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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte sowie ein Formteil zur Verwendung in diesem Verfahren.
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Bei der Herstellung von Leiterplatten, insbesondere für Hochstromanwendungen, werden stromführende Bauteile als Leitungsdrähte oder Leiterelemente in Isolierstoff eingebettet und mit Leiterstrukturen zum Anschließen elektronischer Bauteile an der Leiterplatte verbunden. Entsprechende Leiterplatten und Herstellungsverfahren sind aus der
EP 1 842 402 und der
DE 10 2011 102 484 bekannt.
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Bei den bekannten Herstellungsverfahren werden die Leitungsdrähte oder Leiterelemente auf einer Kupferfolie positioniert und mit dieser verschweißt, anschließend mit Isolierstoff verpresst, bevor eine Leiterstruktur mit Leiterbahnen und Anschlussstellen aus der Kupferfolie herausgearbeitet wird.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Leiterplatten, insbesondere mit einer Vielzahl von Segmenten, zu vereinfachen, Isolierstoff zu sparen und dadurch auch die Höhe der Leiterplatte zu reduzieren, unter anderem, um das Wärmemanagement auf Leiterplatten deutlich effizienter zu machen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das Formteil nach Anspruch 6.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten umfassend die folgenden Schritte:
- - Schritt A: Bereitstellen eines elektrisch leitenden Formteils mit wenigstens zwei Segmenten, die (entlang einer Trennfuge) über Materialstege einstückig verbunden sind.
- - Schritt B: Einbetten der Segmente in Isolierstoff zur Ausbildung wenigstens eines Leiterplattensubstrats.
- - Schritt C: Anbringen einer Leiterstruktur an dem Leiterplattensubstrat zur Ausbildung der Leiterplatte.
- - Schritt D Lösen der einstückigen Verbindung der Segmente unter Durchtrennung der Materialstege.
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Um die Segmente und gegebenenfalls verschiedene Leiterplattensektionen zu bilden, werden z.B. schlitzförmige Perforationen entlang einer Perforationslinie in das Formteil eingebracht. Die Segmente entsprechen beispielsweise den Leitungsdrähten gemäß der Patentanmeldung
EP 1 842 402 und/oder den Formteilen gemäß der Patentanmeldung
DE 10 2011 102 484 , deren Inhalte durch Bezugnahme hierin enthalten sind. Dem Grunde nach soll bei der Ausbildung der Segmente wenig Material entfernt werden, da mit zunehmender Segmentierung ggfs. auch die erforderliche Bearbeitungszeit zunimmt. Durch die Segmentierung des Formteils soll eine Trennfuge geschaffen werden, die im Endzustand der Leiterplatte vorzugsweise vollständig mit Isolierstoff befüllt ist. Allerdings erweist es sich als vorteilhaft, die einzelnen Segmente erst nach dem Anbringen der Leiterstruktur voneinander zu trennen, weil dadurch die Positionierung der Leiterstruktur im Verhältnis zu den Segmenten wesentlich vereinfacht wird. Die Trennfuge zwischen den Segmenten sollte mindestens so breit sein, dass durch den einzubringenden Isolierstoff ein elektrischer Durchschlag über die Trennfuge vermieden wird. Dabei erweist sich für die Trennfuge eine Mindestbreite von ca. 200 µm als vorteilhaft. Allerdings sollte die Trennfuge auch nicht zu breit sein, weil das abgetragene Material beim Einbetten des Formteils in Isolierstoff mit Isolierstoff zu befüllen ist. Da Isolierstoff vorzugsweise flächig z.B. als Isolierstoffmatte (Prepreg = harzgetränkte Fasermatte) aufgetragen wird, fehlt an der Trennfuge entsprechender Isolierstoff. Bei einer entsprechend kleinen Trennfuge kann das Materialdefizit leicht ausgeglichen werden. Bei einer größeren Trennfuge könnten sich möglicherweise rinnenförmige Vertiefungen entlang der Trennfuge an der Oberfläche der Leiterplatte abzeichnen und zu Delaminationen führen, was nach Möglichkeit zu vermeiden ist. Eine maximale Breite der Perforationslinie bzw. Trennfuge von ca. 2000 µm erscheint sinnvoll. Das Zwischenprodukt nach dem Einbetten des Formteils in Isolierstoff wird im Rahmen dieser Erfindung als Leiterplattensubstrat bezeichnet. An diesem Leiterplattensubstrat wird anschließend eine Leiterstruktur zum Anschließen elektronischer Bauteile angebracht. Dazu wird das Leiterplattensubstrat beispielsweise mit einer Kupferfolie beschichtet, aus welcher im Nachgang Leiterbahnen und Anschlussstellen z.B. im Ätzverfahren herausgearbeitet werden. Allerdings können alternativ oder zusätzlich auch vorgefertigte Leitungsdrähte und Pads als Leiterstruktur an dem Leiterplattensubstrat angebracht werden. Die einstückige Verbindung der Segmente wird erfindungsgemäß nach Anbringung der Leiterstruktur gelöst, indem die Materialstege durchtrennt werden. Dadurch kann die Leiterstruktur im Verhältnis zu den eingebetteten Segmenten besonders genau positioniert werden. Durch Einbettung in den Isolierstoff sind die Positionen der Segmente zueinander festgelegt und bleiben auch nach der Durchtrennung der Materialstege ausgerichtet. Die Formulierung „Materialstege“ in der Mehrzahl soll auch einen einzelnen Materialsteg in der Einzahl einschließen.
