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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Schaltung aus elektronischen Bauteilen sowie einer dreidimensionalen Schaltung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Elektronische Schaltungen mit diskreten Bauelementen werden als gedruckte Schaltungen auf Leiterplatten realisiert. Dabei stößt die Miniaturisierung durch die Verwendung des Platinen-Materials auf Grenzen.
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Die
DE 10 2007 015 399 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Mehrlagen-Schaltungsanordnung und eine entsprechende Mehrlagen-Schaltungsanordnung, wobei diese schichtweise durch Abscheiden von Pulvermaterialien durch Sprühen über Düsen aufgetragen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Schaltung aus elektronischen Bauteilen vorgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Anordnens wenigstens eines ersten elektronischen Bauteils auf einer ersten Matrix, und einen Schritt des Anordnens wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils auf einer weiteren Matrix auf. Hierbei dienen die Matrizen als temporäre Halterungen bzw. Fixierungen für die elektronischen Bauteile. Insbesondere können die Matrizen als Opferschichten ausgestaltet sein.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Zusammenführen der Matrizen derart, dass das wenigstens eine erste elektronische Bauteil dem wenigstens einen weiteren elektronischen Bauteil zugewandt ist, wobei die erste Matrix und die weitere Matrix durch einen Zwischenraum beabstandet sind. Hierbei kann der Zwischenraum derart bemessen sein, dass zwischen dem ersten elektronischen Bauteil und dem zweiten elektronischen Bauteil ein Mindestabstand liegt. Der Mindestabstand kann hierbei zwischen 5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 100 µm betragen.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Auffüllen des Zwischenraums mit einer Vergussmasse zur mechanischen Fixierung des wenigstens einen ersten elektronischen Bauteils mit dem wenigstens einen weiteren elektronischen Bauteil zur Ausbildung der dreidimensionalen Schaltung. Die Vergussmasse weist eine derartige Viskosität auf, dass sie den Zwischenraum zwischen der ersten Matrix und der weiteren Matrix vollständig ausfüllt.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein kontaktieren des wenigstens einen ersten elektronischen Bauteils auf der ersten Matrix mit dem wenigstens einen weiteren elektronischen Bauteil auf der weiteren Matrix. Dieser Schritt kann vor und/oder nach dem Schritt des Auffüllens des Zwischenraums erfolgen.
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In einem weiteren Schritt erfolgt nunmehr ein Entfernen der ersten Matrix und/oder der weiteren Matrix.
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Unter einem elektronischen Bauteil bzw. einem elektronischen Bauelement können auch elektrische, optoelektronische, elektromechanische und mechanische Bauelemente verstanden werden. Unter elektronischen Bauteilen können beispielsweise eine Spannungsquelle, ein Widerstand, ein Kondensator, eine Spule, eine Diode, ein Transistor oder eine integrierte Schaltung verstanden werden.
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Vorteile der Erfindung
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Durch dieses Verfahren kann eine komplexe, dreidimensionale, elektronische Schaltung mit einer sehr hohen Packungsdichte aufgebaut werden. Denn die dreidimensionale Schaltung kommt ohne starre und sperrige Leiterplatten aus, welche ihrerseits eine Mindestschichtdicke aufweisen. Dies erhöht die Flexibilität in der Herstellung der dreidimensionalen Schaltung und spart sowohl Bauraum als auch Kosten ein.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren wiederholt ausgeführt wird. Hierbei werden die Schritte des Anordnens wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils auf einer weiteren Matrix, der Schritt des Zusammenführens der Matrizen, der Schritt des Auffüllens des Zwischenraums mit einer Vergussmasse, der Schritt des Kontaktierens sowie der Schritt des Entfernens wenigstens einer der Matrizen wiederholt ausgeführt. Im Schritt des Zusammenführens wird die weitere Matrix mit der bereits vorhandenen dreidimensionalen Schaltung derart zusammengeführt, dass das wenigstens eine weitere elektronische Bauteil auf der weiteren Matrix dem wenigstens einen weiteren elektronischen Bauteil auf der dreidimensionalen Schaltung zugewandt ist. Auch hier werden die weitere Matrix und die dreidimensionale Schaltung derart angeordnet, dass sie durch einen Zwischenraum beabstandet sind. Mit anderen Worten wird hierbei eine weitere, mit wenigstens einem weiteren elektronischen Bauteil bestückte Matrix auf die in den vorherigen Verfahrensschritten gebildete dreidimensionale Schaltung aufgelegt, und es wird auch dieser neue Zwischenraum zwischen der dreidimensionalen Schaltung und der weiteren Matrix mit der Vergussmasse aufgefüllt, um das wenigstens eine weitere elektronische Bauteil mit der dreidimensionalen