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Die Erfindung betrifft eine zumindest bereichsweise umspritzte Leiterplatte sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Leiterplatten sind grundsätzlich bekannt. Ebenso ist bekannt, dass Leiterplatten zum Schutz vor äußeren Medien, wie zum Beispiel vor Ölen und/oder Schmiermitteln durch ein Umspritzen, was auch als „overmolden“ bezeichnet wird, geschützt werden können. Problematisch bei den bekannten Leiterplatten ist, dass die Leiterplatte in der Regel einen Schichtenverbund aus mit Harz getränkten Glasfasern bzw. Glasfasermatten aufweist. Bedingt durch Unterschiede in den Glasfasern und aufgrund unterschiedlicher Ausbildungen der innerhalb des Schichtenverbunds angeordneten Leiterbahnen können die Leiterplatten eine inhomogene Dicke aufweisen. Die lokalen Unterschiede in der Leiterplattendicke können beim Umspritzen der Leiterplatten zu Problemen führen. Die Werkzeughälften des Umpritzwerkzeugs, was auch als „Overmold-Werkzeug“ bezeichnet wird, werden in der Regel weg- und/oder kraftgesteuert auf die Leiterplatte aufgefahren und abgedrückt.
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Bei der Wegsteuerung stoppt die Werkzeughälfte, sobald diese auf einen Widerstand trifft. Bei einer inhomogenen Leiterplattendicke kann dies dazu führen, dass die Werkzeughälfte nur teilweise auf der Leiterplatte anliegt und in anderen Bereichen eben nicht anliegt. Beim Umspritzen der Leiterplatte mit einem Mold-Compound kann dieser in den Bereichen, an denen die Werkzeughälfte nicht vollständig auf der Leiterplatte aufliegt, austreten. Dies führt dazu, dass die Leiterplattenfertigungsanlage verunreinigt wird und aufwendig gesäubert werden muss. Dies kann zu einem temporären unplanmäßigen Ausfall der Fertigungsanlagen führen, wodurch die Produktionskosten der Leiterplatten erhöht sind.
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Bei der Kraftsteuerung werden die Werkzeughälften mit einem vordefinierten Anpressdruck auf die Leiterplatte angepresst. Bei einer inhomogenen Leiterplattendicke führt dies dazu, dass die Leiterplatte an den Stellen, an denen die Leiterplatte etwas dicker ist und somit zuerst mit der Werkzeughälfte in Berührung kommt, erhöhten Pressungen ausgesetzt ist und somit die darunterliegenden Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen der Leiterplatte beschädigt werden können. Eine defekte Leiterplatte führt letztendlich zum Ausschuss der Leiterplatte und/oder eines ganzen Steuergeräts.
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Die
US 5 744 084 A beschreibt ein Verfahren zum Umspritzen einer Leiterplatte, wobei auf einem Substrat eine Dammstruktur angeordnet ist, in die eine Nase eines Vergusswerkzeugs eingreift.
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Die
WO 2016 058 885 A1 und die
US 9 087 826 B2 zeigen jeweils ein Verfahren zum Umspritzen einer Leiterplatte, wobei in der Oberseite der Leiterplatte eine Nut eingebracht ist, in die ein Overmold-Werkzeug eingreift.
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Die
DE 199 35 441 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Moldwerkzeug zum Umhüllen von elektronischen Bauelementen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Leiterplatte sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, bei der Beschädigungen der Leiterplatte während des Umspritzvorgangs reduziert werden können, und die Abdichtung des auf die Leiterplatte auffahrenden Overmold-Werkzeugs während des Umspritzvorgangs erhöht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Leiterplatte für eine elektrische Komponente vorgesehen, umfassend ein eine Oberfläche aufweisendes, elektrisch isolierendes Substrat, mit wenigstens einer innerhalb des Substrats ausgebildeten elektrisch leitenden Leiterbahn, wobei die Oberfläche des Substrats einen Abdichtbereich aufweist, der derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Abdichtbereich eben ausgebildet ist und/oder die Leiterplatte im Abdichtbereich eine homogene Leiterplattendicke aufweist, und auf der Oberfläche des Substrats eine Umspritzung angeordnet ist, die an den Abdichtbereich angrenzt, wobei der Abdichtbereich zumindest abschnittsweise eine Hinterschneidung aufweist.
