DE102021112861A1

DE102021112861A1 - Trägerstruktur, verfahren zur herstellung einer trägerstruktur und vorrichtung und druckkopf zum durchführen eines solchen verfahrens

Info

Publication number: DE102021112861A1
Application number: DE102021112861.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2022-11-24
Also published as: CN117377543A; US20240244760A1; WO2022243180A1; DE112022002632A5

Abstract

Die Trägerstruktur (1) für elektrische Bauteile (10) umfasst mindestens eine Leiterstruktur (2) zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Bauteile (10). Die Leiterstruktur (2) umfasst eine Vielzahl von Leiterkörpern (11). Zumindest manche der Leiterkörper (11) stehen in direktem Kontakt mit einem elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsmittel (12). Die Leiterstruktur (2) ist durch die Leiterkörper (11) zusammen mit dem ersten Verbindungsmittel (12) gebildet.

Description

Es wird eine Trägerstruktur angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur angegeben. Ferner werden eine Vorrichtung und ein Druckkopf zum Durchführen eines solchen Verfahrens angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Trägerstruktur anzugeben, die schnell und kostengünstig herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Trägerstruktur anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und einen Druckkopf bereitzustellen, mit der ein solches Verfahren einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann.
Diese Aufgaben werden insbesondere durch eine Trägerstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und einen Druckkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Trägerstruktur für elektrische Bauteile geeignet. Beispielsweise bildet die Trägerstruktur eine mechanisch tragende Komponente für die elektrischen Bauteile. Insbesondere lassen sich elektrische Bauteile über die Trägerstruktur elektrisch kontaktieren.
Bei den elektrischen Bauteilen handelt es sich zum Beispiel um Widerstände, Kondensatoren, Speicherbausteine, integrierte Schaltungen und/oder um Halbleiterchips, insbesondere optoelektronische Halbleiterchips. Bei den optoelektronischen Halbleiterchips handelt es sich zum Beispiel um Leuchtdiodenchips und/oder Laserdiodenchips und/oder um Fotodetektorchips zur Erzeugung beziehungsweise zur Detektion elektromagnetischer Strahlung. Die elektrischen Bauteile weisen zum Beispiel jeweils eine oder mehrere elektrische Kontaktflächen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur umfasst diese mindestens eine Leiterstruktur zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Bauteile. Zum Beispiel steht die mindestens eine Leiterstruktur im elektrischen Kontakt zu zumindest einer Kontaktfläche eines elektrischen Bauteils. Der elektrische Kontakt zwischen Leiterstruktur und dem elektrischen Bauteil kann direkt oder über ein Verbindungsmittel, wie zum Beispiel ein Lot, erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leiterstruktur eine Vielzahl von Leiterkörpern. Die Leiterkörper weisen zum Beispiel - im Rahmen der Herstellungstoleranz - die geometrische Form eines Polygons auf. Zum Bespiel sind die Leiterkörper als Quader, insbesondere als Würfel ausgebildet. Bevorzugt sind die Leiterkörper kugelförmig.
Eine maximale Ausdehnung, insbesondere ein Durchmesser der Leiterkörper beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 1 µm und einschließlich 50 µm. Bevorzugt weisen alle Leiterkörper die gleichen Abmessungen beziehungsweise den gleichen Durchmesser auf. Das heißt, bevorzugt schwankt der Durchmesser und/oder das Volumen der Leiterkörper höchstens um +/- 5% um einen jeweiligen Mittelwert.
Jeder Leiterkörper umfasst mindestens ein Metall, insbesondere eines der folgenden Metalle: Kupfer, Nickel, Eisen, Aluminium, Wolfram, Zinn. Jeder Leiterkörper ist beispielsweise aus einem dieser Metalle gebildet oder aus einer Mischung dieser Metalle gebildet.
Es ist möglich, dass alle Leiterkörper dieselben Metalle in derselben Zusammensetzung aufweisen. Bevorzugt unterscheiden sich Materialzusammensetzungen der Leiterkörper einzeln oder in Gruppen voneinander. So lässt sich durch eine Mischung von Leiterkörpern mit verschiedenen Materialzusammensetzungen eine oder mehrere physikalische Eigenschaften der Leiterstruktur und damit der Trägerstruktur anpassen. Bei der mindestens einen physikalischen Eigenschaft handelt es sich zum Beispiel um thermische Eigenschaften, beispielsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder einen Wärmeleitungskoeffizienten, oder um elektrische Eigenschaften der Leiterstruktur und damit der Trägerstruktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform stehen zumindest manche der Leiterkörper in direktem Kontakt zu einem elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsmittel. Insbesondere ist jeder Leiterkörper mit dem elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsmittel in direktem Kontakt. Das Verbindungsmittel umfasst insbesondere ein Metall, zum Beispiel eines der folgenden Metalle: Zinn, Indium, Silber, Gold, Kupfer. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Verbindungsmittel um ein Lot, insbesondere ein zinnhaltiges Lot wie zum Beispiel InSn, AuSn, SnAgCu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur ist die Leiterstruktur durch die Leiterkörper zusammen mit dem ersten Verbindungsmittel gebildet. Insbesondere enthält die Leiterstruktur im Wesentlichen keine weiteren Bestandteile. Es ist allerdings möglich, dass die Leiterstruktur weitere Bestandteile und/oder Verunreinigungen in geringen Mengen aufweist, die beispielsweise aufgrund eines Herstellungsprozesses in der Trägerstruktur verbleiben. Bevorzugt liegen solche Bestandteile jedoch in so kleinen Mengen vor, dass thermische und/oder elektrische Eigenschaften der Leiterstruktur beziehungsweise der Trägerstruktur nicht durch diese beeinträchtigt werden.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Trägerstruktur für elektrische Bauteile mindestens eine Leiterstruktur zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Bauteile. Die Leiterstruktur umfasst eine Vielzahl von Leiterkörpern. Zumindest manche, insbesondere jeder der Leiterkörper steht in direktem Kontakt mit einem elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsmittel. Die Leiterstruktur ist durch die Leiterkörper zusammen mit dem ersten Verbindungsmittel gebildet.
Einer hier beschriebenen Trägerstruktur liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Um Trägerstrukturen schnell herzustellen, beispielsweise um sie als Prototypen zu verwenden, werden häufig additive Fertigungstechniken, aus dem Englischen auch als „additive manufacturing“ bekannt, oder 3D-Druck verwendet. Bei diesen Methoden lässt sich ein Prototyp verhältnismäßig schnell zum Beispiel aus CAD-Daten herstellen. Ein schichtweises Aufbringen von Isolationsmaterialien ist bei diesen Verfahren beispielsweise mit Filamentdruckern oder mit Stereolithografie möglich.
