DE102021107711A1

DE102021107711A1 - Elektrisches Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102021107711A1
Application number: DE102021107711.7A
Authority: DE
Inventors: Ludger Overmeyer; Ejvind Olsen
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit einem Grundkörper mit wenigstens einer Oberfläche, die Unebenheiten hat. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit einem Grundkörper mit wenigstens einer Oberfläche, die Unebenheiten hat. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung elektrischer Schaltungsanordnungen. Elektrische Schaltungsanordnungen werden meistens auf elektrischen Leiterplatten aufgebaut, die bei hoher Integrationsdichte im Regelfall mehrlagig ausgebildet sind, d.h. mehrere durch Isolationsschichten voneinander getrennte Leiterbahnlagen haben. Für die Kontaktierung von elektronischen Schaltkreisen in Form von BGA Packages (BGA - Ball Grid Array) mit kleinen Rasterabständen und mehr als 100 Kontakten sind beispielsweise wenigstens fünf Leiterbahnlagen sinnvoll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten der elektrischen Anschlusstechnik basierend auf mehrlagigen Leiterbahnanordnungen auf zusätzliche Anwendungsbereiche zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauteil mit einem Grundkörper mit wenigstens einer Oberfläche, die Unebenheiten hat, wobei auf der unebenen Oberfläche eine unebene Anordnung aus mehreren Leiterbahnlagen, die jeweils elektrische Leiterbahnen haben, aufgebracht ist, die sich flächig über die unebene Oberfläche erstreckt und an der unebenen Oberfläche anliegt. Die Erfindung hat den Vorteil, dass das elektrische Bauteil mit seinem Grundkörper und insbesondere dessen unebener Oberfläche grundsätzlich beliebig geformt werden kann, insbesondere nach den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Einsatzfalls. Für die Anwendung in Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystemen, die auf optischer Datenübertragung beruhen, können z.B. Grundkörper mit dreidimensionalen gekrümmten Freiformflächen eingesetzt werden, an denen auf der Leiterbahnstruktur beispielsweise LED-Arrays aufgebracht werden können. Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die vorgegebene dreidimensionale unebene Oberfläche des Grundkörpers durch die Anordnung aus den mehreren Leiterbahnlagen direkt abgeformt werden kann, d.h. die Anordnung aus den mehreren Leiterbahnlagen ist hinsichtlich der Formgebung genau an die unebene Oberfläche angepasst. Auf der obersten Leiterbahnlage können dann elektronische Bauteile befestigt werden, z.B. dort angelötet werden. Benachbarte Leiterbahnlagen können jeweils durch wenigstens eine Isolationsschicht voneinander getrennt sein. Die Isolationsschicht kann z.B. eine Dicke von 10-50 µm haben, z.B. 30 µm.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein grundsätzlich beliebiger Grundkörper, sowohl aus elektrisch leitendem Material als auch aus elektrisch nicht leitendem Material, als Basis für die Anordnung der mehreren Leiterbahnlagen genutzt werden kann. Eine zusätzliche herkömmliche elektrische Leiterplatte ist dann nicht unbedingt erforderlich, kann aber bei Bedarf damit kombiniert werden. Beispielsweise kann als Grundkörper direkt die Innenseite und/oder die Außenseite eines Gehäuseteils eines elektrischen Geräts genutzt werden. Der Grundkörper kann z.B. aus Kunststoffmaterial und/oder Metall gebildet sein.
