DE102020111996A1

DE102020111996A1 - Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte und Leiterplatte mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil

Info

Publication number: DE102020111996A1
Application number: DE102020111996.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Holz; Manuel Schumann; Dieter Köhler
Original assignee: Unimicron Germany GmbH
Current assignee: Unimicron Germany GmbH
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-11-04
Also published as: WO2021224204A1; CN115553075A; PH12022552986A1; EP4147542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (1) mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil (2), wobei das elektronische Bauteil (2) eine Umhausung (3) und Kontaktanschlüsse (4) aufweist, die aus der Umhausung (3) herausragen, mit folgenden Schritten:
• Bereitstellen einer Trägerschicht (5),
• Bereitstellen einer Positionierungsschicht (6), die eine Ausnehmung (7, 7') aufweist, die größer als die entsprechende Grundfläche des elektronischen Bauteils (2) ist,
• Auflegen der Positionierungsschicht (6) auf die Trägerschicht (5),
• Einsetzten des elektronischen Bauteils (2) in die Ausnehmung (7, 7') in der Positionierungsschicht (6),
• Auflegen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (8) auf das elektronische Bauteil (2) und die das elektronische Bauteil (2) umgebende Positionierungsschicht (6),
• Auflegen einer elektrisch leitenden Schicht (9) auf die das elektronische Bauteil (2) abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (8),
• Verpressen der so erzeugten Schichtfolge (10),
• Einbringen von Bohrungen (11) in die verpresste Schichtfolge (10) im Bereich der Kontaktanschlüsse (4) des elektronischen Bauteils (2) bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse (4) und
• Metallisieren der Bohrungen (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil und eine Leiterplatte mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil.
Elektrische Leiterplatten, die manchmal auch als gedruckte elektrische Schaltungen bezeichnet werden, werden seit vielen Jahrzehnten in elektrischen Geräten, Maschinen, Anlagen und auch Kraftfahrzeugen als Träger elektronischer Komponenten eingesetzt. Es handelt sich hierbei üblicherweise um starre Leiterplatten, die einerseits diskrete Bauelemente und hoch integrierte Bauteile elektrisch miteinander verbinden und andererseits als Träger derselben fungieren. Die Leiterplatten bestehen zumeist aus einer oder mehreren Einzellagen, die zur Ausbildung von Leiterbahnen bzw. Leiterbildern ein- oder beidseitig kupferkaschiert sind. Bei mehrlagigen Leiterplatten sind die einzelnen Ebenen bzw. die auf den Einzellagen angeordneten Leiterbahnen durch metallisierte Bohrungen in der Leiterplatte miteinander elektrisch verbunden.
Da die Anzahl der auf einer Leiterplatte anzuordnenden elektrischen und elektronischen Bauteile stetig zunimmt und für Leiterplatten immer weniger Bauraum zur Verfügung steht, besteht bereits seit mehreren Jahren das Bedürfnis, eine immer höhere Integration und Packungsdichte auf den Leiterplatten zu ermöglichen. Um die Anzahl der elektronischen Bauteile zu erhöhen, die auf einer Leiterplatte einer bestimmten Größe angeordnet werden können, sind elektronische Bauteile mit immer kleineren Bauteilformen und kleineren Pitchmaßen der Anschlüsse entwickelt worden. Aber auch diese Maßnahmen reichen mittlerweile häufig nicht mehr aus, um alle erforderlichen elektronischen Bauteile auf den beiden äußeren Lagen einer Leiterplatte anordnen zu können.
Daher werden seit einigen Jahren elektrische oder elektronische Bauteile nicht nur auf den beiden äußeren Lagen einer Leiterplatte sondern auch im Inneren der Leiterplatte angeordnet bzw. eingebettet. Hierbei handelt es sich um aktive oder passive elektronische Bauelemente bzw. Bauteile, beispielsweise Halbleiter oder Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten, die in die Leiterplatte integriert werden. Durch das Einbetten der elektronischen Bauteile in die Leiterplatte kann die Anzahl der elektronischen Bauteile pro Leiterplatte weiter erhöht werden. Darüber hinaus hat die Einbettung von Bauteilen in einer Leiterplatte den Vorteil, dass die Bauteile vor Umwelteinflüssen und gegen Hochspannungen geschützt sind. Außerdem erfolgt durch die Einbettung zugleich auch eine bessere thermische Anbindung sowie eine Schirmung der Bauteile so dass entsprechende Anforderungen hinsichtlich EMV besser erfüllt werden können.
Das Anordnen bzw. Einbetten der elektronischen Bauteile in die Leiterplatte ist jedoch mit einem erhöhten Aufwand bei der Herstellung der Leiterplatte verbunden oder erfordert spezielle elektronische Bauteile, deren Beschaffung aufwändiger und deren Kosten höher sind, im Vergleich zu handelsüblichen elektronischen Bauteilen.
