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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen,
semiflexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen elektrischen
Schaltung mit mindestens einer ein- oder beidseitig mit Metall, insbesondere
Kupfer beschichteten oder mit Leiterbahnen versehenen flexiblen
oder semi-flexiblen Einzellage.
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Schon
seit vielen Jahrzehnten werden gedruckte elektrische Schaltungen
beispielsweise in elektrischen Geräten und in Kraftfahrzeugen
zur elektronischen Regelung und Steuerung eingesetzt. Es handelt
sich hierbei üblicherweise
um starre Leiterplatten, die einerseits diskrete Bauelemente und hochintegrierte
Bausteine elektrisch miteinander verbinden und andererseits als
Träger
derselben fungieren. Die Leiterplatten bestehen zumeist aus einer oder
mehreren Einzellagen von glasfaserverstärkten, ausgehärteten Epoxidharzplatten,
die zur Ausbildung von Leiterbahnen bzw. Leiterbildern ein- oder
beidseitig kupferkaschiert sind. Bei mehrlagigen Leiterplatten sind
die einzelnen Ebenen bzw. die auf den Einzellagen angeordneten Leiterbahnen
durch metallisierte Bohrungen in der Leiterplatte miteinander elektrisch
verbunden.
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Seit
ca. 30 Jahre werden neben rein starren Leiterplatten auch gedruckte
Schaltungen eingesetzt, die nebeneinander starre und flexible Bereiche aufweisen;
sogenannte starr-flexible Leiterplatten. Durch das Vorsehen von
flexiblen Bereichen kann eine größere Anzahl
von starren Leiterplatten in nahezu jeder gewünschten räumlichen Anordnung ohne Steckerleisten
oder Verdrahtungen mechanisch und elektrisch miteinander verbunden
werden. Darüber
hinaus bieten die flexiblen Bereiche die Möglichkeit, mehrere starre Leiterplattenbereiche
so "übereinander
zu falten", daß eine große Leiterplattenfläche und
damit auch eine Vielzahl von auf den Leiterplatten angeordneten
diskreten Bauelemente auf einem relativ kleinen Raum untergebracht
werden können. Die
flexiblen Bereiche bestehen normalerweise aus dünnen Polyimidfolien, die ebenfalls
ein- oder beidseitig kupferkaschiert sind.
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Derartige
starr-flexible Leiterplatten werden gewöhnlich aus übereinander liegenden starren
und flexiblen Einzellagen aufgebaut, die sich über die gesamte Schaltung erstrecken
und mit Hilfe eines Klebemediums miteinander verklebt und verpreßt sind (
EP 0 408 773 B1 ).
Es handelt sich hierbei um unbiegsame (z. B. glasfaserverstärktes Epoxidharz) und
biegsame Isolationsträger
(z. B. Polyimidfolie) mit ein- oder zweiseitigen Kupferkaschierungen,
in die die Leiterbahnen geätzt
werden. Die Form der starren Lagen legt den starren Teil der Leiterplatten fest.
Die flexiblen Bereiche der Leiterplatten werden dadurch hergestellt,
daß man
in diesen Bereichen ein Teilstück
der starren Lagen in mehreren Verfahrensschritten entfernt.
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Daneben
gibt es noch flexible bzw. semi-flexible elektrische Schaltungen
bzw. Leiterplatten, wobei die Begriffe "flexible" oder "semi-flexible" in Abhängigkeit von dem mit der elektrischen
Schaltung möglichen
Biegeradius und der Anzahl der zulässigen Biegebeanspruchungen
abhängt.
Flexible bzw. semi-flexible Leiterplatten bestehen aus mindestens einer
ein- oder beidseitig zumeist mit Kupfer beschichteten flexiblen
oder semi-flexiblen Einzellage. Neben einer Beschichtung mit Kupfer
ist – jedenfalls grundsätzlich – auch eine
Beschichtung mit Gold oder einem anderen leitfähigen Material möglich. Als flexible
bzw. semi-flexible Einzellage werden dabei überwiegend Polyimid-Folien
verwendet, die sich in der Praxis sehr bewährt haben und eine Standardmaterialstärke von
zumeist 25 μm
aufweisen. Daneben gibt es jedoch auch flexible Einzellagen aus
Polyester oder PEN. Diese Einzellage als Basismaterial kann dann
entweder mit Kupfer beschichtet werden oder es wird eine Kupferfolie
mittels eines Klebers auf die Einzellage auflaminiert. Schließlich wird
als Schutz auf die Kupferschicht häufig noch eine dünne Deckfolie,
die ebenfalls zumeist aus Polyimid besteht, mittels eines Klebers
auflaminiert. Anstelle einer derartigen Deckfolie können auch
siebgedruckte Lacke verwendet werden.