Wie erwähnt, hat die Oberfläche des Grundkörpers Unebenheiten. Unebenheiten im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind dabei solche Unebenheiten, bei denen sämtliche Abmessungen (Länge, Breite, Höhe) mindestens 1 mm betragen und/oder deren Krümmungsradius mindestens 1 mm beträgt. Die unebene Anordnung aus den mehreren Leiterbahnlagen kann sich dann an Unebenheiten in dieser Größenordnung hinsichtlich der Formgebung anpassen. Der Grundkörper hat damit eine unebene Oberfläche von prinzipiell beliebiger Art, also eine Freiformfläche bzw. beliebige 3D-Oberfläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine, mehrere oder alle elektrischen Leiterbahnen als gesinterte Leiterbahnen ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterbahnen in einer flächig aufgetragenen Schicht aus Leitermaterial durch nachträgliches räumlich eingegrenztes Bestrahlen erzeugt werden können, z.B. durch Laserbestrahlung. Die gesinterten Leiterbahnen bestehen dabei aus einzelnen elektrisch leitfähigen Mikro- oder Nanopartikeln im Leitermaterial, die durch einen Sinterungsprozess miteinander in Kontakt gebracht werden (versintert werden), wodurch die gewünschte elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen Leiterbahn erzeugt wird. Die gesinterten Leiterbahnen können sich dabei innerhalb der flächigen Schicht aus Leitermaterial befinden, d.h. sie sind von Leitermaterial umgeben, bei dem die leitfähigen Mikropartikel nicht miteinander versintert sind. Vorteilhafterweise muss somit das überschüssige Leitermaterial nicht wieder entfernt werden. Eine einfache Entfernung des überschüssigen Leiterbahnmaterials kann aber durch eine Laserreinigung erreicht werden, z.B. mit höherer Leistung und Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Sinterung. Dieses Verfahren kann bei Bedarf als zusätzlicher Prozess in die Produktion integriert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Leiterbahnen aus unterschiedlichen Leiterbahnlagen durch Durchkontaktierungen, z.B. gesinterte Durchkontaktierungen, miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass in der mehrlagigen Leiterbahnanordnung nach Bedarf auch Durchkontaktierungen vorhanden sein können, sodass auch komplexe elektronische Schaltungen mit der erfindungsgemäßen Technologie hochintegriert aufgebaut werden können. Die Durchkontaktierungen können insbesondere im Sinne von VIAs (VIA - Vertical Interconnect Access) ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine, mehrere oder alle Durchkontaktierungen trichterförmig ausgebildet sind. Dies erlaubt eine einfache und zuverlässige Bereitstellung von Durchkontaktierungen in einer solchen mehrlagigen unebenen elektrischen Leiterbahnanordnung. Eine solche trichterförmige Durchkontaktierung kann z.B. im Querschnitt konisch oder bogenförmig verlaufende Ränder haben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Oberfläche des Grundkörpers und der dem Grundkörper nächstgelegenen (untersten) Leiterbahnlage optional wenigstens eine Grundierungsschicht aus einem Grundierungsmaterial angeordnet ist. Durch eine solche Grundierungsschicht können verschiedene Vorteile erreicht werden. Beispielsweise kann damit bei einem Grundkörper, der mit einem additiven Herstellungsverfahren (3D-Druck) hergestellt wurde, eine unerwünschte Oberflächenrauheit nivelliert werden. Zusätzlich kann die Grundierungsschicht eine Isolation der untersten Leiterbahnlage gegenüber dem Grundkörper bewirken. Durch eine solche Grundierungsschicht kann zudem die Haftung der Leiterbahnlage verbessert werden.
Das Grundierungsmaterial kann identisch mit dem Isolationsmaterial einer zwischen Leiterbahnlagen angeordneten Isolationsschicht sein. Dies erlaubt eine besonders effiziente und kostengünstige Herstellung des elektrischen Bauteils, da verschiedene Teilschritte bei der Herstellung der mehreren Leiterbahnlagen und Isolationsschichten mit den gleichen Teilen einer Fertigungsanlage wiederholt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der vom Grundkörper entferntesten (obersten) Leiterbahnlage Lötpads ausgebildet sind, die aus dem Material der Leiterbahnen der obersten Leiterbahnlage bestehen. Auf solchen Lötpads können dann unmittelbar elektronische Bauteile aufgelötet werden, z.B. hochintegrierte elektronische Bauteile, wie z.B. die erwähnten BGA Packages.
