DE60034806T2

DE60034806T2 - Biegsame leiterplatte und methode zur herstellung einer biegsamen leiterplatte

Info

Publication number: DE60034806T2
Application number: DE60034806T
Authority: DE
Inventors: David J. Oak Lawn ANDERSON; Tomasz L. Glenview KLOSOWIAK
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: EP1224847A1; US6292370B1; ATE362305T1; EP1224847B1; DE60034806D1; EP1224847A4; WO2001026433A1; ES2284512T3

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen flexible Schaltungen und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine flexible bzw. biegsame Leiterplatte und ein Verfahren zur Herstellung einer biegsamen Leiterplatte.
Hintergrund der Erfindung
Elektronische Schaltungen funktionieren als Folge der Zusammenschaltung und Wechselwirkung zahlreicher elektronischer Bauteile. Üblicherweise sind die unterschiedlichen elektronischen Bauteile unter Verwendung einer Leiterplatte zusammengeschaltet.
Das Verfahren starrer Platinen ist sehr gut bekannt. Gemäß einem vorher festgelegten Muster werden auf einem Substrat bzw. Trägermaterial Leiterbahnen gebildet. An bestimmten Stellen auf der Leiterplatte werden leitfähige Kontaktstellen gebildet, die eine Verbindung mit den Leiterbahnen herstellen. Die leitfähigen Kontaktstellen legen Stellen auf der Leiterplatte fest, mit denen elektronische Bauteile, beispielsweise durch Löten, elektrisch verbunden werden. Wenn alle notwendigen elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte befestigt sind, stellen die Leiterbahnen eine Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen her, so dass die Leiterplatte in der Lage ist, eine oder mehrere der Funktionen, für die sie ausgelegt ist, zu erfüllen.
Ein Werkstoff, der bei der Herstellung von Leiterplatten gut bekannt ist, ist eine Art von Epoxidglas, das als FR4 bekannt ist. Eine übliche Leiterplatte wird zahlreiche laminierte Schichten aus Epoxidglas aufweisen, um ein relativ starres und strukturell stabiles Substrat bereitzustellen, auf welchem die Leiterbahnen und leitfähigen Kontaktstellen gebildet sowie die elektronischen Bauteile befestigt werden können.
Bei einigen Schaltungsanwendungen ist es notwendig, dass die Leiterplatte biegsam ist. Bei einigen Anwendungen von biegsamen Leiterplatten kann sich ein Teil der Leiterplatte während des normalen Betriebs der Vorrichtung, zu der sie gehört, biegen. In manchen Anwendungen sind beispielsweise mechanische Komponenten, an denen die Schaltungen befestigt sind, notwendig, um sich während des normalen Betriebs relativ zueinander bewegen zu können. Wenn zahlreiche gegenseitige Verbindungen zwischen den Schaltungselementen, die mit den jeweiligen mechanischen Komponenten verbunden sind, notwendig sind, ist eine Drahtverbindung unter Umständen nicht geeignet. Dementsprechend kann vorteilhafterweise eine biegsame Leiterplatte mit den gegenseitigen Verbindungen, die als Leiterbahnen auf der biegsamen Leiterplatte gebildet sind, verwendet werden.
Der FR4-Werkstoff ist zur Verwendung in biegsamen Leiterplatten nicht geeignet. Wie zuvor beschrieben, ist der FR4-Werkstoff üblicherweise ein Aufbau aus zahlreichen Schichten (beispielsweise zwischen ungefähr 2 bis 5 Schichten) von Glasgewebe innerhalb eines Epoxidharzes. Sobald das Epoxidharz ausgehärtet ist, sind die Schichten fest, ob nun im Einzelnen und/oder im Gesamten. Ein Ersatzwerkstoff, der erfolgreich zur Bildung von flexiblen Schaltungen verwendet wird, ist Polyimid. Polyimid ist jedoch wesentlich kostspieliger als FR4.
Eine besonders nützliche Anwendung für biegsame Leiterplatten findet sich beim dreidimensionalen (3D) "Packaging" (Packen). In einer Anwendung des 3D-Packens wird eine flache Leiterplatte ausgelegt und die Schaltungselemente werden auf der Leiterplatte in dieser flachen Form befestigt. Die flache Platte wird dann ein oder mehrere Male gefaltet, um das Packen der Schaltung innerhalb eines Gehäuses zu erleichtern und den von dem Schaltungspaket benötigten Raum zu verringern. Die Herstellung der Schaltung in einer flachen Form vereinfacht und erleichtert die Herstellung unter Verwendung einer Automatisierung. Die Fähigkeit, die Leiterplatte dann in eine kompaktere Größe zu falten, ist ein großer Vorteil für den Packungskonstrukteur, und insbesondere für den Fahrzeugelektronikpackungskonstrukteur, der sich häufig Platzeinschränkungen gegenübersieht. Für ein solches Falten ist jedoch notwendig, dass mindestens einen Teil der Leiterplatte an der Stelle, wo diese gefaltet werden soll, biegsam ist.
Im Gegensatz zu Anwendungen, bei denen sich die Leiterplatte während des normalen Betriebs wiederholt biegen muss, können biegsame Leiterplaten in Anwendungen des 3D-Packens als "statisch biegsam" betrachtet werden. Das bedeutet, dass sich die Leiterplatte nur einmal biegen muss, wenn sie hergestellt und in ihre endgültige Konfiguration gefaltet wird. Obwohl sich die Leiterplatte nur einmal biegen muss, kann es notwendig sein, eine Biegung in der Leiterplatte mit relativ kleinem Radius, beispielsweise weniger als 3 mm (120 mils) zu bilden. Diese Biegeanforderungen beschränken erneut die Konstruktion der Leiterplatte auf sehr biegsame Werkstoffe, d.h., Polyimide, da herkömmliche FR4-Werkstoffe wieder zu spröde sind, um Biegungen solch kleiner Radien zu bilden. Die Bildung von Biegungen in FR4-Werkstoffen mit einem Radius kleiner als 5 mm (200 mils) führt üblicherweise zu Rissen in der Leiterplatte, wobei es sich um einen inakzeptablen Fehler handelt.
In der Britischen Patentschrift GB 2294363 ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer gebogenen Leiterplatte aus Glasepoxid in einem Gehäuse beschrieben. In der US-Patentschrift US 56655291 ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer gebogenen Leiterplatte aus FR4 beschrieben. In beiden der zuvor erwähnten Verfahren weist die Leiterplatte Leiterbahnen auf und ist mit Bauteilen bestückt, und der Biegebereich weist eine einzelne Biegung auf.
Es wäre wünschenswert und vorteilhaft, eine biegsame Leiterplatte für die Anwendung des 3D-Packens unter Verwendung von weniger kostspieligen Werkstoffen zu bilden, wie beispielsweise FR4, ohne die damit verbundenen Beschränkungen bei der Fähigkeit zur Ausbildung von Biegungen in der Leiterplatte.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht einer elektronischen Vorrichtung in einem flachen Zustand, wobei die elektronische Vorrichtung eine biegsame Leiterplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufweist;
2 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten elektronischen Vorrichtung in einem fertig zusammengebauten Zustand;
3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 von 2;
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 3 dargestellten biegsamen Leiterplatte;
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer biegsamen Leiterplatte gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer biegsamen Leiterplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In 1, auf die nun Bezug genommen wird, umfasst eine biegsame Leiterplatte 10 ein Substrat 11 mit einem ersten Abschnitt 12, einem zweiten Abschnitt 14 und einem Biegeabschnitt 16, welcher den ersten Abschnitt 12 und den zweiten Abschnitt 14 miteinander verbindet. Der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 14 des Substrats können mehrere Schichten von FR4 sein, wohingegen der Biegeabschnitt vorzugsweise aus einer einzelnen Schicht des FR4-Werkstoffs gebildet ist, das heißt, ein einzelnes Glasgewebe, das mit Harz imprägniert ist. Der Biegeabschnitt 16 kann jedoch mehrere Schichten des FR4-Werkstoffs aufweisen, die zusammenlaminiert sind, wird aber im Allgemeinen nur eine einzelne Schicht aufweisen.
Der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 14 können innerhalb eines ersten Gehäusebauteils 18 bzw. eines zweiten Gehäusebauteils 20 befestigt sein. Der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 14 können fest verbunden, eingesetzt oder wie in 1 dargestellt durch innerhalb des ersten Gehäusebauteils 18 und des zweiten Gehäusebauteils 20 ausgebildete Nasen 19 zurückgehalten werden. Das erste Gehäusebauteil 18 und das zweite Gehäusebauteil 20 sind durch ein Verbindungsbauteil 22 miteinander verbunden, und in einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Gehäusebauteil 18, das zweite Gehäusebauteil 20 und das Verbindungsbauteil 22 ganz aus Metall, beispielsweise Aluminium, hergestellt. Das erste Gehäusebauteil 18, das zweite Gehäusebauteil 20 und das Verbindungsbauteil 22 kennen jeweils Flanschbauteile 24, 26 bzw. 28 aufweisen. In 2, auf die nun Bezug genommen wird, bilden in der fertiggestellten Konfiguration das erste Gehäusebauteil 18, das zweite Gehäusebauteil, das Verbindungsbauteil 22 und die Flansche 24–28 eine geschlossene Gehäusestruktur 30, die die biegsame Leiterplatte 10 aufweist. Die Schnittstellen 29 zwischen den Flanschen 24–28 können geschweißt oder unter Verwendung eines geeigneten Dichtungsmaterials 31 (3) abgedichtet sein.
In 1, auf die nun noch einmal Bezug genommen wird, sind eine Vielzahl von Leiterbahnen 32 und leitfähigen Kontaktstellen 34 auf dem ersten Abschnitt 12, und eine Vielzahl von Leiterbahnen 33 und leitfähigen Kontaktstellen 35 auf dem zweiten Abschnitt 14 ausgebildet. Die Leiterbahnen 32 und 33 und die leitfähigen Kontaktstellen 34 und 35 ermöglichen die Befestigung und Zusammenschaltung von elektronischen Bauteilen auf bzw. mit der Leiterplatte 10. Beispielsweise werden die elektronischen Bauteile als auf dem ersten Abschnitt 12 und dem zweiten Abschnitt 14 befestigt dargestellt. Man kann natürlich klar erkennen, dass üblicherweise zahlreiche elektronische Bauteile üblicherweise auf der Leiterplatte 10 befestigt werden.
Eine Vielzahl von Leiterbahnen 38 sind auf dem Biegeabschnitt des Substrats 11 ausgebildet. Die Leiterbahnen 38 verbinden die Leiterbahnen 22 auf dem ersten Abschnitt 12 mit den auf dem zweiten Abschnitt 14 gebildeten Leiterbahnen 33. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Leiterbahnen 32 und 33 und die Verbindungsleiterbahnen 38 vorteilhafterweise mit einer starren Lötmaske gebildet und abgedeckt werden. Das bedeutet, dass die Lötmaske eine Dehnung von weniger als 10 Prozent hat. Für frühere biegsame Schaltungen war die Verwendung einer biegsamen Lötmaske notwendig, d.h., eine Lötmaske mit einer Dehnung von bis zu 30 Prozent, um die Zugspannung zu berücksichtigen, die durch Biegen der Leiterplatte entsteht. Biegsame Lötmasken sind wesentlich kostspieliger als starre Lötmasken.
In 3 und 4, auf die nun Bezug genommen wird, wird bei Bildung der Gehäusestruktur 30 durch Biegen des ersten Gehäusebauteils 18 auf das zweite Gehäusebauteil 20 innerhalb der Gehäusestruktur 30 eine Biegung in dem Biegeabschnitt 16 des Substrats 11 gebildet. Diese ist eine freie Biegung, da der Biegeabschnitt 16 während des Biegevorgangs nicht abgestützt wird. Drei Radien 42, 44, und 46 können in dem Biegeabschnitt 16 gebildet werden, und jeder hat einen Radius R1, R2 bzw. R3. Die Radien R1, R2 und R3 sind kleiner als ungefähr 3 mm (120 mils) und können zwischen 1 mm (40 mils) und 2,5 mm (100 mils) sein. Um eine Bildung der Biegung 40 zu erreichen, ohne dass Risse in dem den Biegeabschnitt 14 und/oder die Verbindungsleiterbahnen 38 bildenden FR4-Werkstoff entstehen oder dieser auf andere Art und Weise beschädigt wird, wird der Biegeabschnitt 16 zuvor auf ungefähr 10°C über der Glasübergangstemperatur T_g des FR4-Werkstoffs erwärmt.
Für einen FR4-Werkstoff mit einer T_g von 150°C muss das Substrat 11 vor dem Biegen beispielsweise auf zwischen ungefähr 150°C und 160°C und vorzugsweise auf ungefähr 155°C erwärmt werden. Der FR4 wird beim Erwärmen biegsam genug sein, um die Bildung der Biegung 40 zu ermöglichen, ohne dabei das Substrat 11 oder die Schaltungskomponenten 36 zu beschädigen. Des Weiteren hat, wie auch zuvor erwähnt wurde, das Erwärmen des Substrats 11 den weiteren Vorteil, dass es die Verwendung einer starren Lötmaske bei der Bildung der Leiterbahnen 32 und 33 und der Verbindungsleiterbahnen 38 ermöglicht. Die T_g für starre Lötmasken ist üblicheweise geringer als die T_g für FR4. Durch Erwärmen des Substats 11 auf innerhalb ungefähr 10°C über die T_g des Substratwerkstoffs wird die starre Lötmaske biegsam genug, um ein Biegen in dem Bereich der Biegung 40 ohne die Bildung von Zugspannung, die ansonsten in der Biegung 40 beobachtet werden würde, und insbesondere innerhalb des Radius 44, der Risse oder eine Trennung der Verbindungsleiterbahnen 38 auslösen könnte, zu ermöglichen.
Das Erreichen von Radien, wie beispielsweise der Radien 42–46, innerhalb der Biegung 40 ermöglicht, dass die Leiterplatte 10 kompakter gefaltet werden kann, als ansonsten unter Verwendung von FR4 oder ähnlichen relativ brüchigen Werkstoffen errreicht werden könnte. Die Alternative ist die Verwendung von Polyimid oder ähnlichen biegsamen Werkstoffen bei einem erheblichen Kostennachteil. Die kompakt gefaltete Leiterplatte 10 ermöglicht, dass die Gehäusestruktur 30 ein kompaktes Profil hat. Das kompakte Profil der Gehäusestruktur 30 erleichtert die Installation, beispielsweise in einem Motorfahrzeug, einem Flugzeug oder einer Industrieanwendung. Des Weiteren behält die Biegung 40 im Wesentlichen ihre Form und erfährt nur ein sehr geringes Zurückspringen, wodurch wenig oder keine Spannung in den Biegeabschnitt 16 eingebracht wird. Im Gegensatz dazu neigt der Polyimid-Werkstoff dazu, nach dem Biegen in seine Form vor dem Biegen zurückzukehren.
In 5, auf die nun Bezug genommen wird, wird eine Leiterplatte 50 derart gebildet, dass sie Biegung 52 mit einem Radius R4 von ungefähr 1 mm bis 1,5 mm (40 bis 60 mils) hat. Die Biegung 52 kann frei oder mittels eines Dorns gebildet werden. Die Leiterplatte 50 umfasst ein Substrat 54, das aus einer Vielzahl von Schichten (von denen drei Schichten 56, 58 und 60 dargestellt sind) des FR4-Werkstoffs gebildet ist. Das Substrat 54 in dem Bereich der Biegung wird vorzugsweise eine einzelne Schicht des FR4-Werkstoffs sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Substrat 54 vor der Bildung der Biegung 52 auf innerhalb ungefähr 10°C über der T_g des Substratwerkstoffs erwärmt. Die Verwendung eines Dorns in Verbindung mit dem Erwärmen des Substrats 54 kann die Bildung einer Biegung 52 mit einem noch kleineren Radius ermöglichen, als durch das freie Biegen nach dem Erwärmen erreicht werden könnte.
In 6, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Verfahren 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Bilden einer biegsamen Leiterplatte in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt. In Schritt 102 wird ein Schaltungssubstrat, das aus einem relativ brüchigen Werkstoff hergestellt ist, wie das Substrat 11 oder Substrat 54, ungefähr auf die T_g des Substratwerkstoffs erwärmt. In einem automatischen Herstellungsvorgang kann vor dem Erwärmen das Schaltungssubstrat mit Leiterbahnen und leitfähigen Kontaktstellen gebildet werden, und elektrische Bauteile aufweisen, die auf den Leiterbahnen und leitfähigen Kontaktstellen befestigt und mit diesen elektrisch verbunden sind. Dies kann unter Verwendung von gut bekannten Herstellungs- und Lötverfahren erreicht werden. Der Schritt des Erwärmens kann Teil des gesamten Zusammenbauvorgangs sein und kann umfassen, dass das Schaltungssubstrat durch einen Ofen geschoben wird.
In Schritt 104 wird das Substrat für ein kurzes Zeitintervall t_h auf oder nahe der Übergangstemperatur s/g des Substratwerkstoffs gehalten. Das Zeitintervall t_h kann ungefähr 5 bis 15 Sekunden und vorzugsweise ungefähr 10 Sekunden sein. In Schritt 104 wird eine Biegung, wie beispielsweise die Biegung 40 oder die Biegung 52, in dem Substrat gebildet. Bei der Biegung des gesamten Schaltungsherstellungsvorgangs wird das Schaltungssubstrat eventuell innerhalb eines offenen Gehäuses befestigt, und das Gehäuse kann mit dem Schaltungssubstrat gebogen werden, um die fertige elektronische Vorrichtung zu bilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Biegung einen kleineren Radius als 3 mm (120 mils) haben, und kann einen Radius zwischen ungefähr 1 mm und 2,5 mm (40–100 mils) haben. Nach der Bildung der Biegung keine weitere darauffolgende Verarbeitung notwendig.

Claims

Biegsame Leiterplatte (10), gekennzeichnet durch: mindestens eine Schicht eines im Wesentlichen steifen Leitersubstrat(11)werkstoffs, wobei die mindestens eine Schicht einen ersten Abschnitt (12) und einen zweiten Abschnitt (14) sowie eine den ersten und zweiten Bereich trennenden Biegebereich (16) aufweist, wobei jeweils der erste Abschnitt (12) und der zweite Abschnitt (14) mit Leiterbahnen (32, 33) und Kontakflächen (34, 35) zum Befestigen und Verschalten von elektrischen Komponenten und zum Verbinden von zwischen dem ersten Abschnitt (12) und dem zweiten Abschnitt (14) gebildeten Leiterbahnen ausgebildet ist, wobei sich die verbindenden Leiterbahnen (38) durch den Biegebereich (16) hindurch erstrecken; und das Falten des ersten Abschnitts (12) relativ zu dem zweiten Abschnitt (14), welches erste (R1), zweite (R3) und dritte (R2) Biegungen in dem Biegebereich (16) bildet, wobei die dritte Biegung (R2) zwischen der ersten (R1) und zweiten (R3) Biegung angeordnet ist und entgegengesetzt dazu gebogen wird.
Biegsame Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (12) und der zweite Abschnitt (14) jeweils mindestens eine zusätzliche Laminierung mit dem Leitersubstratwerkstoff aufweisen.
Biegsame Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht des Substratwerkstoffs ein mit Epoxidharz imprägniertes Glasgewebe aufweist.
Verfahren (100) zur Bildung einer Leiterplatte, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen eines Substrats (11) innerhalb eines Gehäuses, wobei das Substrat (11) einen Biegebereich (16) auf weist, wobei der Biegebereich (16) mindestens eine ebene Schicht eines im Wesentlichen steifen Werkstoffs ist; Erhitzen (102) des Substrats (16); und Bilden (106) erster (R1), zweiter (R3) und dritter (R2) Biegungen in dem Substrat (11) an dem Biegebereich (16), wobei die dritte Biegung (R2) zwischen der ersten (R1) und zweiten (R3) Biegung angeordnet ist und entgegengesetzt dazu gebogen wird, wobei das Gehäuse mit dem Substrat gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, welches des Weiteren, vor dem Schritt des Bildens (106) einer Biegung, den Schritt des Anhaltens (104) für einen vorher festgelegten Anhaltezeitraum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhitzens (102) des Weiteren das Erhitzen des Substrats ungefähr auf die Glasübergangstemperatur des Substratwerkstoffs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen steife Substratwerkstoff mindestens eine Schicht eines mit Epoxidharz imprägnierten Glasgewebes aufweist.
Verfahren (100) zur Bildung einer Leiterplatte, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen eines Substrats (11), wobei das Substrat (11) einen Biegebereich (16) aufweist, wobei der Biegebereich (16) mindestens eine ebene Schicht eines im Wesentlichen steifen Werkstoffs ist; Bereitstellen einer Vielzahl von Leiterbahnen (38) und Kontaktflächen auf dem Substrat (16) unter Verwendung einer Lötmaske mit einer Dehnungseigenschaft von weniger als zehn Prozent; Erhitzen (102) des Substrats (16); und Bilden einer Biegung in dem Substrat (16) und der Lötmaske an dem Biegebereich (16).