahren (FDM-Druck) verwendet wird
-
Wie in 8 dargestellt ist, werden durch das Verfüllen der oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 die Kontakte 10, 11 gebildet. Nach Verfüllen der oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 kann das elektronische Bauteil 3 derart angeordnet werden, dass die Anschlüsse 4, 5 des elektronischen Bauteils zumindest bereichsweise in Berührung mit den durch das elektrisch leitfähige Material verfüllten oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 gebracht werden. Dabei kann beispielsweise der durch die Schichten 7 der Leiterplatte 1 gebildete Sockel 26 zum Abstützen des elektronischen Bauteils 13 verwendet werden, so dass ein Einsinken des elektronischen Bauteils in das gegebenenfalls noch flüssige elektrisch leitfähige Material in den oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 vermieden wird. Durch ein anschließendes Verfestigen zur Ausbildung der Kontakte 10, 11 kann eine Befestigung des Bauteils 3 über seine Anschlüsse 4 und 5 mit den Kontakten 10, 11 erfolgen. Analog zu den bereits vorangegangen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird auch in diesem Ausführungsbeispiel durch die Kontakte 10, 11 eine Wärmeabfuhr von im elektronischen Bauteil 3 entstehender Wärme ermöglicht. Eine Wärmeabgabe kann dabei insbesondere über die Finnen 14 der Kontakte 10, 11 an die Leiterplatte 1 erfolgen. Eine Wärmeabgabe kann beispielsweise über eine Unterseite 23 der Leiterplatte 1 erfolgen.
-
Ein elektrischer Anschluss der Kontakte 10, 11 an eine oder mehrere Leiterbahnen der Leiterplatte 1 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leiterbahnen 8, 9, hier gestrichelt dargestellt, zumindest teilweise in die oberflächenseitige Aussparungen 20, 21 hineinragen. Auf diese Weise befinden sich auch die jeweils in den oberflächenseitigen Aussparungen 20, 21 gebildeten Kontakte 10, 11 jeweils in einer elektrischen Verbindung mit den Leiterbahnen 8 bzw. 9, so dass auch eine elektrische Verbindung der Anschlüsse 4, 5 über die Kontakte 10, 11 ermöglicht wird.
-
Wie in 9 dargestellt ist, können anschließend weitere Schichten 24 und 25 wenigstens in einem Teilbereich der Oberfläche 19 der Leiterplatte 1 mittels eines 3D-Druckverfahrens gebildet werden. Diese Schichten können weitere Leiterbahnen und/oder Bereiche aus einem Isoliermaterial enthalten. Durch die weiteren Schichten 24, 25 wird das elektronische Bauteil 3 in der Leiterplatte 1 eingebettet.
-
In 10 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 15 dargestellt. Die elektronische Baugruppe 15 umfasst neben dem elektronischen Bauelement 3 ein weiteres elektronisches Bauelement 27 sowie ein Trägerelement 28 und kann beispielsweise mittels der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Das elektronische Bauteil 3 weist die Anschlüsse 4, 5 auf und das weitere elektronische Bauteil 28 umfasst die Anschlüsse 29, 30. Das Trägerelement 28 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel keine Leiterbahnen und kann, neben einer Ausführung als Leiterplatte, beispielsweise als Spritzgussteil oder mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt sein. Das Trägerelement 28 kann dabei einstückig sein oder mehrere Schichten 7 umfassen.
-
Der Anschluss 4 des elektronischen Bauteils 3 ist durch einen eine Kühlkörperstruktur umfassenden Kontakt 30 mit dem Anschluss 29 des weiteren elektronischen Bauteils 27 verbunden. Auf diese Weise wird durch den Kontakt 30 eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauteil 3 und dem weiteren Bauteil 27 erzeugt. Es ist insbesondere möglich, dass bei der elektronischen Baugruppe 15 weitere Bauteile mittels jeweils eine Kühlkörperstruktur umfassender Kontakte verbunden werden. Durch eine solche Verbindung kann beispielsweise eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung der Bauteile oder eines Teils der Bauteile der elektronischen Baugruppe 15 realisiert werden. Eine derartige Verbindung von zwei Bauteilen 3, 27 kann selbstverständlich auch bei einer mittels der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten elektronischen Baugruppe vorgesehen sein.
-
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele der elektronischen Baugruppe 15 haben gemeinsam, dass aufgrund der Verwendung des 3D-Druckverfahrens zum Herstellen eines eine Kühlkörperstruktur aufweisenden Kontaktes 10, 11 genau an die Erfordernisse des elektronischen Bauteils 3 angepasste Eigenschaften der Kontakte 10, 11, insbesondere hinsichtlich ihrer Kühlkörperstruktur, erreicht werden können. Auf die Verwendung nicht in beliebiger Ausführung vorhandener, beispielsweise in einem Gießverfahren vorgefertigter, Kühlkörperstrukturen kann daher verzichtet werden. Aufgrund des 3D-Druckverfahrens ist es beispielsweise möglich, Finnen mit einer Breite zwischen beispielsweise 10 µm und mehreren Millimetern herzustellen. Die Größe und somit auch der Materialaufwand für die Kontakte, welche insbesondere durch die Kühlkörperstrukturen bestimmt werden, können somit exakt an die aus dem jeweiligen elektronischen Bauteil 3 abzuführende Wärmemenge angepasst werden. Auch die Form und/oder die Anordnung der Kühlkörperstruktur der Kontakte 10, 11 und/oder ihr elektrischer Widerstand bzw. die maximal von ihnen transportierbare Stromstärke können individuell angepasst werden.
-
Durch die Verwendung eines einzigen Prozessschrittes zur Bereitstellung der elektrischen Verbindung sowie zum Erstellen des Kühlstruktur wird in beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin die Zeit, welche für die Herstellung einer elektronischen Baugruppe benötigt wird, reduziert, was zu einer Steigerung des Durchsatzes des Verfahrens führt.
-
Insbesondere bei der Verwendung von Trägerelementen, welche als Leiterplatten 1 in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden oder hergestellt worden sind bzw. bei der Verwendung von in einem Spritzgussverfahren hergestellter Trägerelemente, ist es möglich, dass diese nicht nur die in den Ausführungsbeispielen gezeigte planare Geometrie aufweisen, sondern es können auch Trägerelemente verwendet werden, welche beispielsweise in einer oder mehrerer Richtungen konkav oder konvex gekrümmt sind, da die mittels des 3D-Druckverfahrens erzeugten Kontakte 10, 11 im Gegensatz zu konventioneller Lithographie nicht auf im Wesentlichen planare Substrate beschränkt ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe können somit unabhängig von der Ausprägung des Trägerelements angewendet werden.