Schaltung zu fixieren. Das wenigstens eine weitere elektronische Bauteil wird vor oder nach dem Auffüllen des Zwischenraums mit der Vergussmasse mit der dreidimensionalen Schaltung elektrisch verbunden bzw. kontaktiert. Schließlich wird die weitere Matrix, auf welcher das auf die dreidimensionale Schaltung neu hinzugefügte weitere elektronische Bauteil angeordnet ist, entfernt. Je nachdem wie viele weitere Lagen bzw. Schichten an wenigstens einem weiteren elektronischen Bauteil auf die dreidimensionale Schaltung aufgebracht werden sollen, kann der Schritt des Kontaktierens der elektronischen Bauteile auf den jeweiligen Lagen bzw. Schichten auch als letzter Verfahrensschritt erfolgen. Durch das sukzessive Aufbringen weiterer elektronischer Bauteile auf die dreidimensionale Schaltung kann eine hochkomplexe Schaltung mit sehr geringem Platzbedarf realisiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in den Schritten des Anordnens eine Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen auf der ersten Matrix angeordnet werden und/oder eine Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen auf der weiteren Matrix angeordnet werden. Hierbei können die ersten elektronischen Bauteile entlang einer Linie auf der ersten Matrix und/oder die weiteren elektronischen Bauteile ebenfalls entlang einer Linie auf der weiteren Matrix angeordnet werden. Weiterhin können die ersten elektronischen Bauteile flächig auf der ersten Matrix und/oder die weiteren elektronischen Bauteile flächig auf der weiteren Matrix angeordnet werden. Die flächige Anordnung kann ungeordnet oder geordnet ausgebildet sein. Insbesondere bei einer geordneten flächigen Anordnung kann vorgesehen sein, dass eine zur Verfügung stehende Fläche auf den Matrizen rasterartig unterteilt ist, und einzelne elektronische Bauteile jeweils in einem Rasterfeld angeordnet sind. Hierdurch kann eine hochkomplexe dreidimensionale Schaltung mit hoher Packungsdichte und damit mit geringem Platzbedarf realisiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in den Schritten des Anordnens die Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen auf der ersten Matrix und/oder die Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen auf der weiteren Matrix derart angeordnet werden, dass bei dem Schritt des Zusammenführens ein durch die Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen gebildetes erstes Oberflächenrelief und ein durch die Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen gebildetes weiteres Oberflächenrelief komplementär zueinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten werden hierbei die elektronischen Bauteile auf der ersten Matrix und die weiteren elektronischen Bauteile auf der weiteren Matrix derart aufeinander abgestimmt angeordnet, dass nach dem Schritt des Zusammenführens ein Volumen des Zwischenraums möglichst gering ist. Hierdurch kann die Packungsdichte der dreidimensionalen Schaltung weiter erhöht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass während oder nach dem Schritt des Anordnens der Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen die ersten elektronischen Bauteile miteinander kontaktiert werden und/oder während oder nach dem Schritt des Anordnens der Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen die weiteren elektronischen Bauteile miteinander kontaktiert werden. Das Kontaktieren kann hierbei beispielsweise durch Löten, Bonden oder galvanisches Verbinden erfolgen. Hierdurch können die einzelnen elektronischen Bauteile in effizienter Weise elektrisch miteinander verbunden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Schritt des Anordnens der Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen die Kontaktierungen zwischen der Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen und/oder nach dem Schritt des Anordnens der Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen die Kontaktierungen zwischen der Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen mit einer isolierenden Schicht versehen werden. Die isolierende Schicht kann hierbei beispielsweise durch einen Isolierlack oder eine dünnflüssige Vergussmasse gebildet sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die erste Matrix und/oder die weitere Matrix ein Material aufweisen, welches Wachs, Paraffin, Polystyrol, Naphthalin und/oder Polyvinylalkohol umfasst oder aus diesem besteht. Hierdurch kann in einfacher Weise die erste Matrix und/oder die weitere Matrix bereitgestellt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Schritt des Entfernens der ersten Matrix und/oder der weiteren Matrix die erste Matrix und/oder die weitere Matrix durch Aufschmelzen, Auflösen und/oder Sublimieren entfernt wird. Hierdurch kann die erste Matrix und/oder die weitere Matrix in einfacher Weise vollständig entfernt werden.
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Ferner wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine dreidimensionale Schaltung aus elektronischen Bauteilen vorgestellt für welche die zuvor genannten Vorteile in entsprechender Weise gelten.