Die Erfindung betrifft daher auch ein elektrisches Bauteil der zuvor erwähnten Art, bei dem auf der obersten Leiterbahnlage bereits elektronische Bauteile aufgebracht sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils der zuvor erläuterten Art mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer Oberfläche, die Unebenheiten hat,
b) optional Beschichten der Oberfläche mit einer Grundierungsschicht aus einem Grundierungsmaterial,
c) Beschichten der Oberfläche oder der Grundierungsschicht mit einem Leitermaterial, wobei durch das Leitermaterial entweder direkt die Leiterbahnen einer ersten Leiterbahnlage ausgebildet werden oder eine anschließende Bestrahlung des Leitermaterials mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt wird, durch die die Leiterbahnen einer ersten Leiterbahnlage im Leitermaterial erzeugt werden,
d) Beschichten der Leiterbahnlage mit einer Isolationsschicht,
e) Beschichten der Isolationsschicht mit einem Leitermaterial, wobei durch das Leitermaterial entweder direkt die Leiterbahnen einer weiteren Leiterbahnlage ausgebildet werden oder eine anschließende Bestrahlung des Leitermaterials mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt wird, durch die die Leiterbahnen einer weiteren Leiterbahnlage im Leitermaterial erzeugt werden,
f) sofern die gewünschte Anzahl von Leiterbahnlagen noch nicht erzeugt ist, Wiederholen der Schritte d) und e).

Mit einem solchen Verfahren kann besonders effizient, d.h. schnell und kostengünstig auch in großen Stückzahlen ein elektrisches Bauteil der zuvor erläuterten Art hergestellt werden. Dabei ist der apparative Aufwand für die Herstellung des Bauteils relativ überschaubar, da für die diversen additiv zu erzeugenden Schichten jeweils mehrfach die gleichen Teile einer Fertigungsanlage genutzt werden können.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass es relativ schnell und mit nur relativ wenigen apparativen Hilfsmitteln durchgeführt werden kann. Insbesondere kann das Verfahren vollständig ohne Reinraumtechnik durchgeführt werden, was die Anwendungsmöglichkeiten weiter verbessert. Der gesamte Herstellungsprozess ist wenig defektanfällig und dementsprechend sehr robust.
Die gesamte Prozesskette bei der Herstellung des elektrischen Bauteils kann ohne chemische Bäder durchgeführt werden. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Wartungsaufwand und ökologisch unbedenklich durchgeführt werden, insbesondere entsteht dabei kein spezifisch zu behandelnder Abfall.
Mit der Erfindung können beispielsweise Strahlungsemitter mit beliebiger Freiform-Oberfläche für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation realisiert werden. Allgemein können Smart Devices aller Art mit hoher Integrationsdichte durch die Erfindung realisiert werden.
Der Beschichtungsvorgang in den Schritten b), c), d), e) kann z.B. durch Tauchen und/oder Sprühen und/oder Dispensieren durchgeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Schritte d) und e) jeweils unmittelbar aufeinanderfolgend abwechselnd durchgeführt werden oder mit dazwischenliegenden Schritten. Es ist auch möglich, dass der Schritt d) mehrfach hintereinander durchgeführt wird, wenn es beispielsweise erforderlich ist, eine Isolationsschicht mit einer größeren Dicke zu erzeugen, als es mit dem verwendeten Isolationsmaterial in einer Schicht möglich ist. Durch eine größere Schichtdicke der Isolation kann das Bauteil beispielsweise mit einer höheren Spannungsfestigkeit realisiert werden. Hierdurch kann auch Einfluss auf die spezifischen Kapazitäten, die durch die Leiterbahnlagen gebildet werden, derart genommen werden, dass gewünschte Zielwerte erreicht werden.
Es ist auch möglich, dass der Schritt e) mehrmals hintereinander durchgeführt wird, wenn eine größere Schichtdicke der Leiterbahnlage erzeugt werden soll als mit einem Beschichtungsvorgang mit dem Leitermaterial möglich ist. Durch eine größere Dicke der Leiterbahnlage kann die Strombelastbarkeit der zu erzeugenden Leiterbahnen erhöht werden und deren Widerstand verringert werden.
