WO2007009639A1 - Verfahren zur herstellung einer dreidimensionalen schaltung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional circuit having at least two superimposed substrate layers comprising printed conductors and / or circuit elements.
  • DE-A-100 57 665 also describes an integrated circuit with at least two transistors arranged in a stack, using, for example, a film as a substrate.
  • the invention is based on the object to further reduce the manufacturing and assembly costs of a three-dimensional circuit. According to the invention, this object is solved by the features of claim 1.
  • the inventive method for producing a three-dimensional circuit having at least two superimposed, flexibly formed substrate layers comprising printed conductors and / or circuit elements made of electrically functional materials is characterized by the combination of the following method steps:
  • Circuit elements around the folding or bending edge so that the at least two substrate layers are arranged one above the other.
  • the functional materials used are preferably polymer materials which are printed on the flexible substrate layers. This results in a particularly simple and inexpensive production.
  • an electrically insulating layer can be arranged between the substrate layers, which can optionally consist of a solid substrate, in particular of the material sheet from which the substrate layers are made, or of a liquid or gaseous applied material.
  • the substrate layers can be brought into electrical contact with one another via electrical contact connections between the conductor tracks and / or circuit elements.
  • the production of electrical contact connections between the conductor tracks and / or circuit elements can be effected by printing of electrically functional materials. This can be realized for two adjacent substrate layers, for example, by contacting directly opposite points by means of a press contact, a recess (for example by perforation) being provided in an intermediate layer in the region of these two contact points (see FIG. 4). Furthermore, an electrically conductive connection can also be made via the folding or bending edge (see FIG. 5). Finally, a necessary
  • connection through a substrate layer also be realized by that by means of a perforating device, a perforation is provided in the substrate at the locations at which a through-connection is to take place (FIGS. 6a, b).
  • a perforation is provided in the substrate at the locations at which a through-connection is to take place (FIGS. 6a, b).
  • Fig. 1 is a three-dimensional circuit with contiguous
  • Fig. 2 is a three-dimensional circuit with contiguous
  • FIG. 3 shows a three-dimensional circuit in which the substrate layers and insulating layers are connected
  • Fig. 4 is a three-dimensional circuit with contiguous
  • Fig. 7 is a schematic representation of the manufacturing process.
  • the three-dimensional circuit shown schematically in FIG. 1 consists of three superimposed substrate layers 1, 2, 3, the substrate layers comprising conductor tracks and / or circuit elements 4.
  • the printed conductors and / or circuit elements are printed from electronic functional materials, in particular based on polymers, on the flexibly formed substrate layers.
  • electrical and electronic components such as transistors, diodes, resistors, capacitors, etc. can be produced, which are integrally connected by directly applied to the substrate interconnects.
  • the individual substrate layers consist for example of films.
  • the substrate layers are made of a continuous material sheet, wherein the substrate layers are separated by a folding or bending edge 5 in the material sheet and the material sheet is folded after applying the conductor tracks and / or circuit elements 4 to the folding or bending edge such that the two Substrate layers are arranged one above the other.
  • a particularly cost-effective production results when the electrical functional materials are applied by printing on the flexible substrate layers.
  • high, low or planographic printing processes are used.
  • the individual substrate layers 1, 2, 3 are firmly joined together, wherein the solid compound can be prepared for example by adhesive, by a lamination step, a perforation, by partial fusion of the substrate layers or in any other way.
  • inline is to be understood in this context as meaning that it is a continuous flow production.
  • the thickness of the substrate layers is typically in the range of 10 to 100 microns and is therefore more favorable than if links can be realized only in one plane.
  • all known methods such as. the funnel fold, Schwertfalz or pocket fold into consideration, in particular both longitudinal and transverse folds can be provided.
  • an insulating layer is provided between the individual layers, which can be realized either by an additional substrate or film layer (see FIGS. 2 and 3) or by an additionally applied, insulating material layer (FIG. 4).
  • the three substrate layers 1, 2, 3 are formed from a coherent material sheet and the two electrically insulating layers 6 as individual separated layers, while in FIG. 2,
  • the substrate layers 1, 2, 3 and the electrically insulating layers 6 are made of a continuous material sheet, the individual layers are separated by folding or bending edges 5.