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Neben
den zuvor beschriebenen einlagigen flexiblen bzw. semi-flexiblen
Leiterplatten können auch
mehrlagige ein- oder beidseitig kupferkaschierte flexible bzw. semi-flexible
Leiterplatten verwendet werden, wobei dann die einzelnen Leiterbahnen
der einzelnen Lagen mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden
sind.
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Sowohl
die zuletzt beschriebenen flexiblen bzw. semi-flexiblen Leiterplatten
als auch die starr-flexiblen Leiterplatten sind seit Jahren bekannt und
werden in zunehmendem Maße
in allen Bereichen der Elektrotechnik bzw. Elektronik verwendet. Ihr
wesentlicher Vorteil besteht in der erreichbaren Miniaturisierung,
wobei die flexiblen bzw. starr-flexiblen Leiterplatten nahezu optimal
an die konstruktiven Gegebenheiten und Gehäuseformen angepaßt werden
können,
so daß ein äußerst platzsparender
Einbau bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung möglich ist.
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Zur
elektrischen Verbindung der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen
Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Steckern werden
die elektrischen Schaltungen mit Bohrungen versehen, in die korrespondierende
Kontaktpins oder Lötpins
des externen Steckers eingesteckt und eingelötet werden können. Eine
derartige Verbindung einer Leiterplatte mit einem Kontaktpin eines
Anschlußsteckers
ist beispielsweise in der
DE
196 09 425 A1 beschrieben. Daneben besteht die Möglichkeit,
die Enden der einzelnen Leiterbahnen mit Lötflächen zu versehen, auf denen
dann die korrespondierenden Kontaktpins des externen Schaltungskreises oder
eines externen Anschlußsteckers
aufgelötet werden
können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten
der elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Leiterbahnen der
elektrischen Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen
Anschlußsteckern
zu erweitern.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Herstellung
einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder mehrlagigen
elektrischen Schaltung dadurch erreicht, daß zunächst zumindest in einem Randbereich
der elektrischen Schaltung im wesentlichen parallel zueinander angeordnete
Freiräume
erzeugt werden und daß anschließend die
Freiräume
bzw. die Ränder
der Freiräume
metallisiert werden, wobei die zwischen den Freiräumen angeordneten
Bereiche im fertigen Zustand der elektrischen Schaltung als Kontaktpins zum
elektrisch leitenden Verbinden der einzelnen Leiterbahnen der elektrischen
Schaltung mit externen Schaltungskreisen oder mit externen Anschlußsteckern
dienen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird somit eine flexible oder starr-flexible elektrische Schaltung zur Verfügung gestellt,
die ihrerseits bereits mit Kontaktpins versehen ist, wobei die Kontaktpins
als direkte Fortführung
der einzelnen Leiterbahnen ausgebildet sind, so daß kein unerwünschter Übergangswiderstand
zwischen den einzelnen Leiterbahnen und den Kontaktpins auftritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit die Verwendung einer flexiblen elektrischen Schaltung nicht nur
im Zusammenhang mit einem, entsprechende Kontaktpins aufweisenden
externen Anschlußstecker,
sondern es können
durch die unmittelbare Ausbildung der Kontaktpins an der elektrischen
Schaltung eine Vielzahl weiterer Kontaktierungsmöglichkeiten mit externen Schaltkreisen
oder externen Steckern verwendet werden. Die Kontaktpins der flexiblen,
semi-flexiblen oder starr-flexiblen elektrischen Schaltung können mit
allen bekannten Löt-, Schweiß- oder
Klebeverfahren maschinell verarbeitet bzw. kontaktiert werden. Eine
arbeitsaufwendige und unter Umständen
einen schlechten elektrischen Übergangswiderstand
aufweisende Verbindung von separaten Kontaktpins mit den einzelnen
Leiterbahnen der elektrischen Schaltung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht erforderlich.
