WO2022161579A1

WO2022161579A1 - Verfahren zur herstellung eines schaltungsträgers für elektronische und/oder mechatronische bauelemente und schaltungsträger

Info

Publication number: WO2022161579A1
Application number: PCT/DE2022/100051
Authority: WO
Inventors: Friedrich PROES
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Priority date: 2021-01-30
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-08-04
Also published as: DE102021102175A1; EP4285695A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (1) für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, einen Schaltungsträger für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente und eine Schaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (1) für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, umfassend die Schritte Herstellen eines Grundkörpers (2) mit einem additiven Fertigungsverfahren, wobei der Grundkörper (2) ein Kunststoffmaterial (8) mit Metallpartikeln (10) aufweist oder aus diesem besteht, Beaufschlagen einer Grundkörperoberfläche (3) des Grundkörpers (2) mit einem das Kunststoffmaterial (8) lösenden Glättungsmittel, sodass die Grundkörperoberfläche (3) im Wesentlichen frei von Metallpartikeln (10) ist, und Erzeugen mindestens einer Leiterbahn (12, 18) auf der Grundkörperoberfläche (3).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente und Schaltungsträger

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, einen Schaltungsträger für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente und eine Schaltung.

Schaltungsträger, insbesondere dreidimensionale Schaltungsträger, sind grundsätzlich bekannt und werden auch als Molded Interconnect Devices (SDMI D) bezeichnet. Solche Schaltungsträger werden in der Regel im Spritzgussverfahren hergestellt. Für die Herstellung mit dem Spritzgussverfahren wird ein Werkzeug mit einer Kavität bereitgestellt, die im Wesentlichen ein Negativ des dreidimensionalen Schaltungsträgers ist. Das Spritzgussverfahren zeichnet sich durch kostenintensive Betriebsmittel, insbesondere durch das Werkzeug, und hohe Betriebskosten für die Spritzgussmaschinen aus. Daher ist das Spritzgussverfahren üblicherweise erst ab Stückzahlen größer 10.000 Stück, regelmäßig erst ab Stückzahlen größer 50.000 Stück, wirtschaftlich anwendbar. Nachdem das Spritzgusswerkzeug hergestellt wurde, sind Designänderungen am Schaltungsträger lediglich bedingt oder nicht möglich, da hierfür zeit- und kostenintensive Änderungen am Spritzgusswerkzeug oder an der Spritzgusskassette erforderlich sind.

Infolgedessen ist die Produktentwicklung neuer Schaltungsträger zeitintensiv, da die Herstellung von Prototypen nicht mit dem Serienwerkzeug möglich ist. Darüber hinaus lässt sich eine individualisierte Massenproduktion von Schaltungsträgern, insbesondere dreidimensionalen Schaltungsträgern, mit dem Spritzgussverfahren nicht oder lediglich bedingt abbilden.

Als Alternative zum Spritzgussverfahren werden für geeignete Bauteile vermehrt additive Fertigungsverfahren eingesetzt. Additive Fertigungsverfahren weisen im Gegensatz zum Spritzgussverfahren in der Regel geringere Fixkosten auf, wodurch die Stückkosten im Wesentlichen stückzahlunabhängig sind. Dadurch ist mit additiven Fertigungsverfahren eine wirtschaftliche Herstellung von Einzelteilen, Nullserien und Kleinserien im Gegensatz zum Einsatz von Spritzgussverfahren möglich. Darüber hinaus ermöglichen additive Fertigungsverfahren eine individualisierte Massenproduktion. Ferner können mit additiven Fertigungsverfahren hohe Bauteilkomplexitäten und hohe Variantenvielfalten ermöglicht werden.

Die Einsatzmöglichkeiten von additiven Fertigungsverfahren sind jedoch individuell am herzustellenden Bauteil abzuwägen. Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich in der Regel durch eine lange Prozesszeit aus. Ferner weisen additiv hergestellte Bauteile physikalisch bedingte Bauteileigenschaften aus, die teilweise unerwünscht sind. Beispielsweise wird an gekrümmten oder schrägen Oberflächen üblicherweise eine Treppenstufenstruktur erzeugt, die durch den schichtweisen Aufbau bedingt ist.

Des Weiteren zeichnen sich mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile in der Regel durch eine raue Oberfläche aus, die den Anforderungen an Schaltungsträger, insbesondere an dreidimensionale Schaltungsträger, häufig nicht genügt. Schleifende Fertigungsverfahren zur Glättung der Oberfläche sind für viele additiv hergestellten Bauteile nicht geeignet, weil die Schleifbearbeitung nicht oder lediglich eingeschränkt möglich ist. So werden beispielsweise, kleine Bauteilstrukturen mit entfernt, verwinkelte Bauteilbereiche können nicht von der Schleifbehandlung erreicht werden und in vielen Fällen ist das verwendete Material zäh, verschmiert und setzt Schleifpapier oder -körper zu. Darüber hinaus sind die häufig hergestellten Freiformflächen lediglich mit hohem Aufwand schleifend zu bearbeiten.

