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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Fertigung elektrischer Schaltungen und insbesondere eine Fertigung elektrischer Schaltungen auf Leiterplatten.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar.
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Leiterplatten (printed circuit boards - PCBs) werden verwendet, um elektronische Komponenten unter Verwendung von Leiterbahnen oder Elementen, die zwischen Schichten eines nicht leitfähigen Substrats laminiert sind, zu tragen und zu verbinden. Herkömmliche Verfahren zur Fertigung von PCBs beinhalten Verlöten der elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel von Prozessoren, Dioden und Widerständen, zur elektrischen und mechanischen Verbindung. Diese Verfahren können zeitaufwändig sein und zu PCBs führen, die das Gewicht in Anwendungen, wie etwa Kraftfahrzeugen, erhöhen.
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Leichtbau in Kraftfahrzeugen hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, während die Menge an Elektronik, die in Kraftfahrzeuge integriert wird, mit dem Vorstoß zu autonomen und „intelligenten“ Fahrzeugen ebenfalls zunimmt. Eine zunehmende Anzahl an Sensoren und Elektronik findet ihren Weg in Kraftfahrzeuge, während Leichtbau nach wie vor ein wichtiger Aspekt der Konstruktion ist. Dementsprechend stehen Konstrukteure von Kraftfahrzeugen vor der Herausforderung, mehr elektronische Komponenten zu integrieren, während ein leichtes Fahrzeug beibehalten wird.
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Diese Probleme im Zusammenhang mit der Integration elektronischer Komponenten in Kraftfahrzeugen werden neben anderen Problemen im Zusammenhang mit der Fertigung elektronischer Komponenten durch die vorliegende Offenbarung angegangen.
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KURZDARSTELLUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
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In einer Form ist ein Verfahren zur Fertigung einer Elektronikbaugruppe bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses.
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In Variationen dieses Verfahrens, die einzeln oder in einer beliebigen Kombination eingesetzt werden können, gilt Folgendes: die Basisschicht ist ein wärmeleitendes Material; die Schutzschicht ist ein elektrisch nicht leitendes Material; die Schutzschicht ist wärmeleitend; die Elektronikkomponente wird durch einen Roboter auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht platziert; die Elektronikkomponente umfasst eine LED und das Verfahren umfasst ferner Bilden einer optischen Schicht benachbart zu der LED unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; jeder der additiven Fertigungsprozesse ist gleich; jeder der additiven Fertigungsprozesse umfasst Materialstrahlen oder Materialextrusion; und jede der Schichten umfasst ein Polymermaterial.
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In einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung ist eine Elektronikbaugruppe bereitgestellt, die durch einen Prozess gebildet wird, der Folgendes umfasst: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses.
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In Variationen dieser Elektronikbaugruppe, die einzeln oder in einer beliebigen Kombination eingesetzt werden können, umfasst die Elektronikkomponente eine Leiterplatte und zumindest zwei leitfähige Anschlussflächen, die an der Leiterplatte befestigt sind, wobei jede der leitfähigen Anschlussflächen eine obere Fläche und eine untere Fläche umfasst, wobei sich die Vielzahl von Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte erstreckt, um die oberen Flächen mit den unteren Flächen zu verbinden. In einer weiteren Form umfasst jede leitfähige Anschlussfläche eine Vergoldung, wobei sich die Vergoldung entlang Innenflächen der Durchkontaktierungen, entlang der oberen Flächen und entlang der unteren Flächen erstreckt. Die Elektronikkomponente kann eine LED, die an den leitfähigen Anschlussflächen befestigt ist, und eine optische Linse beinhalten, die benachbart zu der LED angeordnet ist. In einer weiteren Variation wird die Elektronikkomponente vor dem Bilden der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Stützunterlage platziert. In noch weiteren Variationen umfasst die zweite wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht zumindest einen Durchbruch, um einen Zugriff auf die Elektronikkomponente bereitzustellen, werden die leitfähigen Anschlussflächen unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses gebildet und ist jeder der additiven Fertigungsprozesse gleich, wobei es sich um Materialstrahlen oder Materialextrusion handeln kann.