  • the individual layers of the circuit must be permanently connected to each other, so that a gluing or laminating each layer with the adjacent layer is necessary.
  • This function can be summarized with the insulation, either a film layer is introduced as insulating laminating film (reference numeral 6 in Figures 2 and 3) or an adhesive layer 9 is applied with insulating properties as an intermediate layer, as shown in Fig. 4.
  • a three-dimensional circuit is only possible if the individual substrate layers contained in the circuit stack can be electrically connected to each other. This can be realized for two adjacent substrate layers, for example, by contacting directly opposite points 7, 8 by a press contact, wherein in the region of these two
  • an electrically conductive connection via the folding or bending edge 5 can be carried out (see FIG. 5).
  • the applied conductive material 11, 12 must be sufficiently elastic so that it survives the folding without breaking.
  • a perforation 13 of the substrate can also be provided by means of a perforating device 14 at the locations where through-plating is to take place (FIGS. 6a, b).
  • a contact can thereby be produced (FIG. 6c).
  • the hole size of the perforation and the surface tension of the functional materials applied on both sides are coordinated so that optimum wetting of the hole cross-section can take place.
  • a plurality of perforations are provided at a conductive transition to a to achieve sufficient conductivity.
  • Perforiervorraumen 14 for example, mechanical perforators can be used.
  • the perforations can also be fired by laser beam in the substrate layer.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a production process according to the invention is shown in FIG.
  • the material sheet 15 is unwound in the first step of a storage roll 16 and first perforated by means of a perforating device 14. Thereafter, a one-sided or two-sided printing of the substrate web can take place in a printing unit 17, whereby optionally necessary drying processes can also take place here. Furthermore, a structured, insulating adhesive layer is also applied there, provided that the intermediate layer is not formed by a part of the material sheet or separate layers. Subsequently, one or more folding processes take place in a folding unit 18, so that a corresponding three-dimensional circuit 19 has arisen at the end. The cutting process for separating the three-dimensional circuits thus takes place only after the
  • substrate webs 20 can be introduced into the folding process, so that the three-dimensional circuit 19 is formed from different merged webs.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden, flexibel ausgebildeten Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien umfassen. Das Verfahren weist eine Kombination folgender Verfahrensschritte auf: a. Verwenden eines zusammenhängenden Materialbogens für die wenigstens zwei Substratlagen, b. Drucken der elektrischen Funktionsmaterialien auf die Substratlagen, c. Vorsehen wenigstens einer Falz- oder Biegekante im Materialbogen, um die wenigstens zwei Substratlagen voneinander abzugrenzen, wobei der Falzvorgang inline mit dem Druckvorgang durchgeführt wird, d. Falten des Materialbogens nach dem Aufdrucken der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente um die Falz- oder Biegekante, so dass die wenigstens zwei Substratlagen übereinander angeordnet sind.

Description

Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente umfassen.
Aus der DE-A-100 11 595 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine flexible, bedruckte Schaltung mittels eines Leitklebstoffs mit der Schaltung eines Schaltungsträgers verbunden ist. Gegenüber den früher üblichen Lötverbindungen ergeben sich bei dieser Schaltungsanordnung geringe Herstellungs- und
Montagekosten.
In der DE-A-100 57 665 wird ferner eine integrierte Schaltung mit zumindest zwei Transistoren beschrieben, die gestapelt angeordnet ist, wobei ein beispielsweise eine Folie als Substrat verwendet wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Herstellungs- und Montagekosten einer dreidimensionalen Schaltung weiter zu verringern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden, flexibel ausgebildeten Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien umfassen, ist durch die Kombination folgender Verfahrensschritte gekennzeichnet:
a. Verwenden eines zusammenhängenden Materialbogens für die wenigstens zwei Substratlagen (1, 2, 3),
b. Drucken der elektrischen Funktionsmaterialien auf die Substratlagen (1, 2, 3), c. Vorsehen wenigstens einer Falz- oder Biegekante (5) im Materialbogen, um die wenigstens zwei Substratlagen voneinander abzugrenzen, wobei der Falzvorgang inline mit dem Druckvorgang durchgeführt wird,
d. Falten des Materialbogens nach dem Aufdrucken der Leiterbahnen und/oder
Schaltungselemente um die Falz- oder Biegekante, so dass die wenigstens zwei Substratlagen übereinander angeordnet sind.