Bei einem aus der Praxis bekannten Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem eingebetteten elektronischen Bauteil wird zunächst das Bauteil mit einem leitfähigen Kleber auf einen strukturierten Leiterplattenkern geklebt. Der so bestückte Leiterplattenkern wird anschließend zu einem Multilayer verpresst, bevor weitere, bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten übliche Prozessschritte folgen. Bei diesem Verfahren werden ungehäuste elektronische Bauteile (bare dies) verwendet, deren Anschlusspads mit einer Goldschicht versehen sind, um eine ausreichende elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Einbettung von elektronischen Bauteilen in Leiterplatten werden Standard SMD-Bauteile verwendet, die zunächst im Reflow-Verfahren auf einen strukturierten Leiterplattenkern aufgelötet werden. Anschließend wird dieser so bestückte Kern zu einem Multilayer verpresst, bevor sich weitere Prozessschritte der Leiterplattenherstellung anschließen. Der Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Verfahren besteht darin, dass durch die Verwendung von Standard SMD-Bauteilen die Auswahl an geeigneten Bauteilen entsprechend hoch ist. Beide Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass mit dem Verkleben bzw. Verlöten der elektronischen Bauteile ein Arbeitsschritt erforderlich ist, der normalerweise bei der Herstellung einer Leiterplatte nicht vorgesehen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Leiterplatten mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil einfach und zuverlässig hergestellt werden können. Darüber hinaus soll eine Leiterplatte mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil angegeben werden, die einfach hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und bei der Leiterplatten gemäß Patentanspruch 11 unter anderem dadurch gelöst, dass als elektronische Bauteile Standardbauteile verwendet werden, die eine Umhausung und Kontaktanschlüsse aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei durch folgende Schritte gekennzeichnet:

• Bereitstellen einer Trägerschicht,
• Bereitstellen einer Positionierungsschicht, die eine Ausnehmung aufweist, die größer als die entsprechende Grundfläche des elektronischen Bauteils ist,
• Auflegen der Positionierungsschicht auf die Trägerschicht,
• Einsetzten des elektronischen Bauteils in die Ausnehmung in der Positionierungsschicht,
• Auflegen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht auf das elektronische Bauteil und die das elektronische Bauteil umgebende Positionierungsschicht,
• Auflegen einer elektrisch leitenden Schicht auf die das elektronische Bauteil abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht,
• Verpressen der so erzeugten Schichtfolge,
• Einbringen von Bohrungen in die verpresste Schichtfolge im Bereich der Kontaktanschlüsse des elektronischen Bauteils bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse und
• Metallisieren der Bohrungen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leiterplatte unterscheidet sich zunächst dadurch wesentlich von den bekannten Leiterplatten mit eingebetteten elektronischen Bauteilen, dass als elektronische Bauteile Standardbauteile verwendet werden, so dass eine ausreichend große Anzahl an geeigneten Bauteilen zur Verfügung steht. Dabei ist es auch nicht erforderlich, die elektronischen Bauteile weiter zu bearbeiten, beispielsweise mit entsprechenden leitfähigen Schichten zu versehen. Die Kontaktierung des eingebetteten Bauteils erfolgt über metallisierte Bohrungen, die zumindest bis auf die Kontaktanschlüsse des Bauteils reichen. Die Kontaktanschlüsse können dabei nur auf einer Seite des Bauteils oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Bauteils angeordnet sein. Ebenso können die Kontaktanschlüsse auch aus der Umhausung des Bauteils herausgeführt und seitlich am Gehäuse angeordnet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann darüber hinaus auf ein Verlöten oder Verkleben des einzubettenden Bauteils auf einer elektrisch leitenden Schicht der Leiterplatte verzichtet werden. Das einzubettende Bauteil kann vielmehr einfach dadurch positioniert werden, dass es in die entsprechende Ausnehmung in der Positionierungsschicht eingesetzt wird. Hierzu ist die Ausnehmung in der Positionierungsschicht mit ihren Abmessungen an die Außenabmessungen des elektronischen Bauteils angepasst. Das Einsetzen der elektronischen Bauteile in die Ausnehmung kann dabei sowohl von Hand als auch automatisiert erfolgen, wenn beispielsweise mehrere Leiterplatten gleichzeitig in einem entsprechenden Nutzen hergestellt werden. Der Aufbau der einzelnen Leiterplatten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die einzelnen Schichten in einem Registriersystem übereinander positioniert werden. Zur genauen Positionierung der einzelnen Schichten übereinander können im Randbereich der einzelnen Schichten bzw. Nutzen entsprechende Ausnehmungen ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schichten der Leiterplatte nacheinander übereinander gelegt, wobei in einem Zwischenschritt das einzubettende elektronische Bauteil in die Ausnehmung der Positionierungsschicht eingesetzt und dabei auf die Trägerschicht aufgesetzt wird. Anschließend wird das so eingesetzte Bauteil von mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt, bevor eine äußere elektrisch leitende Schicht als obere Schicht aufgelegt wird. Die so erzeugte Schichtfolge mit dem eingebetteten elektronischen Bauteil wird anschließend verpresst, wodurch das Bauteil in seiner Position fixiert und gleichzeitig die einzelnen Schichten der Leiterplatte miteinander mechanisch verbunden werden. Selbstverständlich kann in einer Leiterplatte auch mehr als ein elektronisches Bauteil eingebettet werden. Die Positionierungsschicht weist dann eine der Anzahl der einzubettenden Bauteile entsprechende Anzahl an Ausnehmungen auf, die jeweils an die Außenabmessungen der einzelnen Bauteile angepasst sind.