Als Material für die Isolationsschicht kann grundsätzlich jedes geeignete Isolationsmaterial verwendet werden, das in einem additiven Prozess aufgetragen werden kann, z.B. flüssige Substanzen wie Lacke, Harze oder Gemische daraus. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Isolationsmaterial selbstnivellierende Eigenschaften hat, sodass beim Auftragen des Isolationsmaterials kleinere Oberflächenunregelmäßigkeiten ausgefüllt werden, insbesondere Oberflächenunregelmäßigkeiten mit einer Größe von weniger als 1 mm. Vorteilhaft ist z.B. ein Isolationsmaterial, das mit Lichtbestrahlung ausgehärtet werden kann, z.B. mit ultraviolettem Licht. Beispielsweise kann ein epoxidhaltiger UV-härtender Lack oder ein Ofenlack verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, ein Isolationsmaterial mit einer entsprechenden Temperaturfestigkeit einzusetzen, das durch den Sintervorgang zur Erzeugung der Leiterbahnen nicht
oder zumindest nicht wesentlich beschädigt wird.
Für das Grundierungsmaterial gelten grundsätzlich die gleichen Anforderungen wie für das Isolationsmaterial, wobei das Grundierungsmaterial nicht unbedingt elektrisch isolierend sein muss. Es kann z.B. das gleiche Material als Grundierungsmaterial und als Isolationsmaterial eingesetzt werden.
Die Leiterbahnen können z.B. dadurch erzeugt werden, dass eine vollflächige Schicht aus Leitermaterial auf der Isolationsschicht aufgetragen wird, z.B. ein Lack mit darin eingemischten elektrisch leitfähigen Mikro- und/oder Nano-Partikeln. Die Partikel können z.B. Kupferpartikel sein. Dementsprechend kann das Leitermaterial ein kupferhaltiger Lack sein. In einem solchen Leitermaterial können dann durch die elektromagnetische Strahlung die bestrahlten elektrisch leitfähigen Partikel zu den gewünschten Leiterbahnen miteinander versintert werden. Allgemein gesagt kann das Leitermaterial ein mit leitfähigen Mikro- und/oder Nanopartikeln angereichertes, im flüssigen Zustand auftragbares Beschichtungsmaterial sein.
Es ist auch möglich, die Leiterbahnen direkt durch einen Druckprozess auf die Isolationsschicht aufzubringen, z.B. durch ein Drucken mit elektrisch leitfähiger Tinte. Dies kann z.B. in einem Inkjet-Verfahren oder einem Aerosol-Jet-Verfahren erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach dem Schritt d) und vor dem Schritt e) wenigstens eine Aussparung an einer Stelle der Isolationsschicht erzeugt wird, an der eine Durchkontaktierung zur darunterliegenden Leiterbahnlage erzeugt werden soll. Durch die wenigstens eine Aussparung bzw. jeweils eine Aussparung für eine Durchkontaktierung wird die Isolationsschicht für die anschließende Erzeugung von Durchkontaktierungen vorbereitet. Die Aussparungen können auf konventionelle Weise mittels mechanischer Bearbeitung erzeugt werden. Vorteilhafter ist die Herstellung der Aussparungen durch Bestrahlung der gewünschten Stelle mit elektromagnetischer Strahlung, z.B. Laserstrahlung. Auf diese Weise kann ein Laserbohrprozess für die Erzeugung der Aussparungen eingesetzt werden. Dafür kann dasselbe Lasersystem wie für die Sinterung eingesetzt werden.