Als Funktionsmaterialien werden vorzugsweise Polymermaterialien verwendet, die auf die flexiblen Substratlagen aufgedruckt werden. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung.
Je nach Anwendung kann zwischen den Substratlagen jeweils eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet werden, die wahlweise aus einem festen Substrat, insbesondere aus dem Materialbogen, aus dem auch die Substratlagen gefertigt sind, oder aus einem flüssig oder gasförmig aufgetragenen Stoff bestehen kann.
Weiterhin können die Substratlagen über elektrische Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen miteinander in elektrischen Kontakt gebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Herstellung von elektrischen Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen durch Drucken von elektrischen Funktionsmaterialien erfolgen. Dies kann für zwei benachbarte Substratlagen beispielsweise dadurch realisiert werden, dass direkt gegenüberliegende Stellen durch einen Presskontakt kontaktiert werden, wobei im Bereich dieser beiden Kontaktstellen eine Aussparung (beispielsweise durch Perforation) in einer Zwischenschicht vorgesehen ist (siehe Fig. 4). Weiterhin kann auch eine elektrisch leitende Verbindung über die Falz- bzw. Biegekante ausgeführt werden (siehe Fig. 5). Schließlich kann eine notwendige
Verbindung durch eine Substratlage hindurch auch dadurch realisiert werden, dass mit Hilfe einer Perforiervorrichtung eine Perforation im Substrat an den Stellen vorgesehen wird, an denen eine Durchkontaktierung erfolgen soll (Fig. 6a, b). Durch anschließendes, gegebenenfalls mehrfaches Überdrucken der Perforation von beiden Seiten der Substratlage kann dadurch ein Kontakt erzeugt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.
m der Zeichnung
Fig. 1 eine dreidimensionale Schaltung mit zusammenhängenden
Substratlagen,
Fig. 2 eine dreidimensionale Schaltung mit zusammenhängenden
Substratlagen und separaten isolierenden Schichten,
Fig. 3 eine dreidimensionale Schaltung, bei der die Substratlagen und isolierenden Schichten zusammenhängen,
Fig. 4 eine dreidimensionale Schaltung mit zusammenhängenden
Substratlagen mit einer isolierenden Klebeschicht
Fig. 5 eine dreidimensionale Schaltung mit einer elektrisch leitenden Verbindung über die Falz- oder Biegekante,
Fig. 6a-6c schematische Darstellung der Herstellung einer Kontaktierung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Herstellungsvorganges. Die in Fig. 1 schematisch dargestellte dreidimensionale Schaltung besteht aus drei übereinander liegenden Substratlagen 1, 2, 3 wobei die Substratlagen Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente 4 umfassen. Die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente werden aus elektronischen Funktionsmaterialien, insbesondere auf der Basis von Polymeren, auf die flexibel ausgebildeten Substratlagen aufgedruckt. Dabei können beispielsweise elektrische und elektronische Bauteile wie Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, etc. hergestellt werden, die durch direkt auf den Substrat angelegte Leiterbahnen integriert verbunden werden. Die einzelnen Substratlagen bestehen beispielsweise aus Folien.
Die Substratlagen werden aus einem zusammenhängenden Materialbogen gefertigt, wobei die Substratlagen durch eine Falz- oder Biegekante 5 im Materialbogen voneinander getrennt sind und der Materialbogen nach dem Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente 4 um die Falz- oder Biegekante derart gefaltet wird, dass die beiden Substratlagen übereinander angeordnet sind.
Eine besonders kostengünstige Herstellung ergibt sich dann, wenn die elektrischen Funktionsmaterialien durch Druckverfahren auf die flexiblen Substratlagen aufgebracht werden. Dabei kommen insbesondere Hoch-, Tief oder Flachdruckverfahren zur Anwendung.