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Die Erfindung begünstigt im Ergebnis auch die Minimierung der Isolierstoffmenge bei der Herstellung der Leiterplatte, woraus sich gleich mehrere Vorteile ergeben: Es werden einerseits Materialkosten eingespart und andererseits die Dicke bzw. Bauhöhe der Leiterplatte verringert. Je weniger Isolierstoff verwendet wird, desto dünner ist die Leiterplatte. Je dünner eine Trennfuge ist, desto weniger Isolierstoff (bzw. Harz) muss bereitgestellt werden, um die Trennfuge aufzufüllen. Zudem ist der Isolierstoff nicht nur elektrisch isolierend, sondern auch thermisch isolierend, sodass durch Verringerung der Isolierstoffmenge auch das Wärmemanagement der Leiterplatte begünstigt wird.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Schritte A bis D vorzugsweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Wie nachstehend angegeben, können die Schritte und Teilschritte des Verfahrens zumindest teilweise auch in geänderter Reihenfolge ausgeführt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Es kann sinnvoll sein, wenn Schritt A wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist, wobei die Teilschritte vorzugsweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
- - A-1: Bereitstellen des elektrisch leitenden Formteils als vorzugsweise ebenes Flächenelement aus Metall, bevorzugt aus Kupfer, besonders bevorzugt mit einer Dicke im Bereich von 200 bis 1000 µm.
- - A-2: Anbringen oder Ausbilden wenigstens einer Referenzmarkierung an dem Formteil. Die Referenzmarkierung kann beispielsweise ein Schriftzeichen, ein Symbol, ein Kreuz oder eine Öffnung im Formteil sein. Bedeutend ist, dass diese Referenzmarkierung eindeutig festgelegt ist. Letztendlich dient die Referenzmarkierung zur Bestimmung eines Koordinatensystems auf dem Formteil, sodass anhand der Referenzmarkierung Positionen auf dem Formteil eindeutig bestimmt werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Positionierung der späteren Leiterstruktur im Verhältnis zu den Segmenten sowie für das spätere Durchtrennen der Materialstege. Nach dem Einbetten des Formteils in Isolierstoff ist die Trennfuge bzw. der Materialsteg i.d.R. mit Isolierstoff bedeckt und nicht sichtbar. Demnach müssen die Positionen der Materialstege exakt bekannt sein, um diese gezielt durchtrennen zu können. Anhand der Referenzmarkierung kann die Leiterstruktur der Leiterplatte positionsgenau festgelegt bzw. ausgebildet werden, sodass die Materialstege, die zur späteren Durchtrennung für entsprechendes Werkzeug zugänglich sein müssen, nicht durch die Leiterstruktur verdeckt oder in anderer Weise unzugänglich gemacht werden. Die Referenzmarkierung ist vorzugsweise maschinell lesbar bzw. optisch mit einer optischen Einrichtung erkennbar.
- - A-3: Ausrichten des Formteils (z.B. in Bezug auf einen Pressaufbau) anhand wenigstens einer Referenzmarkierung des Formteils. Dadurch erleichtert sich die Bearbeitung des Formteils in den folgenden Bearbeitungsschritten.
- - A-4: Perforieren des Formteils entlang wenigstens einer Perforationslinie zur Ausbildung wenigstens einer Leiterplattensektion mit den wenigstens zwei Segmenten, vorzugsweise in Abhängigkeit von wenigstens einer Referenzmarkierung des Formteils, bevorzugt umfassend wenigstens einen der folgenden Teilschritte:
- - A-4-1: Bilden einer in sich geschlossenen Perforationslinie um die Leiterplattensektion, sodass die Leiterplattensektion innerhalb der Perforationslinie lediglich über vereinzelte Materialstege einstückig mit einem umliegenden Randbereich außerhalb der Perforationslinie verbunden ist, wobei die in sich geschlossene Perforationslinie vorzugsweise eine Polygonform aufweist. Entlang der in sich geschlossenen Perforationslinie kann die Leiterplattensektion vorzugsweise nach Fertigstellung der Leiterplatte leicht aus dem Formteil herausgetrennt werden. Die polygonale Form erleichtert das Trennen der Leiterplattensektion vom umliegenden Material.
- - A-4-2: Bilden wenigstens einer offenen (d.h. nicht geschlossenen) oder geschlossenen Perforationslinie zur Unterteilung der Leiterplattensektion in die Segmente, wobei diese offene oder geschlossene Perforationslinie bevorzugt an einem Rand der Leiterplattensektion, besonders bevorzugt an einer die Leiterplattensektion umschließenden Perforationslinie, beginnt und/oder endet. Mit diesen Perforationslinien können beliebige Segmente innerhalb der Leiterplattensektion ausgebildet werden. Mit einer in sich geschlossenen Perforationslinie ist es auch möglich, ein Leiterplattensegment innerhalb eines anderen Leiterplattensegments auszubilden.
