DE102011109938A1

DE102011109938A1 - Klebstoffhärten bei gleichzeitiger Fixierung von Bauteilen auf einem Träger

Info

Publication number: DE102011109938A1
Application number: DE102011109938A
Authority: DE
Inventors: Oliver Wiesener; Winfried Langenkamp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Verfahren zur Befestigung von Bauteilen auf einer Folie, bei dem
1. mindestens ein Bauteil so auf einer Folie positioniert wird, dass sich zwischen dem Bauteil und der Folie ein Haftmaterial befindet,
2. das mindestens eine Bauteil mit einem nachgiebigen Schaum auf die Folie angedrückt wird, das Haftmaterial aus einem duktilen in einen gehärteten Zustand überführt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Bauteilen auf einem Träger.
Stand der Technik
Elektronische Schaltungen werden immer kleiner und dünner. Um weiteres Gewicht und Bauraum zu sparen, werden seit einigen Jahren Bauteile auf flexible Träger statt auf starren Platten aufgebracht. Dies ermöglicht die flexible Integration der Schaltung in eine Anwendung, die zum Beispiel in einem kleinen Gehäuse untergebracht ist.
Die Bauteile von Schaltungen haben unterschiedliche Geometrien: verschiedene SMD-Gehäusestandards, chip an board und verschiedene Sonderbauteile (z. B. Anzeigegeräte, Batterien, Stecker) sollen im fertigen Produkt eingesetzt werden.
Die elektrische und mechanische Kontaktierung der Bauteile kann über Lötprozesse stattfinden, wenn die Bauteile und die benutzte Folie durch die dabei auftretenden Temperaturen nicht geschädigt werden. Einige Bauteile, insbesondere solche, die organische Moleküle enthalten, werden durch die Temperaturen beim Löten geschädigt (z. B. OLEDs, OPV, Sensoren). Als Folie wird häufig Polyimid eingesetzt, da es bei den Löttemperaturen noch nicht geschädigt wird. Polyimid ist gelblich; wenn die Folie in der Endanwendung sichtbar sein soll, wird die Farbe möglicherweise als störend empfunden. Desweiteren sind diese Polymid-Folien in der Flexibilität eingeschränkt und werden schnell brüchig.
Alternativ können, wie z. B. beschrieben in "SMD an Foil 101: A Primer For Applying LEDs And Other Components To Membrane Switches", veröffentlicht im SGIA Journal, Second Quarter 2003, Leitkleber benutzt werden, um die Bauteile zu kontaktieren. Dort wird auch beschrieben, gedruckte Silberbahnen als Leiter zu benutzen und verschiedene Klebstoffmaterialien für ein Bauteil zu benutzen: einen ersten Klebstoff für die elektrischen Kontakte, einen zweiten Klebstoff zwischen diesen Klebstoffen, um Kurzschlüsse zwischen den Kontakten zu verhindern und das Bauteil an der Folie zu fixieren, und einen dritten Klebstoff, der über das Bauteil gegossen wird, um mechanische Spannungen aufzunehmen.
Der erste, elektrisch leitfähige Kleber kann dabei ein sogenannter ”isotrop leitender” oder ein ”anisotrop leitender” Klebstoff sein. In einem isotrop leitenden Klebstoff befinden sich so viele Metallpartikel, dass sich diese Partikel berühren und ein elektrischer Strom innerhalb des Klebstofffilms sowohl parallel zur Folienoberfläche als auch zwischen der Folie (und der darauf befindlichen Leiterbahn) und dem Bauteil fliessen kann. In einem anisotrop leitenden Klebstoff befinden sich weniger elektrisch leitende Partikel; diese Partikel berühren sich nicht, sodass kein Strom parallel zur Folienoberfläche fliessen kann. Die Partikel sind größer als die Dicke der Klebstoffschicht, sodass die Leiterbahn auf der Folie und das Bauteil elektrisch miteinander verbunden sind.
Zum Aushärten dieser Kleber kann ein Thermodenprozess eingesetzt werden. Dabei wird ein Stempel von oben unter Druck auf das Bauteil aufgedrückt, dann wird der Stempel und möglicherweise auch die Gegendruckplatte erhitzt und wieder abgekühlt. Anschließend wird der Stempel wieder abgenommen, das Bauteil und die Folie sind verklebt.