Die einzelnen Substratlagen 1, 2, 3 werden fest miteinander verbunden, wobei die feste Verbindung beispielsweise durch Klebstoff, durch einen Laminierschritt, einen Perforiervorgang, durch partielles Verschmelzen der Substratlagen oder in sonstiger Weise hergestellt werden kann.
Sowohl für das Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente als auch für den Falzvorgang wir vorzugsweise auf die klassische Druckereitechnik und die in diesem Zusammenhang bekannten Falzprozessen zurückgegriffen. Der Falzprozess erfolgt inline mit dem Druckvorgang der elektronischen Schaltungselemente. Diese Art des Falzens hat den Vorteil, dass die gedruckten Strukturen in ihrer räumlichen Zuordnung auf dem Substrat mit dem Druckvorgang exakt definiert und festgelegt sind und nach dem Falzen präzise aufeinander gelegt können. Damit ist es denkbar, mehrere hundert Lagen exakt aufeinander zulegen.
Der Begriff „inline" ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass es sich hierbei um eine kontinuierliche Fließfertigung handelt.
Der Leitungsabstand zwischen zwei vertikal verknüpften elektronischen Bauteilen, wie etwa zwei übereinander liegenden Transistoren, ist damit sehr gering und im
Wesentlichen durch die Dicke der Substratlagen definiert. Die Dicke liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 100 μm und ist damit günstiger, als wenn nur in einer Ebene Verknüpfungen realisiert werden können. Als Falzverfahren kommen alle bekannten Verfahren wie z.B. der Trichterfalz, Schwertfalz oder Taschenfalz in Betracht, insbesondere können sowohl Längs- wie auch Querfalze vorgesehen werden.
Zwischen den einzelnen Lagen ist in der Regel eine isolierende Schicht vorgesehen, die entweder durch eine zusätzliche Substrat- bzw. Folienlage (siehe Fig. 2 und 3) oder durch eine zusätzlich aufgetragene, isolierende Materialschicht (Fig. 4) realisiert werden kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die drei Substratlagen 1, 2, 3 aus einem zusammenhängenden Materialbogen und die beiden elektrisch isolierenden Schichten 6 als einzelne separierte Lagen ausgebildet, während im
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Substratlagen 1, 2, 3 und die elektrisch isolierenden Schichten 6 aus einem zusammenhängenden Materialbogen gefertigt sind, wobei die einzelnen Schichten durch Falz- bzw. Biegekanten 5 voneinander getrennt sind. Die einzelnen Lagen der Schaltung müssen dauerhaft miteinander verbunden sein, so dass ein Verkleben oder Kaschieren jeder Lage mit der benachbarten Lage notwendig ist. Diese Funktion kann mit der Isolierung zusammengefasst werden, wobei entweder eine Folienschicht als isolierende Kaschierfolie eingebracht wird (Bezugszeichen 6 in den Figuren 2 und 3) oder eine Klebstoffschicht 9 mit isolierenden Eigenschaften als Zwischenschicht aufgetragen wird, wie das in Fig. 4 dargestellt wird.
Eine dreidimensionale Schaltung ist jedoch nur möglich, wenn die im Schaltungsstapel enthaltenen einzelnen Substratlagen elektrisch miteinander verbunden werden können. Dies kann für zwei benachbarte Substratlagen beispielsweise dadurch realisiert werden, dass direkt gegenüberliegende Stellen 7, 8 durch einen Presskontakt kontaktiert werden, wobei im Bereich dieser beiden
Kontaktstellen 7, 8 eine Aussparung 10 in der isolierenden Kleberschicht 9 vorgesehen ist (siehe Fig. 4).
Weiterhin kann auch eine elektrisch leitende Verbindung über die Falz- bzw. Biegekante 5 ausgeführt werden (siehe Fig. 5). Dabei muss das aufgetragene leitfähige Material 11, 12 ausreichend elastisch sein, damit es den Falzvorgang ohne Brüche übersteht.