- - A-4-3: Ausbilden der wenigstens einen Perforationslinie mit vorzugsweise einheitlicher Breite, vorzugsweise einer Breite im Bereich von 200 bis 2000 µm, bevorzugt derart, dass schlitzförmige Perforationen entlang der Perforationslinie durch die Materialstege voneinander beabstandet sind. Die Perforationslinie bildet die spätere Trennfuge zwischen den Segmenten, die im fertigen Zustand der Leiterplatte idealerweise vollständig mit Isolierstoff befüllt ist.
- - A-4-4: Perforieren des Formteils durch Materialabtrag, vorzugsweise durch Laserstrahlung oder durch Ätzung, bevorzugt derart, dass entlang der Perforationslinie mehr als 90%, 95% oder 99% des Materials des Formteils abgetragen wird, wobei der Rest als Materialstege verbleibt. In einer beispielhaften Ausführung sind die Materialstege, gemessen entlang der Perforationslinie, beispielsweise ca. 500 µm bzw. 0,5 mm breit. Der Abstand zweier Materialstege entlang der Perforationslinie beträgt beispielsweise ca. 50 mm, d. h. das Hundertfache der Breite der Materialstege. Bei diesem Beispiel sind ca. 99 % des Materials des Formteils entlang der Perforationslinie abgetragen.
- - A-4-5: Ausbilden einer Mehrzahl von identischen oder verschiedenen Leiterplattensektionen in dem Formteil, vorzugsweise derart, dass die Leiterplattensektionen matrixförmig in Zeilen und Spalten über das Formteil verteilt sind. Dadurch kann die Fläche des Formteils ideal zur Ausbildung einer möglichst großen Anzahl von Leiterplattensektionen genutzt werden.
- - A-5: Ausbilden wenigstens einer Öffnung in dem Formteil, vorzugsweise im Bereich wenigstens eines Leiterplattensegments, bevorzugt innerhalb einer in sich geschlossenen Trennlinie. Dadurch können nichtleitende bzw. isolierende Segmente ausgebildet werden.
- - A-6: Befüllen der wenigstens einen Öffnung des Formteils mit Isolierstoff, vorzugsweise derart, dass die Oberfläche des Isolierstoffs bündig zur Oberfläche des Formteils verläuft. Diese Maßnahme erleichtert das spätere Verpressen des Formteils mit Isolierstoff.
- - A-7: Aufrauen des Formteils, vorzugsweise durch chemische oder mechanische Bearbeitung. Dadurch kann die spätere Verbindung zwischen Isolierstoff und dem Formteil zu verbessert werden. Entsprechende Techniken sind in der Anmeldung DE 10 2012 216 926 offenbart, deren Inhalte durch Bezugnahme hierin enthalten sind.
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Es kann nützlich sein, wenn Schritt B wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist, wobei die Teilschritte vorzugsweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
- - B-1: Bereitstellen des Isolierstoffs in formbarem Zustand, vorzugsweise als flexibles Flächenelement, bevorzugt als Prepreg (harzgetränkte Fasermatte), besonders bevorzugt mit einer auf das Formteil abgestimmten Größe. Eine Isolierstoffmatte kann eine entsprechende Referenzmarkierung aufweisen, die mit der Referenzmarkierung des Formteils beispielsweise zur Deckung gebracht wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Isolierstoffmatte zum Formteil optimal positioniert ist.
- - B-2: Aufbringen des Isolierstoffs auf eine Seite oder auf beide Seiten des Formteils, vorzugsweise derart, dass der Isolierstoff die jeweilige Seite des Formteils flächig beschichtet, bevorzugt mit einheitlicher Schichtdicke. Mit dieser Technik kann das Formteil besonders einfach in Isolierstoff eingebettet werden.
- - B-3: Einbringen des Isolierstoffs zwischen die Segmente des Formteils, vorzugsweise durch Verpressen des Isolierstoffs mit dem Formteil, bevorzugt derart, dass der Isolierstoff den Zwischenraum zwischen den (Materialstegen und/oder) Segmenten teilweise oder vollständig ausfüllt, besonders bevorzugt derart, dass beidseitig des Formteils angeordnete Isolierstoffschichten durch den Isolierstoff einstückig verbunden sind. Dadurch wird bereits eine weitgehende elektrische Isolierung der Segmente entlang der Trennfuge unter Minimierung der Gefahr eines elektrischen Durchschlags sichergestellt und Lufteinschlüsse in der Trennfuge vermieden.
- - B-4: Einbetten jedes Segments in Isolierstoff, sodass das Segment mit Ausnahme der Materialstege allseitig vollständig von Isolierstoff umgeben ist. Dadurch werden die Positionen und -Orientierungen der Segmente zueinander festgelegt, was insbesondere die präzise Anbringung einer Leiterstruktur in Bezug auf die Segmente erleichtert. Idealerweise wird auch jede Leiterplattensektion in Isolierstoff eingebettet, sodass die Leiterplattensektion mit Ausnahme der Materialstege allseitig vollständig von Isolierstoff umgeben ist. Dadurch werden Positionen und -Orientierungen mehrerer Leiterplattensektionen zueinander festgelegt, was die folgende Bearbeitung bei der Herstellung einer Vielzahl von Leiterplatten aus einem Formteil vereinfacht.