Für die Erzeugung der Aussparungen kann wahlweise die gleiche Strahlungsquelle der elektromagnetischen Strahlung eingesetzt werden, wie für die Bestrahlung des Leitermaterials zur Erzeugung der Leiterbahnen, oder eine andere Strahlungsquelle. Beispielsweise kann ein CO₂-Laser oder ein UV-Laser eingesetzt werden. Wird die gleiche Strahlungsquelle für beide Schritte eingesetzt, ist es vorteilhaft, für die Erzeugung der Aussparungen die elektromagnetische Strahlung mit höherer Energie abzustrahlen als beim Erzeugen der Leiterbahnen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchkontaktierung im anschließenden Schritt e) durch zumindest teilweises Ausfüllen der Aussparung mit dem Leitermaterial erzeugt wird, wobei durch das Leitermaterial entweder direkt die Durchkontaktierung ausgebildet wird oder durch die anschließende Bestrahlung des Leitermaterials mit elektromagnetischer Strahlung die Durchkontaktierung ausgebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Durchkontaktierungen quasi automatisch durch den anschließenden Schritt e) erzeugt werden, sodass hierfür keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich sind. Die Durchkontaktierung kann somit analog zu den Leiterbahnen erzeugt werden, d.h. durch Versintern der elektrisch leitfähigen Partikel oder durch Drucken mit elektrisch leitfähiger Tinte. Das Leitermaterial füllt die Aussparung zumindest teilweise aus und erzeugt hierdurch eine elektrisch leitende Verbindung von der unter der Isolationsschicht liegenden Leiterbahnlage zu der auf der Isolationsschicht angeordneten Leiterbahnlage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchkontaktierung sich in die Aussparung hinein und um den Umfang der Aussparung herum erstreckt. Auf diese Weise kann die Durchkontaktierung hinsichtlich mechanischer und elektrischer Eigenschaften optimiert werden. Insbesondere kann die Stromleitung durch die Durchkontaktierungen verbessert werden. Beispielsweise kann ein leitfähiger Ring um die Aussparung herum erzeugt sein, dessen Durchmesser wenigstens doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Aussparung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aussparung trichterförmig erzeugt wird. Dies erlaubt eine besonders effiziente Herstellung der Durchkontaktierung durch anschließendes Bestrahlen des Leitermaterials mit elektromagnetischer Strahlung. Insbesondere muss der Einstrahlwinkel der Strahlungsquelle relativ zur Leiterbahnlage nicht unbedingt variiert werden, um die Durchkontaktierungen zu erzeugen.
Sollen Leiterbahnlagen miteinander durch Durchkontaktierungen verbunden werden, die nicht unmittelbar benachbarte Leiterbahnlagen sind, können die hierfür benötigten Durchkontaktierungen beispielsweise versetzt zueinander angeordnet sein oder als miteinander fluchtende Durchkontaktierungen ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiterbahnen und/oder die Durchkontaktierungen durch Lasersintern mittels Bestrahlung durch einen Laser erzeugt werden. Auf diese Weise können die Leiterbahnen sehr präzise, mit hoher räumlicher Auflösung und relativ schnell erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem Grundkörper durchgeführt werden, der mit beliebigen Verfahren hergestellt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird. Hierdurch können Grundkörper mit beliebiger Formgebung sehr effizient und schnell bereitgestellt werden, da keine Guss-Werkzeuge beschafft werden müssen. Alternativ kann der Grundkörper durch einen Spritzgussprozess und/oder mittels subtraktiver Fertigungsverfahren hergestellt werden, z.B. durch spanende Bearbeitung.
Insbesondere kann das gesamte elektrische Bauteil vollständig durch additive Fertigungsschritte hergestellt werden. Dementsprechend fallen im Wesentlichen keine Abfallprodukte bei der Herstellung an.
Als das hier beschriebene Sintern zur Erzeugung der Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen kann ein Prozessschritt eingesetzt werden, der sich deutlich von anderen Laser-Bearbeitungsverfahren wie SLS oder LDS unterscheidet.
Das SLS (selektives Lasersintern) ist ein additives Verfahren (3-D Druck) zur Herstellung eines Bauteils, d.h. ein Bauteil oder Bauteilbestandteile werden additiv Schicht für Schicht auf einer ersten Schicht aufgebracht, wobei die einzelnen Schichten per Laser erwärmt werden und mit der jeweiligen vorherigen Schicht verschmelzen. Als Ausgangsprodukt wird in der Regel ein Pulver eingesetzt, das mit dem Laser selektiv bestrahlt wird. Am Ende des Prozesses hat sich das Pulver zu einem festen Bauteil verbunden. Das Material ist nach wie vor dasselbe wie das eingesetzte Pulver, d.h. das Material wird durch die Laserbestrahlung nicht verändert.