Additive metallische Strukturen können schichtweise durch Sintern oder Schmelzen von Metallpulvern mittels Laser oder Elektronenstrahlen gebildet werden. Strukturgrößen dieser Metallstrukturen sind herkömmlicherweise durch einen Strahldurchmesser nach unten limitiert und liegen herkömmlicherweise bei etwa mindestens 100 µm. Aus der Druckschrift Vyatskikh et al., Nat. Comm. 9, 593 (2018) ist eine Methode bekannt, bei der mittels Stereolithografie eine Metallorganik strukturiert und anschließend gesintert wird. Dabei sind Strukturgrößen im Submikrometerbereich möglich. Ein Nachteil von diesem Verfahren liegt allerdings im sehr großen Schrumpf.
Der hier beschriebenen Trägerstruktur liegt unter anderem die Idee zugrunde, eine Leiterstruktur mit Leiterkörpern auszubilden, deren Durchmesser zum Beispiel zwischen 1 µm und 50 µm beträgt. Die Leiterstruktur und damit die Trägerstruktur lassen sich insbesondere schnell und kostengünstig herstellen. Dies ist insbesondere der Fall, da sich die Trägerstruktur teilweise mit Verfahren, die an einer Tintenstrahldrucktechnik angelehnt sind, bilden lässt. Auf die Verwendung von Lasern kann verzichtet werden. Neben der Fertigung von Prototypen von Trägerstrukturen ist auch eine Kleinserie oder Massenfertigung von hier beschriebenen Trägerstrukturen mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich.
Vorteilhafterweise lassen sich bei der hier beschriebenen Trägerstruktur Leiterstrukturen mit geringen Strukturgrößen, die im Wesentlichen durch die Abmessung der Leiterkörper limitiert ist, realisieren. Durch die Mischung von Leiterkörpern mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen lassen sich darüber hinaus neue Materialeigenschaften erzeugen. So kann beispielsweise durch die Mischung von Leiterkörpern aus Kupfer und Leiterkörpern aus Nickel die thermische Leitfähigkeit und der Ausdehnungskoeffizient eingestellt werden. Darüber hinaus lassen sich elektrische Eigenschaften durch eine geeignete Wahl der Materialien der Leiterkörper präzise einstellen. Ferner können die Leiterstrukturen durch eine geeignete Materialwahl oder einer geeigneten Dicke für die Verwendung von elektrischen Bauteilen im Hochstrombereich genutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Leiterstruktur in oder an der Trägerstruktur nahezu beliebig geführt werden kann, womit insbesondere eine flache Leiterbahnführung und eine flache Trägerstruktur ermöglicht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Trägerstruktur eine Vielzahl von Isolationskörpern. Die Isolationskörper umfassen beispielsweise eines der folgenden elektrisch isolierenden Materialien: Al₂O₃, AlN, SiC, Diamant, SiO₂, ein Glas wie Borofloatglas oder Soda-Lime-Glas oder einen Kunststoff. Die Isolationskörper sind beispielsweise ähnlich wie die Leiterkörper als Polygon oder bevorzugt kugelförmig ausgebildet. Vorzugsweise weisen alle Isolationskörper die gleichen Abmessungen beziehungsweise einen gleichen Durchmesser auf. Weiter bevorzugt stimmen die Abmessungen beziehungsweise Durchmesser der Isolationskörper mit den Abmessungen beziehungsweise Durchmessern der Leiterkörper überein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur stehen manche, insbesondere jeder der Isolationskörper direkt in Kontakt mit einem elektrisch isolierenden zweiten Verbindungsmittel. Bei dem zweiten Verbindungsmittel handelt es sich zum Beispiel um ein Thermoplast wie PE, PET, PA, PEEK und/oder ein Duroplast wie Silikon, Epoxid oder Acrylat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die Isolationskörper zusammen mit dem zweiten Verbindungsmittel einen elektrisch isolierenden Grundkörper der Trägerstruktur. In dem elektrisch isolierenden Grundkörper ist die Leiterstruktur beispielsweise eingebettet. Bevorzugt ist die Trägerstruktur aus dem elektrisch isolierenden Grundkörper und der Leiterstruktur gebildet. Durch die Verwendung von Leiterkörpern und Isolationskörpern, die im Wesentlichen dieselbe Größe aufweisen, lässt sich vorteilhafterweise die Trägerstruktur durch additive Verfahren ausbilden. Damit ist eine schnelle und kostengünstige Herstellung der Trägerstruktur möglich.
Es ist möglich, dass sich Materialzusammensetzungen der Isolationskörper einzeln oder in Gruppen voneinander unterscheiden. So lässt sich durch eine Mischung von Isolationskörpern mit verschiedenen Materialzusammensetzungen eine oder mehrere physikalische Eigenschaften des Grundkörpers und damit der Trägerstruktur anpassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur sind die Leiterkörper und/oder die Isolationskörper kugelförmig. Die Leiterkörper und/oder die Isolationskörper sind bevorzugt zumindest zum Teil in einer dichtesten Kugelpackung oder nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet. Ein Anteil der Leiterkörper an einem Gesamtvolumen der Leiterstruktur beträgt beispielsweise mindestens 60 % oder mindestens 65 % oder mindestens 70 %. Ein Anteil der Insolationskörper an einem Gesamtvolumen des Grundkörpers beträgt beispielsweise 60 % oder mindestens 65 % oder mindestens 70 %. Beispielsweise sind die Leiterkörper und/oder die Isolationskörper in einer hexagonalen Kugelpackung oder nach Art einer hexagonalen Kugelpackung angeordnet. Durch Anordnen in einer Packung nach Art einer dichtesten Kugelpackung lassen sich die Leiterkörper und/oder die Isolationskörper besonders dicht packen und die Leiterstruktur mechanisch stabil ausgestalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur weist diese zumindest eine Kavität auf, in der elektrische Bauteile anordenbar sind. Beispielsweise lassen sich elektrische Bauteile in der Kavität derart anordnen, dass die Bauteile die Trägerstruktur nicht überragen und/oder bündig mit einer Hauptseite der Trägerstruktur abschließen. Beispielsweise befinden sich die elektrischen Bauteile in direktem Kontakt zum ersten und/oder dem zweiten Verbindungsmittel und sind bevorzugt stoffschlüssig mit der Trägerstruktur verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Trägerstruktur sind Zwischenräume zwischen den Leiterkörpern und/oder den Isolationskörpern mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Verbindungsmittel verfüllt. Insbesondere sind die Zwischenräume vollständig mit dem ersten und/oder zweiten Verbindungsmittel verfüllt. Durch das vollständige Verfüllen von Zwischenräumen lassen sich Hohlräume, auch als Lunker bezeichnet, in der Trägerstruktur vermeiden. Damit lassen sich thermische Eigenschaften und die Robustheit der Trägerstruktur erhöhen.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur angegeben. Mit dem Verfahren lässt sich insbesondere eine hier beschriebene Trägerstruktur herstellen. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarte Merkmale sind auch für die Trägerstruktur offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Grundträgers. Der Grundträger ist beispielsweise mit einer Keramik, einem Silikon oder mit Teflon gebildet.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden erste Kugelelemente und zweite Kugelelemente auf dem Grundträger aufgebracht. Jedes erste Kugelelement weist beispielsweise einen Leiterkörper und ein erstes Verbindungsmittel als Ummantelung auf. Der Leiterkörper ist beispielsweise kugelförmig ausgebildet und weist einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 µm und 50 µm auf. Das erste Verbindungsmittel umgibt den Leiterkörper vorzugsweise an allen Seiten vollständig. Das erste Verbindungsmittel weist zum Beispiel eine Dicke an dem Leiterkörper zwischen einschließlich 1 µm und 10 µm auf. Der Leiterkörper und das erste Verbindungsmittel sind zum Beispiel mit einem der oben beschriebenen Materialien gebildet.
Beispielsweise weist jedes zweite Kugelelement einen Isolationskörper und ein zweites Verbindungsmittel als Ummantelung auf. Der Isolationskörper ist beispielsweise kugelförmig ausgebildet und weist einen Durchmesser zwischen einschließlich 1 µm und 50 µm auf. Das zweite Verbindungsmittel umgibt den Isolationskörper vorzugsweise an allen Seiten vollständig. Das zweite Verbindungsmittel weist zum Beispiel eine Dicke zwischen einschließlich 1 µm und 10 µm auf. Der Isolationskörper und das zweite Verbindungsmittel sind zum Beispiel mit einem der oben beschriebenen Materialien gebildet.
Bei dem Aufbringen der ersten und zweiten Kugelelemente wird insbesondere jedes erste Kugelelement benachbart zu mindestens einem weiteren ersten Kugelelement angeordnet und jedes zweite Kugelelement wird benachbart zumindest einem weiteren zweiten Kugelelement angeordnet. Es ist möglich, dass zumindest manche erste Kugelelemente zusätzlich benachbart zu einem zweiten Kugelelement angeordnet werden und umgekehrt.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die ersten Kugelelemente und die zweiten Kugelelemente zur Trägerstruktur verbunden. Dabei bilden die Leiterkörper mit dem ersten Verbindungsmittel mindestens eine Leiterstruktur der Trägerstruktur. Die Isolationskörper der zweiten Kugelelemente bilden zusammen mit dem zweiten Verbindungsmittel mindestens einen Grundkörper der Trägerstruktur.
Beispielsweise werden die Kugelelemente mit einem Härte- oder Lötprozess verbunden. Insbesondere wird zum Verbinden der ersten Kugelelemente und der zweiten Kugelelemente die Anordnung aus ersten und zweiten Kugelelementen erwärmt, sodass das erste und das zweite Verbindungsmittel zumindest teilweise geschmolzen werden und die Leiterkörper und die Isolationskörper miteinander verbinden. Eine Temperatur, bei denen sich die ersten und zweiten Kugelelemente entsprechend verarbeiten lassen, beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 100 °C und 300 °C.
Bei dem Verbinden der Kugelelemente reduziert sich insbesondere ein Volumen der Anordnung der Kugelelemente. Sind beispielsweise die Kugelelemente in einer dichtesten Kugelpackung oder nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet, so beträgt ein Gesamtvolumen von Zwischenräumen zwischen den Kugelelementen beispielsweise zwischen einschließlich 20 % und 40 % eines Gesamtvolumens der Anordnung. Beim Verbinden der Kugelelemente werden diese Hohlräume beispielsweise mindestens teilweise von dem ersten und zweiten Verbindungsmittel gefüllt. Eine fertige Trägerstruktur weist dementsprechend ein Volumen auf, das beispielsweise um 30 % oder 25 % oder 20 % geringer ist als ein Volumen der Anordnung aus ersten und zweiten Kugelelementen vor dem Verbinden.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren lassen sich kostengünstig Trägerstrukturen für elektronische Bauteile herstellen. Durch das Aufbringen von elektrisch leitfähigen ersten Kugelelementen mit Durchmessern zwischen einschließlich 1 µm und 80 µm lassen sich zudem kleine Strukturgrößen realisieren. Durch das Ausbilden des Grundkörpers kann zudem eine mechanisch stabile Trägerstruktur gebildet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden in einem weiteren Verfahrensschritt verbundene erste Kugelelemente und zweite Kugelelemente zumindest teilweise legiert. Beispielsweise wird eine Trägerstruktur, die aus dem Verbinden der ersten Kugelelemente und der zweiten Kugelelemente hervorgegangen ist, erwärmt, wobei das erste Verbindungsmittel mit den Leiterkörpern zumindest teilweise legiert. Eine solche Wärmebehandlung ist aus dem Englischen auch als Tempern bekannt. Ein Schmelzpunkt der Leiterstruktur und/oder der gesamten Trägerstruktur lässt sich damit erhöhen. Ein Schmelzpunkt der Trägerstruktur liegt nachfolgend der Wärmebehandlung beispielsweise bei mindestens 500 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden auf die Trägerstruktur nach dem Verbinden der ersten und zweiten Kugelelemente weitere Kugelelemente aufgebracht. Vorteilhafterweise lässt sich damit die Trägerstruktur erweitern. Das heißt, die Verfahrensschritte, wonach erste und zweite Kugelelemente aufgebracht werden und wonach erste und zweite Kugelelemente miteinander verbunden werden, können mehrfach hintereinander ausgeführt werden. Der optionale Verfahrensschritt, in dem erste und/oder zweite Kugelelementen zumindest teilweise legiert werden, kann ebenso mehrfach ausgeführt werden. Durch Aufbringen weiterer Kugelelemente lässt sich beispielsweise eine Kavität für elektrische Bauteile in der Trägerstruktur ausbilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird jedes erste Kugelelement in direktem Kontakt zu einem anderen ersten Kugelelement angeordnet. Insbesondere wird jedes zweite Kugelelement in direktem Kontakt zu einem anderen zweiten Kugelelement angeordnet. Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Kugelelemente in einer dichtesten Kugelpackung oder nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet. Durch eine solche Anordnung lassen sich die Leiterstrukturen der ersten Kugelelemente und die Isolationskörper der zweiten Kugelelemente in der fertigen Trägerstruktur besonders dicht packen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden Zwischenräume zwischen den Leiterkörpern und/oder den Isolationskörpern bei dem Verbinden der Kugelelemente vollständig verfüllt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Aufbringen der ersten Kugelelemente eine Haftmittelschicht auf dem Grundträger aufgebracht. Bei der Haftmittelschicht handelt es sich zum Beispiel um ein Flussmittel, eine PDMS-Klebeschicht, eine thermoplastische Klebeschicht oder eine dünne Klebeschicht. Durch die Haftmittelschicht verändern die ersten und zweiten Kugelelemente auf dem Grundträger ihre Position während des Verfahrens nicht oder nur unwesentlich. Bevorzugt verflüchtigt sich beim Verbinden der Kugelelemente die Haftmittelschicht, zum Beispiel durch Verdampfung. Es ist auch möglich, dass Reste der Haftmittelschicht in der Trägerstruktur verbleiben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden n Lagen von Kugelelementen auf dem Grundträger aufgebracht, wo n eine natürliche Zahl größer 1 ist. Eine Lage von Kugelelementen hat insbesondere eine Dicke, die im Wesentlichen der Dicke eines Kugelelements entspricht. Durch das Aufbringen mehrerer Lagen von Kugelelementen lassen sich dreidimensionale Leiterstrukturen und ein dreidimensionaler Grundkörper der Trägerstruktur aufbauen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden vor dem Aufbringen einer n-ten Lage von Kugelelementen eine n-te Haftmittelschicht auf die (n-1)-te Lage von Kugelelementen aufgebracht, wobei n weiterhin eine natürliche Zahl größer 1 ist. Durch die Haftmittelschicht zwischen zwei benachbarten Lagen von Kugelelementen verbleiben die Kugelelemente dieser Lage während des Verfahrens an ihrer durch das Aufbringen vorgegebenen Position und verändern diese im Wesentlichen nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens ein elektrisches Bauteil an der Trägerstruktur angebracht. Beispielsweise wird das elektrische Bauteil in einer Kavität der Trägerstruktur angebracht.
Das Anbringen des elektrischen Bauteils kann nach der Fertigstellung der Trägerstruktur erfolgen. Bevorzugt wird das elektrische Bauteil allerdings vor dem endgültigen Fertigstellen der Trägerstruktur aufgebracht. In diesem Fall kann das erste und zweite Verbindungsmittel als Haftmittel beziehungsweise Lotmittel für das elektrische Bauteil dienen. Das erste Verbindungsmittel bildet insbesondere ein Lot zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Bauteils. Das zweite Verbindungsmittel verbindet das elektrische Bauteil zum Beispiel fest und stoffschlüssig mit der Trägerstruktur.
Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens angegeben. Die Vorrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, Kugelelemente auf dem Grundträger aufzubringen. Das heißt, sämtliche für die Vorrichtung offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Fallrohr und einen Kugelausgang. Das Fallrohr weist beispielsweise einen Innendurchmesser auf, der höchstens 1,9-mal so groß ist wie ein Durchmesser der ersten und der zweiten Kugelelemente. Das heißt, der Innendurchmesser des Fallrohrs ist derart gestaltet, dass nur ein Kugelelement gleichzeitig das Fallrohr passieren kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese einen Zuführmechanismus zum Zuführen eines der Kugelelemente von dem Fallrohr zum Kugelausgang. Die Vorrichtung ist insbesondere derart eingerichtet, dass aus einem Behältnis mit ersten und/oder zweiten Kugelelementen durch das Fallrohr und dem Zuführmechanismus zu einem Zeitpunkt ein einziges Kugelelement dem Kugelausgang zugeführt werden kann. Damit lassen sich die Kugelelemente einzeln und nacheinander auf dem Grundträger anordnen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung weist der Zuführmechanismus ein Blockierelement zwischen dem Fallrohr und dem Kugelausgang auf. Durch das Blockierelement wird insbesondere eine Zuführung von Kugelelementen zu dem Kugelausgang gestoppt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Blockierelement so eingerichtet, dass es in einem ersten Zustand das Fallrohr zumindest teilweise verschließt, sodass kein Kugelelement von dem Fallrohr zu dem Kugelausgang geführt werden kann. In einem zweiten Zustand ist ein Inneres des Fallrohrs frei von dem Blockierelement, sodass ein Kugelelement durch das Fallrohr zu dem Kugelausgang geführt werden kann. Das heißt, durch das Blockierelement ist eine selektive Zuführung von Kugelelementen zu dem Kugelausgang ermöglicht. Wird beim Herstellen der Trägerstruktur die Vorrichtung beispielsweise über den Grundträger gefahren, um Kugelelemente auf dem Grundträger aufzubringen, kann durch das Blockierelement vorgegeben werden, an welchen Stellen ein Kugelelement auf dem Grundträger aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Blockierelement um eine drehbar gelagerte Lochscheibe. Die Lochscheibe weist zum Beispiel mindestens eine Öffnung auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser eines Kugelelements. Die Lochscheibe ist beispielsweise drehbar um eine Achse gelagert, die parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Fallrohrs verläuft. Beispielsweise ist in dem zweiten Zustand, in dem das Innere des Fallrohrs frei von dem Blockierelement ist, die Öffnung der Lochscheibe in das Fallrohr geschoben. Im zweiten Zustand ist beispielsweise ein anderer Bereich der Lochscheibe in dem Fallrohr angeordnet, wodurch die Lochscheibe das Fallrohr blockiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Blockierelement einen Bimetallstreifen mit einem Heizelement. Der Bimetallstreifen ist aus zwei Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient gebildet. Das Heizelement ist dazu eingerichtet, den Bimetallstreifen zu erwärmen und aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metalle den Bimetallstreifen zu verformen. In einem unverformten ersten Zustand ragt der Bimetallstreifen beispielsweise in das Fallrohr hinein und verschließt es teilweise. Wird das Heizelement erwärmt und der Bimetallstreifen verformt, so ist in einem zweiten, verformten Zustand des Bimetallstreifens das Fallrohr frei von dem Bimetallstreifen und Kugelelemente können das Fallrohr passieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Blockierelement ein Piezoelement mit einer Spannungsquelle. Beispielsweise ist der erste Zustand des Blockierelements realisiert, wenn eine elektrische Spannung an dem Piezoelement angelegt ist und das Piezoelement ausgedehnt ist. Der zweite Zustand des Blockierelements ist beispielsweise realisiert, wenn keine Spannung an dem Piezoelement angelegt ist. Im ersten Zustand ist das Piezoelement beispielsweise ausgedehnt und ragt in das Fallrohr hinein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Blockierelement ein Ausdehnungselement mit einem Heizelement. Das Heizelement ist dazu eingerichtet, das Ausdehnungselement zu erwärmen. Der erste Zustand des Blockierelements wird beispielsweise durch Erwärmen des Heizelements erzielt, wobei das Ausdehnungselement sich in das Fallrohr hinein ausdehnt. Das Ausdehnungselement umfasst zum Beispiel Kupfer mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 18 ppm/K, das mit einem thermischen Isolator zumindest teilweise ummantelt ist. Durch Anlegen eines Stroms mittels dem Heizelement lässt sich das Ausdehnungselement zum Beispiel um 200 K erwärmen. So kann eine Dehnung von beispielsweise 3600 ppm erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen dem Fallrohr und dem Kugelausgang ein Zwischenstück angeordnet, wobei eine Haupterstreckungsrichtung des Zwischenstücks quer, insbesondere senkrecht, zu einer Haupterstreckungsrichtung des Fallrohrs ist. An einem ersten Ende des Zwischenstücks ist beispielsweise ein Impulsgeber angeordnet. An einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Zwischenstücks ist insbesondere der Kugelausgang angeordnet. An einer Mittelöffnung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Zwischenstücks ist bevorzugt das Fallrohr angeordnet.
In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, über das Fallrohr dem Zwischenstück durch die Mittelöffnung ein Kugelelement zuzuführen. Mittels dem Impulsgeber lässt sich das Kugelelement zum Kugelausgang befördern. Beispielsweise fällt das Kugelelement aufgrund der Schwerkraft von dem Fallrohr in das Zwischenstück. Um zu dem Kugelausgang zu gelangen, wird im Betrieb ein Impuls von dem Impulsgeber auf das Kugelelement übertragen und das Kugelelement zum Kugelausgang geführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Impulsgeber einen Flüssigkeitsbehälter mit einer flexiblen Membran und ein Heizelement auf. Die Membran ist insbesondere am ersten Ende des Zwischenstücks angeordnet. Der Flüssigkeitsbehälter ist bevorzugt gasdicht, sodass keine Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter entweichen kann.
Der Impulsgeber ist insbesondere dazu eingerichtet, durch Erwärmen einer Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter einen Impuls über die Membran an ein Kugelelement im Zwischenstück zu übertragen. Ein Erwärmen der Flüssigkeit mittels dem Heizelement wirkt dabei insbesondere eine Ausdehnung der Flüssigkeit, wodurch die Membran gedehnt wird. Durch das Ausdehnen der Membran wird ein Impuls auf das Kugelelement übertragen und das Kugelelement wird dem Kugelausgang zugeführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Impulsgeber einen Flüssigkeitsbehälter mit einer Düse, ein erstes Heizelement und ein zweites Heizelement. Die Düse ist am ersten Ende des Zwischenstücks angeordnet. Das erste Heizelement ist dazu eingerichtet, einen Flüssigkeitstropfen durch die Düse in das Zwischenstück zu leiten. Dies geschieht beispielsweise aufgrund von thermischer Ausdehnung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter. Das zweite Heizelement liegt der Düse im Zwischenstück gegenüber und ist beispielsweise dazu eingerichtet, den Flüssigkeitstropfen zu verdampfen und eine entstehende Gasblase auszudehnen. Durch die Ausdehnung der Gasblase wird ein Impuls auf ein Kugelelement im Zwischenstück übertragen und das Kugelelement wird dem Kugelausgang zugeführt.
Es wird des Weiteren ein Druckkopf angegeben. Der Druckkopf eignet sich insbesondere dazu, ein hier beschriebenes Verfahren durchzuführen. Ferner umfasst der Druckkopf eine Vielzahl von hier beschriebenen Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens. Das heißt, sämtliche für das Verfahren und die Vorrichtung offenbarte Merkmale sind auch für den Druckkopf offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Druckkopfs umfasst dieser eine Vielzahl von Vorrichtungen, wobei Kugelausgänge der Vorrichtungen an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind. Mit dem Druckkopf lässt sich eine Vielzahl von ersten und zweiten Kugelelementen auf dem Grundträger anordnen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Trägerstruktur des Verfahrens, der Vorrichtung und des Druckkopfes ergeben sich aus dem im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für ein besseres Verständnis übertrieben große dargestellt sein.
Es zeigen:

1A bis 1E schematische Schnittansichten von verschiedenen Stadien eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Trägerstruktur,
2 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Trägerstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3A und 3B schematische Schnittansichten von optionalen Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung einer Trägerstruktur gemäß weiterer Ausführungsbeispiele,
4 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Trägerstruktur mit einem elektrischen Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5A und 5B schematische Schnittansichten von ersten und zweiten Kugelelementen, die bei einem hier beschriebenen Verfahren verwendet werden,
6A bis 7B Detailansichten von Anordnungen von Kugelelementen, wie sie in dem hier beschriebenen Verfahren verwendet werden,
8A bis 10C schematische Schnittansichten von Vorrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens gemäß mehrerer Ausführungsbeispiele,
11 eine Draufsicht auf einen hier beschriebenen Druckkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A bis 1E wird ein Grundträger 31 bereitgestellt. Auf dem Grundträger 31 wird eine Haftmittelschicht 321 aufgebracht (1A). Der Grundträger 31 ist zum Beispiel mit einer Keramik, einem Silikon oder Teflon gebildet. Die Haftmittelschicht 321 umfasst zum Beispiel ein Flussmittel.
Auf dem Grundträger 31 werden erste Kugelelemente 16 und zweite Kugelelemente 17 mittels einem Druckkopf 200, der eine Vorrichtung 100 zum Aufbringen der Kugelelemente 16, 17 umfasst, aufgebracht (1B). Die ersten Kugelelemente 16 und die zweiten Kugelelemente 17 sind jeweils kugelförmig ausgebildet. Die ersten und zweiten Kugelelemente 16, 17 weisen insbesondere einen gleichen Durchmesser auf. Der Durchmesser beträgt zum Beispiel 30 µm.
Jedes erste Kugelelement 16 weist einen Leiterkörper 11 und ein erstes Verbindungsmittel 12 als Ummantelung des Leiterkörpers 11 auf, siehe auch 5A. Der Leiterkörper 11 und das erste Verbindungsmittel 12 sind mit einem elektrisch leitfähigen Material gebildet. Der Leiterkörper 11 ist beispielsweise kugelförmig ausgebildet. Der Leiterkörper 11 weist einen Durchmesser von zum Beispiel 20 µm auf. Das erste Verbindungsmittel 12 weist beispielsweise an dem Leiterkörper 11 eine Dicke von 5 µm auf. Der Leiterkörper 11 umfasst beispielsweise eines der folgenden Metalle: Nickel, Eisen, Zinn, Aluminium, Wolfram. Das erste Verbindungsmittel 12 ist beispielsweise mit Zinn gebildet oder umfasst ein zinnhaltiges Lotmaterial wie zum Beispiel ein SnCu-Lot.
Die zweiten Kugelelemente 17 sind beispielsweise jeweils aus einem Isolationskörper 13 mit einer an dem Isolationskörper 13 angebrachten Ummantelung aus einem zweiten Verbindungsmittel 14 gebildet, siehe auch 5B. Der Isolationskörper 13 ist zum Beispiel kugelförmig ausgebildet und weist einen Durchmesser von 20 µm auf. Das zweite Verbindungsmittel 14 weist zum Beispiel eine Dicke an dem Isolationskörper von 5 µm auf. Der Isolationskörper 17 und das zweite Verbindungsmittel 14 sind beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Der Isolationskörper 17 umfasst zum Beispiel eine Keramik wie Al₂O₃, AlN, SiC oder ein Glas wie SiO₂ oder ein Kunststoffmaterial. Das zweite Verbindungsmittel 14 ist beispielsweise mit einem Thermoplast oder einem Duroplast gebildet.
Bei dem in der 1B illustrierten Verfahrensschritt werden die ersten Kugelelemente 16 und die zweiten Kugelelemente 17 mittels der Vorrichtung 100 auf dem Grundkörper 31 aufgebracht. Dabei fährt der Druckkopf 200 über den Grundträger 31 und platziert Kugelelemente 16, 17 an vorgegebenen Stellen. Die ersten Kugelelemente 16 werden dabei derart angeordnet, dass jedes erste Kugelelement 16 direkt benachbart zu einem weiteren Kugelelement 16 angeordnet wird. Die zweiten Kugelelemente 17 werden so angeordnet, dass jedes Kugelelement 17 mit einem weiteren Kugelelement 17 in direktem Kontakt steht. Mittels der Haftmittelschicht 321 verbleiben die Kugelelemente 16, 17 an ihrer Position auf dem Grundträger 31.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine weitere Lage Kugelelemente 16, 17 auf einer ersten Lage Kugelelemente 16, 17 angeordnet (1C). Zwischen der ersten Lage von Kugelelementen 16, 17 und der zweiten Lage von Kugelelementen 16, 17 ist eine zweite Haftmittelschicht 322 angeordnet. Die zweite Haftmittelschicht 322 verhindert ein Verschieben von Positionen der Kugelelemente 16, 17 der zweiten Lage. Die Kugelelemente 16, 17 werden in einer dichtesten Kugelpackung oder nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet.
In 1D ist ein Stadium des Verfahrens illustriert, bei dem vier Lagen Kugelelemente 16, 17 auf dem Grundträger 31 aufgebracht wurden. Dazu wurde der in der 1C illustrierte Schritt mehrmals wiederholt.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die Kugelelemente 16, 17 miteinander verbunden (1E). Das Verbinden erfolgt insbesondere mittels Schmelzen des ersten und zweiten Verbindungsmittels 12, 14. Die Anordnung aus ersten und zweiten Kugelelementen 16, 17 wird dabei zum Beispiel auf eine Temperatur zwischen einschließlich 200 °C und 300 °C erwärmt. Beispielweise kann ein Epoxid-Kleber als zweites Verbindungsmittel 14 mit einem SnCu-Lot als erster Verbindungsmittel 12 kombiniert werden. Der Epoxid-Kleber härtet zum Beispiel bei 120°C und das SnCu-Lot schmilzt zum Beispiel bei 250 °C. Das Verbinden erfolgt dann beispielsweise bei 250 °C. Der Epoxid-Kleber härtet dann bei 250°C, obwohl 120°C für die Härtung ausreichend wären.
Durch das Verbinden der Kugelelemente 16, 17 wird eine Trägerstruktur 1 hergestellt. Die Trägerstruktur 1 umfasst eine Leiterstruktur 2, die aus den Leiterkörpern 11 zusammen mit dem ersten Verbindungsmittel 12 gebildet ist, und einen Grundkörper 3, der mit den Isolationskörpern 13 zusammen mit dem zweiten Verbindungsmittel 14 gebildet ist. Durch das Verbinden der Kugelelemente 16, 17 werden Hohlräume zwischen den Kugelelementen 16, 17 mit dem ersten und zweiten Verbindungsmittel 12, 14 gefüllt. Dabei werden Zwischenräume 15 beispielsweise vollständig gefüllt, siehe auch 6A und 6B, oder teilweise gefüllt, siehe auch 7A und 7B. die Trägerstruktur 1 weist aufgrund des Auffüllens der Zwischenräume ein geringeres Volumen auf als die Anordnung der ersten und zweiten Kugelelemente 16, 17. Eine Höhe der Anordnung aus Kugelelemente 16, 17 über dem Grundträger 31 reduziert sich beispielsweise um 10 % bis 25 %.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Trägerstruktur 1 gemäß der 2 wurden die Leiterkörper 11 mit dem ersten Verbindungsmittel 12 zumindest teilweise legiert, um einen Schmelzpunkt der Trägerstruktur 1 zu erhöhen. Beispielsweise erhöht sich der Schmelzpunkt der Trägerstruktur 1 auf mindestens 500 °C. Die Trägerstruktur 1 der 2 bildet insbesondere einen Leiterrahmen.
Die Verfahrensstadien der 3A und 3B illustrieren Verfahrensschritt, die an einer Trägerstruktur 1 gemäß der 1E oder 2 ausgeführt werden können. Beispielsweise auf der Trägerstruktur 1 der 2 werden weitere erste und zweite Kugelelemente 16, 17 angeordnet (3A). Das Anordnen der Kugelelemente erfolgt analog wie im Zusammenhang mit der 1C erläutert. Die Kugelelemente 16, 17 werden derart angeordnet, dass eine Kavität 4 ausgebildet wird. In der Kavität 4 wird ein elektrisches Bauteil 10 angeordnet. Bei dem elektrischen Bauteil 10 handelt es sich zum Beispiel um einen optoelektronischen Halbleiterchip zur Erzeugung oder Detektion elektromagnetischer Strahlung, einen integrierten Schaltkreis, einen Widerstand oder einen Kondensator.
Nach dem Anordnen des elektronischen Bauteils 10 werden die Kugelelemente 16, 17, die auf der Trägerstruktur 1 der 2 angeordnet wurden, miteinander verbunden (3B). Dadurch werden die Leiterstrukturen 2 und der Grundkörper 3 erweitert und eine Trägerstruktur 1 erzeugt. In der Trägerstruktur 1 ist in der Kavität 4 das elektrische Bauteil 10 angeordnet. An einer dem Grundträger 31 zugewandten Seite des elektrischen Bauteils 10 weist dieses eine erste elektrische Kontaktfläche 10a auf, die mit einer Leiterstruktur 2 der Trägerstruktur 1 elektrisch leitfähig verbunden ist. Das erste Verbindungsmittel 12 dient dabei als Lotmaterial. Über das erste und zweite Verbindungsmittel 12, 14 ist das elektrische Bauelement 10 stoffschlüssig mit der Trägerstruktur 1 verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 weist die Trägerstruktur 1 eine Leiterstruktur 2 auf, die sich vollständig durch den Grundkörper 3 erstreckt und die, im Unterschied zu der Trägerstruktur 1 der 3B, an einer von dem Grundträger 31 abgewandten Hauptseite der Trägerstruktur 1 verläuft. Diese Leiterstruktur 2 ist mit einer zweiten elektrischen Kontaktfläche 10b des elektrischen Bauelements 10 elektrisch leitfähig verbunden. Im Übrigen gelten die zu der Trägerstruktur 1 der 3B gemachten Ausführungen analog für die Trägerstruktur der 4.
In den 8A bis 8C ist eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels und dessen Funktionsweise illustriert. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Fallrohr 101. Durch das Fallrohr 101 lässt sich ein Kugelelement 16, 17 einem Kugelausgang 102 zuführen. Ein Innendurchmesser des Fallrohrs 101 ist dabei höchstens 20 % größer als einen Durchmesser eines Kugelelements 16, 17.
Zwischen dem Fallrohr 101 und dem Kugelausgang 102 ist ein Zwischenstück 103 angeordnet. Eine Haupterstreckungsrichtung des Zwischenstücks 103 ist senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung des Fallrohrs 101.
Der Kugelausgang 102 ist an einem zweiten Ende 105 des Zwischenstücks 103 angeordnet. An einem ersten Ende 104 des Zwischenstücks 103, das dem zweiten Ende 102 gegenüberliegt, ist ein Impulsgeber 130 angeordnet. Über eine Mittelöffnung 106, die zwischen dem ersten Ende 104 und dem zweiten Ende 105 angeordnet ist, werden im Betrieb der Vorrichtung 100 Kugelelemente 16, 17 von dem Fallrohr 101 dem Zwischenstück 103 zugeführt. Dabei werden die Kugelelemente 16, 17 dem Zwischenstück einzeln zugeführt.
Der Impulsgeber 130 weist einen Flüssigkeitsbehälter 131 mit einer Flüssigkeit auf. Zwischen dem Flüssigkeitsbehälter 131 und dem ersten Ende 104 des ist eine Membran 132 angeordnet. Der Impulsgeber 130 umfasst ferner ein Heizelement 133. Der Flüssigkeitsbehälter ist bevorzugt gasdicht, sodass keine Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter entweichen kann.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung 100 gelangt ein Kugelelement 16, 17 von dem Fallrohr in das Zwischenstück 103 (8A).
Das Heizelement 133 ist dazu eingerichtet, die Flüssigkeit im den Flüssigkeitsbehälter 131 zu erwärmen. Durch das Erwärmen der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 131 dehnt sich die Flüssigkeit aus und die flexible Membran 132 dehnt sich (8B). Durch die Verformung der Membran 132 wird ein Impuls auf das Kugelelement 16, 17 in dem Zwischenstück 103 übertragen.
Durch den Übertrag des Impulses von der Membran 132 auf das Kugelelement 16, 17 wird das Kugelelement 16, 17 im Zwischenstück 103 zum Kugelausgang 102 geführt (8C).
Durch Heizen des Heizelements 133 ist es demnach möglich ein Kugelelement 16, 17 an einer gewünschten Stelle auf dem Grundträger 31 zu platzieren, siehe auch 1B.
Die Vorrichtung 100 gemäß den 9A bis 9C unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß den 8A bis 8C dadurch, dass der Impulsgeber 130 zwei Heizelemente 133, 134 und eine Düse 135 umfasst. Im bestimmungsgemäßen Betrieb erwärmt das erste Heizelement 133 eine Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 131, wodurch ein Flüssigkeitstropfen 136 durch die Düse 135 in das Zwischenstück 103 gelangt ( 9A) .
Ein der Düse 135 gegenüberliegendes zweites Heizelement 134 im Bereich des ersten Endes 104 ist dazu eingerichtet, den Flüssigkeitstropfen 136 zu verdampfen. Dabei entsteht eine Gasblase 137 (9B).
Durch ein weiteres Erwärmen mittels des zweiten Heizelements 134 dehnt sich die Gasblase 137 aus und überträgt einen Impuls auf ein Kugelelement 16, 17, das sich in dem Zwischenstück 103 befindet (9C). Durch diesen Impulsübertrag wird das Kugelelement 16, 17 zum Kugelausgang 102 geführt.
In den 10A bis 10C ist eine Vorrichtung 100 illustriert, die ein Blockierelement 120 umfasst. Das Blockierelement 120 ist teilweise in einem Fallrohr 101 angeordnet und verschließt das Fallrohr 101 zumindest teilweise hin zum Kugelausgang 102. Das Blockierelement 120 umfasst einen Bimetallstreifen 122 mit einem ersten Metall 122a und einem zweiten Metall 122b. Das erste Metall 122a und das zweite Metall 122b unterscheiden sich bezüglich ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten. An dem zweiten Metall 122b ist ein Heizelement 123 angeordnet.
In einem ersten Zustand des Blockierelements 120 verschließt der Bimetallstreifen 122 das Fallrohr hin zum Kugelausgang zumindest teilweise (10A). Im ersten Zustand weist der Bimetallstreifen keine Krümmung beziehungsweise Verformung auf und ist gerade.
In einem zweiten Zustand ist der Bimetallstreifen verformt und reicht nicht in das Fallrohr 101 hinein (10B). Das Fallrohr 101 ist somit frei von dem Blockierelement 120. Im zweiten Zustand können Kugelelemente 16, 17 das Fallrohr passieren und zum Kugelausgang 102 gelangen. Die Verformung des Bimetallstreifens wird insbesondere durch eine Erwärmung des Heizelements 123 erreicht.
Durch eine Abkühlung des Bimetallstreifens 122 lässt sich der Bimetallstreifen 122 zurück in den ersten Zustand überführen, womit das Fallrohr wieder für Kugelelemente 16, 17 blockiert wird (10C).
Durch Heizen mit dem Heizelement 123 ist es somit möglich, den Kugelausgang 102 für Kugelelemente 16, 17 gezielt zu öffnen und zu verschließen. Damit können Kugelelemente 16, 17 gezielt auf dem Grundträger 31 platziert werden, siehe auch 1B.
11 illustriert einen Druckkopf 200 in einer Draufsicht auf den in der 11 nicht gezeichneten Grundträger 31. Der Druckkopf 200 weist eine Vielzahl von Vorrichtungen 100 gemäß der 8A bis 8C auf. Die Kugelausgänge 102 der Vorrichtung 100 sind an den Gitterpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters angeordnet. Die Vorrichtungen 100 sind jeweils einzeln und unabhängig voneinander betreibbar. Mit dem Druckkopf 200 lassen sich parallel eine Vielzahl von ersten und zweiten Kugelelementen 16, 17 auf dem Grundträger 31 anordnen, siehe auch 1C. Damit ist eine schnelle und kostengünstige Herstellung einer Trägerstruktur 1 möglich.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie in der Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Trägerstruktur
2: Leiterstruktur
3: Grundkörper
4: Kavität
10: elektrisches Bauteil
10a: erste elektrische Kontaktfläche
10b: zweite elektrische Kontaktfläche
11: Leiterkörper
12: erster Verbindungsmittel
13: Isolationskörper
14: zweites Verbindungsmittel
15: Zwischenraum
16: erste Kugelelemente
17: zweite Kugelelemente
31: Grundträger
100: Vorrichtung zum Aufbringen von Kugelelementen
101: Fallrohr
102: Kugelausgang
103: Zwischenstück
104: erstes Ende des Zwischenstücks
105: zweites Ende des Zwischenstücks
106: Mittelöffnung des Zwischenstücks
120: Blockierelement
122: Bimetallstreifen
122a: erstes Metall des Bimetallstreifens
122b: zweites Metall des Bimetallstreifens
123: Heizelement des Bimetallstreifens
130: Impulsgeber
131: Flüssigkeitsbehälter
132: Membran
133: Heizelement
134: weiteres Heizelement
135: Düse
136: Flüssigkeitstropfen
137: Gasblase
200: Druckkopf
321: Haftmittelschicht
322: zweite Haftmittelschicht

Claims

Trägerstruktur (1) für elektrische Bauteile (10) mit mindestens einer Leiterstruktur (2) zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Bauteile (10), wobei - die Leiterstruktur (2) eine Vielzahl von Leiterkörpern (11) umfasst, - zumindest manche der Leiterkörper (11) direkt mit einem elektrisch leitfähigem ersten Verbindungsmittel (12) in Kontakt steht, und - die Leiterstruktur (2) durch die Leiterkörper (11) zusammen mit dem ersten Verbindungsmittel (12) gebildet ist.