Chemische Glättungsverfahren sind dafür bekannt, für gefüllte Kunststoffe ungeeignet zu sein. Bei Füllstoffen wie Glaskugeln, -fasern, Kohlenstofffasern oder Aluminiumpartikeln tritt eine physikalische Behinderung der Glättung durch die Anwesenheit der Füllstoffe auf. Ferner ist bei reaktiveren Füllstoffen, wie z.B. Kupfer, eine Reaktion des Glättungsmediums mit dem Metall zu erwarten, die die Oberfläche mit den Reaktionsprodukten verunreinigt und unbrauchbar machen kann.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei der Aufbringung von Leiterbahnen auf einem mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Schaltungsträger oftmals lediglich eine recht grobe Leiterbahndetaillierung möglich ist. Beispielsweise ist lediglich ein minimales Pitchmaß von 1000 pm möglich, wobei zum Beispiel ein minimaler Leiterbahnabstand von 500 pm und eine minimale Leiterbahnbreite von 500 pm vorgesehen ist. Viele Anwendungsbereiche erfordern jedoch geringere Leiterbahnbreiten und Pitchmaße von 100 - 150 pm.

Konventionelle Ansätze zur Herstellung von Schaltungsträgern sind das Laserdirektstrukturierungsverfahren, auch LDS-Verfahren genannt, und der Zwei- Komponenten-Spritzguss. Diese Verfahren basieren auf dem Spritzgussverfahren als urformendes Verfahren und haben in der darauffolgenden Prozesskette die chemische Metallisierung als leiterbahnausbildendes Verfahren gemeinsam. Die Verfahren unterscheiden sich im Prinzip der Aktivierung. Beim LDS-Verfahren wird mit dem Laserstrahl aktiviert. Bei dem Zwei-Komponenten-Spritzguss werden zwei unterschiedliche Kunststoffe eingesetzt, von denen einer metallisierbar und der andere nicht metallisierbar ist. Beide Verfahren sind für kleine Losgrößen nicht wirtschaftlich.

Additiv gefertigte Bauteile weisen in der Regel eine höhere Rauheit auf, die dazu führt, dass die Ist-Kontur der Leiterbahnen stärker von der Soll-Kontur abweicht. Darüber hinaus führt die höhere Rauheit zu Fremdmetallisierungen. Aufgrund dessen müssen bei additiv gefertigten Schaltungsträgern in der Regel größere Abstände zwischen den einzelnen Leiterbahnen vorgesehen werden als bei spritzgegossenen Schaltungsträgern.

Die Qualität der Leiterbahnen ist geringer als solcher Leiterbahnen auf spritzgegossenen Schaltungsträgern. Die größeren Abstände zwischen den einzelnen Leiterbahnen führen dazu, dass die Schaltungsträger größer ausgeführt werden müssen und/oder für bestimmte Anwendungen ungeeignet sind und/oder mit bestimmten elektronischen Komponenten inkompatibel sind.

Die WO 03/005784A2 beschreibt Leiterbahnstrukturen auf einem nichtleitenden Trägermaterial, die aus Metallkeimen und einer nachfolgend auf diese aufgebrachten Metallisierung bestehen, wobei die Metallkeime durch Aufbrechen von feinstverteilt in dem Trägermaterial enthaltenen nichtleitenden Metallverbindungen durch elektromagnetische Strahlung entstanden sind. Es wird insbesondere die LDS-Prozesskette beschrieben. Die US 10,119,021 B2 offenbart ebenfalls die LDS-Prozesskette, wobei eine Beschichtung aus einer metallorganischen Verbindung auf das Bauteil aufgetragen wird.

Aus dem Stand der Technik ist kein Verfahren bekannt, das die additive Herstellung eines Schaltungsträgers, insbesondere mittels eines pulverbettbasierten Prozesses, ermöglicht, auf dem Leiterbahnen mit einer hohen Detaillierung anordenbar sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, einen Schaltungsträger und eine Schaltung bereitzustellen, welche einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Herstellung eines Schaltungsträgers mit Leiterbahnen bei geringen Stückzahlen, insbesondere kleiner 10.000, vorzugsweise kleiner 1.000, insbesondere kleiner 10, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente und einem Schaltungsträger für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Schaltungsträgers sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch weitere Merkmale aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.

Das Verfahren umfasst den Schritt: Herstellen eines Grundkörpers mit einem additiven Fertigungsverfahren, wobei der Grundkörper ein Kunststoffmaterial mit Metallpartikeln aufweist oder aus diesem besteht. Der Schaltungsträger und/oder der Grundkörper ist bzw. sind vorzugsweise dreidimensional ausgebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Schaltungsträger und/oder der Grundkörper mindestens eine Freiformfläche aufweist.

