DE19952246A1

DE19952246A1 - Elektromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE19952246A1
Application number: DE19952246A
Authority: DE
Inventors: Hans-Otto Haller; Volker Strubel
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2000-05-31
Also published as: EP1133902A2; ES2198989T3; CN1172564C; JP2002529919A; KR100592420B1; AU2659800A; US6572954B1; EP1133902B1; DE59905583D1; WO2000027171A3; WO2000027171A2; CN1323504A; KR20010080206A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bauteil, das in der Art einer Sandwichstruktur aufgebaut ist. Im Inneren der Struktur ist eine Tragschicht aus aufgeschäumtem Kunststoff angeordnet. Diese Tragschicht liegt zwischen Deckschichten, die massiv ausgebildet sind. Sämtliche Schichten sind aus schwer entflammbarem Kunststoffmaterial z. B. LCP oder PEI-Kunststoff hergestellt, so daß keine flammhemmenden Zusatzstoffe erforderlich sind. Das Bauteil kann als Platte ausgebildet sein, aber auch eine kompliziertere räumliche Struktur aufweisen und gegebenenfalls mit mechanischen Funktionselementen versehen sein. DOLLAR A Gemäß einer Abwandlung der Erfindung kann die Tragschicht des Bauteils auch aus Silikon hergestellt sein. DOLLAR A Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Bauteils gewährleistet eine einfache Wiederverwertbarkeit am Ende der Lebensdauer eines Produktes.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bauteil insbesondere ein Bauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In der elektrotechnischen Industrie werden für zahlreiche Anwendungen Leiterplatten verwendet, die zum einen für die mechanische Halterung von elektronischen Komponenten sorgen und zum anderen gleichzeitig elektrische Verbindungen zwischen diesen Komponenten herstellen. Herkömmliche Leiterplatten sind häufig aus wärmegehärteten Materialien, wie z. B. Phenolharzpapier oder mit Glasfasern verstärkten Epoxydharz hergestellt. Diese Materialien sind als solche brennbar, was aus Sicherheitsgründen nicht akzeptabel ist. Daher werden diesen Materialien flammhemmende Chemikalien zugesetzt, wie z. B. Brom- oder organische Phosphorverbindungen, die im Zusammenwirken mit anderen anorganischen Substanzen, wie z. B. Antimontrioxyd als Synergist, die Entflammbarkeit der herkömmlichen Leiterplatten vermindern.

Die flammhemmenden Zusatzstoffe in den Leiterplatten bereiten jedoch erhebliche Schwierigkeiten bei der Wieder verwertung der Leiterplatten. Insbesondere die wärme härtenden Materialien können nicht recycled werden und müssen daher in Deponien endgelagert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, diese Materialien zu verbrennen, wobei erhebliche Anstrengungen nötig sind, um toxische Emissionen zu vermeiden, die von den flammhemmenden Chemikalien herrühren. Aus diesen Gründen sind die Kosten für die Beseitigung am Ende der Lebensdauer eines Produktes, das herkömmliche Leiterplatten enthält, relativ hoch. Mit Blick auf den allgemeinen Trend zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise ist es daher wünschenswert, Bauteile für elektrotechnische Anwendungen bereit zustellen, die am Ende der Lebensdauer eines Produktes mit wirtschaftlich vertretbaren Aufwand wiedergewinnbar sind.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung ein Bauteil für elektrotechnische Anwendungen zu schaffen, das die eingangs beschriebenen Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil nach Anspruch 1 gelöst. Das Bauteil weist eine Tragschicht auf, wobei wenigstens die obere Seite der Tragschicht von einer Deckschicht bedeckt ist. Sowohl die Deckschicht als auch die Tragschicht sind aus einem schwer brennbaren Kunststoffmaterial hergestellt. Die Deckschicht und die Tragschicht sind fest miteinander verbunden und verleihen dem Bauteil eine für die jeweilige Anwendung ausreichende mechanische Stabilität. Weiterhin trägt die Deckschicht elektrisch leitendes Material mittels dessen - gegebenen falls nach einem weiteren Strukturierungsprozeß - elektrische Verbindungen zwischen elektronischen Komponenten herstellbar sind.