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In noch einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zur Fertigung einer Elektronikbaugruppe Folgendes: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses. In einer Variation dieses Verfahrens umfasst der additive Fertigungsprozess Materialstrahlen oder Materialextrusion.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der in dieser Schrift bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und konkrete Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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Figurenliste
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Für ein umfassendes Verständnis der Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene beispielhafte Formen davon beschrieben, wobei Folgendes gilt:
- 1 ist eine Querschnittsansicht durch eine Elektronikbaugruppe, die gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
- 2A ist eine Draufsicht auf eine LED, die an einer Leiterplatte montiert und gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
- 2B ist eine Querschnittsansicht entlang Linie 2B-2B aus 2A; und
- 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Fertigungsverfahren gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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Die in dieser Schrift beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und soll die vorliegende(n) Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass über alle Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Unter Bezugnahme auf 1, 2A und 2B ist eine Elektronikbaugruppe veranschaulicht und im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 20 angegeben. Die Elektronikbaugruppe umfasst eine Basisschicht 22, eine erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht 24, eine zweite wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht 26, eine Schutzschicht 28 und eine Elektronikkomponente 30, die eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (oder Öffnungen/Durchbrüchen) 32 umfasst, die innerhalb der Schichten angeordnet sind.
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Die Elektronikkomponente 30 ist in einer Form eine Leiterplatte (printed circuit board - PCB) 34 und beinhaltet ferner eine darauf montierte LED 36. In einer Variation ist eine optische Schicht 38 (die in einer Form eine optische Linse sein kann) benachbart zu der LED 36 angeordnet. Die Basisschicht 22 ist in einer Form ein wärmeleitendes Material und in einer anderen Form ist die Schutzschicht 28 ein elektrisch nicht leitendes Material. Die Schutzschicht 28 kann auch ein wärmeleitendes Material sein. Ferner sind die verschiedenen Schichten, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, im Allgemeinen ein Polymermaterial.
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Leitfähige Anschlussflächen 40 sind an der PCB 34 befestigt, wobei jede der leitfähigen Anschlussflächen 40 eine obere Fläche 42 und eine untere Fläche 44 umfasst, wobei sich die Vielzahl von Durchkontaktierungen 32 durch die PCB 34 erstreckt, um die oberen Flächen 42 mit den unteren Flächen 44 zu verbinden. Dementsprechend beinhalten die Durchkontaktierungen 32 auch leitende Innenflächen 46. In einer Variation umfasst jede leitfähige Anschlussfläche 40 eine Vergoldung (nicht gezeigt), wobei sich die Vergoldung zur erhöhten elektrischen Leitfähigkeit entlang Innenflächen 46 der Durchkontaktierungen 32, entlang der oberen Flächen 42 und entlang der unteren Flächen 44 erstreckt. Es versteht sich jedoch, dass die Vergoldung optional ist und ausgeschlossen werden kann, um die Kosten der Elektronikbaugruppe 20 zu reduzieren.
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Wie ferner gezeigt, ist die LED 36 an den leitfähigen Anschlussflächen 40 befestigt. 14. Außerdem umfasst die Basisschicht 22 eine Stützunterlage 50 und ist die Elektronikkomponente 30, die in dieser Form die PCB 34 ist, auf der Stützunterlage 50 angeordnet. In dieser veranschaulichten Form umfasst die zweite wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht 26 zumindest einen Durchbruch 52, um einen Zugriff auf die Elektronikkomponente 30 sowie die LED 36 bereitzustellen.
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Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Fertigung der Elektronikbaugruppe 20 unter Verwendung von Prozessen der additiven Fertigung (additive manufacturing processes - AM-Prozessen) bereit, das ein robusteres und leichteres Paket für eine Vielfalt von Anwendungen bereitstellt, einschließlich beispielsweise Kraftfahrzeugen.
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Insbesondere und unter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das Verfahren zur Fertigung der Elektronikbaugruppe 20 im Allgemeinen Bilden der Basisschicht 22 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, Bilden der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 24 auf der Basisschicht 22 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, Platzieren der Elektronikkomponente 30 auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 24 und Bilden der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 26 über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 24 und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente 30 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses. Wie vorangehend veranschaulicht, erstreckt sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 26 durch die Durchkontaktierungen 32, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht 24 und die Durchkontaktierungen 32 zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird. Als Nächstes wird die Schutzschicht 28 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 26 gebildet.