Zur elektrischen Kontaktierung des eingebetteten elektronischen Bauteils werden anschließend Bohrungen in die verpresste Schichtfolge im Bereich der Kontaktanschlüsse des elektronischen Bauteils eingebracht. Die Bohrungen weisen zumindest eine solche Tiefe auf, dass die Kontaktanschlüsse angebohrt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei der nachfolgenden Metallisierung der Bohrungen eine gute elektrische Anbindung der einzelnen Kontaktanschlüsse gewährleistet ist.
Bei den in die Leiterplatte eingebrachten Bohrungen handelt es sich vorzugsweise um Sacklöcher, die einige Mikrometer in die Kontaktanschlüsse eindringen. Daneben könnten die Bohrungen jedoch auch als Durchgangsbohrungen ausgebildet werden, wobei auch in diesem Fall die elektrische Anbindung der Kontaktanschlüsse an die zumindest eine äußere elektrisch leitende Schicht durch Metallisieren der Bohrungen erfolgt.
Dadurch, dass das elektronische Bauteil in der Leiterplatte eingebettet ist, kann nicht nur eine höhere Packungsdichte der Leiterplatte erreicht werden, es ist auch eine verbesserte Abführung von im Bauteil entstehender Wärme über das das Bauteil unmittelbar umgebende Material möglich. Dies führt zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit des Bauteils. Die Einbettung des Bauteils hat darüber hinaus den Vorteil, dass die durch die Leiterplatte realisiert Schaltung nicht unmittelbar erkennbar ist, so dass ein verbesserter Plagiatsschutz gegeben ist.
Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte dient die Trägerschicht zunächst als unterste Schicht beim Aufbau der Leiterplatte, sodass die Trägerschicht eine ausreichende Stabilität aufweisen sollte. Bei der Trägerschicht kann es sich um eine isolierende Schicht handeln, beispielsweise um ein ausgehärtetes Basismaterial. Als Basismaterial kann ein Verbundwerkstoff verwendet werden, der aus einem Duroplast und einem Verstärkungsmaterial auf Basis unterschiedlicher Glasfasergewebearten besteht. Besteht die Trägerschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, so werden die Bohrungen von der oberen, elektrisch leitenden Schicht in die Schichtfolge eingebracht, sodass sich die Bohrungen durch die elektrisch leitende Schicht und die das elektronische Bauteil abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse des Bauteils erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Leiterplatte weist die Trägerschicht eine elektrisch leitende Schicht und eine elektrisch isolierende Schicht auf. Die elektrisch isolierende Schicht ist dabei zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Bauteil bzw. der Positionierungsschicht angeordnet, sodass die elektrisch leitende Schicht die äußere, untere Schicht bildet. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung weist die Leiterplatte somit zwei elektrisch leitende Schichten als äußere Schichten auf, bei denen es sich insbesondere um Kupferfolien handeln kann. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung der Leiterplatte können die Bohrungen nur von einer Seite in die Schichtfolge eingebracht werden, wobei in diesem Fall die Bohrungen sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite eingebracht werden können, da sowohl die Oberseite als auch die Unterseite von einer elektrisch leitenden Schicht gebildet wird, sodass in beiden Fällen eine Anbindung der Kontaktanschlüsse über die metallisierten Bohrungen mit einer äußeren elektrisch leitenden Schicht möglich ist. Weist die Trägerschicht eine elektrisch leitende Schicht auf, so können sich somit zumindest ein Teil der Bohrungen auch durch die Trägerschicht erstrecken.
Insbesondere in dem Fall, dass das elektronische Bauteil sowohl auf seiner Oberseite als auch auf seiner Unterseite mindestens einen Kontaktanschluss aufweist, ist dabei vorgesehen, dass in die verpresste Schichtfolge von beiden Seiten, als sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite, Bohrungen im Bereich der Kontaktanschlüsse eingebracht werden, die jeweils bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse reichen. Die Bohrungen weisen dabei jeweils zumindest eine solche Tiefe auf, dass die der jeweiligen elektrisch leitenden Schicht zugewandte Oberseite der Kontaktanschlüsse angebohrt wird. Die Kontaktierung der einzelnen Kontaktanschlüsse erfolgt dabei bevorzugt von der Seite der Schichtfolge, zu der der Kontaktanschluss den geringeren Abstand hat, sodass die einzubringenden Bohrungen eine möglichst geringe Tiefe aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte dient die Positionierungsschicht zur Positionierung eines einzubettenden Bauteil bei der Herstellung der Leiterplatte. Durch die Ausnehmung in der Positionierungsschicht, in die das Bauteil vor dem Verpressen eingesetzt wird, wird die Position des Bauteil so genau festgelegt, dass beim Einbringen der Bohrungen nach dem Verpressen sichergestellt ist, dass mit den Bohrungen die Kontaktanschlüsse auch kontaktiert werden. Durch die Positionierungsschicht wird das eingesetzte Bauteil somit positioniert und in seiner Position fixiert.
Grundsätzlich kann die Positionierungsschicht aus einer einzigen elektrisch isolierenden Schicht bestehen, deren Dicke dann an die Dicke des Bauteils angepasst ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Positionierungsschicht jedoch mindestens zwei elektrisch isolierende Schichten auf, wobei die elektrisch isolierenden Schichten jeweils eine Ausnehmung für das elektronische Bauteil aufweisen. Durch die Verwendung von mindestens zwei isolierenden Schichten für die Positionierungsschicht besteht die Möglichkeit, die beiden Schichten so zu wählen, dass sowohl die Positionierung des Bauteils beim Einsetzen als auch die Fixierung des Bauteils beim Verpressen optimal erfolgen kann. Insbesondere können hierfür zwei Schichten verwendet werden, die unterschiedlich starr bzw. ausgehärtet sind. Vorzugsweise wird für mindestens eine elektrisch isolierende Schicht der Positionierungsschicht ein Prepreg und für mindestens eine elektrisch isolierende Schicht der Positionierungsschicht ein ausgehärtetes Basislaminat verwendet wird.
Als Prepreg wird in der Regel ein mit Harz getränktes Glasfasergewebe angesehen, das zwar getrocknet aber noch nicht ausgehärtet ist. Durch die Verwendung mindestens eines Prepregs als isolierende Schicht steht beim Verpressen der fertigen Schichtfolge ausreichend Harz, zumeist Epoxidharz, zur Verfügung, sodass das in die Ausnehmung der Positionierungsschicht eingesetzte elektronische Bauteil in seiner Position fixiert wird. Darüber hinaus verbessert die Verwendung mindestens eines Prepregs auch die mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Schichten. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher auch für die das elektronische Bauteil abdeckende isolierende Schicht und ggf. auch für die isolierende Schicht der Trägerschicht ein Prepreg verwendet.
Das im Vergleich zum nicht ausgehärteten Prepreg verwendete ausgehärtete Basislaminat für mindestens eine zweite isolierende Schicht der Positionierungsschicht dient zur Sicherstellung der ausreichenden Stabilität der Leiterplatte sowie zur Gewährleistung einer sicheren Positionierung des einzubettenden elektronischen Bauteils in der Ausnehmung der Positionierungsschicht vor dem Verpressen. Als ausgehärtetes Basislaminat kann ein Verbundwerkstoff verwendet werden, der aus einem Duroplast und einem Verstärkungsmaterial auf Basis unterschiedlicher Glasfasergewebearten besteht. Bei dem Basislaminat kann es sich beispielsweise um ein FR4-Basislaminat handeln, wie es bei der Herstellung von Leiterplatten umfangreich eingesetzt wird.
Sowohl für das Prepreg als auch für das ausgehärtete Basislaminat können neben mit Epoxidharz getränkten Glasfasergeweben auch andere geeignete Materialen verwendet werden, beispielsweise Duroplaste mit einem hohen Tg-Wert (Glasübergangstemperatur-Wert). Um die zuvor beschriebenen Vorteile zu erreichen, sollte dabei zumindest eine isolierende Schicht noch nicht ausgehärtet sein und mindestens eine isolierende Schicht der Positionierungsschicht ausgehärtet sein.
Weist die Positionierungsschicht mehrere elektrisch isolierende Schichten auf, die jeweils eine entsprechende Ausnehmung aufweisen, so werden diese bei der Herstellung der Positionierungsschicht nacheinander auf die erste, untere isolierende Schicht aufgelegt. Die in den einzelnen elektrisch isolierenden Schichten ausgebildeten Ausnehmungen sind dabei jeweils an die entsprechende Außenabmessungen des elektronischen Bauteils angepasst, wobei die Ausnehmung stets etwas größer als die entsprechende Außenabmessungen gewählt wird. Dabei kann die oberste isolierende Schicht insbesondere eine größere Ausnehmung aufweisen als die darunter angeordnete elektrisch isolierende Schicht.
Die elektrisch isolierenden Schichten der Positionierungsschicht müssen nicht vollständig aus isolierenden Material bestehen. So ist es beispielsweise möglich, dass auf der Unterseite und/oder der Oberseite mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht mindestens ein elektrisch leitender Abschnitt, insbesondere mindestens eine Leiterbahnen, angeordnet ist. Also elektrisch isolierende Schichten können somit auch Standard-Leiterplatten verwendet werden, bei denen entsprechende Leiterbahnen auf der Unterseite und/oder der Oberseite aufgebracht sind.
Wenn, wie zuvor ausgeführt worden ist, mehrere elektrisch isolierende Schichten übereinander angeordnet sind, die jeweils eine Ausnehmung für das elektronische Bauteil aufweisen, so wird vorzugsweise für mindestens eine dieser elektrisch isolierenden Schichten ein Prepreg und für mindestens eine andere der elektrisch isolierenden Schichten ein ausgehärtetes Basismaterial verwendet. Bei Verwendung von beispielsweise drei elektrisch isolierenden Schichten, die jeweils eine Ausnehmung aufweisen, kann vorzugsweise die mittlere isolierende Schicht aus einem Prepreg bestehen, während für die beiden äußeren isolierenden Schichten jeweils ein ausgehärtetes Basismaterial verwendet wird.
Gemäß einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst in einem ersten Schritt in die isolierenden Schichten der Positionierungsschicht, in die das elektronische Bauteil eingesetzt wird, entsprechende Ausnehmungen eingebracht, so dass diese elektrisch isolierenden Schichten mit der Ausnehmung entsprechend vorbereitet sind, bevor die einzelnen Schichten aufeinander gelegt werden. Die Ausnehmungen in den elektrisch isolierenden Schichten können dabei insbesondere geätzt, gefräst, gestanzt oder durch Laserschneiden hergestellt werden. Je nach Ausgestaltung der Ausnehmung ist auch eine Kombination der zuvor beschriebenen Verfahren möglich.
Um das Einsetzen eines einzubettenden elektronischen Bauteils in die Ausnehmung zu erleichtern, ist die Ausnehmung in der jeweiligen elektrisch isolierenden Schicht etwas größer als die entsprechende Außenabmessungen des elektronischen Bauteils. Hierzu ist zwischen dem eingesetzten elektronischen Bauteil und der das elektronische Bauteil umgebenden mindestens einen isolierenden Schicht im noch nicht verpressten Zustand ein definierter Abstand vorhanden, der so gewählt ist, dass sowohl ein ausreichend einfaches Einsetzen des elektronischen Bauteils in die Ausnehmung als auch eine sichere Positionierung des Bauteils in der Ausnehmung nach dem Verpressen gewährleistet werden. Der Abstand ist dabei nur so groß gewählt, dass die Lücke zwischen dem Rand der Ausnehmung und dem elektronischen Bauteil beim Verpressen gefüllt werden kann, insbesondere durch das in die Lücke fließende Harz der Prepregs.
Bei der erfindungsgemäßen Leiterplatte bzw. dem Verfahren weisen die elektrisch leitenden Schichten, bei denen es sich üblicherweise um Kupferfolien handelt, vorzugsweise eine Dicke von mindestens 50 µm, vorzugsweise mindestens 75 µm, insbesondere etwa 105 µm auf. Die Verwendung von relativ dicken Kupferfolien für die elektrisch leitenden Schichten hat den Vorteil, dass dadurch einfach eine Leiterplatte mit relativ dicken Leiterbahnen an den beiden Außenseiten erzeugt werden können. Dadurch können problemlos auch größere Ströme durch die Leiterbahnen fließen, ohne dass es zu einer unzulässigen Erwärmung der Leiterbahnen und damit der Leiterplatte insgesamt kommt. Die gewünschte Enddicke der Leiterbahnen kann dabei beispielsweise durch galvanische Verkupferung bis zur Sollstärke weiter erhöht werden.
Insbesondere bei der Herstellung einer Leiterplatte, bei der die fertigen Leiterbahnen eine Dicke von mindestens 100 µm aufweisen, erfolgt das Einbringen der Bohrungen im Bereich der Kontaktanschlüsse des elektronischen Bauteils vorzugsweise mittels mechanischem Bohren. Die ansonsten bei der Herstellung von Leiterplatten verwendeten Verfahren zum Einbringen von Bohrungen wie Lasern oder Ätzen sind demgegenüber bei der Verwendung von relativ dicken Metallfolien weniger gut geeignet. Vorzugsweise entspricht dabei der Durchmesser der Bohrungen mindestens der Tiefe der Bohrungen. Dadurch, dass das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser zur Bohrungstiefe gleich oder größer als 1 gewählt wird, kann eine gute Metallisierung der Bohrungen erreicht werden.
Zum elektrischen Anbinden der im Inneren der Leiterplatte angeordneten Kontaktanschlüsse des eingebetteten elektronischen Bauteils an entsprechende Anschlussflächen auf der von der elektrisch leitenden Schicht gebildete Oberfläche der Leiterplatte werden, wie zuvor ausgeführt, Bohrungen in die Leiterplatte eingebracht, die zumindest bis in die Kontaktanschlüsse reichen, wobei die Lochwandungen der Bohrungen anschließend metallisiert werden. Zur Erzeugung der Anschlussflächen auf der Oberfläche der Leiterplatte wird die elektrisch leitende Schicht vorzugsweise entsprechend strukturiert. Im Einzelnen können dabei folgende Schritte durchgeführt werden:

• Drucken eines Platierungsresists,
• galvanische Verkupferung bis zur Sollstärke,
• Abscheiden eines Metallresists,
• Strippen des Platierungsresits und
• Ätzen der Anschlussflächen.

Dabei ist es nicht erforderlich, dass alle der zuvor genannten Schritte zur Erzeugung der Anschlussflächen durchgeführt werden. Ist beispielsweise die Dicke der elektrisch leitenden Schicht ausreichend groß, so können die galvanische Verkupferung und damit auch der Druck des Platierungsresists entfallen.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Leiterplatte auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem eingebetteten elektronischen Bauteil, und
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Positionierungsschicht eine erfindungsgemäßen Leiterplatte.

In 1 sind fünf aufeinander folgende Schritte des Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplatte 1 mit einem eingebetteten elektronischen Bauteil 2 schematisch dargestellt. Das elektronische Bauteil 2, bei dem es sich insbesondere um einen Leistungshalbleiter handeln kann, ist ein handelsübliches Bauteil, das eine Umhausung 3 und mehrere Kontaktanschlüsse 4 aufweist. Bei dem dargestellten Bauteil 2 ragen die Kontaktanschlüsse 4 seitlich aus der Umhausung 3 heraus, sodass die Kontaktanschlüsse 4 von außerhalb des Gehäuses 2 zugänglich sind. Die Kontaktanschlüsse könnte jedoch auch an der Oberseite oder der Unterseite des Gehäuses angeordnet sein. Derartige handelsübliche elektronische Bauteile 2 sind normalerweise dafür vorgesehen, mit ihren Kontaktanschlüssen 4 auf der Oberseite einer Leiterplatte, die dazu entsprechende Anschlusspads aufweist, aufgelötet zu werden.
Die in 1 schematisch dargestellte Leiterplatte 1 wird dadurch hergestellt, dass zunächst die einzelnen, nachfolgend näher beschriebenen Schichten aufeinander gelegt werden. Die einzelnen Schichten bzw. Lagen werden dazu auf einem entsprechenden Tisch übereinander positioniert, wobei der Tisch entsprechende Vorrichtungen aufweist, die eine lagegenaue Positionierung der einzelnen Schichten übereinander gewährleistet. Dazu können am Tisch beispielsweise nach oben ragende Stift angeordnet und im Randbereich der einzelnen Schichten entsprechende Ausnehmungen ausgebildet sein, so dass die Schichten mit den Ausnehmungen über die Stifte am Tisch geschoben und somit die einzelnen Schichten lagegenau positioniert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Trägerschicht 5 entsprechend positioniert bzw. bereitgestellt, auf der eine Positionierungsschicht 6 angeordnet wird, die eine Ausnehmung 7, 7' aufweist, die größer als die entsprechende Grundfläche des elektronischen Bauteils 2 ist. Bei dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Trägerschicht 5 ihrerseits aus zwei Schichten, nämlich einer unteren, elektrisch leitenden Schicht 12 und einer darüber angeordneten elektrisch isolierenden Schicht 13. Die Positionierungsschicht 6 besteht vorliegend aus drei elektrisch isolierenden Schichten 14, 15, 16, die jeweils eine Ausnehmung 7, 7' aufweisen, wobei die Ausnehmungen 7 in den beiden unteren isolierenden Schichten 14, 15 beide gleich groß sind, währen die Ausnehmung 7' in der oberen isolierenden Schicht 16 etwas größer als die beiden anderen Ausnehmungen 7 ist.
In einem nächsten Verfahrensschritt, der in 1b dargestellt ist, wird das elektronische Bauteil 2 in die Ausnehmungen 7, 7' in der Positionierungsschicht 6 bzw. den einzelnen elektrisch isolierenden Schichten 14, 15, 16 eingesetzt. Der seitliche Abstand a zwischen dem eingesetzten elektronischen Bauteil 2 und der das Bauteil 2 umgebenden isolierenden Schicht 14, 15, 16 ist dabei so gewählt, dass das Bauteil 2 einerseits gut in die Ausnehmung 7, 7' eingesetzt werden kann, andererseits aber auch ausreichend lagegenaue positioniert wird. Wie aus 1b ersichtlich ist, kann dieser Abstand a über die Höhe des elektronischen Bauteils 2 variieren, insbesondere wenn das Bauteil 2 Bereiche mit unterschiedlichen Außenabmessungen aufweist.
Nachdem das elektronische Bauteil 2 in die Ausnehmungen 7, 7' eingesetzt worden ist, wird gemäß 1c als nächstes eine weitere isolierende Schicht 8 auf das elektronische Bauteil 2 und die das elektronische Bauteil 2 umgebende, oberste elektrisch isolierende Schicht 16 der Positionierungsschicht 6 aufgelegt. Diese isolierende Schicht 8 weist keine Ausnehmung auf und entspricht in ihren Abmessungen der isolierenden Schicht 13 der Trägerschicht 5. Auf die isolierende Schicht 8 wird dann als oberste Schicht eine elektrisch leitende Schicht 9 aufgelegt, die von ihren Abmessungen der elektrisch leitenden Schicht 12 der Trägerschicht 5 entspricht.
Bei den beiden elektrisch leitenden Schichten 9, 12 handelt es sich insbesondere um Kupferfolien, die eine Dicke d von mehr als 50 µm, insbesondere etwa 105 µm aufweisen. Nach dem Auflegen der oberen elektrisch leitenden Schicht 9 wird die so erzeugte Schichtfolge 10 verpresst, wodurch zum einen die einzelnen Schichten miteinander verbunden werden, zum anderen auch die das eingebettete Bauteil 2 seitlich umgebende Lücke gefüllt wird. Hierzu werden für die elektrisch isolierenden Schichten 8, 13 und 15 Prepregs verwendet, also ein mit Reaktionsharz getränktes Glasfasergewebe, das zwar getrocknet aber noch nicht ausgehärtet ist. Beim Verpressen der Schichtfolge 10 gelangt so ausreichend Harz insbesondere aus den Prepregs in den das eingebettete elektronische Bauteil 2 umgebenden Zwischenraum, so dass das Bauteil 2 sicher in seiner Position fixiert wird.
Gemäß der Abbildung in 1d sind die zuvor einzelnen isolierenden Schichten 8, 13 und 14 bis 16 durch das Verpressen zu einer gemeinsamen isolierenden Schicht 17 miteinander verbunden. Als nächstes werden in die zuvor durch das Verpressen der Schichtfolge 10 erzeugte Leiterplatte 1 Bohrungen 11 im Bereich der Kontaktanschlüsse 4 des elektronischen Bauteils 2 eingebracht, wobei die Bohrungen 11 durch die obere elektrisch leitende Schicht 9 und die das elektronische Bauteil 2 abdeckende isolierende Schicht 8 durch gehen. Die Bohrungen 11 weisen dabei eine solche Tiefe auf, dass die Kontaktanschlüsse 4 auf ihrer Oberseite angebohrt werden.
Gemäß den in 1e dargestellten letzten Schritt erfolgt dann die Metallisierung der Bohrungen 11, wodurch die Kontaktanschlüsse 4 des eingebetteten elektronischen Bauteils 2 an die obere elektrisch leitende Schicht 9 angebunden werden. Dadurch, dass in dem vorherigen Schritt die Oberfläche der Kontaktanschlüsse 4 angebohrt worden ist, wird eine sichere elektrische Verbindung zu den Kontaktanschlüssen 4 über die metallisierten Bohrungen 11 gewährleistet. Gleichzeitig mit der Metallisierung der Bohrungen 11 werden dabei vorzugsweise auf der Oberfläche der Leiterplatte 1, d. h. der oberen elektrisch leitenden Schicht 9 entsprechende Anschlussflächen erzeugt, wozu die elektrisch leitende Schicht 9 entsprechend strukturiert wird.
Sofern dabei die Dicke der elektrisch leitenden Schicht 9 nicht der gewünschten Solldicke der Anschlussflächen bzw. der Leiterbahnen entspricht, kann diese durch eine galvanische Verkupferung auf die gewünschte Solldicke erhöht werden. Ähnlich wie die obere elektrisch leitende Schicht 9 kann auch die elektrisch leitende Schicht 12 der Trägerschicht 5, die die untere Schicht darstellt, zur Erzeugung von entsprechenden Anschlussflächen und Leiterbahnen strukturiert werden. Auch hierbei kann die Dicke der Anschlussflächen und Leiterbahnen bedarfsweise weiter erhöht werden. Hierbei handelt es sich um bei der Herstellung von Leiterplatten bekannte Verfahren, so dass diese an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden müssen.
In 2 ist die Positionierungsschicht 6 zusammen mit dem elektronischen Bauteil 2 dargestellt, wobei hier - ähnlich wie in 1b - die drei isolierenden Schichten 14, 15, 16 der Positionierungsschicht 6 jeweils mit geringen Abstand übereinander angeordnet dargestellt sind. Die beiden Schichten 14, 15 weisen dabei jeweils eine gleich große Ausnehmung 7 und die isolierende Schicht 16 eine etwas größere Ausnehmung 7' auf, wobei die Ausnehmungen 7, 7' derart an die Außenabmessungen des Bauteils 2 angepasst sind, dass zwischen dem eingesetzten Bauteil 2 und den Rändern der Ausnehmungen 7, 7' seitlich eine Lücke besteht. Gemäß der Darstellung in 2 können an der Oberseite und/oder der Unterseite einzelner Schichten 14, 16 der Positionierungsschicht 6 elektrisch leitende Abschnitte, insbesondere in Form von Leiterbahnen 18 angeordnet sein. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Positionierungsschicht 6 auch aus einer kleineren oder größeren Anzahl von Schichten oder auch nur aus einer Schicht aufgebaut sein.
Bezugszeichenliste

1.: Leiterplatte
2.: Bauteil
3.: Umhausung
4.: Kontaktanschlüsse
5.: Trägerschicht
6.: Positionierungsschicht
7, 7'.: Ausnehmungen
8.: isolierende Schichte
9.: leitende Schicht
10.: Schichtfolge
11.: Bohrung
12.: leitende Schicht
13.: isolierende Schicht
14.-16: isolierende Schichten
17.: gemeinsame Schicht
18.: Leiterbahn
a.: Abstand
d.: Dicke

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (1) mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil (2), wobei das elektronische Bauteil (2) eine Umhausung (3) und Kontaktanschlüsse (4) aufweist, mit folgenden Schritten: • Bereitstellen einer Trägerschicht (5), • Bereitstellen einer Positionierungsschicht (6), die eine Ausnehmung (7, 7') aufweist, die größer als die entsprechende Grundfläche des elektronischen Bauteils (2) ist, • Auflegen der Positionierungsschicht (6) auf die Trägerschicht (5), • Einsetzten des elektronischen Bauteils (2) in die Ausnehmung (7, 7') in der Positionierungsschicht (6), • Auflegen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (8) auf das elektronische Bauteil (2) und die das elektronische Bauteil (2) umgebende Positionierungsschicht (6), • Auflegen einer elektrisch leitenden Schicht (9) auf die das elektronische Bauteil (2) abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (8), • Verpressen der so erzeugten Schichtfolge (10), • Einbringen von Bohrungen (11) in die verpresste Schichtfolge (10) im Bereich der Kontaktanschlüsse (4) des elektronischen Bauteils (2) bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse (4) und • Metallisieren der Bohrungen (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Bohrungen (11) durch die elektrisch leitende Schicht (9) und die das elektronische Bauteil (2) abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (8) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (5) eine elektrisch leitende Schicht (12) und eine elektrisch isolierende Schicht (13) aufweist, wobei die elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (12) und dem Bauteil (2) bzw. der Positionierungsschicht (6) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Bohrungen (11) durch die Trägerschicht (5) erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsschicht (6) mindestens zwei elektrisch isolierende Schichten (14, 15, 16) aufweist, wobei die elektrisch isolierenden Schichten (14, 15, 16) jeweils eine Ausnehmung (7, 7') für das elektronische Bauteil (2) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (15) der Positionierungsschicht (6) ein Prepreg und für mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (14, 16) der Positionierungsschicht (6) ein ausgehärtetes Basislaminat verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierenden Schichten (14, 15, 16) der Positionierungsschicht (6) zumindest teilweise unterschiedlich große Ausnehmungen (7, 7') aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt in die elektrisch isolierenden Schichten (14, 15, 16) der Positionierungsschicht (6) Ausnehmungen (7, 7') eingebracht werden, wobei die Ausnehmungen (7, 7') vorzugsweise durch Ätzten, Fräsen, Stanzen oder Laserschneiden hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Bohrungen (11) in die verpresste Schichtfolge (10) im Bereich der Kontaktanschlüsse (4) des elektronischen Bauteils (2) mittels mechanischem Bohren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (9, 12) zur Erzeugung von Anschlussflächen strukturiert wird.
Leiterplatte (1) mit mindestens einem eingebetteten elektronischen Bauteil (2), wobei das elektronische Bauteil (2) eine Umhausung (3) und Kontaktanschlüsse (4) aufweist, hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Leiterplatte (1) zumindest folgende Schichtfolge (10) aufweist: • eine Trägerschicht (5), • eine Positionierungsschicht (6), die eine Ausnehmung (7, 7') aufweist, die größer als die entsprechende Grundfläche des elektronischen Bauteils (2) ist, • eine elektrisch isolierende Schicht (8), und • eine elektrisch leitende Schicht (9), wobei ein elektronisches Bauteils (2) in die Ausnehmung (7, 7') in der Positionierungsschicht (6) eingesetzt ist, wobei Bohrungen (11) im Bereich der Kontaktanschlüsse (4) des elektronischen Bauteils (2) von mindestens einer der beiden äußeren Schichten (5, 9) der Schichtfolge (10) bis mindestens auf die Kontaktanschlüsse (4) eingebracht sind und wobei die Bohrungen (11) metallisiert sind.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Bohrungen (11) durch die elektrisch leitende Schicht (9) und die das elektronische Bauteil (2) abdeckende mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (8) erstreckt.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (5) eine elektrisch leitende Schicht (12) und eine elektrisch isolierende Schicht (13) aufweist, wobei die elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (12) und dem Bauteil (2) bzw. der Positionierungsschicht (6) angeordnet ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Teil der Bohrungen (15) durch die Trägerschicht (5) erstreckt.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsschicht (6) aus mindestens zwei elektrisch isolierenden Schichten (14, 15, 16) besteht, wobei die elektrisch isolierenden Schichten (14, 15, 16) jeweils eine Ausnehmung (7, 7') für das elektronische Bauteil (2) aufweisen.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite und/oder der Oberseite mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (14, 16) der Positionierungsschicht (6) mindestens ein elektrisch leitender Abschnitt, insbesondere mindestens eine Leiterbahnen (18), angeordnet ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektronische Bauteil (2) abdeckende elektrisch isolierende Schicht (9) und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (14, 16) der Positionierungsschicht (6) als Prepreg ausgebildet ist.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (15) der Positionierungsschicht (6) als ausgehärtetes Basislaminat ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungen (11) mindestens der Tiefe der Bohrungen (11) entspricht.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrisch leitende Schicht (5, 12) eine Dicke (d) von mindestens 50 µm, vorzugsweise mindestens 75 µm, insbesondere etwa 105 µm aufweist.