In US 2010/0288416 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein oder mehrere Halbleiterchips mit einer Dicke unter 200 μm von einem Thermodenkopf mit einer Elastomerfläche auf einer flexiblen Leiterplatte befestigt werden. Dort wird weiter beschrieben, dass die Thermodenseite eine geringere Temperatur haben kann als die Platte, auf der die Folie aufgelegt wird. Schließlich wird erwähnt, dass auf diese Art auch weitere elektronische Bauteile befestigt werden können.
Bei Thermodenprozessen muss für jedes Bauteilform eine passende Thermode benutzt werden. Teilweise ist die Bauform so, dass nicht alle Kontakte von oben geheizt werden können (z. B. bei großen Bauteilhöhen oder Hochleistungs-LEDs). Auch Thermodenköpfe mit Elastomerteilen können nur geringe Höhenunterschiede zwischen verschieden dicken Chips ausgleichen.
Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einer Thermode eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilen befestigen zu können, insbesondere mehrere verschiedene Bauteile gleichzeitig befestigen zu können.
Lösung
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bauteile von einem Schaum an der Oberfläche fixiert werden. Die Energie, die das Haftmaterial aushärtet, wird durch den Träger hindurch zugeführt.
Vorteile
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Schaum sich flexibel dem bearbeiteten Bauteil anpassen kann. Es ist daher nicht mehr nötig, für eine Vielzahl von verschiedenen Gehäuseformen passende Thermodenköpfe vorrätig zu halten und für den Kontaktierungsprozess einzeln einzurichten. Der für eine sichere elektrische Verbindung benötigte Druck wird durch den Schaum gleichmäßig aufrechterhalten. Da der Druck innerhalb des Schaums verteilt wird, ist es nicht nötig, die Andruckkraft passend zur Kontaktfläche der Bauteile einzustellen. So können sowohl sehr dünne (unter 400 μm) als auch dicke (über 5 mm) Bauteile mit dem gleichen Werkzeug bearbeitet werden.
Insbesondere ist es über die Erfindung möglich, eine komplette Schaltung aus vielen verschiedenen Bauteilen in einem Arbeitsschritt zu bearbeiten. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht sich damit, insbesondere wird eine Rolle-zu-Rolle Fertigung deutlich beschleunigt. Das ermöglicht Kosteneinsparung.
Wenn als Träger eine Folie benutzt wird, besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der Wärmetransport durch die Folie effizienter ist als durch das Bauteil. Dies führt auch dazu, dass die thermische Belastung für das Bauteil geringer ist als wenn der Klebstoff über das Bauteil geheizt wird. Dieser Vorteil wird um so größer, je dünner der Träger und je dicker das Bauteil ist.
Verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten
Das Haftmaterial, das die Bauteile am Träger befestigt, kann unter anderem eine Lotpaste sein, die Temperaturen über 150°C benötigt, um aus dem pastösen Zustand flüssig zu werden und die dann beim Abkühlen erstarrt. Auch verschiedene Klebstoffe sind möglich, die unterschiedlich aushärten können: thermisch (wobei die Wärme über Kontakt zugeführt wird, über Heißluft oder über IR-Strahlung), über UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung oder über Chemikalien wie den Wasserdampf in der Umgebungsluft (z. B. Cyanoacrylate).
Die elektrische Leitung kann auf unterschiedliche Weise hervorgerufen werden: der Klebstoff kann anisotrop oder isotrop leitend sein; er kann aber auch nicht leitend sein, dann berühren sich leitende Strukturen auf der Trägerseite und der Bauteilseite, der Klebstoff bewirkt die mechanische Stabilität der Verbindung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach dem ersten schnellen Härteschritt, der die Bauteile grob fixiert, eine weitere Reaktion abläuft, die den Klebstoff weiter härtet, ohne dass das Produkt aktiv bearbeitet werden muss.
Mögliche Träger für die Bauteile sind zum Beispiel starre Platinen (zum Beispiel aus Epoxidharzen, mehrschichtige Aufbauten aus Keramik- und Metalllagen), flexible Folien (zum Beispiel aus PE, PET, PEN, PES, PA, PI), Papier oder mehrschichtige Aufbauten aus Einzellagen (zum Beispiel beschichtete Papiere, Laminate aus Kunststoff- und Metallfolien).
Geeignete Bauteile sind zum Beispiel kleine Spritzgussteile, elektronische Bauteile wie SMD-Chips, Schalter, Batterien, Anzeigeelemente, Beleuchtungselemente, Sensoren, Aktoren, die unterschiedlich kombiniert werden.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Zeichnungen
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren beschrieben:
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens anhand von Längsschnitten der bearbeiteten Produkte.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens anhand von Längsschnitten der bearbeiteten Produkte.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Verfahrens anhand einer schematischen Darstellung einer Maschine, die das Verfahren anwendet.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Verfahrens anhand einer schematischen Darstellung einer Maschine, die das Verfahren anwendet.
1a) zeigt eine Polyimid-Folie (100) mit Leiterbahnen aus Kupfer (110). Auf die Kontaktstellen der Leiterbahnen wurde im Schablonendruck eine Lotpaste (120) aufgetragen und ein SMD-Bauteil (140) mit Beinen (130) aufgesetzt.
In Teilbild 1b) ist das SMD-Bauteil (140) von einem Schaum (150) auf die Folie (100) angedrückt und die Folie (100) ist auf eine Platte (160) aufgelegt. Durch den Druck, den der Schaum (150) auf das Bauteil (140) ausübt, wurden die Beine (130) in die Lotpaste (120) hereingedrückt.
Über die Platte (160) wird die Folie geheizt, sodass das Lot flüssig wird und die Beine (130) des Bauteils (140) sowie die Leiterbahnen (110) benetzt. Da das Bauteil (140) vom Schaum (150) fixiert wird, wird es sich beim Verflüssigen des Lotes nicht aufrichten (tombstoning).
Dann wird die Platte (160) gekühlt, der Schaum (150) hält das Bauteil (140) in seiner Position auf der Folie (100), bis das Lot fest ist. Schließlich wird der Schaum (150) vom Bauteil (140) abgehoben und die Platte (160) von der Folie entfernt.
In 2a) ist eine PET Folie (200) dargestellt, auf die Leiterbahnen (210) im Siebdruck aus Silberleitpaste aufgetragen wurden. Auf die Kontaktstellen der Leiterbahnen wurde aus einer Dosiernadel ein isotrop leitfähiger Klebstoff aufgetragen (220), auf eine Stelle zwischen den Kontaktstellen wurde ein nichtleitender Klebstoff (230) aufgetragen. Beide Klebstoffe härten unter Wärmezufuhr in kurzer Zeit aus.
In 2b) wurde das Bauteil (240) aufgesetzt. Der nichtleitende Klebstoff (230) verhindert dabei, dass die leitenden Klebstofftropfen (220) beim Aufsetzen ineinanderfliessen und einen Kurzschluss zwischen den Kontaktflächen erzeugen.
In 2c) wurde die Folie auf eine Heizplatte (260) aufgelegt und ein Schaum (250) auf das Bauteil (240) aufgedrückt. Die Hitze der Platte bewirkt nun, dass die Klebstoffe aushärten. Die Klebstoffe (220, 230) sind nun auch im heißen Zustand schon fester als vorher, daher wird das Bauteil (240) beim Entfernen der Folie (200) von der Heizplatte (260) nicht abgelöst.
Bei dem Verfahren gemäß Zeichnung 2a) bis 2c) können auch temperaturempfindlichere Folien (z. B. aus PET, PE, PEN, Papier, PES) benutzt werden, die im Lotverfahren nicht einfach nutzbar sind.
Da thermisch aushärtende Klebstoffe nicht abkühlen müssen, um Leiterbahn und Bauteilbeine miteinander zu verbinden, ist es nicht nötig, die Folie abkühlen zu lassen, bevor der Schaum, die Folie mit den befestigten Bauteilen, und die Heizplatte voneinander getrennt werden.
3 stellt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens anhand der Prinzipskizze einer Maschine dar, die das Verfahren anwendet. Eine Folie wird dabei in einer Abwickeleinheit (Ab) von einer Rolle abgewickelt und den weiteren Schritten zugeführt. Zunächst werden verschiedene Schichten im Flachbett-Siebdruck (D1, D2, D3) aufgetragen. Für den Siebdruck muss das Band regelmäßig angehalten werden, während das Material auf die Folie übertragen wird. Mögliche Schichten, die in diesen Druckwerken aufgetragen werden, sind:

– graphische Elemente,
– Leiterbahnen
– Widerstände
– Isolationen
– Sensoren
– Photovoltaik-Zellen
– druckbare Batterien
– organische Leuchtdioden
– Piezoelektrische Elemente

Im Anschluss an die druckbaren Elemente wird mit einem Klebstoffdispenser (K) ein unter UV-Licht aushärtender Leitkleber auf die Kontaktstellen aufgebracht. Danach werden in einem Bestückungsmodul (B) die elektronischen Bauteile aufgesetzt.
Im nächsten Schritt werden eine UV-transparente Platte (P) und eine Schaumplatte (5) von unten bzw. oben auf die Folie gedrückt, dabei wird der Klebstoff durch die Platte (P) und die Folie hindurch von UV-Licht aktiviert und teilausgehärtet. Die weitere Aushärtung des Klebstoffs, insbesondere in den Bereichen, die von den Leiterbahnen verschattet waren, findet langsamer statt, wenn die Bauteile die Anlage verlassen haben.
Schließlich wird die Folie mit den bedruckten Elementen und den verklebten Bauteilen auf einer Aufwickeleinrichtung (Af) zu einer Rolle aufgewickelt. Alternativ ist es auch möglich, die Folie in Bögen oder in Nutzen zu schneiden.
Beim hier beschriebenen Verfahren werden die druckbaren elektronischen Elemente in der gleichen Geschwindigkeit produziert, in der die weiteren elektronischen Bauteile bestückt werden und die Aushärtung stattfindet, da alle Schritte während eines Durchlaufs einer Folienbahn durch eine Maschine stattfinden. Diese Schritte können aber auch auf getrennten Maschinen stattfinden, dann können die einzelnen Prozessschritte auch unterschiedlich schnell ablaufen.
In 4 ist eine weitere Maschine skizziert, die das Verfahren anwendet. Wieder wird eine Folie von einer Abwickeleinheit (Ab) den weiteren Modulen zugeführt. Die Folie ist in dieser Maschine schon mit flächigen elektronischen Elementen, zumindest Leiterbahnen, ausgestattet.
Ein anisotrop leitender Kleber wird als Folienfilm aufkaschiert (LK) und die Abdeckung des Klebers abgezogen. In einem Bestückungmodul (B) werden Bauteile aufgesetzt, die zunächst durch den Klebefilm in ihrer Position festgehalten werden.
Danach wird ein Schaum (S) aufkaschiert. Der Schaum haftet an der folienzugewandten Seite am Leitklebefilm, auf der folienabgewandten Seite ist ein weiterer Klebstofffilm und eine Abdeckfolie aufgetragen.
Der Verbund aus Folie, Bauteilen und Schaum wird dann über eine beheizte Rolle (R) geführt. Der Druck auf die Bauteile wird dabei dadurch erzeugt, dass die Schaumaußenseite gedehnt werden muss. Die Dehnung der oberen Abdeckfolie bewirkt eine Kraft in Richtung auf die beheizte Rolle (R), sodass keine weitere Andruckrolle benötigt wird.
(Wenn die Rolle nur auf der Unterseite beheizt wird, kühlt sie bei einem Stillstand der Maschine ab, sodass das Material auf der Oberseite weniger stark belastet wird.)
Anschließend werden in einer Stanze (ST) einzelne Nutzen aus der Folie und dem Schaum ausgestanzt. Dabei wird die Abdeckfolie auf dem Schaum nicht durchgestanzt.
Im nächsten Schritt werden die nicht benötigten Teile der Basisfolie und des Schaums entgittert (EG), die Abdeckfolie des Schaums (450) ist dann die zusammenhängende Folienbahn, auf der sich klebend ausgestattete Nutzen (400) befinden.
Abschliessend wird diese Folie auf einer Aufwickeleinrichtung (Af) zu einer Rolle gewickelt.
In Teilbild 4b) ist ein Nutzen, wie er mit diesem Verfahren hergestellt wurde, dargestellt. Die bedruckte Folie (410) wurde mit elektronischen Bauteilen (420) bestückt. Die Unebenheiten aufgrund der Bauteile werden durch einen Schaum (430) ausgeglichen. Der Schaum (430) ist auf der den Bauteilen abgewandten Seite mit einem Haftklebstoff (440) ausgestattet. Der Haftklebstoff klebt auf einer silikonisierten Abdeckfolie (450), von der er einfach wieder abgezogen werden kann, um den Nutzen (400) an einer anderen Stelle aufzukleben.
Bei diesem Verfahren wird der Schaum nach seiner Verwendung beim Verkleben weiterbenutzt, um die Unebenheiten durch die Bauteile auszugleichen. Der resultierende Aufbau hat damit zwei ebene Oberflächen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0288416 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”SMD an Foil 101: A Primer For Applying LEDs And Other Components To Membrane Switches”, veröffentlicht im SGIA Journal, Second Quarter 2003 [0005]

Claims

Verfahren zur Befestigung von Bauteilen auf einer Folie, bei dem 1. mindestens ein Bauteil so auf einer Folie positioniert wird, dass sich zwischen dem Bauteil und der Folie ein Haftmaterial befindet, 2. das mindestens eine Bauteil mit einem nachgiebigen Schaum auf die Folie angedrückt wird, 3. das Haftmaterial aus einem duktilen in einen gehärteten Zustand überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1), wobei die Energie zum Härten des Haftmaterials durch die Folie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Bauteilen um elektronische Bauelemente, z. B. SMT-Bauteile, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haftmaterial eine Lotpaste ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haftmaterial ein Leitkleber ist.
Verfahren nach Anspruch 5), wobei der Leitkleber in Form von Klebepunkten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5), wobei der Leitkleber als Klebefilm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaum durch Zugabe von Füllstoffen hitzestabilisiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haftmaterial unter mehreren Bauteilen unterschiedlicher Abmessungen gleichzeitig gehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaum auf der Folie verbleibt.