- - B-5: Aushärten des Isolierstoffs. Dadurch werden sämtliche Leiterplattensektionen und Segmente in ihrer Position und Orientierung dauerhaft zueinander fixiert, wobei diese Relativpositionen und -Orientierungen der Segmente auch nach dem Durchtrennen der Materialstege sowie nach dem Herauslösen der Leiterplatte aus dem Leiterplattensubstrat erhalten bleiben.
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Es kann sich als praktisch erweisen, wenn Schritt C wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist, wobei die Teilschritte vorzugsweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
- - C-1: Bereitstellen eines elektrisch leitenden Flächenelements, vorzugsweise aus Metall, bevorzugt aus Kupfer, besonders bevorzugt als Folie, ganz besonders bevorzugt mit einer auf das Formteil abgestimmten Größe. Die Kupferfolie weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von 15 µm bis 110 µm auf.
- - C-2: Aufbringen eines elektrisch leitenden Flächenelements auf eine Seite oder auf beide Seiten des Leiterplattensubstrats, vorzugsweise derart, dass das elektrisch leitende Flächenelement die jeweilige Seite des Leiterplattensubstrats flächig beschichtet, bevorzugt mit einheitlicher Schichtdicke. Dieser Schritt kann bereits im Zusammenhang mit Schritt C, z.B. während des Schrittes C3, erfolgen.
- - C-3: Positionieren der Leiterstruktur, die vorzugsweise Leiterbahnen und/oder Anschlussstellen aufweist, an dem Leiterplattensubstrat in Abhängigkeit von wenigstens einer Referenzmarkierung des Formteils, vorzugsweise derart, dass die Leiterstruktur bei Projektion auf die Erstreckungsebene des Formteils versetzt zu dem Materialstegen angeordnet ist und die Materialstege nicht überdeckt. Die Formulierung „Leiterbahnen“ und/oder „Anschlussstellen“ und/oder „Materialstege“ in der Mehrzahl soll auch eine einzelne Leiterbahn, Anschlussstelle bzw. einen einzelnen Materialsteg einschließen. Leiterbahnen und Anschlussstellen müssen hier nicht zwingend aus einer Kupferfolie herausgeätzt werden. Es ist auch möglich, Leiterbahnen und Anschlussstellen aus vorgefertigten Bauteilen auf das Leiterplattensubstrat aufzubringen. Die Positionierung dieser Bauteile wird durch die Referenzmarkierung erleichtert.
- - C-4: Herausarbeiten der Leiterstruktur, die vorzugsweise Leiterbahnen und/oder Anschlussstellen für elektronische Bauteile aufweist, aus dem elektrisch leitenden Flächenelement, vorzugsweise durch Materialabtrag, bevorzugt durch Ätzung. Auch hierbei werden die Positionen der Leiterbahnen und/oder Anschlussstellen vorzugsweise in Bezug auf die Referenzmarkierung festgelegt.
- - C-5: Verbinden der Leiterstruktur mit wenigstens einem Leiterplattensegment, vorzugsweise mittels Kontakten, bevorzugt mittels Durchkontaktierung. Auch ein später einzubringender Stecker kann ohne Verbindung zu einer Leiterstruktur die Verbindung zum Leiterplattensegment sicherstellen.
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Es kann von Vorteil sein, wenn Schritt D wenigstens einen der folgenden Teilschritte aufweist, wobei die Teilschritte vorzugsweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden:
- - D-1: Bereitstellen eines Werkzeugs zur Durchtrennung der Materialstege.
- - D-2: Ausrichten des Werkzeugs zur Durchtrennung der Materialstege zur Leiterplatte in Abhängigkeit von wenigstens einer Referenzmarkierung des Formteils. Wenn beispielsweise die Materialstege durch Isolierstoff verdeckt sind, sind die Positionen der Materialstege nicht mit bloßem Auge erkennbar, sondern müssen anderweitig bestimmt werden. Anhand der Referenzmarkierung ist die Position der Materialstege genau ermittelbar. Durch Einlesen der Referenzmarkierung und Weitergabe der Information an eine Werkzeugsteuerung, kann das Werkzeug exakt an die Position eines zu durchtrennenden Materialstegs geführt werden, um die einstückige Verbindung der Segmente gezielt zu lösen.
- - D-3: Durchtrennung der Materialstege durch Materialabtrag, vorzugsweise durch Bohren oder Fräsen, bevorzugt senkrecht zur Erstreckungsebene des Formteils. Idealerweise wird beim Durchtrennen der gesamte Materialsteg entfernt, sodass die Gefahr eines elektrischen Durchschlags an der Stelle des früheren Materialstegs minimiert wird. Dabei werden sinngemäß zwei (mit Isolierstoff befüllte) schlitzförmige Perforationen, die zuvor durch den Materialsteg getrennt waren, zu einer durchgehenden Trennfuge verbunden.