Trägerstruktur (1) nach Anspruch 1, die eine Vielzahl von Isolationskörpern (13) umfasst, wobei - zumindest manche der Isolationskörper (13) direkt mit einem elektrisch isolierendem zweiten Verbindungsmittel (14) in Kontakt steht, - die Isolationskörper (13) zusammen mit dem zweiten Verbindungsmittel (14) einen elektrisch isolierenden Grundkörper (3) der Trägerstruktur (1) bilden.
Trägerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leiterkörper (11) und/oder die Isolationskörper (13) kugelförmig sind, und zumindest zum Teil in einer dichtesten oder nach Art einer dichtesten Kugelpackung angeordnet sind.
Trägerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens eine Kavität (4) aufweist, in der elektrische Bauteile (10) anordenbar sind.
Trägerstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Zwischenräume (15) zwischen den Leiterkörpern (11) mit dem ersten Verbindungsmittel (12) verfüllt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Trägerstruktur (1), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Grundträger (31); - Aufbringen von ersten Kugelelementen (16) und zweiten Kugelelementen (17), wobei - jedes erste Kugelelement (16) einen Leiterkörper (11) und eine erstes Verbindungsmittel (12) als Ummantelung aufweist, - jedes zweite Kugelelement (17) einen Isolationskörper (13) und eine zweites Verbindungsmittel (14) als Ummantelung aufweist, und - jedes erste Kugelelement (16) benachbart zu mindestens einem weiteren ersten Kugelelement (16) angeordnet wird, - jedes zweite Kugelelement (17) benachbart zu mindestens einem weiteren zweiten Kugelelement (17) angeordnet wird; - Verbinden der ersten Kugelelemente (16) und der zweiten Kugelelemente (17) zur Trägerstruktur (1), wobei - die Leiterkörper (11) mit dem ersten Verbindungsmittel (12) mindestens eine Leiterstruktur (2) der Trägerstruktur (1) bilden, und - die Isolationskörper (13) mit dem zweiten Verbindungsmittel (14) mindestens einen Grundkörper (3) der Trägerstruktur (1) bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem - jedes erste Kugelelement (16) in direktem Kontakt zu einem anderen ersten Kugelelement (16) angeordnet wird, und - jedes zweite Kugelelement (17) in direktem Kontakt zu einem anderen zweiten Kugelelement (17) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem bei dem Verbinden der Kugelelemente (16, 17) Zwischenräume (15) zwischen den Leiterkörper (11) und/oder den Isolationskörpern (13) vollständig verfüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem vor dem Aufbringen der ersten Kugelelemente (16) eine erste Haftmittelschicht (321) auf dem Grundträger (31) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem - n Lagen von Kugelelementen (16, 17) auf dem Grundträger (31) aufgebracht werden, wobei - vor dem Aufbringen einer n-ten Lage von Kugelelementen (16, 17) eine n-te Haftmittelschicht (32n) auf die (n-1)-te Lage von Kugelelementen (16, 17) aufgebracht wird, und - n eine natürliche Zahl größer 1 ist.
Vorrichtung (100) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, umfassend - ein Fallrohr (101) und einen Kugelausgang (102), - das Fallrohr (101) einen Innendurchmesser aufweist, der höchstens 1,9 mal so groß ist wie einem Durchmesser der ersten und/oder zweiten Kugelelemente (16, 17), und - einen Zuführmechanismus (110) zum Zuführen eines Kugelelements (16, 17) von dem Fallrohr (101) zu dem Kugelausgang (102).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, bei der der Zuführmechanismus (110) ein Blockierelement (120) zwischen dem Fallrohr (101) und dem Kugelausgang (102) aufweist, wobei das Blockierelement (120) so eingerichtet ist, dass es - in einem ersten Zustand das Fallrohr (101) zumindest teilweise verschließt, sodass kein Kugelelement (16, 17) von dem Fallrohr (101) zu dem Kugelausgang (102) geführt werden kann, und - in einem zweiten Zustand ein Inneres des Fallrohrs (101) frei von dem Blockierelement (120) ist, sodass ein Kugelelement (16, 17) durch das Fallrohr (101) zu dem Kugelausgang (102) geführt werden kann.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei das Blockierelement (120) - ein drehbar gelagerte Lochscheibe, - einen Bimetallstreifen (122) mit einem Heizelement (123) , - ein Piezoelement mit einer Spannungsquelle, oder - ein Ausdehnungselement mit einem Heizelement umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, bei der zwischen dem Fallrohr (101) und dem Kugelausgang (102) ein Zwischenstück (103) angeordnet ist, wobei - eine Haupterstreckungsrichtung des Zwischenstücks (103) quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des Fallrohrs (101) ist, - an einem ersten Ende (104) des Zwischenstücks (103) ein Impulsgeber (130) angeordnet ist, - an einem dem ersten Ende (104) gegenüberliegenden zweiten Ende (105) des Zwischenstücks (103) der Kugelausgang (102) angeordnet ist, - an eine Mittelöffnung (106) zwischen dem ersten Ende (104) und dem zweiten Ende (105) des Zwischenstücks (103) das Fallrohr (101) angeordnet ist, - die Vorrichtung (100) dazu eingerichtet ist, dass das Fallrohr (101) dem Zwischenstück (103) durch die Mittelöffnung (106) ein Kugelelement (16, 17) zuführt, und - mittels dem Impulsgeber (130) das Kugelelement (16, 17) sich zum Kugelausgang befördern lässt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, bei der - der Impulsgeber (130) einen Flüssigkeitsbehälter (131) mit einer flexiblen Membran (132) und ein Heizelement (133) umfasst, wobei - die Membran (132) am ersten Ende (104) des Zwischenstücks (103) angeordnet ist, und - der Impulsgeber (130) dazu eingerichtet ist, durch Erwärmen einer Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter (131) über die Membran (132) einen Impuls auf ein Kugelelement (16) im Zwischenstück (103) zu übertragen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, bei der - der Impulsgeber (130) einen Flüssigkeitsbehälter (131) mit einer Düse (135), ein erstes Heizelement (133) und ein zweites Heizelement (134) umfasst, - die Düse (135) am ersten Ende (104) des Zwischenstücks (103) angeordnet ist, - das erste Heizelement (133) dazu eingerichtet ist, einen Flüssigkeitstropfen (136) durch die Düse (135) in das Zwischenstück (103) zu leiten, und - das zweite Heizelement (134) dazu eingerichtet ist, den Flüssigkeitstropfen (136) zu verdampfen und eine entstehende Gasblase (137) auszudehnen.
Druckkopf (200) mit einer Vielzahl von Vorrichtungen (100) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei Kugelausgänge (102) der Vorrichtungen (100) an den Knotenpunkten eines regemäßigen Gitters angeordnet sind.