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In einer Form wird die Elektronikkomponente 30 durch einen Roboter (nicht gezeigt) auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht 24 platziert. Und in einer weiteren Form wird die optische Schicht 38 unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses benachbart zu der LED 36 gebildet. Die leitfähigen Anschlussflächen 40 können ebenfalls unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses gebildet werden.
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Jeder der additiven Fertigungsprozesse für jede Schicht kann gleich sein, wie zum Beispiel Materialstrahlen. Alternativ kann Materialextrusion neben einer Vielfalt von anderen AM-Prozessen für alle Schichten eingesetzt werden. In einer weiteren Form werden unterschiedliche AM-Prozesse für unterschiedliche Schichten verwendet.
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Sofern in dieser Schrift nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind alle numerischen Werte, die mechanische/thermische Eigenschaften, Prozentanteile von Zusammensetzungen, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Eigenschaften angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ modifiziert sind, wenn sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, einschließlich industrieller Praxis, Material, Fertigung und Montagetoleranzen sowie Prüffähigkeit.
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Im hierin verwendeten Sinne sollte der Ausdruck zumindest eines von A, B und C dahingehend ausgelegt werden, dass er ein logisches (A ODER B ODER C) bedeutet, wobei ein nicht ausschließendes logisches ODER verwendet wird, und er sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass er „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C“ bedeutet.
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Die Beschreibung der Offenbarung ist rein beispielhafter Natur und somit ist beabsichtigt, dass Variationen, die nicht vom Wesentlichen der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen sollen. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Offenbarung zu betrachten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Fertigung einer Elektronikbaugruppe Folgendes: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Basisschicht ein wärmeleitendes Material.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Schutzschicht ein elektrisch nicht leitendes Material.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Schutzschicht wärmeleitend.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Elektronikkomponente durch einen Roboter auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht platziert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektronikkomponente eine LED und umfasst das Verfahren ferner Bilden einer optischen Schicht benachbart zu der LED unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jeder der additiven Fertigungsprozesse gleich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst jeder der additiven Fertigungsprozesse Materialstrahlen oder Materialextrusion.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst jede der Schichten ein Polymermaterial.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Elektronikbaugruppe bereitgestellt, die durch einen Prozess gebildet ist, der Folgendes aufweist: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektronikkomponente Folgendes: eine Leiterplatte; und zumindest zwei leitfähige Anschlussflächen, die an der Leiterplatte befestigt sind, wobei jede der leitfähigen Anschlussflächen eine obere Fläche und eine untere Fläche umfasst, wobei sich die Vielzahl von Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte erstreckt, um die oberen Flächen mit den unteren Flächen zu verbinden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst jede leitfähige Anschlussfläche eine Vergoldung, wobei sich die Vergoldung entlang Innenflächen der Durchkontaktierungen, entlang der oberen Flächen und entlang der unteren Flächen erstreckt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Elektronikkomponente eine LED, die an den leitfähigen Anschlussflächen befestigt ist, und eine optische Linse, die benachbart zu der LED angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Basisschicht eine Stützunterlage und wird die Elektronikkomponente vor dem Bilden der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Stützunterlage platziert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht zumindest einen Durchbruch, um einen Zugriff auf die Elektronikkomponente bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die leitfähigen Anschlussflächen unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jeder der additiven Fertigungsprozesse gleich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst jeder der additiven Fertigungsprozesse Materialstrahlen oder Materialextrusion.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Fertigung einer Elektronikbaugruppe Folgendes: Bilden einer Basisschicht unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses; Bilden einer ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht auf der Basisschicht unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses; Platzieren einer Elektronikkomponente auf der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht, wobei die Elektronikkomponente eine Vielzahl von Durchkontaktierungen umfasst; Bilden einer zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht über der ersten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht und über zumindest einem Abschnitt der Elektronikkomponente unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses, wobei sich ein Material der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht durch die Durchkontaktierungen erstreckt, um die erste wärme- und elektrisch leitende Zwischenschicht und die Durchkontaktierungen zu berühren, wodurch eine Bindung dazwischen gebildet wird; und Bilden einer Schutzschicht über zumindest einem Abschnitt der zweiten wärme- und elektrisch leitenden Zwischenschicht unter Verwendung des additiven Fertigungsprozesses.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der additive Fertigungsprozess Materialstrahlen oder Materialextrusion.