Der besondere Vorteil dieses Bauteils besteht darin, daß die flammhemmenden Eigenschaften ohne Zusatzstoffe erzielt werden, die am Ende der Lebensdauer eines Produktes Schwierigkeiten bei der Wiederverwertung bereiten.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Deckschicht mehrlagig aus mehreren geschichteten Folien aufgebaut sein. Dieser Aufbau ist dann besonders vorteilhaft, wenn zwei oder mehr dieser Folien eine Leiterbahnstruktur tragen, wobei jede Ebene einer Leiterbahnstruktur von einer benachbarten Ebene räumlich durch eine elektrisch isolierende Folie beabstandet ist. Zwischen den Ebenen können im Bedarfsfall auch elektrische Verbindungen hergestellt werden.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektrisch leitende Material als Schicht ausgebildet, welche die Deckschicht vollständig bedeckt. Beispielsweise kann diese Schicht aus einer dünnen Lage Kupfer bestehen, die in einem Ätzverfahren in Leiterbahnen strukturiert wird. Alternativ dazu können die Leiterbahnen auch in einem Heißprägeverfahren oder in einem selektiv chemisch galvanischen Verfahren hergestellt sein.

Es ist aber auch möglich, die Leiterbahnen aus einem fließfähigen Material in einem Druckverfahren hergestellt sind, insbesondere durch ein Siebdrückverfahren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Deckschicht aus LCP-Kunststoffmaterial ("Liquid Crystal Plastic") oder Polyetherimid (PEI) hergestellt ist. Diese Materialien sind intrinsisch flammhemmend und einfach wiederzuverwerten.

Zweckmäßigerweise kann die Tragschicht aus geschäumten Kunststoffmaterial hergestellt sein. Das hat den Vorteil, daß das Bauteil als Ganzes leichter ist, wobei gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität erzielt wird. Darüber hinaus führt das Aufschäumen des Kunststoffes zu einer Materialersparnis, so daß die Kosten für das Bauteil vergleichbar sind mit den Kosten eines Teils, das aus herkömmlichen Material herstellt ist. Es ist aber auch möglich, die Tragschicht aus Silikon herzustellen, das eine besonders kostengünstige Fertigung erlaubt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Deckschicht biegsam ausgebildet ist, so daß das Bauteil z. B. bei der Montage in ein elektrisches Gerät verformbar ist. Die zur Montage von elektrischen Bauelementen erforderliche mechanische Stabilität kann dadurch erreicht werden, daß die flexible Deckschicht in den zur Aufnahme von Bauteilen bestimmten Bereichen mit einer Tragschicht verstärkt ist, während in den Bereichen, die flexibel bleiben sollen, die starre Tragschicht fehlt.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Bauteil flach in Gestalt einer Leiterplatte ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, daß das Bauteil eine dreidimensionale Struktur aufweist und mit mechanischen Funktionselementen versehen ist. Diese mechanischen Funktionselemente können beispielsweise dazu dienen, schwere elektronische Komponenten, wie z. B. Kondensatoren oder Transformatoren, auf dem Bauteil zu haltern, ohne daß zusätzliche Befestigungselemente nötig sind. Weiterhin kann das Bauteil so ausgebildet sein, daß es zumindest bereichsweise den Zweck eines isolierenden Gehäuses für ein elektrisches Gerät erfüllt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, wonach das erfindungsgemäße Bauteil in besonders günstiger Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 18 gelöst.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei für gleiche oder einander entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein als flache Platte ausgebildetes Bauteil nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Bauteil, das eine kompliziertere räumliche Gestalt aufweist,

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteiles, das mit mechanischen Funktionselementen versehen ist,

Fig. 4a ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils, das sowohl starre als auch flexible Bereiche aufweist und

Fig. 4b einen Ausschnitt aus Fig. 4a.

In Fig. 1 ist ein als ebene Platte ausgebildetes erfindungsgemäßes Bauteil 1 im Querschnitt dargestellt. Im Inneren des Bauteils 1 ist eine Tragschicht 2 angeordnet, die aus geschäumten LCP-Kunststoffmaterial hergestellt ist. Die geschäumte Tragschicht 2 enthält Gasblasen 3, so daß der Bedarf an relativ teurem LCP-Kunststoffmaterial erheblich reduziert ist, was sich günstig auf die Herstellungskosten und das Gewicht des Bauteiles 1 auswirkt. Mit der Tragschicht 2 ist eine obere Deckschicht 4 und eine untere Deckschicht 5 stoffschlüssig verbunden, die jeweils eine obere Kupferschicht 7 bzw. untere Kupferschicht 8 tragen. Die Kupferschichten sind ganzflächig ausgebildet, so daß diese z. B. durch photochemische Ätzverfahren für den jeweiligen Anwendungsfall unter Ausbildung von Leiterbahnen strukturierbar sind.

Es ist offensichtlich, daß das Bauteil auf der oberen Deckschicht 4 oder auf der unteren Deckschicht 5 oder auf beiden Deckschichten Leiterbahnen aufweisen kann. Demzufolge ist es auch möglich, das Bauteil 1 mit nur einer einzigen Kupferschicht herzustellen. Die mechanische Stabilität eines erfindungsgemäßen Bauteiles 1 entspricht ungefähr der von herkömmlichen Leiterplatten. Damit das Bauteil 1 z. B. herkömmliches FR4-Leiterplattenmaterial ersetzen kann, muß eine vorbestimmte Dicke eingehalten werden. Darüber hinaus sind jedoch durch geeignete Wahl der Abmessungen der, Deckschicht(en) sowie der Tragschicht die mechanischen Eigenschaften des Bauteils an den jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar. Es ist auch möglich, nur eine einzige Deckschicht 4 bzw. 5 vorzusehen.

Alternativ dazu ist es auch möglich, die Kupfer schichten 7 und 8 in einem Heißprägeverfahren zu strukturieren. Weiterhin können die Leiterbahnstrukturen durch ein Siebdruckverfahren bspw. mit Silberleitpaste auf die Deckschicht aufzudruckt werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, Leiterbahnen in einem selektiven chemisch galvanischen Verfahren abzuscheiden. Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Weiterhin ist es möglich, das Bauteil 1 nicht nur plattenförmig zu gestalten, sondern diesem auch eine kompliziertere räumliche Struktur zu verleihen, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bauteil mit einer dreidimensionalen Struktur. Auf der oberen Deckschicht 4 sind bereits Leiterbahnen 9 strukturiert. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, daß das erfindungsgemäße Bauteil eine Sandwich-Struktur aufweist.

Derartige Bauteile können an eine bestimmte Geräteform angepaßt sein und bereits mechanische Funktionselemente aufweisen. Diese Funktionselemente dienen z. B. zur Halterung von großen und schweren elektronischen Komponenten und übernehmen gleichzeitig die Funktion eines Gehäuses für das elektrische Gerät.

In Fig. 3 ist als Beispiel für ein solches Bauteil 1 ein Telefonhörer 11 für ein mobiles Telefon gezeigt. Ein mobiles Telefon benötigt relativ viel Elektronik im Hörer, die zum einen verschaltet und zum anderen mechanisch gehaltert werden muß. Bauteile, die diesen Zweck erfüllen, werden auch als MID-Bauteile ("Molded interconnect devices") bezeichnet. Bei dem dargestellten Telefonhörer 11 sind z. B. Halteclips 12 vorgesehen, um einen Akkumulator 13 sicher zu haltern. Weiterhin sind Versteifungsrippen 14 vorhanden, um dem Telefonhörer 11 eine ausreichende mechanische Stabilität zu verleihen. Darüber hinaus ist die Außenseite 16 des Telefonhörers 11 so gestaltet, daß ein für den Benutzer optisch und haptisch ansprechendes Äußeres erzielt wird. Es wird betont, daß alle diese Funktionen von einem einzigen Bauteil gleichzeitig erfüllt werden. Zur Veranschaulichung ist bei dem Bezugszeichen A die räumliche Lage des in Fig. 2 dargestellten Ausschnittes angedeutet.

Schließlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Bauteil so auszubilden, daß es beispielsweise zur Montage in einem Gerät gebogen werden kann. Fig. 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Bauteiles, das zwischen zwei starren Bereichen 16a und 16b einen flexiblen Bereich 17 aufweist. Die starren Bereiche sind geeignet um beispielsweise elektronische Bauelemente zu haltern. Die elektronischen Bauelemente 18 können in herkömmlicher Weise aufgelötet oder aufgeklebt sein. Aber es ist auch möglich, daß Chips mit elektronischen Schaltungen direkt auf dem Bauteil 1 gebondet werden, wie es beispielsweise aus der Chip-On-Board-Technologie bekannt ist. Zwischen den elektronischen Bauteilen 18 stellen Leiterbahnen 9 elektrische Verbindungen her.

In Fig. 4b ist ein mit dem Bezugszeichen B bezeichneter Ausschnitt aus Fig. 4a gezeigt. In diesem Ausschnitt ist dargestellt, wie der Übergang zwischen dem starren Bereich 16a und dem flexiblen Bereich 17b entsteht. In dem starren Bereich 16a ist die Deckschicht 4 durch die Tragschicht 2 verstärkt, während in dem flexiblen Bereich keine Tragschicht 2 vorhanden ist. Die Deckschicht 4 ist flexibel, so daß das Bauteil 1 z. B. beim Einbau in ein Gerät entlang des Bereiches 17 gebogen werden kann. Die Tragschicht 2 ist auf der den Leiterbahnen 9 gegenüberliegenden Seite mit einer unteren Deckschicht 5 versehen, die jedoch auch weggelassen sein kann.

Bei dem in Fig. 4b dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Deckschicht 4 aus übereinander geschichteten Folien 18 hergestellt, die jeweils Leiterbahnen 9 tragen, so daß auch mehrlagige Leiterplatten herstellbar sind. Abhängig davon ob sich die Tragschicht 2 über die gesamte Fläche der Deckschicht 4 erstreckt, ist es somit möglich sowohl starre als auch starr-flexible Bauteile mit mehreren Leiterebenen herzustellen.

Das in soweit beschriebene Bauteil wird folgendermaßen hergestellt:
Das Kunststoffmaterial wird in einem Spritz- Gußverfahren in eine Form gespritzt und in der Form expandiert, d. h. aufgeschäumt. Durch das Einhalten besonderer Temperaturbedingungen an der Gußformoberfläche kollabiert das aufgeschäumte Material in einem an die Gußform angrenzenden Bereich, wobei sich die Deckschichten 4 und 5 ausbilden, die keine Gasblasen 3 enthalten. Nach diesem Verfahren sind sowohl plattenförmige Bauteile als auch MID-Bauteile herstellbar. Abhängig von den Abmessungen der Gießform ist es mit diesem Verfahren auch möglich, die in den Fig. 4a und 4b gezeigte starr-flexible Leiterplatte herzustellen. Hierbei wird die Gußform so gewählt, daß in den Bereichen, die flexibel sein sollen, die Schichtdicke so gering gewählt ist, daß beim Spritzgießen eine LCP-Schicht ohne Gasblasen 3 entsteht, wohingegen in den starren Bereichen 16a und 16b das LCP-Material, wie oben beschrieben aufgeschäumt wird. Die dünne LCP-Schicht bildet den flexiblen Bereich 17 des Bauteils.

Es ist aber auch möglich, die Deckschicht 4 mit aufgeschäumten LCP-Material als Tragschicht 2 zu hinterkleben, um die starren Bereiche 17a und 17b herzustellen. Die nicht hinterklebten Bereiche der Deckschicht 4 bleiben dann flexibel.

Neben dem erwähnten LCP-Kunststoffmaterial können auch andere Hochtemperaturthermoplaste verwendet werden, die intrinsisch flammhemmend sind, z. B. Polyetherimid (PEI) Die vorgeschlagenen Kunststoffmaterialien sind intrinsisch flammhemmend nach der Norm UL94VO.

Ein besonderer Vorteil der auf diese Weise her gestellten Bauteile ist, daß sie aus einem einzigen sorten reinen Kunststoffmaterial bestehen und keine flammhemmenden Zusatzstoffe benötigen, so daß die Wiederverwertung dieser Bauteile in besonders einfacher Weise möglich ist.

Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Tragschicht 2 des Bauteils 1 aus Silikon hergestellt. Silikon ist ebenso wie die oben erwähnten Kunststoffmaterialien intrinsisch flammhemmend, so daß flammhemmende Zusatzstoffe vermeidbar sind. Um eine ausreichende mechanische Stabilität des Bauteiles zu erzielen ist es jedoch notwendig, daß die Deckschichten weiterhin aus einem Hochtemperatur-Thermoplast-Kunststoff bestehen. Damit ist das Bauteil zwar nicht, mehr aus einem einzigen sortenreinem Kunststoffmaterial hergestellt, aber wegen der günstigen Materialkosten für Silikon kann sich insgesamt betrachtet bei bestimmten Anwendungsfällen ein Kostenvorteil gegenüber aufgeschäumten Bauteilen aus sortenreinem Kunststoff ergeben.

Das Bauteil mit einer Tragschicht 2 aus Silikon wird in der Weise hergestellt, daß auf eine untere Deckfolie eine ausreichende Silikonmenge mittels Siebdruck aufgetragen wird. Darüber wird eine zweite Deckfolie gelegt, wobei während des Aushärtens der Silikonschicht die beiden Deckfolien auf einem konstanten Abstand gehalten sind. Die Deckfolien bilden die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Deckschichten 4, 5 und können bei diesem Verfahren bereits ein- oder zweiseitig mit einer Kupferschicht bedeckt sein.

Alle Ausführungsformen der Erfindung haben den Vorteil, daß sie herkömmliches Leiterplattenmaterial ersetzen können, ohne daß hierfür erprobte Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren geändert werden müssen. Für die Bauteile mit einer Tragschicht aus Silikon gilt das auch für die Durchkontaktierung von der einen Seite des Bauteils zur anderen mit Standardplattierungsverfahren oder dem Auftrag von Silberleitpaste. Bei den Bauteilen mit einer aufgeschäumten Tragschicht ist diesbezüglich einschränkend zu bemerken, daß die Gasblasen 3 in der Tragschicht 2 nur so groß sein dürfen, daß noch eine sichere Verbindung durch ein Durchkontaktierungsloch herstellbar ist.

Claims

1. Elektromechanisches Bauteil, das mindestens eine Tragschicht mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei wenigstens eine dieser Seiten von einer Deckschicht bedeckt ist, die mit der Tragschicht fest verbunden ist und die elektrisch leitendes Material trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4, 5) und die Tragschicht (2) aus einem schwer brennbaren Kunststoffmaterial hergestellt sind.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4, 5) mehrlagig aus mehreren geschichteten Folien (18) aufgebaut ist.

3. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Folien (18) elektrisch leitendes Material tragen, wobei die Folien (18) so angeordnet sind, daß das elektrisch leitende Material in mehreren Ebenen angeordnet ist, wobei die Folien als elektrischer Isolator zwischen dem elektrisch leitenden Material liegen.

4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material als Schicht (7, 8) auf der Deckschicht (4, 5) ausgebildet ist.

5. Bauteil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material in Gestalt von Leiterbahnen (9) strukturiert ist.

6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (9) aus einem fließfähigen Material in einem Druckverfahren hergestellt sind.

7. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (9) in einem Heißprägeverfahren hergestellt sind.

8. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (9) in einem selektiv chemisch galvanischen Verfahren hergestellt sind.

9. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schwer brennbarer Kunststoff LCP-Kunststoffmaterial oder Polyetherimid (PEI) verwendet ist.

10. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (2) aus geschäumten Kunststoffmaterial hergestellt ist.

11. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (2) aus Silikon hergestellt ist.

12. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4, 5) mit der Tragschicht (2) stoffschlüssig verbunden ist.

13. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Deckschicht (4) biegsam ausgebildet ist.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Tragschicht (2) kleiner ist als die

Fläche der einen Deckschicht (4).

15. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil sowohl eine obere Deckschicht (4) als auch eine untere Deckschicht (5) aufweist.

16. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in Gestalt einer Leiterplatte flach ausgebildet ist.

17. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine dreidimensionale Struktur aufweist und mit mechanischen Funktionselementen (12, 14) versehen ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei zunächst Kunststoff material in eine Gußform eingespritzt wird und anschließend das Kunststoffmaterial in der Gußform in der Weise expandiert wird, daß ein aufgeschäumtes Kunststoffmaterial entsteht und ein Bauteil bildet, bei dem das aufgeschäumte Material bis zu einer bestimmten Tiefe unter der Oberfläche des Bauteils kollabiert, so daß dieser Bereich des Bauteils keine Gasblasen enthält.