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Es
wird eine Leiterplatte mit einem flexiblen Bereich nach dem Anspruch
1 angegeben.
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Ein
weit verbreitetes Problem bei der Fertigung von an sich starren
Leiterplatten ist es, flexible Bereiche zu realisieren, ohne die
Robustheit oder Geschlossenheit der Leiterplatte insgesamt zu beeinträchtigen.
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Eine
Aufgabe von Ausführungsformen
der Erfindung besteht darin, eine an sich starre Leiterplatte bereitzustellen,
welche einen flexiblen Bereich aufweist. Die Leiterplatte soll sich
zudem einfach und kostengünstig
mit nur geringfügig
modifizierten Standardprozessen der Produktion starrer Leiterplatten verwirklichen
lassen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Leiterplatte nach Anspruch 1 gelöst. Weitere
Ausführungsformen der
Leiterplatte sowie Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte sind
Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine Leiterplatte, umfassend einen Schaltungsträger, eine
Deckschicht aus einem nicht-leitenden Material, welches eine organische
Substanz umfasst und auf dem Schaltungsträger angeordnet ist, eine erste
Metallisierungsebene, angeordnet auf der Deckschicht, wobei die
erste Metallisierungsebene einen flexiblen Bereich aufweist.
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Unter
flexibel ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung zu verstehen,
dass bei einer Krafteinwirkung senkrecht zur Leiterplatte wenigstens
die 10-fache Auslenkung der Oberfläche erfolgt verglichen mit
den nicht flexiblen Bereichen der Leiterplatte. Diese Bedingung
ist zumindest für
Zugkräfte
zu erfüllen,
vorteilhafter Weise aber für
Zug- und Druckkräfte.
Ausführungsformen,
bei denen der flexible Bereich nennenswert aus der Leiterplattenebene
herausgebogen wird, sollen die Bedingung vor dem Herausbiegen erfüllen.
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Der
flexible Bereich kann sich hierbei auf einen relativ zur gesamten
Fläche
der Leiterplatte sehr kleinen Teil der Leiterplatte beschränken. Über den flexiblen
Bereich können
beispielsweise flexible Anschlüsse
realisiert werden, ohne dass die Robustheit oder Geschlossenheit
der Leiterplatte insgesamt beeinträchtigt wird. Das Material für die Deckschicht kann
als organische Substanz beispielsweise ein Harz umfassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist in dem flexiblen Bereich zusätzlich
zu der ersten Metallisierungsebene auch die Deckschicht flexibel.
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Dies
hat den Vorteil, dass die erste Metallisierungsebene durch die Deckschicht
mechanisch stabilisiert werden kann. Dies ermöglicht Ausführungsformen, bei denen die
erste Metallisierungsebene in der Schichtdicke sehr dünn ausgeformt
ist. Sie kann dann so dünn
sein, dass sie für
sich alleine mechanisch instabil wäre und die Schichtdicke in
ihrer Mindestdicke nur noch durch die Funktion als elektrischer
Leiter limitiert wird. Die Geometrie der ersten Metallisierungsebene
wird hierbei nicht mehr durch tragende Funktion bestimmt, sondern
kann beispielsweise nur noch durch die elektrisch leitende Funktion
bestimmt sein. Die geringe Dicke der Metallisierungsebene ermöglicht Ausführungsformen bei denen
der flexible Bereich eine sehr hohe Flexibilität aufweist.
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Für die Deckschicht
kann ein Material verwendet werden, welches die Flexibilität der ersten Metallisierungsebene
nicht einschränkt
und trotzdem zur ausreichenden Stabilität der ersten Metallisierungsebene
beiträgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der flexible Bereich zumindest eine Achse auf, entlang der
er sich gegen die restlichen Leiterplatten abbiegen lässt. Es
sind Ausführungsformen
möglich,
bei denen sich der flexible Bereich um diese Achse sowohl zu der
restlichen Leiterplatte hin wie auch von ihr weg bewegen lässt.
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Dies
ermöglicht
es, dass der flexible Bereich um die besagte Achse sowohl in die
Leiterplatte hinein wie auch aus ihrer Ebene heraus gebogen werden
kann. Bei dem Drehen um die Achse aus der Ebene der Leiterplatte
heraus ist auch beispielsweise eine Drehung um 180° denkbar.
Somit würde
der flexible Bereich mit seiner ehemaligen Oberseite wieder auf
der Deckschicht oder der Metallisierung aufliegen, oder mit einem
gewissen Zwischenraum zur Deckschicht wieder parallel zur Deckschicht
verlaufen. Es sind aber auch Winkel größer 180° denkbar, so zum beispielsweise
für den
Fall, dass sich die Drehachse am Rande der Deckschicht oder in der Nähe des Randes
der Deckschicht befindet. Dabei wäre es beispielsweise denkbar,
dass der flexible Bereich um 270° um
die Achse gebogen wird, so dass er dann senkrecht am äußeren Rand
der Leiterplatte nach unten steht. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei
denen eine Bewegung des flexiblen Bereiches erst in Betrieb der
Leiterplatten auftritt oder vorgenommen wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der flexible Bereich an nur einer Seite mit seiner Umgebung bzw.
der übrigen
Leiterplatte verbunden. Der flexible Bereich kann dann beispielsweise
als Zunge ausgeformt sein.
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Dies
verleit dem flexiblen Bereich eine sehr hohe Flexibilität. Die Seite,
an der der flexible Bereich mit der Umgebung verbunden ist, kann
zusätzlich auch
Aussparungen aufweisen. Diese können
von den Außenkanten
des flexiblen Bereichs ausgehen und sich in diesen hinein erstrecken,
so dass Ecken entstehen. Es kann sich aber auch um Aussparungen handeln,
welche nicht bis an die Außenkante
verlaufen, wie beispielsweise Löcher
oder Schlitze in dem flexiblen Bereich. Durch die Aussparungen wird
die Flexibilität
des flexiblen Bereiches nochmals erhöht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der flexible Bereich über
einem Freiraum angeordnet. Unter Freiraum ist in Zusammenhang mit
dieser Erfindung zu verstehen, dass der flexible Bereich keine mechanische
oder chemische Bindung zu der Ebene, die unter ihm verläuft, aufweist.
Der Freiraum kann somit beispielsweise als Hohlraum ausgeformt sein,
in den sich der flexible Bereich hinein bewegen lässt. Unter Freiraum
ist aber auch zu verstehen, dass unter dem flexiblen Bereich direkt
eine Ebene oder Schicht folgt mit der die Unterseite des flexiblen
Bereiches nicht verbunden ist, oder nicht auf ihr haftet. Der flexible Bereich
hat somit die Möglichkeit,
auch ohne dass sich ein Hohlraum unter ihm befindet, sich aus der Leiterebene
heraus bewegen zu können.
Bei dieser Ausführungsform
eignen sich für
die Schicht unter dem flexiblen Bereich besonders Materialien, welche eine
geringe Haftneigung aufweisen. Es kann beispielsweise ein Material
verwendet werden, welches fluorierte Polymere aufweist.
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In
einer Ausführungsform
ist die erste Metallisierungsebene auf der Deckschicht in Teilbereichen des
flexiblen Bereiches als Leiterbahn und/oder Kontaktfläche ausgeformt.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann sich die erste Metallisierungsebene auf einen kleinen Teilbereich
des flexiblen Bereiches beschränken.
Die erste Metallisierungsebene nimmt hierbei die Funktion der Stromleitung
beziehungsweise der elektrischen Kontaktierung wahr. Die Kontaktfläche kann
beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung eines elektronischen
Bauelements dienen, welches auf die Leiterplatten aufgesetzt oder
montiert wird. Es sind Ausführungsformen
denkbar, bei denen der flexible Bereich vor der Montage des elektronischen
Bauelements erst aus der Ebene der Leiterplatte heraus gebogen wird,
bevor das elektronische Bauelement auf die Kontaktfläche aufgesetzt
wird. Ebenso sind auch Ausführungsformen
denkbar, bei denen durch das Aufsetzen des elektronischen Bauelements
die flexiblen Bereiche in den Hohlraum der sich unter ihnen befindet
hineingedrückt
werden. Des Weiteren sind Ausführungsformen
denkbar, bei denen nach der Montage des elektronischen Bauelements
die flexiblen Bereiche sich noch immer in ihrer Ausgangsposition
parallel zur Leiterplatte befinden, ihre Flexibilität dem aufgesetzten
elektronischen Bauelement aber eine gewisse Beweglichkeit ermöglicht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der flexible Bereich Aussparungen auf, welche die Flexibilität des flexiblen
Bereiches erhöhen.
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Diese
Aussparungen können
sowohl von den freien Rändern
wie auch von der Seite her, mit der der flexible Bereich mit der
Umgebung verbunden ist, in den flexiblen Bereich hineinführen. Ebenso
sind auch Aussparungen denkbar, die weder von einer freien Seite
noch von der angebundenen Seite des flexiblen Bereiches starten,
sondern als Löcher
unterschiedlicher Geometrien in dem flexiblen Bereich vorliegen.
Hierbei sind Ausführungsformen
denkbar, bei denen die Deckschicht im flexiblen Bereich soweit in
der Dicke reduziert oder gar entfernt ist, dass sie nur noch in
den Teilbereichen vorhanden ist, wo sie mit der ersten Metallisierungsebene
beschichtet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Deckschicht ein stabilisierendes Gewebe.
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Dieses
Gewebe kann beispielsweise aus einzelnen freien Fasern wie aber
auch aus einer Matte bestehen. Bei dem Material kann es sich beispielsweise
um ein Fasergewebe handeln. Die Deckschicht kann neben dem stabilisierenden
Gewebe oder auch anstelle desselben andere Verstärkungselemente aufweisen. Diese
Verstärkungselemente können sowohl
in die Schicht selbst eingearbeitet sein, wie auch sich auf der
Oberfläche
der Deckschicht befinden. Die Verstärkungselemente können der
Deckschicht eine zusätzliche
Steifigkeit verleihen. Bei dem Aufbringen der Verstärkungselemente kann
der Bereich der Achse um die sich der flexible Bereich bewegen kann
ausgespart werden, oder die Verstärkungselemente können in
einem weiteren Verfahrensschritt in dem Bereich der Achse wieder zerstört werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist auf dem flexiblen Bereich ein elektronisches Bauteil angeordnet,
welches elektrisch leitend mit der ersten Metallisierungsebene verbunden
ist.
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Für den Fall,
dass das elektronische Bauteil nur über einen oder mehrere flexible
Bereiche mit der Leiterplatte verbunden ist, weist das gesamte elektronische
Bauteil gegenüber
der Leiterplatte eine gewisse Flexibilität auf. Diese Flexibilität kann nicht
nur zur Leiterplatte hin oder von ihr weg bestehen, sondern in alle
drei Raumrichtungen. Eine Leiterplatte kann auch mehr als nur einen
flexiblen Bereich aufweisen. Auf einer Leiterplatte kann auch über einem oder
mehreren flexiblen Bereichen mehr als ein Bauteil angeordnet sein.
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In
einer weitren Ausführungsform
wird die Nachgiebigkeit gegenüber
Zugspannung des flexiblen Bereiches in Richtung der Leiterplattenebene durch
Aussparungen erhöht
wird.
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In
einer weitren Ausführungsform
wird auf der Leiterplatte eine Kappe so aufgesetzt, dass zumindest
in Teilbereichen ein eingeschlossenes Volumen zur Aufnahme eines
Bauelements gebildet ist. Die Kappe kann hierbei nur einen Teil
der Leiterplatte, aber auch die gesamte Leiterplatte überdecken. Der
flexible Bereich kann sich hierbei im oder auch außerhalb
der Kappe befinden befinden.
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Die
Leiterplatte kann beispielsweise als Interposer verwendet werden.
Hierbei kann sie zwischen einem herkömmlichen, nicht erfindungsgemäßen Schaltungsträger und
einem auf der Leiterplatte vorzugsweise im flexiblen Bereich aufsitzenden stress-sensiblen
Bauelement angeordnet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann eine Leiterplatte verwendet werden, die einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
bezüglich der
Leiterplattenebene aufweist, der mindestens 4 ppm/K größer ist,
als der des elektronischen Bauteils, welches auf der Leiterplatte
montiert ist. So kann beispielsweise der thermische Längenausdehnungskoeffizient
der Leiterplatte größer 12 ppm/K
sein, und der des elektronischen Bauteils, welches auf der Leiterplatte
montiert ist, kleiner 8 ppm/K sein. Der flexible Bereich verhindert
dabei eine unzulässig
hohe thermische Stressbelastung des Bauteils.
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Neben
der Leiterplatte selbst werden auch Verfahren zur Herstellung der
Leiterplatte beansprucht.
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Eine
Verfahrensvariante zur Herstellung einer Leiterplatte umfasst die
folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Schaltungsträgers, Aufbringen
einer Delaminations-Schicht auf einen räumlich begrenzten Teilbereich
des Schaltungsträgers, Aufbringen
einer Schichtenfolge auf die Delaminations-Schicht und einen Teilbereich
des Schaltungsträgers,
umfassend eine Deckschicht, welche ein organisches Material umfasst,
und eine erste Metallisierungsebene auf der Deckschicht, und Strukturieren der
Deckschicht und der ersten Metallisierungsebene, wobei ein flexibler
Bereich der ersten Metallisierungsebene definiert wird.
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Durch
das Strukturieren der Deckschicht und der ersten Metallisierungsebene
im Bereich der Deckschicht wird ein Teilbereich der Deckschicht
von dem Rest der Deckschicht zumindest partiell gelöst. Das
bedeutet, dass beispielsweise durch Schneiden, Fräsen oder Ätzen oder
andere Prozesstechniken ein Teil der Deckschicht herausstrukturiert
wird, der jetzt nicht mehr zu allen Seiten hin mit der umgebenden
Deckschicht verbunden ist und so gegenüber der umgebenden Deckschicht
eine erhöhte
Flexibilität aufweist.
Mit der Deckschicht weist auch die auf der Deckschicht angeordnete
erste Metallisierungsebene diese Flexibilität auf. Der so definierte flexible
Bereich kann jetzt beispielsweise in einem weiteren Verfahrensschritt
aus der Ebene der Deckschicht herausgebogen werden.
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In
einer weiteren Variante dieses Verfahrens wird zur Ausbildung des
flexiblen Bereiches in einem weiteren Verfahrensschritt die Delaminations-Schicht entfernt.
Durch das Entfernen der Delaminations-Schicht kann ein Hohlraum
unter dem flexiblen Bereich erzeugt werden. Dieser Hohlraum ermöglicht es
dem flexiblen Bereich, sich nicht nur aus der Leiterplattenebene
heraus zu bewegen, sondern auch in die Ebene hinein. Die Delaminations-Schicht
kann als Opferschicht aufgebracht und strukturiert werden.
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Die
Opferschicht kann ausgewählt
sein aus löslichen
Schichten, selektiv ätzbaren
Schichten, flüchtigen
oder zersetzbaren Schichten, verdampfbaren Schichten und niedrig
schmelzenden Schichten. Dies ermöglicht
es, dass die Opferschicht auf der Leiterplatte entfernt werden kann
ohne dass die angrenzenden Schichten in Mitleidenschaft gezogen
werden. Die Methode der Opferschicht ermöglicht es, zum einen sehr große Freiräume zu erzeugen,
zum anderen über
der Opferschicht sehr dünne
und bereits dadurch flexible Schichten zu generieren. In weiteren
nachfolgenden Verfahrensschritten können die dünnen Schichten nach ihrem Aufbringen
auf der Opferschicht so stabilisiert und ausgehärtet werden, so dass sie nach
dem Entfernen der Opferschicht eine ausreichende Stabilität aufweisen.
Dies kann beispielsweise durch das Erzeugen oder Übereinanderaufbringen
von mehreren weiteren dünnen
Schichten erfolgen.
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In
einer weiteren von der ersten Verfahrensvariante unabhängigen Verfahrensvariante
kann die Leiterplatte durch ein Herstellungsverfahren hergestellt
werden, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen
eines Schaltungsträgers,
Herausarbeiten einer Vertiefung in dem Schaltungsträger, Aufbringen
einer Schichtenfolge auf den Schaltungsträger so, dass die Vertiefung überdeckt
aber nicht ausgefüllt
wird, wodurch ein Freiraum ausgebildet wird, wobei die Schichtenfolge
eine Deckschicht, welche ein organisches Material umfasst, und eine erste
Metallisierungsebene auf der Deckschicht umfasst, Strukturieren
der Deckschicht und der ersten Metallisierungsebene über dem
Freiraum, so dass ein flexibler Bereich der ersten Metallisierungsebene ausgebildet
wird.
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Diese
Verfahrensvariante hat den Vorteil gegenüber der ersten beschriebenen
Verfahrensvariante, dass hier keine Delaminations-Schicht notwendig ist.
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Im
Folgenden sollen Varianten der Erfindung anhand von Figuren und
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1a bis
i schematisch die Verfahrensschrittabfolge einer Verfahrensvariante,
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2 schematisch
die Aufsicht eines Ausführungsbeispiels,
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3 die
Aufsicht einer weiteren Ausführungsform,
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4 die
schematische Seitenansicht einer möglichen besonderen Ausführungsform,
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5 die
schematische Seitenansicht einer weiteren besonderen Ausführungsform,
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6 eine
schematische Seitenansicht einer möglichen weiteren Ausführungsform,
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7 eine
schematische Seitenansicht einer möglichen weiteren Ausführungsform
mit zusätzlichen
Elementen,
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8a und 8b weitere
Ausführungsformen,
welche zusätzlich
noch eine Kappe aufweisen,
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9 eine
schematische Seitenansicht einer möglichen weiteren Ausführungsform,
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10a bis 10c schematisch
die Verfahrensschritte eines weiteren Herstellungsverfahrens,
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11a bis 11d schematisch
Zwischenstufen in einem Herstellungsprozess in der Aufsicht.
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Die
Figurenfolge 1a bis 1i zeigt schematisch
Schritte einer möglichen
Herstellungsvariante. In 1a ist
der Schaltungsträger 1 dargestellt.
Auf dem Schaltungsträger 1 ist
eine zweite Metallisierungsebene 2 angeordnet. Aus Gründen der Übersicht
wurde auf die Darstellung von Durchkontaktierungen oder externen
Anschlüssen
auf Ober- und/oder Unterseite des Schaltungsträgers verzichtet. Für den Schaltungsträger 1 kann
beispielsweise ein glasfaserverstärktes Epoxidsubstrat verwendet werden.
Für die
zweite Metallisierungsebene kann beispielsweise eine Kupferfolie
verwendet werden. Die Kupferfolie kann beispielsweise auf den Schaltungsträger 1 auflaminiert
werden. Die zweite Metallisierungsebene 2 kann vor dem
Aufbringen auf den Schaltungsträger 1 bereits
strukturiert sein oder nach dem Aufbringen auf den Schaltungsträger noch strukturiert
werden.
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Die 1b zeigt
die Schichtenfolge umfassend den Schaltungsträgers 1, die zweite
Metallisierungsebene 2 und die Delaminations-Schicht 3.
Diese Schichtenfolge kann beispielsweise aus der in 1a dargestellten
Schichtenfolge dadurch hervorgehen, dass auf die zweite Metallisierungsebene 2 die
Delaminations-Schicht 3 aufgebracht wurde. In 1b bedeckt
die Delaminations-Schicht 3 noch die
gesamte zweite Metallisierungsebene 2. Für die Delaminations-Schicht
können
beispielsweise ein negativer Fotolack, ein positiver Fotolack, oder
aber auch laminierbare Trockenresists verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Dicke für
die Delaminations-Schicht 3 liegt im Bereich von 1 bis
50 μm.
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Das
Material für
die Delaminations-Schicht 3 kann so gewählt werden, dass es in einem
weiteren späteren
Verfahrensschritt wieder entfernt werden kann. Für das Entfernen kommen beispielsweise
folgende Techniken in Frage: Herauslösen, Herausätzen, Behandlung mit Plasma,
Behandlung mit erhöhten
Temperaturen, Verdampfen, Sublimieren, Zersetzen, Aufquellen oder
Aufschäumen.
Für den
Fall, dass lösliche
Resists verwendet werden, sind solche Resists bevorzugt, die sich
sehr gut auflösen
statt in grobe Partikel oder Flocken zu dispergieren oder zu zerfallen.
Dies vereinfacht das restlose Entfernen des Materials der Delaminations-Schicht 3.
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Neben
Lacken eignen sich insbesondere auch thermisch rückstandsarm beziehungsweise rückstandslos
zersetzbare Polymere. Materialien, welche mit wässrigen Lösungsmitteln entfernt werden
können,
sind beispielsweise Polyvinylalkohol oder Polyvinylpyrrolidon. Der
Temperaturbereich für die
thermische Zersetzung liegt bevorzugt im Bereich von 180 bis 260°C. Als thermisch
zersetzbares Material eignet sich beispielsweise Cellulosederivate,
wie Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylcellulose,
Celluloseacetat und Celluloseester. Die Cellulosederivate können aber
auch mittels Lösungsmittel
entfernt werden. Es eignen sich auch besonders gut Materialien,
deren Schmelzpunkte im Bereich von 150 bis 220°C liegen. Hier wäre beispielsweise
Hexachlorethan zu nennen, dessen Schmelzpunkt bei 186°C liegt,
welches aber bei 185°C
bereits eine hohe Sublimationsrate aufweist. Ein weiteres mögliches
Material, welches für
die Delaminations-Schicht 3 verwendet werden kann, ist Unity
2000P® Sacrificial
Polymer von Promeros LLC, Ohio.
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In 1c ist
schematisch ein Belichtungsverfahren dargestellt, durch welches
die Delaminations-Schicht 3 strukturiert werden soll. Hierzu
wird über
der Delaminations-Schicht 3 eine
Maske 15 angebracht, wodurch nur ein Teilbereich der Delaminations-Schicht 3 durch
die Strahlung, welche schematisch durch die Pfeile dargestellt ist,
getroffen wird. Zur Strukturierung der Delaminations-Schicht 3 sind auch
andere Strukturierungsmethoden denkbar. Beispielsweise ist auch
eine scannende Direktbelichtung möglich, wie sie beispielsweise
mit einem Laser durchgeführt
werden kann.
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1d zeigt
schematisch die Seitenansicht des Schaltungsträgers, der jetzt eine strukturierte Delaminations-Schicht 3 aufweist.
Die Delaminations-Schicht 3 bedeckt jetzt nur noch einen
Teilbereich der zweiten Metallisierungsebene 2. Zu dem
in 1d dargestellten Leiterplatte kann man nicht nur über das
in 1b und 1c dargestellten
subtraktive Verfahren gelangen, sondern auch alternativ über additive
Verfahren. Hier wäre
beispielsweise das Sieb- oder Schablonendruckverfahren oder auch das
Auftragen mittels Inkjet zu nennen. Für die additiven Verfahren können auch
nicht lichtempfindliche Substanzen verwendet werden.
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In 1e wird
nun auf den in 1d dargestellten Leiterplatte
eine Deckschicht 4 über
die freien Teilbereiche der zweiten Metallisierungsebene 2 und über die
Delaminations-Schicht 3 aufgebracht. Auf der Deckschicht 4 befindet
sich eine erste Metallisierungsebene 5. Das Aufbringen
kann beispielsweise über
Laminieren erfolgen. Die Schichtenfolge Deckschicht 4 und
erste Metallisierungsebene 5 kann auch in zwei getrennten
Verfahrensschritten aufgebracht werden. Hierzu kann die Deckschicht 4,
welche ein organisches Material umfasst, beispielsweise durch Gießen, Aufschleudern
oder Laminieren aufgebracht werden. In einem zweiten nachfolgenden Verfahrensschritt
kann dann die erste Metallisierungsebene 5 auf die Deckschicht 4 aufgebracht
werden. Soll die Schichtenfolge Deckschicht 4 und erster Metallisierungsebene 5 in
einem Verfahrensschritte aufgebracht werden, so kann hierfür beispielsweise ein
glasfaserverstärktes
Epoxidbasismaterial verwendet werden, welches auf einer Seite eine
Metallisierung aufweist, welche beispielsweise eine dünne Kupferfolie
sein kann. Die erste Metallisierungsebene 5 hat vorzugsweise
eine Dicke im Bereich von 3 bis 20 μm. Die Deckschicht 4 hat
vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 bis 100 μm. Für die Deckschicht 4 kann
beispielsweise auch ein harzartiges Material verwendet werden, welches
im oder nach dem Auftragungsprozess noch mit weiteren Verstärkungselementen
versehen werden kann. Für
die Deckschicht 4 eignet sich beispielsweise auch ein Polyimid-basiertes Material,
welches zusätzlich
eine Kupferkaschierung aufweisen kann.
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In 1f ist
eine Leiterplatte dargestellt, auf den jetzt die Deckschicht 4 und
die erste Metallisierungsebene 5 aufgebracht wurden. Es
ist zu sehen, dass die Deckschicht 4 über der Delaminations-Schicht 3 eine
deutlich geringere Dicke aufweist, als in den Teilbereichen, wo
sie auf der zweiten Metallisierungsebene 2 aufliegt. Es
sind auch Ausführungsformen
denkbar, in denen über
der Delaminations-Schicht 3 keine
Deckschicht 4 aufgebracht ist, sondern direkt die erste
Metallisierungsebene 5 auf der Delaminations-Schicht 3 angeordnet
ist. Nach dem Auflaminieren oder Verpressen der Deckschicht 4 kann
auch ein weiterer Härtungsschritt
der Deckschicht folgen.
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In 1g wird
eine Leiterplatte dargestellt, bei dem ein kleiner Teilbereich der
ersten Metallisierungsebene 5 entfernt wurde. Durch das
Entfernen ist eine kleine Öffnung 20a in
der ersten Metallisierungsebene 5 entstanden, welche über der
Delaminations-Schicht 3 angeordnet ist. Das Entfernen des Teilbereichs
der ersten Metallisierungsebene 5 kann beispielsweise über einen
Fotostrukturierungsschritt und einem anschließenden Ätzschritt erfolgen.
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In 1h ist
ein Leiterplatte dargestellt, bei dem die unter der Öffnung 20a liegende
Deckschicht 4 entfernt wurde, so dass ein Graben 20b entstanden ist.
Der Graben 20b kann, wie in 1h dargestellt, auch
in die Delaminations-Schicht 3 hineinreichen. Für das Erzeugen
des Grabens 20b kann beispielsweise ein Ätzverfahren
verwendet werden, wie beispielsweise ein Plasmaätzverfahren. Für das Ätzverfahren
kann die erste Metallisierungsebene 5 als Maske dienen.
Zur Erzeugung des Grabens kann auch ein Laser verwendet werden.
Die in 1g und in 1h dargestellten
Verfahrensschritte können auch
in einem gemeinsamen Verfahrensschritt durchgeführt werden.
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In 1i ist
eine Leiterplatte dargestellt, bei der die Delaminations-Schicht 3 entfernt
wurde, so dass ein Freiraum 7 entstanden ist. Die Delaminations-Schicht 3 kann
beispielsweise durch ein Herauslösen
oder Herausätzen
oder durch ein thermisches Verfahren entfernt werden. Das Material
der Delaminations-Schicht 3 kann je nach verwendeter Technik hierbei
aufgequollen, aufgeschäumt
oder zersetzt werden. Durch das Entfernen der Delaminations-Schicht 3 ist
der flexible Bereich 10 ausgebildet worden. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Deckschicht 4 und die zweite Metallisierungsebene 2 in
dem flexiblen Bereich 10 als Zunge 6 ausgeformt. Der
Schaltungsträger 1 unter
dem Freiraum 7 ist starr, also nicht flexibel.
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Die 2 zeigt
eine Aufsicht auf eine Leiterplatte. Bei dieser Leiterplatte könnte es
sich beispielsweise um eine solche handeln, wie sie in 1i dargestellt
ist. Dargestellt ist die Deckschicht 4, auf der die erste
Metallisierungsebene 5 aufgebracht ist. Die Deckschicht 4 und
die erste Metallisierungsebene 5 umfassen einen flexiblen
Bereich 10. Der flexible Bereich 10 ist u-förmig nach
drei Seiten durch den Graben 20b begrenzt. Durch den Graben 20b sieht man
die darunter liegende Delaminations-Schicht 3, die wie
gesagt noch durch diesen Graben 20b hindurch entfernt werden
kann. Die erste Metallisierungsebene 5 ist hier als ein
Paar Leiterbahnen ausgeformt, die jeweils in einer Kontaktfläche 9 enden. Nach
dem Entfernen der Delaminations-Schicht 3 ist die
Flexibilität
des Bereiches innerhalb des Grabens 20b nochmals deutlich
erhöht.
Somit sind auch die beiden Kontaktflächen 9 am Ende der
ersten Metallisierungsebene 5 flexibel. Die mechanischen
Eigenschaften des flexiblen Bereiches 10 werden in diesem
Ausführungsbeispiel überwiegend
durch die Struktur der ersten Metallisierungsebene 5 und
deren Dicke bestimmt. Eine weitere Flexibilisierung besonders gegenüber Zug-
und Schubspannungen in der Ebene kann durch entsprechende Ausformung
der Leiterbahnen der ersten Metallisierungsebene 5, wie sie
in 2 dargestellt sind, erzielt werden.
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In 3 ist
als Aufsicht eine weitere Ausführungsform
der Leiterplatte dargestellt. Neben den Elementen, wie sie in 2 zu
sehen sind, umfasst die Ausführungsform
in 3 zusätzlich
noch Aussparungen 50. Während
der Graben 20b in 2 den flexiblen
Bereich 10 umgibt, dient er auch dazu, die Delaminations-Schicht 3 herauslösen zu können. Die
Aussparungen in 3 haben zusätzlich noch die Funktion, die
Flexibilität
des flexiblen Bereichs 10 zu erhöhen. Um die Montage eines elektronischen Bauelements
auf der Leiterplatte zu erleichtern, werden die Verbindungen des
Bauelement zur Leiterplatte beispielsweise mittels Bonddrähten, Verlötungen oder
Thermosonic-Flipchip-Verbindungen vorzugsweise vor dem Entfernen
der Delaminations-Schicht 3 durchgeführt, da diese, solange sie
noch vorhanden ist den flexiblen Bereich 10 stabilisiert.
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Die 4 zeigt
eine besondere Ausführungsform
der Leiterplatte. Die Ausführungsform
umfasst einen Schaltungsträger 1,
eine zweite Metallisierungsebene 2, eine Deckschicht 4,
sowie eine erste Metallisierungsebene 5. Bei dieser Ausführungsform
ist im flexiblen Bereich 10 keine Deckschicht 4 mehr
vorhanden. Der flexible Bereich 10 umfasst somit nur die
erste Metallisierungsebene 5. Der Freiraum 7 ist
in dieser Ausführungsform
als Kanal 35 ausgeformt. Der Kanal 35 kann über den
Einlass 25a mit Flüssigkeiten
oder Gasen gefüllt
werden, welche über
den Auslass 25b den Kanal 35 wieder verlassen können. Oberhalb
des Kanals 35 ist auf der ersten Metallisierungsebene 5 ein
elektronisches Bauelement 30 angeordnet. Der Kanal 35 kann
beispielsweise dafür
verwendet werden, das elektronische Bauelement 30 zu kühlen. Da
die erste Metallisierungsebene 5 aus Metall besteht, kann
sie beispielsweise gut die Wärme
des elektronischen Bauelements 30 an beispielsweise eine
Kühlflüssigkeit,
welche durch den Kanal 35 strömt, weiterleiten.
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In 5 ist
eine Ausführungsform
der Leiterplatte dargestellt, bei der der flexible Bereich 10 auf einen
Randbereich beschränkt
ist, der um den Freiraum 7 herum verläuft.
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Die 6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Leiterplatte, wie sie aus der in 1i dargestellten Leiterplatte
hervorgehen könnte.
Hierzu wurde in einem weiteren Verfahrensschritt die dem flexiblen
Bereich entsprechende Zunge 6 aus der Ebene der Deckschicht 4 herausgebogen.
Die Flexibilität
der Zunge 6 kann vor dem Herausbiegen durch Ausarbeiten
von Aussparungen 50 (siehe 3) verbessert
werden. Des Weiteren kann auch der noch dünne Rest der Deckschicht 4 im
Bereich der Biegeachse entfernt werden.
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7 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Zunge 6 soweit aus der Ebene der Deckschicht 4 herausgebogen
ist, dass sie jetzt senkrecht zur Deckschicht 4 steht.
Das ermöglicht
es jetzt, dass auf dem Leiterplatte Elemente 40 angeordnet
werden können, die
in alle drei Raumrichtungen (x, y, z) gerichtet sind. Hierbei kann
das Element 40 z schon vor dem Entfernen der Delaminations-Schicht 3 beziehungsweise dem
Herausbiegen der Zunge 6 montiert werden. Somit entfallen
die prozesstechnischen Herausforderungen, die nötig wären, ein solches Element erst
an einem Bauelement anzubringen, welches bereits in der z-Dimension
ausgeformt ist. Bei den Elementen 40 kann es sich beispielsweise
um richtungsabhängige
Sensoren, Anzeigen oder Aktoren handeln. Die dargestellte Anordnung
ermöglicht
dann beispielsweise die Detektion von Bewegung in alle Dreiraumrichtungen.
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In 8a und 8b sind
zwei Ausführungsformen
der Leiterplatte dargestellt, welche noch zusätzlich jeweils eine Kappe 45 umfassen.
In 8a ist das Bauelement aus 7 dargestellt, welches
zusätzlich
noch durch die Kappe 45 alle drei Elemente 40 komplett
umschließt.
Die 8b zeigt eine weitere Ausführungsform, welche nur zwei
Elemente 40 aufweist, die durch eine Kappe 45 umschlossen
werden, welches nur einen Teilbereich der Leiterplatte umschließt.
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Die 9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte, bei der die Zunge 6 um 180° aus ihrer
ursprünglichen
Position herausgebogen wurde. Die Zunge 6 reicht hierdurch
jetzt über
den äußeren Rand
der Leiterplatte hinaus. Hierdurch kann die Zunge 6 jetzt
beispielsweise als externe Verbindung z. B. zur elektrischen Verschaltung
genutzt werden. So können
beispielsweise auf einfache Weise Verbindungen zu anderen Leiterplatten
hergestellt werden. Des Weiteren kann die Zunge 6 auch
als Heizfolie, Antenne, kapazitiver oder induktiver Sender/Empfänger genutzt
werden.
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In
den 10a bis 10c ist
eine weitere Variante eines Herstellungsverfahrens dargestellt. Die 10a zeigt einen Schaltungsträger 1 und darauf angeordnet
eine zweite Metallisierungsebene 2. In 10b ist eine Leiterplatte dargestellt, die eine Vertiefung 8 aufweist.
Diese Leiterplatte könnte
beispielsweise aus der Leiterplatte, wie sie in 10a dargestellt ist, durch ein Herausfräsen oder Ätzen der Vertiefung 8 hergestellt
werden. Die Vertiefung 8 kann aber beispielsweise auch
mit Hilfe einer Lasertechnik gefertigt werden. Die in 1c dargestellte Leiterplatte
weist jetzt zusätzlich
noch eine Deckschicht 4 mit einer ersten Metallisierungsebene 5 auf. Dadurch
dass die Deckschicht 4 nur mit der zweiten Metallisierungsebene 2 in
Kontakt steht und nicht in die zuvor gefertigte Vertiefung 8 hineinragt,
bildet diese einen Freiraum 7 aus. Bei diesem Herstellungsverfahren
wird also ein Freiraum 7 ausgebildet, ohne dass eine Opferschicht
speziell dafür
aufgetragen wird und später
wieder entfernt werden muss. Die Deckschicht 4 der ersten
Metallisierungsebene 5 kann beispielsweise auf die zweite
Metallisierungsebene 2 auflaminiert werden. Damit die Deckschicht 4 nicht
in die Vertiefung 8 fließt, können für die Deckschicht 4 beispielsweise
so genannte No-Flow-Laminate verwendet werden. Solche No-Flow-Laminate können beispielsweise
auf Harz- oder Epoxidbasis gefertigt sein. Sie können des Weiteren zur Verstärkung ein
stabilisierendes Gewebe oder auch andere Verstärkungselemente aufweisen. Ein
mögliches
Material das beispielsweise für
die Deckschicht 4 verwendet werden könnte ist FR406NF der Firma
Isola. In 10c ist eine Ausführungsform
dargestellt bei der sowohl auf der Oberseite wie auch auf der Unterseite
eine Deckschicht 4 aufgebracht wurde. Dieser symmetrische
Aufbau sorgt beispielsweise dafür, dass
es in der Leiterplatte nicht zu Verspannungen kommt. Dies Verspannungen
können
beispielsweise dadurch entstehen, dass für den Schaltungsträger 1 und
die Deckschicht 4 unterschiedliche Materialien verwendet
werden.
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In
den 11a bis 11d ist
jeweils der flexible Bereich 10 einer Leiterplatte schematisch
in der Aufsicht für
verschiedene Prozessstufen dargestellt. In 11a ist
der flexible Bereich 10 mit der Deckschicht 4 und
der darauf aufgebrachten ersten Metallisierungsebene 5 dargestellt.
Die erste Metallisierungsebene 5 ist hierbei zu Leiterbahnen
und Kontaktflächen 9 ausgeformt.
In 11b wurde die Flexibilität der Bereiche, in denen sich
die Kontaktflächen 9 der
ersten Metallisierungsebene 5 befinden, durch Aussparungen 50 erhöht. Das
Fertigen der Aussparungen 50 kann beispielsweise mit Hilfe
eines Lasers geschehen. Die Flexibilität der Deckschicht 4 in
den Bereichen, in denen sich die Kontaktflächen befinden, ist jedoch hier
noch eingeschränkt,
da diese Teilbereiche über
die Ecken noch jeweils mit der Umgebung verbunden sind. Dies verleiht
den schon flexiblen Teilbereichen noch eine gewisse Stabilität. Dies
ermöglicht
es jetzt, wie in 11c dargestellt, ein elektronisches
Bauteil 55 auf den flexiblen Bereich 10 der Leiterplatte
aufzusetzen und über
die Kontaktflächen 9 elektrisch
zu kontaktieren. Dazu kann beispielsweise auch eine Lotpaste verwendet werden.
Aus Gründen
der Übersicht
ist das elektronische Bauteil 55 nur mit seinem Umriss
dargestellt. Wie in 11d dargestellt werden nach
dem Aufsetzen des elektronischen Bauteils 55 noch weitere
Aussparungen 60 gefertigt. Durch diese weiteren Aussparungen
haben die flexiblen Bereiche, in denen sich die Kontaktflächen 9 befinden, über die
Ecken jetzt keine Anbindung mehr zu ihrer Umgebung. Die Flexibilität dieser
Teilbereiche wurde durch die zusätzlichen
Aussparungen 60 noch einmal deutlich erhöht. Somit
steht das elektronische Bauteil 55 mit der Leiterplatte
nur über
sehr flexible Elemente in Verbindung. Durch die Aussparungen 50 und 60,
sowie durch die geschwungene Führung
der Leiterbahnen, wird zusätzlich
die Nachgiebigkeit des flexiblen Bereiches 10 gegenüber Zugspannung
in Richtung der Leiterplattenebene erhöht.
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Bevorzugte
Kontaktierungsverfahren zwischen dem elektronischen Bauteil 55 und
den Kontaktflächen 9 sind
Löten,
Leitkleben, Thermosonic-Bonden und Thermokompressions-Bonden unter Zuhilfenahme
metallischer Verbindungshöcker
(Stud Bumps). Die beiden erstgenannten Verfahren lassen sich hierbei
problemlos auf den flexiblen Kontaktflächen 9 durchführen. Die
beiden letztgenannten Verfahren werden vorzugsweise angewandt, solange der
flexible Bereich 10 noch von der Delaminations-Schicht 3 gestützt wird,
da hierbei erhebliche senkrechte Kräfte wirken.
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Im
Folgenden werden noch weitere Ausführungsformen beschrieben, welche
nicht als Figuren dargestellt sind.
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Eine
Leiterplatte kann auch einen Schaltungsträger 1 umfassen, der
auf zwei gegenüber
liegenden Seiten flexible Bereiche 10 aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Leiterplatte zusätzlich
eine Barriereschicht, welche zwischen der Delaminations-Schicht 3 und
der Deckschicht 4 angeordnet ist. Diese Barriereschicht kann
beispielsweise einen Lack oder ein Metall umfassen. Eine solche
zusätzliche
Barriereschicht kann mögliche
Einflüsse
der Deckschicht 4 bei dessen Härtung auf die Delaminations-Schicht 3 verhindern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird eine Delaminations-Schicht 3 in
der Leiterplatte ausgeformt, diese aber nicht wieder entfernt. Für die in
der Leiterplatte verbleibende Delaminations-Schicht 3 kann
beispielsweise ein Material verwendet werden, auf dem die Deckschicht 4 nicht
haftet. Hierzu können
beispielsweise florierte Polymere wie PTFE verwendet werden. Dadurch,
dass zwischen der Delaminations-Schicht 3 und
der darüber
angeordneten Deckschicht 4 keine Haftung besteht, kann
der flexible Bereich 10 aus der Ebene der Deckschicht 4 in
die der Delaminations-Schicht 3 abgewandten Richtung bewegt
werden. Des Weiteren kann der flexible Bereich durch Knickung oder
Stauchung auch in Richtung der Leiterplattenebene wirkenden Druckspannungen
ausweichen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der flexible Bereich 10 nur die erste Metallisierungsebene 5 und
keine Deckschicht 4. Die erste Metallisierungsebene 5 kann
jedoch auf ihrer oberen Seite durch eine zusätzliche Schicht stabilisiert
sein. Unterhalb der ersten Metallisierungsebene 5 befindet
sich eine korrespondierende Kontaktfläche, welche beispielsweise
in der zweiten Metallisierungsebene 2 ausgeformt sein kann.
Die korrespondierende Kontaktfläche
ist so angeordnet, dass beim Hineindrücken des flexiblen Bereichs 10 zwischen
der ersten Metallisierungsebene 5 bzw. dem Bereich, der
als Kontaktfläche 9 ausgebildet
ist, und der korrespondierenden Kontaktfläche ein elektrisch leitender
Kontakt hergestellt werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise
Drucktaster gefertigt werden.
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Der
flexible Bereich 10 kann auch mehrere erste Metallisierungsebenen 5 umfassen,
welche beispielsweise durch mehrere Deckschichten 4, welche zwischen
ihnen liegen, getrennt sein können.
Hierbei kann jede erste Metallisierungsebene 5 unterschiedlich
ausgeformt sein. Somit könnten
beispielsweise die in 11 dargestellten
vier Leiterbahnen sich in vier verschiedenen Ebenen befinden.
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Es
gibt Bauelement-Leiterplatten-Kombinationen, bei denen die Kontaktierung
der Bauelemente zurzeit nur mittels eines Bonddrahtes oder einer
anderen flexiblen Verbindung möglich
ist. Der Grund dafür
besteht darin, dass bei einer festen Verbindung, beispielsweise
eines direkten Anlötens
des Bauelements auf der Leiterplatte, im Bauelement zu starke mechanische
Spannungen auftreten würden.
Durch die entsprechende Ausführungsform
der Erfindung ist es jetzt auch möglich, solche Bauelemente über eine
starre Verbindung an die Leiterplatte anzubinden, wenn sich die
Kontaktpunkte auf der Leiterplatte in einem flexiblen Bereich befinden.
Die flexiblen Bereiche führen
dazu, dass in dem aufgebrachten Bauteil keine Spannungen auftreten.
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In
Ausführungsformen,
in denen der Freiraum 7 als Hohlraum ausgeformt ist, ist
in einer besonderen Ausführungsform
der Hohlraum mit einer weichen oder gallertartigen Masse ausgefüllt, so dass
der flexible Bereich 10, der in den Hohlraum hineingedrückt wird,
entweder stabilisiert oder zurückgefedert
wird.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination
von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den
Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.
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- 1
- Schaltungsträger
- 2
- zweite
Metallisierungsebene
- 3
- Delaminations-Schicht
- 4
- Deckschicht
- 5
- erste
Metallisierungsebene
- 6
- Zunge
- 7
- Freiraum
- 8
- Vertiefung
- 9
- Kontaktfläche
- 10
- flexibler
Bereich
- 15
- Maske
- 20a
- Öffnung
- 20b
- Graben
- 25a
- Einlass
- 25b
- Auslass
- 30
- elektronisches
Bauelement
- 35
- Kanal
- 40
- Element
- 45
- Kappe
- 50
- Aussparung
- 55
- elektronisches
Bauteil
- 60
- weitere
Aussparungen