- - D-4: Füllen der Trennstellen der Materialstege mit Isolierstoff, vorzugsweise derart, dass eine Trennfuge zwischen den Segmenten vollständig mit Isolierstoff befüllt ist. Dadurch wird der Gefahr eines elektrischen Durchschlags zwischen Segmenten über die Trennfuge hinweg minimiert.
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Nach diesem Verfahren kann auch eine aus mehreren Ebenen bestehende Leiterplatte hergestellt werden. Es können auch zwei oder mehr Formteils in so einer Leiterplatte vorhanden sein, oder zwei oder mehr Leiterplatten durch ein Formteil zu einer insbesondere dreidimensionalen Leiterplattenanordnung verbunden werden. Die Formteile können parallel zueinander angeordnet sein. Die Leiterstruktur kann sich auch über mehrere Ebenen erstrecken.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Formteil zur Herstellung einer Leiterplatte, vorzugsweise nach dem Verfahren gemäß einer der vorangehenden Ausführungen, umfassend zwei Segmente, die lediglich über vereinzelte Materialstege einstückig verbunden sind.
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Dieses Formteil kann als Massenbauteil vorgefertigt und zur Herstellung einer Vielzahl von Leiterplatten in Serienfertigung bereitgestellt werden.
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Es kann nützlich sein, wenn das Formteil entlang einer Perforationslinie schlitzförmige Perforationen aufweist, die von den Materialstegen unterbrochen sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordung, umfassend wenigstens zwei Leiterplatten und wenigstens ein Formteil nach einer der beiden vorangehenden Ausführungen, wobei jedes Segment des Formteils mit den wenigstens zwei Leiterplatten verbunden ist und die Segmente des Formteils unter Durchtrennung der Materialstege elektrisch voneinander isoliert sind. Dadurch können durch die Segmente auf besonders einfache Weise gelenkige oder winkelige sowie elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Leiterplatten geschaffen werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch beliebige Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbart sind.
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Begriffe und Definitionen
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Formteil
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Als Formteil wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein flächiges, plattenförmiges Bauteil, insbesondere aus einem elektrisch leitenden Vollmaterial wie Metall, insbesondere Kupfer verstanden. Das Formteil weist vorzugsweise innerhalb seines Umrisses keine Unregelmäßigkeiten oder Unterbrechungen auf.
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Perforieren
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Beim Perforieren werden Schlitze oder Löcher entlang der Perforationslinie in das Formteil eingebracht, an denen die Segmente leicht abgetrennt werden können.
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Leiterstruktur
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Unter dem Begriff „Leiterstruktur“ wird alles verstanden, was durch den Isolierstoff eine elektrische leitende Verbindung zu wenigstens einem der Segmente bewerkstelligen kann. Die Leiterstruktur weist vorzugsweise wenigstens eines der folgenden Elemente auf: Leiterbahn, Anschlussstelle, Pad, Leitungsdraht, Kontakt, Via, Durchkontakt. Die Leiterstruktur ist vorzugsweise eine Anordnung, die mehrere dieser Elemente, ggf. mehrere verschiedene dieser Elemente umfasst.
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Elektronisches Bauteil
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Als elektronisches Bauteil wird im Rahmen dieser Erfindung beispielsweise ein stromerzeugendes oder stromverbrauchendes Bauteil, wie ein Prozessor, Speicher, Transistor, Widerstand, Generator, eine Diode, insbesondere LED; oder ein damit in Verbindung stehendes Bauteil, wie z.B. ein optisches Bauteil, z.B. eine Linse; aber auch ein Anschlussbauteil, wie z.B. ein Stecker, Terminal oder dgl. verstanden.
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Soweit nicht anders angezeigt, werden im Rahmen der Erfindung aus praktischen Gründen Formulierungen in der Mehrzahl verwendet, um sprachlich komplexere Differenzierungen nach Einzahl und Mehrzahl zu vermeiden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass Formulierungen in der Mehrzahl (z.B. „Materialstege“) sowohl die Einzahl („ein Materialsteg“) als auch die Mehrzahl („mehrere Materialstege“) umfassen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Formteils nach einem ersten Ausführungsbeispiel in der Draufsicht zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Formteil eine Leiterplattensektion mit zwei Segmenten aufweist, die entlang einer Perforationslinie lediglich über vereinzelte Materialstege einstückig verbunden sind.
- 2 eine schematische Explosionsansicht der Komponenten eines Leiterplattensubstrats zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplatte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei sowohl oberseitig als auch unterseitig des Formteils gemäß 1 jeweils zuerst eine elektrisch isolierende Schicht und anschließend eine elektrisch leitende Schicht angeordnet sind, um im Schichtverbund das Leiterplattensubstrat zu bilden.
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Leiterplattensubstrats, das aus den in 2 dargestellten Komponenten gebildet ist, mit elektrisch leitenden Schichten an der Oberseite und Unterseiten.
- 4 eine schematische Seitenansicht einer aus dem Leiterplattensubstrat gemäß 3 gebildeten Leiterplatte nach dem Ausbilden von ober- und unterseitigen Leiterstrukturen und dem Anschließen derselben an die Segmente.
- 5 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Formteils nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei insgesamt vier nahezu identische Leiterplattensektione mit polygonförmigem Umriss mit jeweils einer Mehrzahl von Segmenten matrixförmig in zwei Zeilen und zwei Spalten über das Formteil verteilt angeordnet sind, wobei die jeweiligen Segmente entlang von Perforationslinien lediglich über vereinzelte Materialstege einstückig verbunden sind, wobei die späteren Leiterstrukturen als Strichlinien eingezeichnet sind.
- 6 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Leiterplatte, die unter Verwendung des Formteils gemäß 5 hergestellt ist, wobei auf der Leiterplatte eine Leiterstruktur ausgebildet ist und die einstückige Verbindung der Segmente nach Durchtrennung der Materialstege gelöst ist.
- 7 in Ansicht a eine schematische Draufsicht eines Rohlings für ein Formteil nach dem dritten Ausführungsbeispiel, und in Ansicht b eine Draufsicht des daraus hergestellten Formteils mit mehreren über vereinzelte Materialstege einstückig verbundenen Segmenten.
- 8 eine schematische Draufsicht einer Anordnung mit mehreren Leiterplattensubstraten, die über Formteile gemäß 7 verbunden sind.
- 9 eine schematische Draufsicht der Anordnung aus 8, wobei die Leiterplattensubstrate mit Leiterstrukturen versehen sind.
- 10 eine schematische Draufsicht der Anordnung aus 9, wobei die Materialstege zwischen den Segmenten durchtrennt sind, um die Segmente elektrisch zu isolieren.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel (Figuren 1-4)
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Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachstehend mit Bezug auf die 1-4 beschrieben wird, wird eine Leiterplatte LP in Schichtbauweise ausgehend von einem elektrisch leitenden Formteil 1 in Gestalt einer rechteckigen Kupferplatte mit einer Dicke im Bereich von beispielsweise 200-1000 µm hergestellt.
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In Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Formteil 1 zur nachfolgenden Bearbeitung bereitgestellt. Dabei werden zwei Segmente 2a, 2b einer Leiterplattensektion 2 durch Einbringen entsprechender Perforationslinien P in das Formteil 1 ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Leiterplattensektion 2 innerhalb einer in sich geschlossenen, polygonalen Perforationslinie P mit acht Ecken ausgebildet. Beim Perforieren werden entlang der Perforationslinie P lange, schlitzförmige Öffnungen mit vorzugsweise konstanter Breite im Bereich vom ca. 200 bis 2000 µm durch entsprechenden Materialabtrag in das Formteil 1 eingebracht, sodass die Segmente 2a, 2b lediglich über vereinzelte Materialstege M einstückig verbunden bleiben. Die gesamte Leiterplattensektion 2 ist über die in sich geschlossene Perforationslinie P mit dem umliegenden Randbereich des Formteils 1, in welchem sich eine Referenzmarkierung R befindet, verbunden. Die Referenzmarkierung R dient zur Positionsbestimmung auf der Fläche des Formteils 1 und ist beispielsweise eine Öffnung, mit welcher das Formteil 1 auf einen Pin aufgesteckt wird. Es können mehrere Referenzmarkierungen R auf dem Formteil 1 vorgesehen sein.
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Nach dem Ausbilden der Segmente 2a, 2b wird das Formteil 1 in Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest abschnittsweise in Isolierstoff 3 eingebettet. Das dadurch entstehende Zwischenprodukt wird als Leiterplattensubstrat LS bezeichnet. Dabei werden zwei harzgetränkte Fasermatten (Prepreg) 3, idealerweise mit einer auf das Formteil 1 abgestimmten Form und Größe, oberseitig und unterseitig auf das Formteil 1 aufgebracht. Diese harzgetränkten Fasermatten 3 werden derart mit dem Formteil 1 verpresst, dass das fließfähige Harz in die Perforationen entlang der Perforationslinie P eindringt und die Zwischenräume zwischen den Materialstegen M vollständig durchsetzt. In diesem Arbeitsschritt kann auch das elektrisch leitende Flächenelement 4, aus dem in Schritt C die Leiterstruktur herausgearbeitet wird, gleichzeitig durch das Verpressen mit dem Isolierstoff verbunden werden. Dabei wird beispielsweise ein sandwichartiger Schichtverbund, wie er in 3 dargestellt ist, bestehend aus dem Formteil 1, zwei Isolierstoffmatten 3 und zwei Kupferfolien 4, gemeinsam verpresst. Durch das Aushärten des Isolierstoffs 3 werden die Positionen und Orientierungen der Segmente 2a, 2b zueinander fixiert, sodass sie später - auch nach dem Durchtrennen der Materialstege M - erhalten bleiben.
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In Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Leiterstruktur 4a, 4b an dem Leiterplattensubstrat LS angebracht. Dieser Schritt umfasst als Teilschritt das Anbringen wenigstens einer Kupferfolie 4 als elektrisch leitendes Flächenelement auf das Leiterplattensubstrat LS, beispielsweise je einer Kupferfolie 4 sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Leiterplattensubstrats LS. Dies geschieht vorzugsweise bereits in Schritt B, sodass die Kupferfolien 4 mit dem Formteil 1 und dem jeweils zwischen Kupferfolie 4 und Formteil 1 angeordneten Isolierstoff 3 zu einem Schicht- bzw. Materialverbund verpresst sind. Aus dieser Kupferfolie 4 wird anschließend im Schritt D z.B. im Ätzverfahren eine Leiterstruktur mit Leiterbahnen 4a und Anschlussstellen 4b herausgearbeitet. An den Anschlussstellen 4b werden die Leiterbahnen 4a über Kontakte 5 (z.B. Vias bzw. Laservias (links) oder Durchkontakte (rechts)) mit den Segmenten 2a, 2b verbunden.
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Nach dem Ausbilden der Leiterstruktur 4a, 4b auf dem Leiterplattensubstrat LS werden die Materialstege M, welche die Segmente 2a, 2b einstückig verbinden, durch Materialabtrag durchtrennt. Dies wird beispielsweise mit einem Bohrer bewerkstelligt, der anhand der Referenzmarkierung R an die entsprechenden Positionen der Materialstege M geführt wird. Beim Durchtrennen der Materialstege M wird vorzugsweise das gesamte Material der Materialstege M über die gesamte Länge, die der Breite der früheren Perforationslinie P entspricht und die nun eine Trennfuge bildet, entfernt. Die Trennstelle wird, falls erforderlich, mir Isolierstoff 3 befüllt, sodass die Gefahr des elektrischen Durchschlags zwischen den Segmenten 2a, 2b - insbesondere an den Stellen der früheren Materialstege M - minimiert wird. Ob die Trennstelle mit Isolierstoff 3 befüllt wird oder nicht, kann vorwiegend in Abhängigkeit von der elektrischen Durchschlagsfestigkeit der Leiterplatte bzw. des Isolierstoffs bestimmt werden.
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Anschließend wird die fertig gestellte Leiterplatte LP entlang der in sich geschlossenen Perforationslinie P, welche die Leiterplattensektion 2 und die Segmente 2a, 2b umgibt, aus dem umliegenden Bereich herausgetrennt.
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Zweites Ausführungsbeispiel (Figuren 5 und 6)
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Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das nachstehend mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wird, basiert maßgeblich auf dem ersten Ausführungsbeispiel. Identische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei die relevanten Unterschiede nachstehend erläutert werden.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel umfasst das als rechteckige Kupferplatte ausgebildete Formteil 1 insgesamt vier weitgehend identische Leiterplattensektionen 2, die matrixförmig in zwei Spalten und zwei Zeilen über die Oberfläche des Formteils 1 verteilt angeordnet sind.
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Eine achteckige, in sich geschlossene Perforationslinie P umgibt jede der vier Leiterplattensektionen 2. Jede Leiterplattensektion 2 innerhalb der umlaufenden Perforationslinie P ist über die vereinzelten Materialstege M mit einem umliegenden Randbereich des Formteils 1, auf welchem sich diverse Referenzmarkierung R befinden, einstückig verbunden. Innerhalb jeder Leiterplattensektion 2 ist eine Vielzahl von Segmenten 2a-i durch weitere Perforationslinien P ausgebildet. Zu Darstellungszwecken ist in jeder Leiterplattensektion 2 die spätere Leiterstruktur 4a, 4b mit Anschlussstellen 4b und sich dazwischen erstreckenden Leiterbahnen 4a durch Strichlinien eingezeichnet. Hierbei ist zu erkennen, dass die Leiterstruktur 4a, 4b bei Projektion auf die Erstreckungsebene des Formteils 1 die Materialstege M nicht überdeckt. Folglich sind die Materialstege M zur späteren Bearbeitung zugänglich.
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Vorzugsweise füllen die Segmente 2a-i und Perforationslinien P die jeweilige Leiterplattensektion 2 flächenmäßig vollständig aus, wie in den beiden Leiterplattensektionen 2 in der linken Bildhälfte von 5 dargestellt. Es ist aber auch möglich, dass eine Leiterplattensektion 2 oder wenigstens ein Leiterplattensegment 2a-i wenigstens eine Öffnung 2j, 2k aufweist, wie in den beiden Leiterplattensektionen 2 in der rechten Bildhälfte von 5 dargestellt ist.