Es ist bevorzugt, dass der Grundkörper aus einem Grundmaterial hergestellt wird, wobei das Grundmaterial das Kunststoffmaterial und die Metallpartikel aufweist oder aus diesen besteht. Das Grundmaterial kann beispielsweise pulverförmig vorliegen. Es ist bevorzugt, dass eine Konzentration der Metallpartikel in dem Grundmaterial zwischen 0,1 und 20 Gewichts-% beträgt. Ferner ist es bevorzugt, dass die Konzentration kleiner 10 Gew-%, kleiner 5 Gew-%, insbesondere zwischen 1 und 3 Gew-% beträgt.

Es ist bevorzugt, dass die Metallpartikel im Wesentlichen homogen in dem Kunststoffmaterial verteilt sind. Ein derartig hergestellter Grundkörper weist ein Kunststoffmaterial auf, in dem die Metall parti kel im Wesentlichen homogen verteilt sind.

Aufgrund der Verteilung der Metallpartikel in dem Kunststoffmaterial befinden sich die Metallpartikel auch an der Grundkörperoberfläche des Grundkörpers. Die Metallpartikel sind demnach von außen sichtbar und zugänglich.

Der Erfinder hat herausgefunden, dass diese von außen zugänglichen Metallpartikel für eine Fremdmetallisierung bei der Erzeugung von Leiterbahnen verantwortlich sind. Es wurde insbesondere herausgefunden, dass aufgrund dieser Metallpartikel die Detaillierung der Leiterbahnen beschränkt ist. Ferner wurde herausgefunden, dass die Qualität des Schaltungsträgers aufgrund reduzierter Oberflächenwiderstände und der daraus folgenden erhöhten Kurzschlussgefahr sowie einer Begünstigung von Kriechströmen reduziert wird.

Der Erfinder hat überraschenderweise herausgefunden, dass Fremdmetallisierungen durch die Beaufschlagung der Grundkörperoberfläche des Grundkörpers mit einem das Kunststoffmaterial lösenden Glättungsmittel vermieden werden können. Durch die Beaufschlagung der Grundkörperoberfläche mit dem Glättungsmittel wird das Kunststoffmaterial oberflächennah gelöst und die Metallpartikel werden von dem Kunststoffmaterial umschlossen und/oder umhüllt. Gleichzeitig wird die Qualität der Oberfläche nicht, wie zu befürchten war, durch chemische Reaktionsprodukte negativ beeinflusst, sondern im Gegenteil die Oberflächenqualität und damit die Qualität des gesamten Bauteils verbessert, sodass die Bauteile für eine Vielzahl neuer Anwendungen einsetzbar werden.

Eine Ursache für diesen Effekt ist, dass die Grundkörperoberfläche durch das Glättungsmittel gelöst wird und in einen schmelzeähnlichen Zustand übergeht, in dem der gelöste Kunststoff viskos und verformbar ist. Die Oberflächenspannung des schmelzeähnlichen Kunststoffmaterials an der Oberfläche des Grundkörpers, sorgt dafür, dass sich die Oberfläche glattzieht, sich somit die Oberflächenrauheit reduziert und Metallpartikel im Kunststoff eingeschlossen werden. Ein weiterer Vorteil dieser Glättung der Grundkörperoberfläche besteht darin, dass ästhetische und/oder haptische Anforderungen an den Schaltungsträger erfüllt werden.

Das Glättungsmittel ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich dieses bei vordefinierten Randbedingungen, insbesondere in einem vordefinierten Druckbereich und/oder in einem vordefinierten Temperaturbereich, verflüchtigt. Die Erhärtung des gelösten Kunststoffmaterials erfolgt insbesondere, sobald sich das Glättungsmittel verflüchtigt hat. Typischerweise erfolgt dies beim Belüften des Grundkörpers. Da sich das Glättungsmittel über einen längeren Zeitraum verflüchtigt, erfolgt dies vorzugsweise kontrolliert. Die gelöste Grundkörperoberfläche ist in der Zeit bis zur Aushärtung weich und kann bei unsachgemäßer Handhabung des Grundkörpers zu einer unbeabsichtigten Deformation führen. Es ist daher bevorzugt, den Grundkörper beispielsweise in der Bedampfungskammer bzw. Hauptkammer zu belassen, bis dieser ausgehärtet ist. Durch eine definierte Belüftung der Grundkörperoberfläche kann die Erhärtung beschleunigt werden.

Das Glättungsmittel ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses den Grundkörper bis zu einer Tiefe von mehr als 10 pm, vorzugsweise mehr als 20 pm, und höchstens bis zu einer Tiefe von 500 pm, vorzugsweise 200 pm, auflöst.