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Dadurch,
daß darüber hinaus
erfindungsgemäß die Freiräume bzw.
die Ränder
der Freiräume metallisiert
werden, ergibt sich sowohl eine höhere mechanische Stabilität als auch
eine verbesserte Löteigenschaft
der späteren
Kontaktpins. Durch das Metallisieren der Freiräume wird nämlich erreicht, daß nicht
nur die Oberseite und die Unterseite der Kontaktpins – die eine
Fortführung
der Leiterbahnen darstellen – sondern
auch die seitlichen Ränder
der Kontaktpins mit Metall, insbesondere mit Kupfer überzogen
sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Freiräume durch
Bohren, Stanzen oder Lasern erzeugt, wobei die Freiräume vorzugsweise
als Langlöcher
ausgebildet sind. Werden die Freiräume als Langlöcher ausgebildet,
so hat dies den Vorteil, daß die
Freiräume
zunächst
noch auf allen Seiten von Material der elektrischen Schaltung umgeben
sind, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der
Kontaktpins verringert wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in einem weiteren Schritt die Kontur der elektrischen Schaltung
bearbeitet. Die Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung erfolgt
da bei insbesondere durch Stanzen oder Lasern, wobei bei der Konturbearbeitung
zunächst
die endgültige
Form der elektrischen Schaltung, die in der Regel in einer Vielzahl
innerhalb eines Nutzen mit geringem Abstand voneinander angeordnet
sind, hergestellt wird. Darüber
hinaus können
bei der Konturbearbeitung der elektrischen Schaltung eventuell vorhandene
metallische Verbindung zwischen den Kontaktpins durchtrennt oder
entfernt werden, wodurch unerwünschte
elektrische Verbindungen und Kurzschlüsse zwischen den einzelnen
Leiterbahnen verhindert werden.
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Das
erfindungsgemäße, zuvor
beschriebene Verfahren, das sowohl zur Herstellung von flexiblen, oder
semi-flexiblen als auch von starr-flexiblen elektrischen Schaltungen
verwendet werden kann, eignet sich darüber hinaus auch zur Herstellung
von mehrlagigen flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen elektrischen
Schaltungen. Soll beispielsweise eine mehrlagige starr-flexible
elektrische Schaltung hergestellt werden, so können mit dem Verfahren die
flexiblen Innenlagen der starr-flexible Schaltung gefertigt werden.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer flexiblen, semi-flexiblen oder starr-flexiblen ein- oder
mehrlagigen elektrischen Schaltung auszugestalten und weiterzubilden.
Hierzu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten
Patentansprüche,
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Darstellung
eines Teils einer flexiblen elektrischen Schaltung nach dem ersten
Verfahrensschritt,
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2 eine schematische Darstellung
eines Teils einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten flexiblen elektrischen Schaltung und
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3 eine Darstellung eines
Ausführungsbeispiels
einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten flexiblen elektrischen Schaltung.
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Die
Figuren zeigen eine einlagige flexible elektrische Schaltung 1,
die aus einer flexiblen Einzellage 2, die aus Polyimid,
Polyester oder einem anderen handelsüblichen flexiblen Basismaterial
besteht, wobei auf die flexible Einzellage 2 beidseitig eine
dünne Kupferschicht 3 aufgetragen
ist. Die Kupferschicht 3 kann dabei entweder direkt auf
die flexible Einzellage 2 aufgebracht oder mittels einer
Klebeschicht auf die flexible Einzellage 2 auflaminiert
sein. Auf die Kupferschicht 3 kann dann – was hier
jedoch nicht dargestellt ist – noch
eine dünne
Deckfolie aufgeklebt oder per Siebdruck aufgebracht sein.
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Mittels
der üblichen Ätzverfahren
werden auf der flexiblen Schaltung 1 mehrere Leiterbahnen 4 bzw.
mehrere zwischen den Leiterbahnen 4 angeordnete Leiterbildzwischenräume 5 ausgebildet
und somit das gewünschte
Leiterbild erzeugt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß in Verlängerung
der Leiterbildzwischenräume 5 Freiräume 6 in
Form von Langlöchern
durch Bohren, Stanzen oder Lasern hergestellt werden. Zwischen den
Freiräumen 6 ergeben
sich dadurch die späteren
Kontaktpins 7, die eine direkte Fortführung der Leiterbahnen 4 darstellen,
so daß es
zwischen den Leiterbahnen 4 und den Kontaktpins 7 keine
unerwünschten Übergangswiderstände gibt.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist,
sind nach dem ersten Verfahrensschritt, d. h. nach dem Herstellen der
Freiräume 6 die
späteren
Kontaktpins 7 auf der einen Seite – gewollt – unmittelbar mit den Leiterbahnen 7 und
auf der anderen Seite zunächst
noch untereinander über
einen Quersteg 8 miteinander verbunden. Dieser Quersteg 8,
wird in einem weiteren Verfahrensschritt bei der Konturbearbeitung
der flexiblen Schaltung 1 entfernt, so daß eine flexible Schaltung 1 mit
voneinander getrennten Kontaktpins 7 gemäß 2 entsteht.
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In 2 ist darüber hinaus noch erkennbar, daß durch
das Metallisieren der Freiräume 6 die
Kontaktpins 7 nicht nur auf ihrer Oberseite 9 und
ihrer Unterseite 10, die die Fortführung der Leiterbahnen 4 darstellen,
mit der Kupferschicht 3 bedeckt sind, sondern auch die
seitlichen Ränder 11, 12 der
Kontaktpins 7 metallisiert sind. Durch das Metallisieren
der Freiräume 6 und
das sich dadurch ergebene Metallisieren der seitlichen Ränder 11, 12 der
Kontaktpins 7 wird die mechanische Stabilität der Kontaktpins 7 erhöht. Darüber hinaus
ergibt sich dadurch, daß die Kontaktpins 7 über ihren
gesamten Umfang metallisiert sind, eine deutlich verbesserte Löteigenschaft der
Kontaktpins 7.
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Zum
einen ergibt sich dadurch beim einseitigen Erwärmen der Kontaktpins 7,
beispielsweise der Oberseite 9, eine schnellere Erwärmung auch
der gegenüberliegenden
Seite, d. h. der Unterseite 10, des Kontaktpins 7,
wodurch das Auflöten
der Kontaktpins 7 auf eine entsprechende Kontaktfläche verbessert wird.
Darüber
hinaus ergibt sich durch das vollumfängliche Metallisieren der Kontaktpins 7 beim
Auflöten
der Kontaktpins 7 auf eine Kontaktfläche ein für den elektrischen Kontakt
vorteilhafter sogenannter "Lötmeniskus" entlang der seitlichen
Ränder 11, 12 der
Kontaktpins 7.
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Insbesondere
in 2 ist darüber hinaus
ersichtlich, daß bei
der Konturbearbeitung der flexiblen Schaltung 1 nicht nur
der Quersteg 8 sondern darüber hinaus auch eine eventuell
vorhandene metallische Verbindung zwischen benachbarten Kontaktpins 7 dadurch
entfernt werden kann, daß im
randnahen Bereich 13 ein kleines Stück der flexiblen Einzellage 2 bzw.
der Leiterbildzwischenräume 5 entfernt wird.
Sofern sich somit aufgrund der Metallisierung der Zwischenräume 6 an
der Stirnfläche
des randnahen Bereichs 13 auch nach dem ätztechnischen
Entfernen der Leiterbildzwischenräume 5 noch dünne metallische
Verbindungen zwischen benachbarten Kontaktpins 7 befinden
sollten, so können
diese durch eine entsprechende Ausgestaltung der für die Konturbearbeitung
verwendeten Stanzwerkzeuge zuverlässig entfernt werden.
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Schließlich zeigt
die 3 ein Ausführungsbeispiel
einer flexiblen elektrischen Schaltung 1, bei der auf der
einen Seite durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Mehrzahl
von Kontaktpins 7 hergestellt worden sind, während auf
der anderen, gegenüberliegenden
Seite der flexiblen Schaltung 1 zur Verbindung der einzelnen
Leiterbahnen 4 mit einem externen Anschlußstecker
eine entsprechende Anzahl an Bohrungen 14 ausgebildet ist.
Bei der in 3 dargestellten
flexiblen Schaltung 1 kann die elektrisch leitende Verbindung
der einzelnen Leiterbahnen 4 somit auf der einen Seite
durch Einlöten der
Kontaktpins 7 in entsprechende Bohrungen in einer starren
Leiterplatte erfolgen, während
auf der anderen Seite in die Bohrungen 14 korrespondierende Kontaktpins
eines externen Anschlußsteckers
eingelötet
werden können.