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Abweichend von den beiden Leiterplattensektionen 2 in der linken Bildhälfte von 5 weisen die beiden Leiterplattensektionen 2 in der rechten Bildhälfte von 5 im Leiterplattensegment 2a anstelle der Segmente 2h, 2i zwei Öffnungen 2j, 2k auf. Das Material des Formteils 1 entsprechend der Bereiche der Öffnungen 2j, 2k wird dabei in Schritt B entlang je einer in sich geschlossenen Trennlinie T vollständig aus dem Formteil 1 herausgetrennt und entfernt. In Schritt C oder davor wird ein vorzugsweise ausgehärteter Isolierstoff 3 in jede Öffnung 2j, 2k eingebracht, um die Öffnungen 2j, 2k idealerweise vollständig auszufüllen und um später ein elektrisch nichtleitendes Leiterplattensegment zu bilden. Das Befüllen der Öffnungen 2j, 2k mit ausgehärtetem Isolierstoff 3 ist sinnvoll, weil beim anschließenden Verpressen des Formteils 1 mit Isolierstoff in Gestalt von harzgetränkten Fasermatten (Prepreg) das freie Harz des Isolierstoffes 3 nur in ein einem begrenzten Umfang verfügbar bzw. fließfähig ist, und vorwiegend dazu dient, um die Perforationen entlang der Perforationslinie P zu füllen. Eine nahezu gleiche Höhe der in die Öffnungen 2j, 2k eingebrachten Isolierstoffplatten in Bezug auf die Höhe des Formteils 1 wird dabei bevorzugt, sodass die Ober- und Unterseiten des Isolierstoffs 3 bündig zu den Ober- und Unterseiten des Formteils 1 verlaufen.
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Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird dieses Formteil 1 (noch ohne die lediglich zu Darstellungszwecken eingezeichnete Leiterstruktur) in Isolierstoff 3 eingebettet und anschließend an den in 5 eingezeichneten Positionen mit einer entsprechenden Leiterstruktur 4a, 4b versehen. Nach dem Ausbilden der Leiterstruktur 4a, 4b werden die Materialstege M entlang der Perforationslinien P durchtrennt und die dabei entstandenen Bohrlöcher ggf. mit Isolierstoff 3 befüllt. Abschließend wird jede Leiterplatte LP entlang der die Leiterplattensektion 2 umgebenden, äußeren Perforationslinie P aus dem Materialverbund herausgetrennt.
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Die Anzahl und die Formen der Leiterplattensektionen 2 und Segmente 2a-i sowie Referenzmarkierungen R können beliebig verändert werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel (Figuren 7 bis 10)
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Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das nachstehend mit Bezug auf die 7 bis 10 beschrieben wird, basiert maßgeblich auf dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Identische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei die relevanten Unterschiede nachstehend erläutert werden.
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Hierbei dient das Formteil 1 zur Herstellung von dreidimensionalen Leiterplattenstrukturen und insbesondere zur Ausbildung von gelenkigen oder gewinkelten Verbindungen zwischen zwei oder mehr Leiterplatten LP. Abweichend von den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist jedes Segment 2a, 2b, 2c mit zwei Leiterplattensubstraten LS bzw. Leiterplatten LP verbunden, sodass das jeweilige Segment 2a, 2b, 2c eine gelenkige oder gewinkelte Verbindung zwischen zwei oder mehr Leiterplatten LP bzw. -substraten LS bildet.
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Das Formteil 1 ist hier ein näherungsweise leiterförmiges Element, das in Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer ebenen, rechteckigen Kupferplatte (7a) herausgearbeitet wird. Die sich in 7b horizontal erstreckenden Abschnitte entsprechen den Segmenten 2a, 2b, 2c, die vertikal erstreckenden Abschnitte, welche die Segmente 2a, 2b, 2c verbinden, entsprechen den Materialstegen M.
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In Schritt B wird das Formteil 1 zur Ausbildung von Leiterplattensubstraten LS in Isolierstoff 3 eingebettet. Dabei erstreckt sich jedes Segment 2a, 2b über fast die Hälfte seiner Länge in einem ersten Leiterplattensubstrat LS und über fast die Hälfte seiner Länge in einem zweiten Leiterplattensubstrat LS.
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In Schritt C werden auf einem oder mehreren dieser Leiterplattensubstrate LS Leiterstrukturen zur Ausbildung der Leiterplatte LP erzeugt. Dazu wird das Formteil 1 mit einem elektrisch leitenden Flächenelement wie einer Kupferfolie verbunden, bzw. über Verbindungsmittelabschnitte, wie aus
DE 10 2018 203 715 bekannt. Anschließend werden aus diesem elektrisch leitenden Flächenelement die Leiterbahnen 4a sowie die Anschlussstellen 4b zur Kontaktierung der Segmente 2a, 2b, 2c z.B. durch Ätzung aus dem elektrisch leitenden Flächenelement herausgearbeitet.
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In Schritt D werden die Materialstege M durchtrennt, sodass die einstückigen Verbindungen zwischen den parallelen Segmente 2a, 2b, 2c gelöst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formteil
- 2
- Leiterplattensektion
- 2a-i
- Segmente
- 2j-k
- Öffnungen
- 3
- Isolierstoff
- 4
- Elektrisch leitendes Flächenelement (Kupferfolie)
- 4a
- Leiterbahn
- 4b
- Anschlussstelle
- LS
- Leiterplattensubstrat
- LP
- Leiterplatte
- M
- Materialsteg
- P1, P2
- Perforationslinie
- R
- Referenzmarkierung
- T
- Trennlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1842402 [0002, 0007]
- DE 102011102484 [0002, 0007]
- DE 102012216926 [0011]
- DE 102018203715 [0045]