Anschließend wird mindestens eine Leiterbahn auf der Grundkörperoberfläche erzeugt. Die Leiterbahnen können mit unterschiedlichen Verfahren erzeugt werden, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.

Im Wesentlichen frei von Meta II parti kein bedeutet insbesondere, dass die Konzentration von Metallpartikeln an der Oberfläche mehr als 50 %, mehr als 75 %, mehr als 80 %, mehr als 90 % und/oder mehr als 95 % geringer ist als im übrigen Grundkörper, insbesondere in Oberflächen-fernen Bereichen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Beaufschlagen der Grundkörperoberfläche mit dem das Kunststoffmaterial lösenden Glättungsmittel derart erfolgt, dass die Grundkörperoberfläche eine gemittelte Rautiefe von weniger als 50 pm, weniger als 40 pm, weniger als 30 pm und/oder weniger als 20 pm aufweist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das additive Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen ist. Das selektive Laserschmelzen ist ein additives Fertigungsverfahren, das zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren und zur Gruppe der pulverbettbasierten Verfahren gehört. Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Vorliegend umfasst der Werkstoff das Kunststoffmaterial und die Metallpartikel.

Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Typische Schichtdicken liegen zwischen 60 pm und 200 pm. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das additive Fertigungsverfahren ein Absorptionsdruckverfahren und/oder ein Schmelzschichtverfahren ist oder umfasst. Das Absorptionsdruckverfahren wird auch als Multi Jet Fusion (MJF) und als High Speed Sintering (HSS) bezeichnet. Das Schmelzschichtverfahren wird auch als Fused Deposition Modelling (FDM) und als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Erzeugen mindestens einer Leiterbahn den Schritt umfasst: Laseraktivierung von einem, zwei oder mehreren Leiterbahnbereichen auf der Grundkörperoberfläche, in denen eine, zwei oder mehrere Leiterbahnen anzuordnen ist beziehungsweise sind.

Bei der Laseraktivierung erfolgt die Aktivierung durch die Laserenergie. Eine physikalische und/oder physikalisch-chemische Reaktion erzeugt metallische Keime, die bei einer anschließenden Metallisierung als Ausgangsstelle für ein Wachstum eines Leiterbahnmaterials dienen können. Zusätzlich zur Aktivierung wird mittels der Laserenergie eine mikroraue Oberfläche ausgebildet, auf der sich das aufzubringende Leiterbahnmaterial während der Metallisierung in vorteilhafterweise anhaftet.

Ferner ist es bevorzugt, dass für die Laseraktivierung ein gepulster Laser eingesetzt wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass ein Festkörperlaser, insbesondere ein Nd:YAG-Laser verwendet wird. Der emittierte Laserstrahl, insbesondere die emittierte infrarote Strahlung, weist ferner vorzugsweise eine Wellenlänge von 1064 nm auf. Es ist bevorzugt, dass die Frequenz des Lasers zwischen 1-100 kHz beträgt. Die Scangeschwindigkeit beträgt vorzugsweise zwischen 1-5000 mm/s. Die nominale Laserleistung beträgt vorzugsweise zwischen 1 W und 10 W, ferner vorzugsweise zwischen 2 W und 5 W, höchst vorzugsweise zwischen 3 W und 4 W, beispielsweise 3,5 W. Ferner ist es bevorzugt, dass die Pulslänge zwischen 1-100 ps, vorzugsweise zwischen 3-50 ps, beträgt. Der Fokusdurchmesser kann vorzugsweise 30 pm bis 100 pm betragen. Die Brennweite beträgt vorzugsweise zwischen 50 mm und 200 mm.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Erzeugen mindestens einer Leiterbahn den Schritt umfasst: Metallisierung, insbesondere selektive Metallisierung, der Leiterbahnbereiche mit einem die Leiterbahn beziehungsweise die Leiterbahnen ausbildenden Leiterbahnmaterial. Das Leiterbahnmaterial ist vorzugsweise Kupfer.

Die Metallisierung ist allgemein als die Beschichtung eines Gegenstandes mit einer Metallschicht definiert. Insbesondere ist die Metallisierung als ein Dünnschichtverfahren zu verstehen, mit dem dünnschichtige Leiterbahnen erzeugt werden können. Die Metallisierung von Kunststoffen zur Ausbildung von Leiterbahnen wird oftmals in stromlosen Kupferbädern durchgeführt. Typischerweise wird hiermit eine Dicke von 6 pm/Std. bis 12 pm/Std. erreicht. Anschließend kann zusätzlich ein stromloser Auftrag von Nickel und/oder einer dünnen Goldschicht erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Beaufschlagen ein Bedampfen mit dem Glättungsmittel ist oder umfasst, wobei vorzugsweise das Bedampfen mit einem vorbestimmten Bedampfungsdruck und/oder einer vorbestimmten Temperatur erfolgt.