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Die dreidimensionale Schaltung aus elektronischen Bauteilen weist eine erste Anordnung mit wenigstens einem ersten elektronischen Bauteil und wenigstens einer im Wesentlichen zur ersten Anordnung parallelen, weiteren Anordnung mit wenigstens einem weiteren elektronischen Bauteil auf. Hierbei sind das wenigstens eine erste elektronische Bauteil und das wenigstens eine weitere elektronische Bauteil elektrisch kontaktiert. Die dreidimensionale Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Anordnung und die weitere Anordnung durch einen mit einer Vergussmasse zur mechanischen Fixierung des ersten elektronischen Bauteils mit dem weiteren elektronischen Bauteil aufgefüllten Zwischenraum beabstandet voneinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine hochkomplexe, dreidimensionale Schaltung geschaffen, die eine hohe Packungsdichte aufweist und mechanisch stabil ist.
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Die dreidimensionale Schaltung kann beispielsweise für die Verschaltung bzw. Ansteuerung von Kamerasystemen eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Schaltung nach einem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen herstellbar ist oder hergestellt ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen:
- 1 - 7 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung aus elektronischen Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Schaltung aus elektronischen Bauteilen sowie eine dreidimensionale Schaltung aus elektronischen Bauteilen beschrieben, die eine sehr hohe Packungsdichte an elektronischen Bauteilen aufweist und dennoch mechanisch stabil ist.
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In 1 ist ein Schritt des Anordnens 100 wenigstens eines ersten elektronischen Bauteils 10 schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere erste elektronische Bauteile 10 auf einer ersten Matrix 50 angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass die einzelnen elektronischen Bauteile 10 untereinander elektrisch kontaktierbar sind und zwischen ihnen genügend Abstand verbleibt, um die in ihrem Betrieb entstehende Wärme effektiv abführen zu können. Je nach Beschaffenheit und/oder geometrischen Abmessungen der einzelnen Bauteile 10 sind diese unterschiedlich tief in der Matrix 50 eingebettet. Hierdurch können die einzelnen elektronischen Bauteile 10 ein spezielles Oberflächenrelief 60 ausbilden.
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In 2 ist ein Schritt des Kontaktierens 110 der einzelnen elektronischen Bauteile 10 schematisch dargestellt. Hierbei werden die elektronischen Bauteile 10 beispielsweise durch Bonddrähte 20 elektrisch miteinander verbunden bzw. kontaktiert. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen elektronischen Bauteile 10 auch durch Löten oder galvanisches Verbinden kontaktiert werden.
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In 3 ist ein weiterer Schritt des anordnen 200 wenigstens eines weiteren elektronischen Bauteils 11 schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere weitere elektronische Bauteile 11 auf einer weiteren Matrix 51 angeordnet. Die Anordnung erfolgt analog zu der in 1 beschriebenen Art und Weise. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anordnung der weiteren elektronischen Bauteile 11 derart, dass ein sich aus den weiteren elektronischen Bauteilen 10 ausbildendes weiteres, spezielles Oberflächenrelief 61 komplementär zu dem speziellen Oberflächenrelief 60 ausgestaltet ist.
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Die erste Matrix 50 und/oder die weitere Matrix 51 können aus einem Material gebildet sein, welches Wachs, Paraffin, Polystyrol, Naphthalin und/oder Polyvinylalkohol aufweist.
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In einem weiteren Schritt 210 werden die einzelnen weiteren elektronischen Bauteile 11 beispielsweise durch Bonddrähte 20 elektrisch miteinander verbunden bzw. kontaktiert. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen elektronischen Bauteile 11 auch durch Löten oder galvanisches Verbinden kontaktiert werden.
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Nach den Schritten des Kontaktierens 110, 210 der ersten elektronischen Bauteile 10 untereinander und/oder der weiteren elektronischen Bauteile 11 untereinander können die Kontaktierungen, insbesondere die Bonddrähte 20, 21, mit einer isolierenden Schicht versehen werden. Die isolierende Schicht kann hierbei beispielsweise durch einen Isolierlack oder eine dünnflüssige Vergussmasse gebildet sein.
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In 4 ist ein Schritt des Zusammenführens 300 der ersten Matrix 50 und der weiteren Matrix 51 schematisch dargestellt. Hierbei werden die ersten Matrix 50 und die weitere Matrix 51 derart übereinandergelegt, dass die ersten elektronischen Bauteile 10 und die weiteren elektronischen Bauteile 11 einander zugewandt sind. Insbesondere indem das spezielle Oberflächenrelief 60 und das weitere spezielle Oberflächenrelief 61 komplementär zueinander ausgestaltet sind, kann ein Zwischenraum 70 zwischen der ersten Matrix 50 und der weiteren Matrix 51 sehr eng bzw. schmal ausgebildet sein. Hierbei kann der Zwischenraum 70 derart bemessen sein, dass zwischen den ersten elektronischen Bauteilen 10 und den zweiten elektronischen Bauteilen 11 ein Mindestabstand liegt. Der Mindestabstand kann hierbei zwischen 5 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 µm und 1mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 100 µm betragen.
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In 5 ist ein weiterer Verfahrensschritt 500 schematisch dargestellt. Hierbei wird wenigstens eines der ersten elektronischen Bauteile 10 mit wenigstens einem der weiteren elektronischen Bauteile 11 elektrisch kontaktiert. Dies kann beispielsweise über Bonddrähte 21, Lötverbindungen oder galvanischem Verbinden erfolgen. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das elektrische Kontaktieren 500 der ersten elektronischen Bauteile 10 mit den weiteren elektronischen Bauteilen 11 an einem Randbereich 22 der ersten Matrix 50 und/oder der weiteren Matrix 51 erfolgt.
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In 6 ist der Verfahrensschritt des Auffüllens 400 des Zwischenraums 70 mit einer Vergussmasse 80 schematisch dargestellt. Die Vergussmasse 80 weist eine derartige Viskosität auf, dass sie den Zwischenraum 70 vollständig ausfüllt. Der Viskositätsbereich kann beispielsweise 20 mPas - 300 mPas betragen. Die Vergussmasse 80 kann beispielsweise aus einem Klebstoff gefertigt sein. Insbesondere kann die Vergussmasse 80 aus einem wärmeaushärtenden und/oder UV-aushärtenden Material gefertigt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vergussmasse 80 wenigstens ein Epoxidharz auf oder besteht aus einer Mischung aus mehreren Epoxidharzen. Nach dem Aushärten der Vergussmasse 80 sind sowohl die Mehrzahl an ersten elektronischen Bauteilen 10 untereinander und die weiteren elektronischen Bauteile 11 untereinander als auch die ersten elektronischen Bauteile 10 und die weiteren elektronischen Bauteile 11 miteinander mechanisch fixiert. Das Aushärten kann alternativ auch lediglich durch Trocknung erfolgen.
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In 7 ist der Verfahrensschritt des Entfernens 600 der ersten Matrix 50 und/oder der weiteren Matrix 51 schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wurde bereits die erste Matrix 50 entfernt, sodass die Mehrzahl an erste elektronischen Bauteilen 10 lediglich durch die Vergussmasse 80 mechanisch gehaltert bzw. fixiert sind.
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Es kann nun nachfolgend auch die weitere Matrix 51 entfernt werden, sodass auch die Mehrzahl an weiteren elektronischen Bauteilen 11 nur noch durch die Vergussmasse 80 mechanisch gehaltert bzw. fixiert sind. Das Entfernen 600 der ersten Matrix 50 und oder der weiteren Matrix 51 kann beispielsweise durch auf Schmelzen, Auflösen und/oder Sublimieren erfolgen.
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Durch das Entfernen 600 der ersten Matrix 50 und der weiteren Matrix 51 verbleibt lediglich die 3-dimensionale Schaltung 1 aus elektronischen Bauteilen 10, 11, welche durch die Vergussmasse 80 mechanisch fixiert sind, wobei die Vergussmasse 80 auch die Kontaktierungen der elektronischen Bauteile 10, 11 untereinander überdeckt und somit isoliert.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Schritte des Anordnens 200 von weiteren elektronischen Bauteilen 11 auf einer weiteren Matrix 51, des Kontaktierens 210 der weiteren elektronischen Bauteile 11 untereinander, des Zusammenführens 300 der weiteren Matrix 51 samt den darauf angeordneten weiteren elektronischen Bauteilen 11 mit der dreidimensionalen Schaltung 1, des Kontaktierens 500 wenigstens eines der weiteren elektronischen Bauteile 11 auf der weiteren Matrix 51 mit wenigstens einem elektronischen Bauteil 11 auf der dreidimensionalen Schaltung 1 und des Entfernens 600 der weiteren Matrix 51 wenigstens teilweise wiederholt werden. Hierdurch kann die dreidimensionale Schaltung 1 mit einer Vielzahl an übereinander angeordneten elektronischen Bauteilen 10, 11 gefertigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007015399 A1 [0003]