Beim LDS (Laser Direkt Strukturierung) wird ein meist spritzgegossenes Bauteil aus einem aktivierbaren/laserstrukturierbaren Werkstoff mit besonderen Zusätzen hergestellt und an den gewünschten Bereichen mit einem Lasereintrag strukturiert. Durch den Energieeintrag des Lasers werden Bestandteile der Oberfläche leicht abgetragen und Metallkeime aus den Zusätzen gebildet. In einem nachfolgenden chemischen Bad katalysieren die Metallkeime eine stromlose Kupfermetallisierung, die eine leitfähige Funktionalisierung auf der durch den Laser bearbeiteten Oberfläche ermöglicht.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Sinterprozess derart durchgeführt werden, dass das Leitermaterial durch die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, z.B. mit dem Laser, von einem im Wesentlichen nicht leitfähigen Zustand in einen im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Zustand umgewandelt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 Schritte der Herstellung eines elektrischen Bauteils,
2, 3 ein elektrisches Bauteil ausschnittsweise in perspektivischer Ansicht,
4 ein weiteres Bauteil ausschnittsweise in perspektivischer Ansicht,
5, 6 Schritte der Herstellung eines weiteren elektrischen Bauteils.

Die 1 zeigt die Schritte zur Herstellung eines elektrischen Bauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Schritt I) wird zunächst ein Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 10 bereitgestellt, die Unebenheiten hat. Auf diese unebene Oberfläche 10 wird dann in einem Schritt II) eine Schicht aus Leitermaterial 3 aufgetragen, z.B. der erwähnte Kupferlack. Nach Aushärten des Leitermaterials 3 erfolgt im Schritt III) die Herstellung von elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 5 in der Leitermaterialschicht durch elektromagnetische Bestrahlung, z.B. mit einem Laser 4. Hierdurch wird die erste Leiterbahnlage erzeugt.
Im Schritt IV) wird dann auf die im Schritt III) hergestellte Leiterbahnlage eine Isolationsschicht 6 aufgetragen. In einem Schritt V) werden eine oder mehrere Aussparungen 7 in der Isolationsschicht 6 erzeugt, z.B. durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise wiederum durch den Laser 4. Im Schritt VI) wird die auf diese Weise mit Aussparungen 7 versehene Isolationsschicht 4 mit einer weiteren Schicht aus Leitermaterial 3 beschichtet. Das Leitermaterial 3 erstreckt sich dabei insbesondere auch in die Aussparungen 7 hinein, wobei das Leitermaterial die Aussparungen 7 im Regelfall nicht vollständig ausfüllt, sondern lediglich teilweise an den Rändern.
Im nächsten Schritt VII) werden durch Bestrahlung der Schicht aus dem Leitermaterial 3, beispielsweise wiederum mittels des Lasers 4, weitere Leiterbahnen 5 sowie die gewünschte Durchkontaktierung 8 erzeugt. Die Durchkontaktierung 8 verbindet nun eine Leiterbahn 5 auf der oberen Leiterbahnlage mit einer Leiterbahn 5 auf einer darunterliegenden Leiterbahnlage. Durch die elektromagnetische Bestrahlung erfolgt eine Versinterung der leitfähigen Partikel im Leitermaterial 3. Bei Bedarf kann dann noch eine weitere Isolationsschicht 6 auf der oberen Leiterbahnlage aufgebracht werden.
Auf diese Weise ist zunächst ein elektrisches Bauteil 9 mit zweilagiger Leiterbahnanordnung hergestellt. Durch Wiederholung der Schritte IV), V), VI) und VII) können weitere Leiterbahnlagen aufgebracht werden.
Die 2 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes elektrisches Bauteil 9, bei dem auf dem Grundkörper 1 zwei Leiterbahnlagen 12 aufgebracht sind, die durch eine Isolationsschicht 6 gegeneinander isoliert sind. Auf der obersten Leiterbahnlage 12 können Lötpads 13 ausgebildet sein. Die Lötpads 13 können ebenso wie die Leiterbahnen 5 erzeugt werden, z.B. durch Versintern der elektrisch leitenden Partikel im Leitermaterial 3. Wie die 3 verdeutlicht, kann auf den Lötpads 13 und den Durchkontaktierungen 8 ein integrierter Schaltkreis 14 aufgelötet werden.