Das Bedampfen kann beispielsweise mit einem Mehrkammersystem erfolgen. In einer Hauptkammer wird der Grundkörper angeordnet, beispielsweise an einem Haken aufgehängt. In einer Nebenkammer befindet sich eine Glättungsmittelverdampfeinheit, in der das Glättungsmittel verdampft wird. Von der Nebenkammer gelangt das verdampfte Glättungsmittel in die Hauptkammer und somit zum Grundkörper. Der Glättungsmitteldampf kondensiert an dem Grundkörper. Infolgedessen wird die Oberfläche mittels des Glättungsmittels gelöst. Anschließend erfolgen üblicherweise eine Belüftung und eine Entnahme des Grundkörpers. Die Glättung von mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellten Kunststoffteil ist beispielsweise in der WO2020/049186A1 oder W02020/007444A1 beschrieben. Der Grundkörper kann beispielsweise 20 Minuten mit dem Glättungsmittel bedampft werden. In Abhängigkeit der Größe und Geometrie des Grundkörpers sowie weiteren Randbedingungen kann diese Zeit kürzer oder länger sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Bedampfungsdruck zwischen 0 bar und 1 bar, vorzugsweise 2 bar, beträgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass sich der Grundkörper bei Beginn, während und/oder nach dem Bedampfen in einem Vakuum befindet. Vakuum bezeichnet insbesondere den Zustand des bzw. der Gase in dem Raum, in dem sich der Grundkörper vor, bei und/oder nach dem Bedampfen befindet, bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen. Es kann beispielsweise ein Grobvakuum, ein Feinvakuum, ein Hoch- oder Ultrahochvakuum eingestellt werden.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die vorbestimmte Temperatur zwischen 100°C und 120°C, insbesondere zwischen 105°C und 110°C, beträgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass während des Bedampfens eine Temperatur des Grundkörpers eingestellt wird, die unter einer Temperatur des verdampften Glättungsmittels liegt, sodass das Glättungsmittel an dem Grundkörper kondensiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Glättungsmittel ein Ätzmittel ist. Das Ätzmittel kann beispielsweise Ameisensäure sein. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das Glättungsmittel ein Alkohol ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass Benzylalkohol eingesetzt wird.

Ferner ist es bevorzugt, dass das Glättungsmittel Acetaldehyd, Acetamid, Aceton, Acetonitril, Acetophenon, Acetylen, aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Cyclohexan, Cyclohexen, Diisobutylen, Hexan, Getan, n-Pentan und Terpinen, Alkohole, insbesondere Butylenglycol, Butanol, Ethanol, Ethylenglycol, Methanol, Allylalkohol, n-Propanol und Isopropanol, Amylacetat, Anilin, Anisol, Benzin, Benzaldehyd, Benzol, Chlorbenzol, Dioxan, Dimethylamid, Diemethylformamid, Diethylether, Dimethylformamid, Dimehtylsulfid, Dimethylsulfoxid, Ethylbenzol, Ethylacetat, Formaldehyd, Formamid, Furfurol, Halogenkohlenwasserstoffe, insbesondere Chlorbrommethan, Chloroform, Ethylenchlorid, Methylenchlorid, Perchlorethylen, Tetrachlormethan, Trichlorethan und Trichlorethylen, Menthon, Methyl-tert-butylether, Methylethylenketon, Nitrobenzol, Phenole, Phenylethylalkohol, Propanol, Pyridin, Styrol, Tetrahydrofuran, Tetrahydronaphthalin, Toluol, Triethanolamin, ist oder umfasst oder Kombinationen einzelner oder mehrerer hiervon umfasst. Die Metallpartikel sind vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Metallpartikel pulverförmig vorliegen. Die Metallpartikel können als elementares Metall und/oder in Form von Metallverbindungen vorliegen. Metallverbindungen sind für den vorliegenden Anwendungszweck beispielsweise Spinelle, insbesondere CuCrO-, CuMoO- und/oder CuCrMnO-Spinelle. Ferner können die Metallverbindungen in Form von Kupfersalzen, Oxiden und/oder organischen Metallkomplexen vorliegen. Die Metallpartikel sind insbesondere derart ausgebildet, dass diese das additive Fertigungsverfahren möglichst geringfügig oder nicht beeinflussen.

In einerweiteren bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Metallpartikel Kupferpartikel und/oder Aluminiumpartikel und/oder Nickelpartikel sind oder umfassen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Metallpartikel, insbesondere die Kupferpartikel, im Wesentlichen sortenrein, also als elementares Kupferpulver, vorliegen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Metallpartikel, insbesondere die Kupferpartikel, eine Partikelgröße von weniger als 30 pm, weniger als 20 pm, insbesondere zwischen 5 pm und 15 pm aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial thermoplastisch ausgebildet ist. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das Kunststoffmaterial ein Polyamid und/oder Thermoplastisches Polyurethan ist oder umfasst. Das Polyamid ist vorzugsweise ein Polyamid 12, auch als PA 12, Poly-Laurylactam oder Nylon-12 bezeichnet. Des Weiteren sind Polyamid 11 , auch als PA11 bezeichnet, und Thermoplastisches Polyurethan, auch als TPU bezeichnet, bevorzugt.

Der Schaltungsträger für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente ist vorzugsweise mit einem Verfahren nach einem der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten hergestellt. Der Schaltungsträger umfasst einen mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Grundkörper, aufweisend ein Kunststoffmaterial mit Metallpartikeln. Der Grundkörper weist eine Grundkörperoberfläche auf, die im Wesentlichen frei von Metallpartikeln ist. Darüber hinaus weist der Schaltungsträger mindestens eine Leiterbahn auf. ln einer bevorzugten Ausführungsvariante des Schaltungsträgers ist vorgesehen, dass die Grundkörperoberfläche eine gemittelte Rautiefe von weniger als 50 pm, weniger als 40 pm, weniger als 30 pm und/oder weniger als 20 pm aufweist.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Metallpartikel Kupferpartikel sind oder umfassen, und/oder die Metallpartikel, insbesondere die Kupferpartikel, eine Partikelgröße von weniger als 30 pm, weniger als 20 pm, insbesondere zwischen 5 pm und 15 pm, aufweisen.

Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Schaltungsträgers sieht vor, dass das Kunststoffmaterial thermoplastisch ausgebildet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Kunststoffmaterial ein Polyamid und/oder Thermoplastisches Polyurethan ist oder umfasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Schaltung, umfassend einen Schaltungsträger nach einer der im Vorherigen genannten Ausführungsvarianten und mindestens eine Schaltungskomponente. Die Schaltungskomponente kann beispielsweise ein elektronisches und/oder mechatronisches Bauelement sein.

Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Schaltungsträgers und der Schaltung sowie ihrer möglichen Fortbildungen, wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Verfahrens verwiesen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften

Ausführungsform eines Schaltungsträgers;

Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht des in Figur 1 gezeigten Schaltungsträgers;

Figur 3: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht eines

Schaltungsträgers ohne Beaufschlagung der Grundkörperoberfläche mit einem das Kunststoffmaterial lösenden Glättungsmittel;

Figur 4: ein schematisches Verfahren; und

Figur 5: ein weiteres schematisches Verfahren.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der in Figur 1 gezeigte Schaltungsträger 1 weist einen Grundkörper 2 und insgesamt neun Leiterbahnen auf, von denen zwei exemplarisch mit den Bezugszeichen 12, 18 versehen sind.

Der Grundkörper 2 erstreckt sich in Längsrichtung L von einem ersten Ende 4 zu einem zweiten Ende 6. Orthogonal zur Längsrichtung L erstreckt sich der Grundkörper 2 in Breitenrichtung B und in Höhenrichtung H.

Die erste Leiterbahn 12 erstreckt sich von einem ersten Leiterbahnende 14 hin zu einem zweiten Leiterbahnende 16 in einer Leiterbahn-Längsrichtung, die parallel zur Längsrichtung L ausgerichtet ist. Die Leiterbahnen 12, 18 sind parallel zueinander angeordnet.

Der Grundkörper 2 besteht im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial 8 und aus Metallpartikeln 10. Die Grundkörperoberfläche 3 ist im Wesentlichen frei von Metallpartikeln 10. Daher ist ein Teil des Grundkörpers 2 mit einer gestrichelten Linie gebrochen dargestellt, um das Innere des Grundkörpers zu visualisieren. Dargestellt ist, dass das Kunststoffmaterial 8 ebenfalls im Inneren des Grundkörpers 2 vorliegt. Die Grundkörperoberfläche 3 wird im Wesentlichen ausschließlich durch das Kunststoffmaterial 8 ausgebildet. Im Inneren des Grundkörpers 2 sind jedoch zusätzlich die Metallpartikel 10 vorhanden.

Die Grundkörperoberfläche 3 des Grundkörpers 2 wurde mit einem das Kunststoffmaterial 8 lösenden Glättungsmittel beaufschlagt, sodass die Grundkörperoberfläche im Wesentlichen frei von Metallpartikeln 10 ist. Die Metallpartikel 10 können beispielsweise Kupferpartikel sein, die vorzugsweise in Form eines Kupferpulvers dem Kunststoffmaterial zugesetzt wurden. Die Leiterbahnen 12, 18 wurden mittels einer Laseraktivierung und einer Metallisierung erzeugt. Hierzu wurden die Bereiche des Grundkörpers 2, in denen die Leiterbahnen anzuordnen sind, die sogenannten Leiterbahnbereiche, mittels eines Lasers aktiviert. Dabei wurden mittels einer physikalisch und/oder physikalisch-chemischen Reaktion metallische Keime erzeugt. Anschließend wurden die aktivierten Leiterbahnbereiche mit einem Leiterbahnmaterial, insbesondere Kupfer, metallisiert.

In Figur 2 ist eine Detailansicht des Grundkörpers 2 gezeigt. Insbesondere sind die benachbart angeordneten Leiterbahnen 12, 18 gezeigt. Zwischen den Leiterbahnen 12, 18 ist ein Leiterbahn-freier Bereich vorgesehen, sodass hier das Kunststoffmaterial 8 dargestellt ist. Gleiches gilt für die jeweils äußeren Bereiche neben der Leiterbahn 12 und der Leiterbahn 18.

In Figur 3 ist ein mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellter Grundkörper 20 mit Leiterbahnen 24, 26 gezeigt, wobei der Grundkörper 20 ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial 22 mit Metallpartikeln hergestellt ist. Der Grundkörper 20 wurde jedoch nicht mit einem das Kunststoffmaterial 8 lösenden Glättungsmittel beaufschlagt, sodass die Grundkörperoberfläche nicht frei von Metallpartikeln ist.

Da die Grundkörperoberfläche des Grundkörpers 20 nicht frei von Metallpartikeln war, kam es bei der Metallisierung zu einer Vielzahl an Fremdmetallisierungen 28. Diese Fremdmetallisierungen 28 weisen ähnliche Eigenschaften wie die Leiterbahnen 24, 26 auf. Die Fremdmetallisierungen 28 führen zu einer erhöhten Kurzschlussgefahr zwischen den Leiterbahnen 24, 26. Darüber hinaus wird die Qualität des den Grundkörper 20 aufweisenden Schaltungsträgers beeinträchtigt. Hieran ist der große Vorteil der Beaufschlagung des Grundkörpers 2 mit dem das Kunststoffmaterial 8 lösenden Glättungsmittel ersichtlich, nämlich dass die Fremdmetallisierungen 28 im Wesentlichen vermieden werden.

Figur 4 zeigt ein schematisches Verfahren. In Schritt 602 wird ein Grundkörper 2 mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt, wobei der Grundkörper 2 ein Kunststoffmaterial 8 mit Metall parti kein 10 aufweist. In Schritt 604 wird die Grundkörperoberfläche 3 des Grundkörpers 2 mit einem das Kunststoffmaterial 8 lösenden Glättungsmittel beaufschlagt, sodass die Grundkörperoberfläche 3 im Wesentlichen frei von Metall parti kein 10 ist. In Schritt 606 wird mindestens eine Leiterbahn 12, 18 auf der Grundkörperoberfläche 3 erzeugt.

Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens. Im Schritt 600 wird eine CAD- Konstruktion des Schaltungsträgers 1 erstellt. Hierbei wird insbesondere die dreidimensionale Struktur des Grundkörpers 2, sowie die Positionierung und der Verlauf der Leiterbahnen vorgesehen. Die Schritte 602 und 604 sind analog zum im Vorherigen beschriebenen Verfahren der Figur 4 ausgebildet.

Der Schritt 606 ist in zwei Teilschritte aufgeteilt. In Schritt 606a werden die Leiterbahnbereiche auf der Grundkörperoberfläche laseraktiviert, in denen die Leiterbahnen 12, 18 angeordnet werden sollen. In Schritt 606b werden diese Leiterbahnbereiche mit einem Leiterbahnmaterial metallisiert. Infolgedessen haftet das Leiterbahnmaterial in den Leiterbahnbereichen an und die Leiterbahnen werden somit ausgebildet. In Schritt 608 werden verschiedene Schaltungskomponenten an dem Schaltungsträger 1 angeordnet, sodass eine Schaltung ausgebildet wird.

Mittels des im Vorherigen beschriebenen Verfahrens wird ein qualitativ hochwertigerer Schaltungsträger 1 ermöglicht. Insbesondere können die Leiterbahnen 12, 18 mit einer geringeren Breite ausgebildet werden. Darüber hinaus können die Leiterbahnen 12, 18 mit einem geringeren Abstand zueinander angeordnet werden, da das Risiko eines Kurzschlusses reduziert wird, da Fremdmetallisierungen 28 vermieden werden. Infolgedessen wird ein qualitativ hochwertigerer Schaltungsträger 1 bereitgestellt.