Um die für den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau notwendige Verbindung durch eine Substratlage hindurch zu realisieren, kann auch mit Hilfe einer Perforiervorrichtung 14 ein Perforation 13 des Substrats an den Stellen vorgesehen werden, an denen eine Durchkontaktierung erfolgen soll (Fig. 6a, b). Durch anschließendes, gegebenenfalls mehrfaches Überdrucken der Perforation 13 von beiden Seiten der Substratlage kann dadurch ein Kontakt erzeugt werden (Fig. 6c). Die Lochgröße der Perforation sowie die Oberflächenspannung der auf beiden Seiten aufgetragenen Funktionsmaterialien sind so aufeinander abgestimmt, dass eine optimale Benetzung des Lochquerschnitts stattfinden kann. Gegebenenfalls sind an einem leitenden Übergang mehrere Perforierungen vorzusehen, um eine ausreichende Leitfähigkeit zu erreichen. Als Perforiervorrichtungen 14 sind beispielsweise mechanische Perforierwerke nutzbar. Weiterhin können die Perforierungen auch mittels Laserstrahl in die Substratlage gebrannt werden.
Ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Herstellungsprozess ist in Fig.
7 dargestellt. Der Materialbogen 15 wird im ersten Schritt von einer Speicherrolle 16 abgewickelt und zunächst mit Hilfe einer Perforiervorrichtung 14 perforiert. Danach kann ein einseitiges oder beidseitiges Bedrucken des Substratbahn in einem Druckwerk 17 erfolgen, wobei hier auch gegebenenfalls notwendige Trocknungsprozesse stattfinden können. Weiterhin wird dort auch eine strukturierte, isolierende Klebstoffschicht aufgetragen, sofern die Zwischenschicht nicht durch einen Teil des Materialbogens oder separate Schichten gebildet wird. Anschließend erfolgen in einem Falzwerk 18 ein oder mehrere Falzprozesse, so dass am Ende eine entsprechende dreidimensionale Schaltung 19 entstanden ist. Der Schnittvorgang zum Vereinzeln der dreidimensionalen Schaltungen erfolgt somit erst nach dem
Falzprozess, so dass der Falzprozess inline mit dem Druckprozess erfolgt.
Sinnvollerweise werden die einzelnen Substratlagen miteinander verklebt, wobei der Klebstoff im Druckprozess oder während des Falzprozesses aufgetragen wird und gegebenenfalls sogar gleichzeitig elektrische Funktionen, insbesondere als Isolator, übernehmen kann. Gegebenenfalls können auch weitere, beispielsweise mit elektronischen Funktionsbauteilen versehene Substratbahnen 20 in den Falzprozess eingeführt werden, so dass die dreidimensionale Schaltung 19 aus verschiedenen zusammengelegten Bahnen entsteht.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden, flexibel ausgebildeten Substratlagen (1, 2, 3), die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente (4) aus elektrischen
Funktionsmaterialien umfassen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
a. Verwenden eines zusammenhängenden Materialbogens für die wenigstens zwei Substratlagen (1, 2, 3),
b. Drucken der elektrischen Funktionsmaterialien auf die Substratlagen (1, 2, 3),
d. Vorsehen wenigstens einer Falz- oder Biegekante (5) im Materialbogen, um die wenigstens zwei Substratlagen voneinander abzugrenzen, wobei der
Falzvorgang inline mit dem Druckvorgang durchgeführt wird,
e. Falten des Materialbogens nach dem Aufdrucken der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente um die Falz- oder Biegekante, so dass die wenigstens zwei Substratlagen übereinander angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Substratlagen (1, 2, 3) eine elektrisch isolierende Schicht (6) angeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrisch isolierende Schicht (6) ein festes Substrat, insbesondere der Materialbogen aus dem auch die Substratlagen gefertigt sind, verwendet wird.
4. Verfahren Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Substratlagen (1, 2, 3) eine elektrisch isolierende Schicht (9) aus einem flüssig oder gasförmigen Stoff aufgetragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratlagen (1, 2, 3) über elektrische Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen miteinander in elektrischem Kontakt gebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung von elektrischen Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen durch Drucken von elektrische Funktionsmaterialien erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von elektrischen Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen verschiedener Substratlagen Perforationen in ein oder mehreren Substratlagen erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialbogen für einen Vielzahl von dreidimensionalen Schaltungen vorgesehen ist.
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