Die 4 zeigt ein Beispiel für ein komplexeres elektrisches Bauteil, bei dem eine Matrix von 10x10 Lötpads 13 auf der obersten Leiterbahnlage 12 erzeugt ist. Auf diesen Lötpads 13 kann z.B. ein integrierter Schaltkreis 14 mit BGA-Kontaktierung aufgelötet werden. Dies verdeutlicht, dass mit der Erfindung auch ein hochintegrierter Aufbau ermöglicht wird.
Die 5 und 6 zeigen anhand eines weiteren Beispiels Schritte zur Herstellung eines elektrischen Bauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Schritt I) wird zunächst ein Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 10 bereitgestellt. Diese Oberfläche 10 wird dann in einem Schritt II) mit einer Grundierungsschicht 2 beschichtet. Im darauffolgenden Schritt III) wird auf die Grundierungsschicht 2 eine Schicht aus Leitermaterial 3 aufgetragen, z.B. der erwähnte Kupferlack. Nach Aushärten des Leitermaterials 3 erfolgt im Schritt IV) die Herstellung von elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 5 in der Leitermaterialschicht durch elektromagnetische Bestrahlung, z.B. mit einem Laser. Hierdurch wird die erste Leiterbahnlage erzeugt.
Im Schritt V) wird dann auf die im Schritt IV) hergestellte Leiterbahnlage eine Isolationsschicht 6 aufgetragen. In einem Schritt VI) werden eine oder mehrere Aussparungen 7 in der Isolationsschicht 6 erzeugt, z.B. durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise wiederum durch den Laser. Im Schritt VII) wird die auf diese Weise mit Aussparungen 7 versehene Isolationsschicht 6 mit einer weiteren Schicht aus Leitermaterial 3 beschichtet. Das Leitermaterial 3 erstreckt sich dabei insbesondere auch in die Aussparungen 7 hinein, wobei das Leitermaterial die Aussparungen 7 im Regelfall nicht vollständig ausfüllt, sondern lediglich teilweise an den Rändern.
Im nächsten Schritt VIII) werden durch Bestrahlung der Schicht aus dem Leitermaterial 3, beispielsweise wiederum mittels des Lasers 4, weitere Leiterbahnen 5 sowie die gewünschte Durchkontaktierung 8, 15 erzeugt. Die Durchkontaktierung 8, 15 verbindet nun eine Leiterbahn 5 auf der oberen Leiterbahnlage mit einer Leiterbahn 5 auf einer darunterliegenden Leiterbahnlage.
Wie die 6 zeigt, kann in einem Schritt IX) auf die Leiterbahnlage 3, die die Durchkontaktierung 8 aufweist, eine weitere Isolationsschicht 6 aufgebracht werden. Dabei kann diese Isolationsschicht 6 auch zu einer Nivellierung der Via-Kavität beitragen.
Auf diese Weise ist zunächst ein elektrisches Bauteil 9 mit zweilagiger Leiterbahnanordnung hergestellt. Durch Wiederholung der Schritte VI), VII), VIII) und IX) können weitere Leiterbahnlagen aufgebracht werden.
Die 5 und 6 verdeutlichen eine vorteilhafte Geometrie von Durchkontaktierungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden können. Man erkennt im Querschnitt die Trichterform einer solchen Durchkontaktierung 8, 15, wobei die Seitenwand der Trichterform konvex gekrümmt ausgebildet ist, z.B. konisch oder bogenförmig. Zudem kann sich die Durchkontaktierung 8, 15 von einem zentralen, in der Aussparung 7 angeordneten Bereich bis in den umgebenden, nicht in die Aussparung reichenden Bereich des Leitermaterials 3 erstrecken. Insbesondere kann die Durchkontaktierung 8, 15 sich mit einem ringförmigen Bereich 15 um den Umfang der Aussparung 7 herum in das umgebende Leitermaterial 3 erstrecken.