Dieser Schaltungsträger 1 kann darüber hinaus eine geringere Baugröße aufweisen, sodass das im Vorherigen beschriebene Verfahren zur Miniaturisierung von Produkten, beispielsweise Mobiltelefonen, Kopfhörern und dergleichen beiträgt. Des Weiteren ermöglichen die gewonnenen Freiheiten bezüglich der Schaltungsträgergeometrie einen Leichtbau, der zu einem Schaltungsträger 1 mit einem geringeren Gewicht führt. Darüber hinaus wird ermöglicht, dass in diesen kompakteren und leichteren Schaltungsträger 1 ein höherer Grad an Funktionsintegration realisiert wird. BEZUGSZEICHEN

1 Schaltungsträger

2 Grundkörper

3 Grundkörperoberfläche

4 erstes Ende

6 zweites Ende

8 Kunststoffmaterial

10 Metallpartikel

12 erste Leiterbahn

14 erstes Leiterbahnende

16 zweites Leiterbahnende

18 zweite Leiterbahn

20 Grundkörper ohne Glättung

22 Kunststoffmaterial

24 Leiterbahn

26 Leiterbahn

28 Fremdmetallisierung

L Längsrichtung

B Breitenrichtung

H Höhenrichtung

Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (1) für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, umfassend die Schritte:

Herstellen eines Grundkörpers (2) mit einem additiven Fertigungsverfahren, wobei der Grundkörper (2) ein Kunststoffmaterial (8) mit Metallpartikeln (10) aufweist oder aus diesem besteht, Beaufschlagen einer Grundkörperoberfläche (3) des Grundkörpers (2) mit einem das Kunststoffmaterial (8) lösenden Glättungsmittel, sodass die Grundkörperoberfläche (3) im Wesentlichen frei von Metall parti kein (10) ist, und

Erzeugen mindestens einer Leiterbahn (12, 18) auf der Grundkörperoberfläche (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Beaufschlagen der

Grundkörperoberfläche (3) mit dem das Kunststoffmaterial (8) lösenden Glättungsmittel derart erfolgt, dass die Grundkörperoberfläche (3) eine gemittelte Rautiefe von weniger als 50 pm, weniger als 40 pm, weniger als 30 pm, und/oder weniger als 20 pm aufweist.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das additive Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen, ein Absorptionsdruckverfahren und/oder ein Schmelzschichtverfahren ist oder umfasst.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erzeugen mindestens einer Leiterbahn (12, 18) den Schritt umfasst:

Laseraktivierung von einem, zwei oder mehreren Leiterbahnbereichen auf der Grundkörperoberfläche (3), in denen eine, zwei oder mehrere Leiterbahnen (12, 18) anzuordnen ist bzw. sind.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erzeugen mindestens einer Leiterbahn (12, 18) den Schritt umfasst: Metallisierung der Leiterbahnbereiche mit einem die Leiterbahn (12, 18) bzw. die Leiterbahnen (12, 18) ausbildenden Leiterbahnmaterial. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Beaufschlagen ein Bedampfen mit dem Glättungsmittel ist oder umfasst, wobei vorzugsweise das Bedampfen mit einem vorbestimmtem Bedampfungsdruck und/oder einer vorbestimmten Temperatur erfolgt. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 6, wobei der Bedampfungsdruck zwischen 0-1 bar beträgt, und/oder die vorbestimmte Temperatur zwischen 100°C-120°C beträgt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Glättungsmittel ein Ätzmittel, insbesondere Ameisensäure, und/oder ein Alkohol ist, insbesondere Benzylalkohol. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Metallpartikel (10) Kupferpartikel sind oder umfassen, und/oder die Metallpartikel (10), insbesondere die Kupferpartikel, eine Partikelgröße von weniger als 30 pm, weniger als 20 pm, insbesondere zwischen 5 pm und 15 pm, aufweisen. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial (8) thermoplastisch ausgebildet ist, und/oder

Polyamid und/oder Thermoplastisches Polyurethan ist. Schaltungsträger (1) für elektronische und/oder mechatronische Bauelemente, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, umfassend einen mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellten Grundkörper (2) aufweisend ein Kunststoffmaterial (8) mit Metallpartikeln (10), - 19 - wobei der Grundkörper (2) eine Grundkörperoberfläche (3) aufweist, die im Wesentlichen frei von Metall parti kein (10) ist, und mindestens eine Leiterbahn (12, 18).

12. Schaltungsträger (1) nach dem vorherigen Anspruch 11 , wobei die Grundkörperoberfläche (3) eine gemittelte Rautiefe von weniger als 50 pm, weniger als 40 pm, weniger als 30 pm, und/oder weniger als 20 pm aufweist.

13. Schaltungsträger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 11-12, wobei die Metallpartikel (10) Kupferpartikel sind oder umfassen, und/oder die Metallpartikel (10), insbesondere die Kupferpartikel, eine Partikelgröße von weniger als 30 pm, weniger als 20 pm, insbesondere zwischen 5 pm und 15 pm, aufweisen.

14. Schaltungsträger (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 11-13, wobei das Kunststoffmaterial (8) thermoplastisch ausgebildet ist, und/oder Polyamid und/oder Thermoplastisches Polyurethan ist.

15. Schaltung, umfassend einen Schaltungsträger (1) nach einem der Ansprüche 11-14 und mindestens eine Schaltungskomponente.