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Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte für eine elektrische Komponente bereitzustellen, die ein elektrisch isolierendes Substrat umfasst. Die Leiterplatte wird vorzugsweise in einer Getriebesteuerung eingesetzt, wobei dies nicht darauf beschränkt ist. Das Substrat der Leiterplatte wird vorzugsweise aus einem Gemisch aus Harz und Glasfasern hergestellt. Innerhalb des Substrats ist wenigstens eine elektrisch leitende Leiterbahn ausgebildet. Die elektrisch leitende Leiterbahn ist vorzugsweise aus einer Kupferfolie ausgebildet. In der Regel sind mehrere zueinander beabstandet angeordnete Leiterbahnen innerhalb des Substrats angeordnet. Die mehreren elektrisch leitenden Leiterbahnen sind in der Regel über ein Prepreg (preimpregnated fibers) zueinander beabstandet angeordnet, wobei das Prepreg aus Harz und Glasfasern ausgebildet ist. Das Substrat kann aufgrund von Differenzen in den Glasfasern und/oder der Unterschiede im Bild der elektrisch leitenden Leiterbahnen eine inhomogene Substratdicke aufweisen.
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Das Substrat umfasst eine Oberfläche, wobei die Oberfläche des Substrats einen Abdichtbereich aufweist. Der Abdichtbereich ist derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass dieser eben ausgebildet ist und/oder das Substrat im Abdichtbereich eine homogene Substratdicke aufweist. „Eben“ ausgebildet bedeutet, dass der Abdichtbereich einen Bereich aufweist, der parallel zur Ebene des Substrats ausgebildet ist. Eine „homogene Substratdicke“ bedeutet, dass das Substrat in dem Abdichtbereich eine gleichmäßige Dicke in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats umfasst. Auf diese Weise kann bei einer ebenen Ausbildung des Abdichtbereichs sowie bei einer homogenen Substratdicke ein Overmold-Werkzeug in den Abdichtbereich eingreifen und mit diesem vollständig bündig abschließen. Durch den bündigen Abschluss kann vermieden werden, dass ein Mold-Compound beim Umspritzen aus dem Abdichtbereich austritt. Somit kann die Gefahr reduziert werden, dass die Fertigungsanlage durch über den Abdichtbereich austretendes Mold-Compound verunreinigt wird und aufwendig gereinigt werden muss. Somit können die Ausfallzeiten der Fertigungsanlage reduziert werden, wodurch im Umkehrschluss die Produktionskosten reduziert werden können.
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Durch den bündigen Abschluss können zudem beim kraftgesteuerten Auffahren der Werkzeughälften auf das Substrat lokale Spannungen reduziert werden, so dass Beschädigungen der innerhalb des Substrats angeordneten Leiterbahn beim Overmolden und/oder beim Auffahren der Werkzeughälften auf das Substrat reduziert werden können. Somit kann der Ausschuss von beschädigten Leiterplatten reduziert werden, wodurch ebenfalls die Herstellungskosten der Leitplatten reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß weist der Abdichtbereich zumindest abschnittsweise eine Hinterschneidung auf. Die Hinterschneidung ist in einer Richtung parallel zur Ebene des Substrats ausgebildet. Demnach kann der Abdichtbereich in einem Querschnitt L-förmig und/oder T-förmig ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Abdichtbereich mit einer Abdichtkante eines auf das Substrat aufgesetzten Overmold-Werkzeugs verrasten. Auf diese Weise kann die Gefahr reduziert werden, dass während des Overmold-Prozesses Overmold-Compound aus dem abgedichteten Bereich austritt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Abdichtbereich als eine Nut, eine Rille und/oder eine Falz ausgebildet ist. Ist der Abdichtbereich als Nut und/oder Rille ausgebildet, so kann der Abdichtbereich vorzugsweise mittig auf einer Leiterplatte ausgebildet sein. Somit kann die Leiterplatte auch nur partiell umspritzt werden. Ist der Abdichtbereich als Falz ausgebildet, so ist dieser vorzugsweise im Randbereich des Substrats angeordnet. Auf diese Weise kann die Umspritzung bis an den Randbereich der Leiterplatte erfolgen, sodass vorzugsweise die Leiterplatte vollständig umspritzt werden kann. Auf diese Weise kann er Abdichtbereich je nach Anforderung zum Umspritzen der Leiterplatte entsprechend ausgebildet sein.
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Der Abdichtbereich wird vorzugsweise durch ein materialabhebendes Verfahren, insbesondere ein spanabhebendes Verfahren ausgebildet. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Abdichtbereich in das Substrat eingefräst ist. Das Einfräsen des Abdichtbereichs kann vorzugsweise mittels einer CNC-Fräse (Computerized Numerical Control-Fräse) erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Z-Achsen orientierte Tiefenfräse erwiesen, da diese sehr geringe Toleranzen aufweist. Eine Z-Achsen orientierte Tiefenfräse ist auch als ZAR-Fräse (Z-Axis-Router Fräse) bekannt. Auf diese Weise kann der Abdichtbereich maschinell, preiswert und mit einer sehr hohen Genauigkeit in das Substrat eingefräst und/oder ausgebildet werden.
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Die Tiefe des Abdichtbereichs in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats hängt unter anderem von der Inhomogenität der Leiterplatte bzw. des Substrats ab. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Abdichtbereich in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats eine Tiefe zwischen 10 µm und 500 µm, vorzugsweise zwischen 25 µm und 400 µm, und ganz besonders bevorzugt zwischen 50 µm und 250 µm aufweist. Je größer die Tiefe des Abdichtbereichs ist, desto geringer ist die Überdeckung zur jeweils äußeren elektrisch leitenden Leiterbahn innerhalb des Substrats. Es ist daher ein Bestreben, die Tiefe des Abdichtbereichs nicht unnötig tief auszuführen. Bei einer Tiefe des Abdichtbereichs zwischen 50 µm und 250 µm wurde festgestellt, dass auf diese Weise die Toleranzen des Substrats ausgeglichen werden können und eine ausreichende große Überdeckung der jeweils äußeren elektrisch leitenden Leiterbahnen innerhalb des Substrats gegeben ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Abdichtbereich umlaufend ausgebildet ist. Eine Abdichtkante des Overmold-Werkzeugs kann somit in den umlaufend ausgebildeten Abdichtbereich eingreifen und mit diesem mediendicht abschließen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass während des Umspritzens der Oberfläche des Substrats der Mold-Compound, der für gewöhnlich ein thermoplastischer Kunststoff sein kann, über den Abdichtbereich austritt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Oberfläche des Substrats eine Oberseite und/oder eine zur Oberseite beabstandet ausgebildete Unterseite des Substrats ist. Demnach kann einerseits ausschließlich die Oberseite des Substrats umspritzt werden oder ausschließlich die Unterseite. Ebenso ist es denkbar, dass sowohl die Oberseite als auch die Unterseite umspritzt wird.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatte, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats mit einer innerhalb des Substrats angeordneten und ausgebildeten elektrisch leitfähigen Leiterbahn;
- - Ausbilden des Abdichtbereichs auf der Oberfläche des Substrats;
- - Aufsetzten eines Overmold-Werkzeugs auf die Oberfläche des Substrats, wobei eine Abdichtkante des Overmold-Werkzeugs mit dem Abdichtbereich abschließt;
Umspritzen der zwischen dem Overmold-Werkzeug und dem Substrat angeordneten Oberfläche.
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Es ist somit ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass auf der Oberfläche des Substrats ein Abdichtbereich ausgebildet wird, und in den Abdichtbereich eine Abdichtkante eines Overmold-Werkzeugs eingreift und mit diesem abschließt. Im Anschluss daran wird die zwischen dem Overmold-Werkzeug und dem Substrat angeordnete Oberfläche des Substrats umspritzt. Das Umspritzen erfolgt vorzugsweise mit einem Mold-Compound, der besonders bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff ist.
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Durch die Ausbildung des Abdichtbereichs wird dieser eben ausgebildet und/oder weist das Substrat im Abdichtbereich eine homogene Substratdicke auf. Auf diese Weise kann durch die Ausbildung des Abdichtbereichs eine Inhomogenität des Substrats im Abdichtbereich ausgeglichen und somit reduziert werden. Die Abdichtkante des Overmold-Werkzeugs kann somit in den Abdichtbereich einfahren und bündig abschließen. Beschädigungen der innerhalb des Substrats angeordneten Leiterbahnen durch eine Inhomogenität der Leiterplatte können reduziert werden, da die Pressung der Abdichtkante gleichmäßig über den Abdichtbereich erfolgt. Schädigungen der Leiterplatte durch den Overmold-Prozess bzw. das Auffahren der Werkzeughälften auf das Substrat können auf diese Weise reduziert werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abdichtbereich mit einer Z-Achsen kontrollierten Tiefenfräse in das Substrat ausgebildet wird. Derartige Fräsen haben eine geringe Toleranz, sodass der Abdichtbereich präzise in das Substrat eingebracht werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht als einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Der Anmelder behält sich vor, einzelne oder mehrere in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalen zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Figuren näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 eine Leiterplatte mit einem Substrat, wobei das Substrat eine inhomogene Oberfläche aufweist,
- 2 die Leiterplatte, wobei auf der Oberfläche des Substrats ein Abdichtbereich ausgebildet ist und ein Overmold-Werkzeug an das Substrat geführt ist;
- 3 die Leiterplatte, wobei eine Abdichtkante des Overmold-Werkzeugs in den Abdichtbereichs des Substrats eingetaucht ist, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte.
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In 1 ist eine Leiterplatte 10 in einem Querschnitt gezeigt. Die Leiterplatte 10 umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat 12. Das Substrat 12 umfasst einen Schichtenverbund. Der Schichtenverbund weist ein Basismaterial auf, das ein Gemisch aus mit Harz getränkten Glasfasern bzw. mit Harz getränkten Glasfasermatten umfasst. Innerhalb des Substrats 12 ist eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Leiterbahnen 14 angeordnet, die in einer Richtung senkrecht zur Ebene 16 des Substrats 12 übereinander angeordnet sind. Die Leiterbahnen 14 sind aus Kupfer ausgebildet und weisen jeweils ein voneinander verschiedenes Leiterbahnbild auf.
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Zwischen den jeweiligen elektrisch leitenden Leiterbahnen 14 ist ein Prepreg ausgebildet, das das Basismaterial bzw. die mit Harz getränkten Glasfasermatten aufweist. Parallel zur Ebene 16 weist das Substrat 12 eine Oberfläche 18 auf. Die Oberfläche 18 umfasst einerseits eine Oberseite 20 und eine zur Oberseite 20 beabstandet ausgebildete Unterseite 22. Aufgrund von Unregelmäßigkeiten im Basismaterial des Substrats, insbesondere des Harz und Glasfasergemisches, und insbesondere aufgrund der verschiedenen Leiterbahnbilder, weisen die Oberseite 20 und die Unterseite 22 lokale Ausnehmungen 24 auf, sodass die Leiterplatte 10 bzw. das Substrat 12 eine inhomogene Dicke aufweist.
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In 2 ist die aus 1 bekannte Leiterplatte 10 gezeigt, wobei in die Oberfläche 18 des Substrats 12 ein Abdichtbereich 26 ausgebildet ist. Der Abdichtbereich 26 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine umlaufende Nut ausgebildet. Der Abdichtbereich 26 ist dabei derart ausgebildet, dass dieser eben ist. Dies bedeutet, dass ein Nutgrund 27 der Nut im Wesentlichen parallel zur Ebene 16 des Substrats 12 ausgebildet ist. Weiterhin ist ersichtlich, dass das Substrat 12 im Abdichtbereich eine homogene Substratdicke aufweist. Dies bedeutet, dass das Substrat 12 in dem Abdichtbereich 26 eine gleichmäßige Dicke in einer Richtung senkrecht zur Ebene 16 des Substrats 12 umfasst.
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An die Oberseite 20 und an die Unterseite 22 ist jeweils ein Overmold-Werkzeug 28 zum Umspritzen der Leiterplatte 10 mit einem Mold-Compound geführt. Der Mold-Compound ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein thermoplastischer Kunststoff.
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In 3 ist die aus 2 bekannte Leiterplatte 10 gezeigt, wobei das Overmold-Werkzeug 28 auf das Substrat 12 zum Ausbilden einer Umspritzung aufgefahren ist. Dabei greift eine Abdichtkante 30 des Overmold-Werkzeugs 28 in den Abdichtbereich 26 ein und dichtet diesen ab. Aufgrund des ebenmäßig ausgebildeten Abdichtbereichs 26 bzw. der homogenen Substratdicke im Abdichtbereich 26 liegt die Abdichtkante 30 des Overmold-Werkzeugs 28 flächig auf dem Nutgrund 27 auf. Somit kann bei einem weggesteuerten Auffahren des Overmold-Werkzeugs auf das Substrat die Abdichtkante 30 den Abdichtbereich 26 abdichten, so dass kein Mold-Compound über den Abdichtbereich 26 austreten kann. Beim kraftgesteuerten Auffahren des Overmold-Werkzeugs 28 auf das Substrat 12 kann die Pressung der Abdichtkante 30 vollflächig auf den Abdichtbereich 26 übertagen werden. Lokale Spannungen aufgrund von einer Inhomogenität des Substrats im Abdichtbereich 26 beim Auffahren des Overmold-Werkzeugs werden reduziert, wodurch Beschädigungen der in dem Substrat eingebetteten Leiterbahnen 14 reduziert werden können.
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Nachdem das Overmold-Werkzeug 28 auf das Substrat 12 aufgefahren wurde und die Abdichtkante 30 des Overmold-Werkzeugs 28 in den Abdichtbereich 26 eingreift und diesen abdichtet, wird der Zwischenraum zwischen dem Overmold-Werkzeug 28 und der Oberfläche 18 mit dem Mold-Compound umspritzt bzw. vergossen.
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Die 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte 10. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt 100 das Bereitstellen des Substrats 12 mit den innerhalb des Substrats 12 angeordneten und ausgebildeten elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 14.
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In einem zweiten Schritt 110 wird der Abdichtbereich 26 auf der Oberfläche 18 des Substrats 12 ausgebildet. Der Abdichtbereich 26 kann durch verschiedenartige materialabhebende Verfahren ausgebildet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Abdichtbereich mittels einer Z-Achsen kontrollierten Tiefenfräse in dem Substrat 12 ausgebildet. Die Z-Achsen kontrollierte Tiefenfräse hat den Vorteil, dass diese geringe Toleranzen aufweist. Auf diese Weise kann der Abdichtbereich 26 sehr präzise ausgebildet sein. Die Tiefe des Abdichtbereichs 26 in einer Richtung senkrecht zur Ebene 16 des Substrats 12 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 50 µm und 250 µm.
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In einem dritten Schritt 120 wird das Overmold-Werkzeug 28 auf die Oberfläche 18 des Substrats 12 aufgesetzt. Dabei greift die Abdichtkante 30 des Overmold-Werkzeugs 28 in den Abdichtbereich 26 ein und dichtet diesen ab.
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In einem vierten Schritt 130 wird die zwischen dem Overmold-Werkzeug 28 und dem Substrat 12 ausgebildete bzw. angeordnete Oberfläche 18 mit dem Mold-Compound umspritzt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplatte
- 12
- Substrat
- 14
- Leiterbahn
- 16
- Ebene des Substrats
- 18
- Oberfläche
- 20
- Oberseite
- 22
- Unterseite
- 24
- Ausnehmung
- 26
- Abdichtbereich
- 27
- Nutgrund
- 28
- Overmold-Werkzeug
- 30
- Abdichtkante