Claims

Elektrisches Bauteil (9) mit einem Grundkörper (1) mit wenigstens einer Oberfläche (10), die Unebenheiten hat, dadurch gekennzeichnet, dass auf der unebenen Oberfläche (10) eine unebene Anordnung aus mehreren Leiterbahnlagen (12), die jeweils elektrische Leiterbahnen (5) haben, aufgebracht ist, die sich flächig über die unebene Oberfläche (10) erstreckt und an der unebenen Oberfläche (10) anliegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle elektrischen Leiterbahnen (5) als gesinterte Leiterbahnen ausgebildet sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (5) aus unterschiedlichen Leiterbahnlagen (12) durch gesinterte Durchkontaktierungen (8, 15) miteinander verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle Durchkontaktierungen (8, 15) trichterförmig ausgebildet sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Leiterbahnlagen (12) jeweils durch wenigstens eine Isolationsschicht (6) voneinander getrennt sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche (10) des Grundkörpers (1) und der dem Grundkörper nächstgelegenen Leiterbahnlage (12) wenigstens eine Grundierungsschicht (2) aus einem Grundierungsmaterial angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundierungsmaterial identisch mit dem Isolationsmaterial einer zwischen Leiterbahnlagen (12) angeordneten Isolationsschicht (6) ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der obersten Leiterbahnlage (12) Lötpads (13) ausgebildet sind, die aus dem Material der Leiterbahnen (5) der obersten Leiterbahnlage (12) bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Grundkörpers (1) mit einer Oberfläche (10), die Unebenheiten hat, b) optional Beschichten der Oberfläche (10) mit einer Grundierungsschicht (2) aus einem Grundierungsmaterial, c) Beschichten der Oberfläche (10) oder der Grundierungsschicht (2) mit einem Leitermaterial (3), wobei durch das Leitermaterial (3) entweder direkt die Leiterbahnen (5) einer ersten Leiterbahnlage (12) ausgebildet werden oder eine anschließende Bestrahlung des Leitermaterials (3) mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt wird, durch die die Leiterbahnen (5) einer ersten Leiterbahnlage (12) im Leitermaterial (3) erzeugt werden, d) Beschichten der Leiterbahnlage (12) mit einer Isolationsschicht (6), e) Beschichten der Isolationsschicht (6) mit einem Leitermaterial (3), wobei durch das Leitermaterial (3) entweder direkt die Leiterbahnen (5) einer weiteren Leiterbahnlage (12) ausgebildet werden oder eine anschließende Bestrahlung des Leitermaterials (3) mit elektromagnetischer Strahlung durchgeführt wird, durch die die Leiterbahnen (5) einer weiteren Leiterbahnlage (12) im Leitermaterial (3) erzeugt werden, f) sofern die gewünschte Anzahl von Leiterbahnlagen (12) noch nicht erzeugt ist, Wiederholen der Schritte d) und e).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt d) und vor dem Schritt e) wenigstens eine Aussparung (7) an einer Stelle der Isolationsschicht (6) erzeugt wird, an der eine Durchkontaktierung (8, 15) zur darunterliegenden Leiterbahnlage (12) erzeugt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Aussparung (7) durch Laserbohren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (8, 15) im anschließenden Schritt e) durch zumindest teilweises Ausfüllen der Aussparung (7) mit dem Leitermaterial (3) erzeugt wird, wobei durch das Leitermaterial (3) entweder direkt die Durchkontaktierung (8, 15) ausgebildet wird oder durch die anschließende Bestrahlung des Leitermaterials (3) mit elektromagnetischer Strahlung die Durchkontaktierung (8, 15) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (8, 15) sich in die Aussparung (7) hinein und um den Umfang der Aussparung (7) herum erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (7) trichterförmig erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (5) und/oder die Durchkontaktierungen (8, 15) durch Lasersintern mittels Bestrahlung durch einen Laser (4) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (3) ein mit leitfähigen Mikro- und/oder Nanopartikeln angereichertes, im flüssigen Zustand auftragbares Beschichtungsmaterial ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird.