DE102019113973B4 - Method for producing a shaped body and component with electrical functionality - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (60) mit elektrischer Funktionalität mittels eines Spritzgießprozesses, bei dem kunststoffhaltiges Basismaterial (5) in eine Spritzgussform (1, 2) eingespritzt wird, wobei das Basismaterial (5) ein LDS-fähiger Werkstoff ist, wobei das Verfahren die nachfolgenden Merkmale a), b) aufweist:a) Abkühlen des in die Spritzgussform (1, 2) eingespritzten Basismaterials (5) von einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur (T1) des Basismaterials (5) auf eine Temperatur (T2) unterhalb der Glasübergangstemperatur (T1) des Basismaterials (5) durch erzwungenes Abkühlen der Spritzgussform (1, 2),b) Erzeugen eines Spritzguss-Rohlings (6) aus dem Basismaterial (5), der im Inneren aus teilkristallinem Kunststoff aufgebaut ist und von einer Randschicht überdeckt ist, die amorph oder zumindest nicht teilkristallin ist,wobei auf dem Spritzguss-Rohling (6) nach dem Spritzgießprozess eine Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material (12) aufgebracht wird und in einem weiteren Fertigungsschritt das elektrisch leitfähige Material (12) strukturiert wird und hierdurch wenigstens ein elektrisches Funktionsbauteil (13) in Dünnfilmtechnik auf der Oberfläche (8) des Formkörpers (60) erzeugt wird;dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formkörper (60) wenigstens ein elektrischer Anschlusskontakt (11) erzeugt wird, insbesondere ein elektrischer Anschlusskontakt (11) des wenigstens einen elektrischen Funktionsbauteils (13), durch den der Formkörper (60) und/oder das wenigstens eine elektrische Funktionsbauteil (13) elektrisch mit einer elektrischen Baugruppe (16) verbunden werden kann, wobei der wenigstens eine elektrische Anschlusskontakt (11) vor dem Aufbringen der Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material (12) erzeugt wird.Method for producing a molded body (60) with electrical functionality by means of an injection molding process, in which plastic-containing base material (5) is injected into an injection mold (1, 2), the base material (5) being an LDS-capable material, the method being has the following features a), b):a) cooling the base material (5) injected into the injection mold (1, 2) from a temperature above the glass transition temperature (T1) of the base material (5) to a temperature (T2) below the glass transition temperature ( T1) of the base material (5) by forced cooling of the injection mold (1, 2), b) producing an injection molding blank (6) from the base material (5), which is made of semi-crystalline plastic on the inside and is covered by an edge layer, which is amorphous or at least not partially crystalline, a material layer made of electrically conductive material (12) being applied to the injection molding blank (6) after the injection molding process and in a further manufacturing step the electrically conductive material (12) is structured and thereby at least one electrical Functional component (13) is produced using thin film technology on the surface (8) of the molded body (60); characterized in that at least one electrical connection contact (11) is produced on the molded body (60), in particular an electrical connection contact (11) of the at least one electrical functional component (13), through which the molded body (60) and/or the at least one electrical functional component (13) can be electrically connected to an electrical assembly (16), wherein the at least one electrical connection contact (11) before the material layer is applied is produced from electrically conductive material (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit elektrischer Funktionalität mittels eines Spritzgießprozesses, bei dem kunststoffhaltiges Basismaterial in eine Spritzgussform eingespritzt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil mit elektrischer Funktionalität, aufweisend einen Formkörper aus einem LDS-fähigen Werkstoff.The invention relates to a method for producing a molded body with electrical functionality by means of an injection molding process in which plastic-containing base material is injected into an injection mold. The invention also relates to a component with electrical functionality, having a molded body made of an LDS-capable material.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von Bauteilen bzw. Formkörpern mit elektrischer Funktionalität, z.B. indem der Formkörper wenigstens ein elektrisches Funktionsbauteil aufweist. Das elektrische Funktionsbauteil kann ein grundsätzlich beliebiges Elektro-Bauteil sein, z.B. eine elektrische Leiterbahn, ein Ohm'scher Widerstand, ein Sensor oder ein Aktor. Es kann sich auch um eine Kombination solcher elektrischer Funktionsbauteile handeln. Um solche Bauteile in hohen Stückzahlen bei geringen Stückkosten herzustellen, gibt es bereits verschiedene Ansätze. Insbesondere die Mikroproduktionstechnik erlaubt die Bereitstellung kostengünstiger Bauteile in hohen Stückzahlen. Dabei ist erkennbar, dass eine Effizienzsteigerung z.B. durch Verwendung von Kunststoffmaterialien als Basis für solche Bauteile möglich ist. Durch solche Kunststoffmaterialien können beispielsweise bisher verwendete Halbleitermaterialien wie z.B. Silizium ersetzt werden. Kunststoffmaterialien haben den Vorteil, dass sie einfach verarbeitbar sind, z.B. durch Spritzgießprozesse. Es zeigt sich aber, dass solche Kunststoffmaterialien besondere Anforderungen stellen, wenn elektrisch leitfähige Strukturen daran oder darin erzeugt werden sollen. Soll beispielsweise das Kunststoffmaterial mittels Laserdirektstrukturierung (LDS) weiter bearbeitet werden, muss ein sogenannter LDS-fähiger Werkstoff eingesetzt werden. Dieser weist außer dem reinen Kunststoffmaterial einen gewissen Mindestanteil sogenannter LDS-Additive auf, d.h. elektrisch leitfähige Partikel, die in das Kunststoffmaterial gemischt sind. Hierdurch können sich beispielsweise die Eigenschaften des Materials für den Spritzgießprozess ungünstig verändern.In general, the invention relates to the field of producing components or molded bodies with electrical functionality, for example in that the molded body has at least one electrical functional component. The electrical functional component can basically be any electrical component, e.g. an electrical conductor track, an ohmic resistor, a sensor or an actuator. It can also be a combination of such electrical functional components. There are already various approaches to producing such components in large quantities at low unit costs. Microproduction technology in particular allows the provision of cost-effective components in large quantities. It can be seen that an increase in efficiency is possible, for example, by using plastic materials as a basis for such components. Such plastic materials can, for example, replace previously used semiconductor materials such as silicon. Plastic materials have the advantage that they are easy to process, for example through injection molding processes. However, it turns out that such plastic materials pose special requirements if electrically conductive structures are to be created on or in them. For example, if the plastic material is to be further processed using laser direct structuring (LDS), a so-called LDS-capable material must be used. In addition to the pure plastic material, this has a certain minimum proportion of so-called LDS additives, i.e. electrically conductive particles that are mixed into the plastic material. This can, for example, change the properties of the material unfavorably for the injection molding process.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit elektrischer Funktionalität mittels eines Spritzgießprozesses anzugeben, das eine effizientere Herstellung des Formkörpers oder eines daraus gebildeten Bauteils mit elektrischer Funktionalität ermöglicht. Zudem soll ein entsprechendes verbessertes Bauteil mit elektrischer Funktionalität angegeben werden.The invention is based on the object of specifying a method for producing a molded body with electrical functionality by means of an injection molding process, which enables more efficient production of the molded body or a component formed therefrom with electrical functionality. In addition, a corresponding improved component with electrical functionality should be specified.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.This task is solved by a method according to
An die Schritte a) und b) schließt sich ein Verfahrensschritt an, in dem die elektrische Funktionalität des Formkörpers hergestellt wird. Die elektrische Funktionalität des Formkörpers kann mit jedem geeigneten Verfahren hergestellt werden, insbesondere mit einem oder mehreren der nachfolgend noch beschriebenen Verfahren.Steps a) and b) are followed by a process step in which the electrical functionality of the shaped body is produced. The electrical functionality of the shaped body can be produced using any suitable method, in particular using one or more of the methods described below.
Überraschenderweise wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, einen LDS-fähigen Werkstoff in einem Spritzgießprozess zu verarbeiten und dabei bei dem hergestellten Formkörper die Möglichkeit zu schaffen, dass an dessen Oberfläche elektrische Bauteile mit sehr feinen Strukturen, z.B. im Mikrometer-Bereich und im Nanometer-Bereich, erzeugt werden. Dies ist auch deswegen überraschend, weil ein LDS-fähiger Werkstoff aufgrund der darin enthaltenen LDS-Additive dazu neigt, eine eher grobe oder raue Oberfläche an einem daraus hergestellten Formkörper auszubilden.Surprisingly, the method according to the invention makes it possible to process an LDS-capable material in an injection molding process and thereby create the possibility of electrical components with very fine structures, for example in the micrometer range and in the nanometer range, being formed on the surface of the molded body. area. This is also surprising because an LDS-capable material tends to form a rather coarse or rough surface on a molded body made from it due to the LDS additives it contains.
Die LDS-Additive weisen im Vergleich zu den Größen der gewünschten elektrischen Funktionsbauteile, die erzeugt werden sollen, typischerweise sehr große Abmaße auf, beispielsweise im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern, z.B. 5 Mikrometer. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann trotz Verwendung eines LDS-fähigen Werkstoffs vermieden werden, dass die Partikel an der Außenseite des Spritzguss-Rohlings eine unerwünscht große Oberflächenrauheit erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Partikel durch die amorphe Außenschicht im Wesentlichen überdeckt sind.The LDS additives typically have very large dimensions compared to the sizes of the desired electrical functional components that are to be produced, for example in the range of 1 to 10 micrometers, for example 5 micrometers. Through the method according to the invention, despite using an LDS-capable material, it can be avoided that the particles on the outside of the injection molded blank produce an undesirably large surface roughness. This is achieved because the particles are essentially covered by the amorphous outer layer.
Durch jedes der zuvor genannten Merkmale a), b) kann die Qualität des durch den Spritzgießprozess hergestellten Formkörpers bzw. zunächst des Spritzguss-Rohlings gesteigert werden. Aus dem Spritzguss-Rohling kann dann ein hochwertiger Formkörper erstellt werden. So erlaubt die Erfindung insbesondere eine wesentlich verbesserte Abformung auch sehr feiner Strukturen (Nanostrukturen) der Spritzgussform, d.h. deren präzise Übertragung in die Oberfläche des Spritzguss-Rohlings.Through each of the aforementioned features a), b), the quality of the molded body produced by the injection molding process or initially of the injection molded blank can be increased. A high-quality molded body can then be created from the injection molded blank. In particular, the invention allows a significantly improved molding of even very fine structures (nanostructures) of the injection mold, i.e. their precise transfer into the surface of the injection molded blank.
Die Herstellungsprozesskette, die bisher aus sieben Herstellungsschritten bestand, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auf drei Herstellungsschritte reduziert werden.The manufacturing process chain, which previously consisted of seven manufacturing steps, can be reduced to three manufacturing steps using the method according to the invention.
Durch einen erzwungenen Abkühlungsprozess des eingespritzten Basismaterials von einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur, insbesondere wesentlich unterhalb der Glasübergangstemperatur, kann gezielt die abgeformte Oberfläche der Spritzgussform, die z.T. auch als Spritzgusswerkzeug bezeichnet wird, sozusagen „eingefroren“ werden, ohne dass sich wiederum durch einen undefinierten Abkühlungsprozess Ungenauigkeiten auf der Oberfläche des Spritzguss-Rohlings einstellen. Durch die amorphe oder zumindest nicht teilkristalline Randschicht (Außenschicht) des Spritzguss-Rohlings wird eine grundsätzlich glatte Oberfläche bereitgestellt, durch die es ermöglicht wird, sehr feine Strukturen der Spritzgussform auf den Spritzguss-Rohling abzuformen.Through a forced cooling process of the injected base material from a temperature above the glass transition temperature to a temperature below the glass transition temperature, in particular significantly below the glass transition temperature, the molded surface of the injection mold, which is sometimes also referred to as an injection molding tool, can be “frozen”, so to speak, without In turn, inaccuracies appear on the surface of the injection molded blank due to an undefined cooling process. The amorphous or at least not partially crystalline edge layer (outer layer) of the injection molding blank provides a fundamentally smooth surface, which makes it possible to mold very fine structures of the injection mold onto the injection molding blank.
Das erzwungene Abkühlen der Spritzgussform, durch die das Abkühlen des Basismaterials durchgeführt wird, erfolgt wie erwähnt von einem Temperaturwert oberhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials aus, z.B. im Bereich von 1°C bis 15°C oberhalb der Glasübergangstemperatur, auf einen Temperaturwert wesentlich unterhalb der Glasübergangstemperatur, z.B. wenigstens 50°C oder wenigstens 100°C unterhalb der Glasübergangstemperatur. Bei einem Polymermaterial als Basismaterial kann beispielsweise die erzwungene Abkühlung zu einem Abkühlen des Basismaterials von anfangs ca. 415°C auf ca. 100°C erfolgen.The forced cooling of the injection mold, through which the cooling of the base material is carried out, takes place, as mentioned, from a temperature value above the glass transition temperature of the base material, for example in the range from 1 ° C to 15 ° C above the glass transition temperature, to a temperature value significantly below the glass transition temperature , for example at least 50°C or at least 100°C below the glass transition temperature. With a polymer material as the base material, for example, the forced cooling can take place to cool the base material from initially approximately 415 ° C to approximately 100 ° C.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Basismaterial ein LDS-fähiger Werkstoff ist. Dies hat den Vorteil, dass der Spritzguss-Rohling oder der daraus erstellte Formkörper durch Laserdirektstrukturierung (LDS) bearbeitet werden kann. Mittels LDS können leitfähige Strukturen innerhalb des Spritzguss-Rohlings bzw. des Formkörpers auf einfache Weise mittels eines Lasers erzeugt werden. Der LDS-fähige Werkstoff weist als Grundmaterial ein Kunststoffmaterial auf, das mit LDS-Additiven versehen ist, d.h. die LDS-Additive sind in den Kunststoff eingemischt. Die LDS-Additive können kleine Partikel aus elektrisch leitfähigem Material sein, z.B. Chrom-Kupferoxid-Spinelle. Der Anteil der LDS-Additive kann beispielsweise wenigstens 5 Massenprozent, wenigstens 10 Massenprozent, wenigstens 15 Massenprozent, wenigstens 20 Massenprozent, wenigstens 25 Massenprozent oder wenigstens 30 Massenprozent des Basismaterials umfassen.According to the invention it is provided that the base material is an LDS-capable material. This has the advantage that the injection molded blank or the molded body created from it can be processed using laser direct structuring (LDS). Using LDS, conductive structures within the injection molded blank or the molded body can be easily created using a laser. The LDS-compatible material has a plastic material as a base material that is provided with LDS additives, i.e. the LDS additives are mixed into the plastic. The LDS additives can be small particles of electrically conductive material, e.g. chrome-copper oxide spinels. The proportion of the LDS additives can, for example, comprise at least 5 percent by mass, at least 10 percent by mass, at least 15 percent by mass, at least 20 percent by mass, at least 25 percent by mass or at least 30 percent by mass of the base material.
Bei der Laserdirektstrukturierung wird der aus einem LDS-fähigen Werkstoff hergestellte Formkörper mit einem Laserstrahl bearbeitet. Der Laserstrahl aktiviert in einem schreibenden Verfahren entsprechend dem Verlauf der späteren im Formkörper auszubildenden elektrischen Struktur, z.B. einer Leiterbahnstruktur, das Additivmaterial im Basismaterial und erzeugt zugleich eine mikroraue Spur. Die Metallpartikel dieser Spur bilden die Keime für eine nachfolgende Metallisierung. Die Metallisierung kann beispielsweise in einem stromlosen Kupferbad aufgetragen werden. Durch die Metallisierung entstehen genau auf den zuvor genannten Spuren die Leiterbahnschichten oder sonstigen elektrischen Strukturen. Nacheinander lassen sich so Schichten aus Kupfer, Nickel und/oder Gold aufbringen. Durch die Laserdirektstrukturierung ist es zudem möglich, in dem Formkörper elektrische Anschlusskontakte zu erzeugen, z.B. in Form von vertikalen Durchkontaktierungen (Vias).In laser direct structuring, the molded body made from an LDS-compatible material is processed with a laser beam. The laser beam activates the additive material in the base material in a writing process according to the course of the electrical structure to be formed later in the molded body, e.g. a conductor track structure, and at the same time creates a micro-rough track. The metal particles in this track form the seeds for subsequent metallization. The metallization can be applied, for example, in an electroless copper bath. The metallization creates the conductor track layers or other electrical structures exactly on the previously mentioned tracks. Layers of copper, nickel and/or gold can be applied one after the other. Laser direct structuring also makes it possible to create electrical connection contacts in the molded body, for example in the form of vertical plated-through holes (vias).
Die Laserdirektstrukturierung hat den Vorteil, dass aufwendige Drahtbondprozesse entfallen können.Laser direct structuring has the advantage that complex wire bonding processes can be eliminated.
Der Spritzgießprozess kann beispielsweise die folgenden Schritte umfassen:
- Schritt 1: Beginn der Plastifikation,
- Schritt 2: Ende der Plastifikation,
- Schritt 3: Schließen der Spritzgussform,
- Schritt 4: Einspritzen des Basismaterials in die Spritzgussform,
- Schritt 5: Nachdrücken und Kühlen,
- Schritt 6: Entformung des Spritzguss-Rohlings aus der Spritzgussform.
- Step 1: Start of plasticization,
- Step 2: End of plasticization,
- Step 3: Closing the injection mold,
- Step 4: Injecting the base material into the injection mold,
- Step 5: Pressing and cooling,
- Step 6: Removal of the injection molding blank from the injection mold.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt dabei für die Bereitstellung eines Formkörpers, der eine elektrische Funktionalität aufweist, anders als im Stand der Technik, das Abkühlen des in die Spritzgussform eingespritzten Basismaterials von einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Basismaterials durch erzwungenes Abkühlen der Spritzgussform. Das erzwungene Abkühlen der Spritzgussform kann z.B. durch Zuführen eines Kühlmediums, z.B. einer Kühlflüssigkeit, in Kanäle der Spritzgussform realisiert werden, die sonst für die Aufheizung der Spritzgussform genutzt werden.In the method according to the invention, in order to provide a molded body that has electrical functionality, unlike in the prior art, the base material injected into the injection mold is cooled from a temperature above the glass transition temperature of the base material to a temperature below the glass transition temperature of the base material by forced Cooling of the injection mold. The forced cooling of the injection mold can be achieved, for example, by supplying a cooling medium, e.g. a cooling liquid, into channels of the injection mold that are otherwise used to heat up the injection mold.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erzwungene Abkühlungsprozess der Spritzgussform gemäß einer vordefinierten Temperatur-Zeit-Funktion durchgeführt wird. Diese Temperatur-Zeit-Funktion kann z.B. automatisch gesteuert werden, beispielsweise Computer-gesteuert. Hierdurch kann eine hohe Reproduktionsgenauigkeit bei der Herstellung der Formkörper bzw. der Spritzguss-Rohlinge erzielt werden. Die Temperatur-Zeit-Funktion kann beispielsweise als eine durch eine obere Grenzfunktion und eine untere Grenzfunktion begrenzte Funktion ausgebildet sein, d.h. die vordefinierte Temperatur-Zeit-Funktion wird innerhalb eines durch die obere Grenzfunktion und die untere Grenzfunktion de- finierten Fensters durchgeführt. Die über die Temperatur-Zeit-Funktion erzielte, über die Zeit gemittelte Abkühlrate der Spritzgussform kann beispielsweise im Bereich von 2°C/min bis 50°C/min liegen, oder im Bereich von 5°C/min bis 25°C/min, oder im Bereich von 7,5°C/min bis 15°C/min. Die obere Grenzfunktion und die untere Grenz-funktion können z.B. lineare Funktionen mit einer Steigung sein, die den zuvor er- wähnten oberen und unteren Grenzwerten der Abkühlrate entspricht.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the forced cooling process of the injection mold is carried out according to a predefined temperature-time function. This temperature-time function can, for example, be controlled automatically, for example computer-controlled. As a result, a high level of reproduction accuracy can be achieved in the production of the moldings or injection molded blanks. The temperature-time function can, for example, be designed as a function limited by an upper limit function and a lower limit function, that is to say the predefined temperature-time function is within one determined by the upper Limit function and the lower limit function of the defined window are carried out. The time-averaged cooling rate of the injection mold achieved via the temperature-time function can be, for example, in the range from 2°C/min to 50°C/min, or in the range from 5°C/min to 25°C/min , or in the range of 7.5°C/min to 15°C/min. The upper limit function and the lower limit function can, for example, be linear functions with a slope that corresponds to the previously mentioned upper and lower limit values of the cooling rate.
Der Kunststoff des kunststoffhaltigen Basismaterials kann ein Thermoplast oder ein Duroplast sein, z.B. PEEK (Polyetheretherketon) oder Polycarbonat. Vorteilhaft ist insbesondere die Auswahl eines Kunststoffmaterials, das nicht zu temperaturempfindlich ist und beispielsweise die in der Elektrotechnik üblichen Lötprozesse vertragen kann, ohne wesentlich geschädigt zu werden. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Basismaterial biokompatibel ist. Auf diese Weise werden Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik eröffnet.The plastic of the plastic-containing base material can be a thermoplastic or a thermoset, e.g. PEEK (polyetheretherketone) or polycarbonate. It is particularly advantageous to select a plastic material that is not too temperature-sensitive and can, for example, withstand the soldering processes common in electrical engineering without being significantly damaged. It is also advantageous if the base material is biocompatible. This opens up possible applications in medical technology.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Spritzgießprozess mittels der Spritzgussform auf der Oberfläche des Spritzguss-Rohlings Strukturen mit Abmessungen im Nanometer-Bereich bis Mikrometer-Bereich erzeugt werden, die zur Herstellung eines elektrischen Funktionsbauteils geeignet sind. Auf diese Weise können besonders effizient elektrische Funktionsbauteile mit Abmessungen im Nanometer-Bereich erzeugt werden. Dabei können z.B. Dünnschichtstrukturen mit Schichtdicken im Nanometer-Bereich erzeugt werden. Die Strukturen können sonstige Abmessungen (Länge/Breite) im Mikrometer-Bereich aufweisen. Als Nanometer-Bereich wird in diesem Zusammenhang der Bereich von 1 bis 999 Nanometer verstanden. Als Mikrometer-Bereich wird in diesem Zusammenhang der Bereich von 1 bis 999 Mikrometer verstanden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the injection molding process uses the injection mold to produce structures with dimensions in the nanometer to micrometer range on the surface of the injection molded blank, which are suitable for producing an electrical functional component. In this way, electrical functional components with dimensions in the nanometer range can be produced particularly efficiently. For example, thin-film structures with layer thicknesses in the nanometer range can be created. The structures can have other dimensions (length/width) in the micrometer range. In this context, the nanometer range is understood to be the range from 1 to 999 nanometers. In this context, the micrometer range is understood to be the range from 1 to 999 micrometers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Spritzgießprozess mittels der Spritzgussform der Spritzguss-Rohling als planare Platte und/oder mit einer Oberflächenrauheit an zumindest einem Teilbereich seiner Oberfläche von maximal 30 Nanometern Rautiefe erzeugt wird. Auf diese Weise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren leiterplattenähnliche Formkörper hergestellt werden, insbesondere Formkörper, die eine vergleichbare Form wie herkömmliche Silizium-Wafer haben. Auch hierdurch wird die kostengünstige Massenfertigung von Bauteilen mit elektrischer Funktionalität gefördert. Beispielsweise kann ein Formkörper eine Vielzahl von einzelnen Bauteilen mit elektrischer Funktionalität aufweisen, die in einem Vereinzelungsschritt voneinander getrennt werden können und dann separat gehandhabt werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the injection molding process produces the injection molding blank as a planar plate and/or with a surface roughness on at least a portion of its surface of a maximum of 30 nanometers. In this way, printed circuit board-like shaped bodies can be produced using the method according to the invention, in particular shaped bodies which have a comparable shape to conventional silicon wafers. This also promotes the cost-effective mass production of components with electrical functionality. For example, a molded body can have a large number of individual components with electrical functionality, which can be separated from one another in a separation step and can then be handled separately.
Die erwähnte Oberflächenrauheit mit maximal 30 Nanometer Rautiefe, somit eine sehr glatte Oberfläche, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren direkt durch den Spritzgießprozess mittels der Spritzgussform erzeugt werden, d.h. ohne einen nachfolgenden Glättungsvorgang, z.B. Schleifen und/oder Polieren.The mentioned surface roughness with a maximum roughness depth of 30 nanometers, thus a very smooth surface, can be produced in the method according to the invention directly by the injection molding process using the injection mold, i.e. without a subsequent smoothing process, e.g. grinding and/or polishing.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass auf dem Spritzguss-Rohling nach dem Spritzgießprozess eine Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material aufgebracht wird. Durch diese Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material können Elemente der elektrischen Funktionalität des Formkörpers bzw. auf dem Formkörper realisierte elektrische Funktionsbauteile ge- schaffen werden. Das elektrisch leitfähige Material kann auf dem Spritzguss-Rohling aufgespritzt, aufgedampft oder auf sonstige Weise abgeschieden werden, beispielsweise mittels eines CVD- oder PVD-Prozesses.According to the invention it is provided that a material layer made of electrically conductive material is applied to the injection molding blank after the injection molding process. Through this material layer made of electrically conductive material, elements of the electrical functionality of the molded body or electrical functional components realized on the molded body can be created. The electrically conductive material can be sprayed, vapor deposited or deposited in some other way onto the injection molded blank, for example using a CVD or PVD process.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in ei- nem weiteren Fertigungsschritt das elektrisch leitfähige Material strukturiert wird und hierdurch wenigstens ein elektrisches Funktionsbauteil in Dünnfilmtechnik auf der Oberfläche des Formkörpers erzeugt wird. Die zuvor unspezifisch auf der Oberfläche des Spritzguss-Rohlings aufgebrachte Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material wird hierdurch in die entsprechenden Strukturen umgewandelt, aus denen wenigstens ein elektrisches Funktionsbauteil gebildet wird. Das Strukturieren kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, vorteilhaft ist z.B. ein Abschleifen und/oder Polieren der Oberfläche des Spritzguss-Rohlings auf der mit dem elektrisch leitfähigen Mate- rial beschichteten Seite. Da in dem Spritzguss-Rohling durch die entsprechende Spritzgussform bereits Strukturen eingebracht sein können, kann hierdurch die Strukturierung der gewünschten elektrischen Funktionsbauteile auf einfache Weise realisiert werden.According to the invention it is provided that in a further manufacturing step the electrically conductive material is structured and thereby at least one electrical functional component is produced using thin film technology on the surface of the shaped body. The material layer made of electrically conductive material that was previously unspecifically applied to the surface of the injection molded blank is thereby converted into the corresponding structures from which at least one electrical functional component is formed. Structuring can be done in different ways, for example grinding and/or polishing the surface of the injection molded blank on the side coated with the electrically conductive material is advantageous. Since structures can already be introduced into the injection molded blank through the corresponding injection mold, the structuring of the desired electrical functional components can be realized in a simple manner.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Formkörper wenigstens ein elektrischer Anschlusskontakt erzeugt wird, insbesondere ein elektrischer Anschlusskontakt des wenigstens einen elektrischen Funktionsbauteils, durch den der Formkörper und/oder das wenigstens eine elektrische Funktions- bauteil elektrisch mit einer elektrischen Baugruppe verbunden werden kann. Auf diese Weise kann der Formkörper oder zumindest ein Teil des Formkörpers wie je- des andere handelsübliche elektrische Bauteil kontaktiert werden, d.h. elektrisch mit einer beliebigen elektrischen Baugruppe verbunden werden.According to the invention it is provided that at least one electrical connection contact is generated on the molded body, in particular an electrical connection contact of the at least one electrical functional component, through which the molded body and/or the at least one electrical functional component can be electrically connected to an electrical assembly. In this way, the shaped body or at least a part of the shaped body can be contacted like any other commercially available electrical component, i.e. electrically connected to any electrical assembly.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels Laserdirektstrukturierung (LDS) wenigstens ein elektrischer Anschlusskontakt des Formkörpers erzeugt wird, insbesondere ein elektrischer Anschlusskontakt des wenigstens einen elektrischen Funktionsbauteils. Dies erlaubt eine besonders effiziente Bereitstellung des wenigstens einen elektrischen Anschlusskontaktes. Insbesondere kann der elektrische Anschlusskontakt als Durchkontaktierung erzeugt werden. Dies erlaubt es wiederum, das elektrische Funktionsbauteil von der dem elektrischen Funktionsbauteil gegenüberliegenden Seite des Formkörpers elektrisch zu kontaktieren. Dies erlaubt somit eine rückwärtige Verdrahtung. Dies hat für viele Anwendungen Vorteile, z.B. wenn das elektrische Funktionsbauteil als Sensor ausgebildet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that at least one electrical connection contact of the shaped body is produced by means of laser direct structuring (LDS), in particular an electrical connection contact of the at least one electrical functional component. This allows a particularly efficient provision of the at least one electrical connection contact. In particular, the electrical connection contact can be created as a plated-through hole. This in turn makes it possible to electrically contact the electrical functional component from the side of the molded body opposite the electrical functional component. This allows backward wiring. This has advantages for many applications, for example if the electrical functional component is designed as a sensor.
Der wenigstens eine elektrische Anschlusskontakt kann auch als männlicher oder weiblicher Steckkontakt erzeugt werden, z.B. als USB-Steckanschluss. Auf diese Weise kann der Formkörper bzw. das damit hergestellte Bauteil direkt z.B. an einem USB-Anschluss eines elektrischen Geräts angeschlossen werden.The at least one electrical connection contact can also be created as a male or female plug contact, for example as a USB plug connection. In this way, the molded body or the component produced with it can be connected directly, for example, to a USB port of an electrical device.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper mittels eines Lötprozesses an seinem wenigstens einen elektrischen Anschlusskontakt mit der elektrischen Baugruppe verbunden wird. Dementsprechend ist der Formkörper kompatibel zu den üblichen in der Elektrotechnik verwendeten Kontaktierungsprozessen, nämlich Lötprozessen. Insbesondere ist der Formkörper geeignet, die Temperaturen eines Lötprozesses vollständig oder im Wesentlichen unbeschadet zu überstehen. Bei einem Lötprozess treten Temperaturen von mindestens 260°C auf. Der Formkörper kann durch seine Materialzusammensetzung solche Temperaturen zumindest kurzzeitig überstehen, d.h. zumindest für die Dauer eines Lötprozesses.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the shaped body is connected to the electrical assembly at its at least one electrical connection contact by means of a soldering process. Accordingly, the shaped body is compatible with the usual contacting processes used in electrical engineering, namely soldering processes. In particular, the shaped body is suitable for withstanding the temperatures of a soldering process completely or essentially undamaged. During a soldering process, temperatures of at least 260°C occur. Due to its material composition, the shaped body can withstand such temperatures at least for a short time, i.e. at least for the duration of a soldering process.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine elektrische Anschlusskontakt vor dem Aufbringen der Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass durch das Erzeugen des wenigstens einen elektrischen Anschlusskontaktes die Materialschicht aus elektrisch leitfähigem Material nicht beschädigt oder anderweitig gestört wird, so- dass auch ein hieraus erzeugtes elektrisches Funktionsbauteil nicht geschädigt wird.According to the invention, it is provided that the at least one electrical connection contact is produced from electrically conductive material before the material layer is applied. This has the advantage that by producing the at least one electrical connection contact, the material layer made of electrically conductive material is not damaged or otherwise disturbed, so that an electrical functional component generated from this is also not damaged.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann die gewünschte Strukturierung des elektrisch leitfähigen Materials insbesondere Lithographie-frei erfolgen, was den gesamten Herstellungsprozess weiter vereinfacht.With the method described, the desired structuring of the electrically conductive material can be carried out in particular without lithography, which further simplifies the entire manufacturing process.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sämtliche Verfahrensschritte in der normalen Umgebung ausgeführt werden können, d.h. es ist weder Reinraumtechnik noch die Bereitstellung einer bestimmten Umgebungsatmosphäre erforderlich.A further advantage of the invention is that all process steps can be carried out in the normal environment, i.e. neither clean room technology nor the provision of a specific ambient atmosphere is required.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Bauteil mit elektrischer Funktionalität gemäß Anspruch 7. Dabei ist der Formkörper mittels eines Spritzgießprozesses hergestellt. Der Formkörper wird mit einem Verfahren der zuvor erläuterten Art hergestellt. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann das Bauteil in Massenproduktion besonders effizient und kostengünstig hergestellt werden. Durch Nutzung des LDS-fähigen Werkstoffs kann die Bereitstellung von elektrischen Anschlusskontakten durch Laserdirektstrukturierung erfolgen.The task mentioned at the beginning is also achieved by a component with electrical functionality according to
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper wenigstens einen durch Laserdirektstrukturierung erzeugten elektrischen Anschlusskontakt aufweist, der mit einem Anschluss des elektrischen Funktionsbauteils verbunden ist. Auf diese Weise kann das Bauteil ohne aufwendige Drahtbondprozesse hergestellt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the shaped body has at least one electrical connection contact generated by laser direct structuring, which is connected to a connection of the electrical functional component. In this way, the component can be manufactured without complex wire bonding processes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine elektrische Anschlusskontakt als vertikale Durchkontaktierung (Via) des Formkörpers ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine Durchkontaktierung auf die Rückseite des Formkörpers, was zu einer erheblichen Vereinfachung nachfolgender Kontaktierungsprozesse führt. Im Unterschied zu Siliziumsubstraten wird dies bei der vorliegenden Erfindung durch den verwendeten Werkstoff (kunststoffhaltiges Basismaterial) und das Herstellungsverfahren (Spritzgießprozess) ermöglicht. Die Durchkontaktierung kann als mittels Laserbohren, Aktivierung der Innenwand der Bohrung mittels Laser und anschließender stromloser Abscheidung eines leitfähigen Materials erzeugte Durchkontaktierung ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the at least one electrical connection contact is designed as a vertical plated-through hole (Via) of the shaped body. This enables through-connection to the back of the molded body, which leads to a considerable simplification of subsequent contacting processes. In contrast to silicon substrates, this is made possible in the present invention by the material used (plastic-containing base material) and the manufacturing process (injection molding process). The via can be designed as a via created by means of laser drilling, activation of the inner wall of the hole by means of a laser and subsequent electroless deposition of a conductive material.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine elektrische Anschlusskontakt mittels eines Lots mit einer elektrischen Baugruppe verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil mit den üblichen in der Elektrotechnik verwendeten Kontaktierungsprozessen, nämlich Lötprozessen, hergestellt werden kann.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the at least one electrical connection contact is connected to an electrical assembly by means of a solder. This has the advantage that the component can be manufactured using the usual contacting processes used in electrical engineering, namely soldering processes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper eine amorphe Außenschicht aufweist, die einen Kern aus teilkristallinem Material umgibt. Hierdurch kann ein Formkörper mit sehr glatter Außenoberfläche mit wenig Aufwand hergestellt werden. Dies erlaubt wiederum die Erzeugung von elektrischen Funktionsbauteilen in Dünnfilmtechnik an der Oberfläche des Formkörpers mit wenig Aufwand.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the shaped body has an amorphous outer layer which surrounds a core made of semi-crystalline material. As a result, a molded body with a very smooth outer surface can be produced with little effort. This allows like This means the production of electrical functional components using thin film technology on the surface of the molded body with little effort.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenrauheit zumindest eines Teils der Oberfläche des Formkörpers maximal 30 Nanometer Rautiefe ist. Diese geringe Oberflächenrauheit, d.h. die vergleichsweise glatte Oberfläche, steht dabei unmittelbar nach Abschluss des Spritzgussprozesses zur Verfügung. Dementsprechend ist nach Abschluss des Spritzgussprozesses nicht zunächst ein zusätzlicher Glättungsvorgang erforderlich, bevor ein Funktionsbauteil als Dünnfilm-Struktur aufgebracht wird.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the surface roughness of at least part of the surface of the shaped body is a maximum of 30 nanometers roughness depth. This low surface roughness, i.e. the comparatively smooth surface, is available immediately after the injection molding process has been completed. Accordingly, after completion of the injection molding process, an additional smoothing process is not required before a functional component is applied as a thin film structure.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die
Die
Die
Nach Abschluss des Einspritzvorgangs wird bei noch geschlossener Spritzgussform 1, 2 ein Abkühlen des in die Spritzgussform 1, 2 eingespritzten Basismaterials 5 durch erzwungenes Abkühlen der Spritzgussform 1, 2 durchgeführt, wie durch die
Die
Die
In einem anschließenden Schritt, der in
In einem anschließenden Schritt, der in
In einem nachfolgenden Schritt, der in
Die bis hier durchgeführten Schritte können insbesondere mit einem Spritzguss-Rohling 6 durchgeführt werden, der in Form einer vergleichsweise großen Platte ausgebildet ist, ähnlich einem Wafer in der Halbleiterfertigung. Die später zu verwendenden, hieraus erzeugten Formkörper 60 können dann durch Vereinzelung aus dem zuvor großen Spritzguss-Rohling abgetrennt werden.The steps carried out up to this point can be carried out in particular with an
Der Formkörper 60 kann dann, wie die
Die
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