-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Schaltungsmodule und insbesondere auf Schaltungsmodule
mit mehreren Solarzellen aus einem mono- oder polykristallinen Halbleitermaterial,
wie z. B. Silizium.
-
Kristalline Halbleiterelemente werden
heutzutage in vielfältiger
Weise im täglichen
Leben eingesetzt und bieten hinsichtlich vieler Eigenschaften Vorteile
gegenüber
nicht-kristallinen
Halbleiterelementen. Aufgrund der kristallinen Struktur ist jedoch
eine Handhabung und Anbringung derselben oftmals schwierig, was
im folgenden anhand von Solarzellen erläutert werden soll.
-
Solarzellen werden in zunehmendem
Maße zur
Energieversorgung eingesetzt, da sie verglichen mit Groß-Stromversorgungseinheiten,
wie beispielsweise Kraftwerke, einfach und unabhängig zu realisieren sind. Durch
den steigenden Leistungsbedarf bei gleichzeitiger Miniaturisierung
ergeben sich immer höhere
Anforderungen an die Energieversorgung portabler und autonomer Elektronikgeräte. Durch
die Weiterentwicklung der Elektronik mit geringem Leistungsbedarf
(Low-Power-Elektronik) können
immer mehr kleinere Geräte
ihren Energiebedarf auch völlig
selbständig,
beispielsweise durch Solar-Generatoren, decken.
-
Während
bei Großanlagen
das entscheidende Kriterium die möglichst schnelle Etablierung
einer positiven Energiebilanz ist, was als „Return of Invest" bezeichnet wird,
spielt bei autonomen und portablen Systemen vor allem die pro Fläche gewinnbare
Leistung eine entscheidende Rolle.
-
Die maximal verfügbare Leistung ist dabei durch
das Produkt Strahlungsdichte × Fläche × Wirkungsgrad
gegeben.
-
Da bei vielen Anwendungen im Kleinleistungsbereich
die zur Verfügung
stehende Fläche
begrenzt ist, werden vor allem Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad
eingesetzt. Diesbezügliche
Technologien basieren vor allem auf kristallinen Silizium-Solarzellen,
die gegenüber
anderen Solarzellen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Die
zur Montage von kristallinen Silizium-Zellen angewendete, meist
manuelle Verlötung
mittels Kupferbändern
oder Schindeltechnik, erweist sich bei Grenzmodulen als zu teuer,
nur unter Einsatz von Sondermaschinen automatisierbar und unter
dem gleichzeitigen Aspekt der optischen Qualität und mechanischen Zuverlässigkeit
als ungenügend.
-
Ein verbessertes Verfahren, bei dem
eine aus der Elektronikfertigung (Chip on Board) bekannte Technologie
adaptiert wurde, um eine vollautomatische und hochpräzise Montage
und Kontaktierung zu erreichen, ist in der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10261876.3 beschrieben.
Die einzelnen Solarzellen werden dabei auf einen Leiterplattenträger mit
hoher Packungsdichte geklebt und untereinander verbunden. Die Abmessungen
lassen sich weitgehend an beliebige Formen anpassen, wobei sich
ferner die Spannung durch die Anzahl der Zellen an den Energiespeicher
anpassen läßt.
-
Diesbezüglich ist jedoch zu beachten,
daß sich
mit der Anzahl der Zellen pro Fläche
die Herstellungskosten erhöhen.
Die Entwicklung dieser Zellen bezog sich bisher auf die für Solarzellen
geeignete Kontaktierungstechnologie mittels eines Drahtbondens oder
eines Leitklebens.
-
Hinsichtlich des Anwendungsbereich
der oben genannten Technologie für
Solar-Kleinmodule wäre
es vorteilhaft, mechanisch flexible bzw. in der Oberfläche gekrümmte Solarzellen-Aufbauten
herstellen zu können.
-
Prinzipiell können gekrümmte oder mechanisch flexible
Solarzellen mittels Dünnfilmtechnologien
und einer Herstellung auf flexiblen Substraten, wie beispielsweise
Metallfolien oder Polyimid, erzeugt werden. Die Herstellung derartiger
Solarzellen ist jedoch aufgrund der für die Erzeugung, Handhabung und
Transport der dünnen
Substrate erforderlichen Technologien aufwendig und teuer. Ferner
sind die dünnen
Substrate während
des Herstellungsverfahrens anfällig
gegenüber
mechanischen Beeinflussungen, so daß sich bei einer industriellen
Fertigung der Solarzellen auf Dünnfilmbasis
ein hoher Ausschuß ergibt,
was die Herstellungskosten zusätzlich
erhöht.
-
Darüber hinaus sind auch Solarzellen
auf Polymerbasis bekannt, die aufgrund des Materials eine Biegbarkeit
besitzen und daher zur Anbringung an gekrümmten Oberflächen geeignet
sind. Diese Technologien weisen jedoch einen wesentlich geringeren
Wirkungsgrad von etwa 1-8% gegenüber 11-15%
für Serienprodukte
kristalliner Silizium-Solarzellen auf.
-
Bei portablen und autonomen Anwendungen ist
jedoch in der Regel die nutzbare Fläche begrenzt, so daß ein hoher
Wirkungsgrad für
die Realisierung der Energieversorgung derartiger Anwendungen erforderlich
ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Konzept zu schaffen, das eine flexiblere und
gleichzeitig sichere Anbringung von kristallinen Halbleiterelementen
an Oberflächen
ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Schaltungsmodul
gemäß Anspruch
1, ein Verfahren gemäß Anspruch
33 und einen Träger
gemäß Anspruch
39 gelöst.
-
Die vorliegende Erfindung basiert
auf der Erkenntnis, daß das
Anbringen von kristallinen Halbleiterelementen an gekrümmten Oberflächen erreicht werden
kann, indem Zug- oder Druckspannungen, die sich durch ein Biegen
ergeben, stärker durch
einen Bereich zwischen den Halbleiterelementen aufgenommen wird,
so daß auf
die Halbleiterelemente eine verringerte oder keine Biege- oder Scherbeanspruchung übertragen
wird. Dadurch wird aufgrund der Bereiche zwischen den Halbleiterelementen
die zur Verbiegung erforderliche Flexibilität der Anordnung erreicht, ohne
daß die
kristallinen Halbleiterelemente der Gefahr einer übermäßigen Biegung
ausgesetzt sind, die zu mechanischen Spannungen oder einem Brechen
derselben führen
kann.
-
Vorzugsweise sind die Aufnahmebereiche,
in denen die Halbleiterelemente angeordnet sind, so ausgebildet,
daß bei
einer vorbestimmten Biegung der gesamten Anordnung die Biegung der
Aufnahmebereiche unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt, der
derart gewählt
ist, daß eine
Beschädigung der
kristallinen Halbleiterelemente durch die Übertragung der Biegung der
Aufnahmebereiche auf dieselben ausgeschlossen ist. Der maximal erlaubte
Wert für
die Halbleiterelemente ergibt sich abhängig von dem Halbleitermaterial
sowie der Dicke und Größe der kristallinen
Halbleiterelemente. Ein Bereich für Biegeradien, der für typische
kristalline Halbleiterelemente erlaubt ist, hängt von der Dicke der Kristallstrukturen
ab.
-
Die Biegung der gesamten Halbleiterelement-Anordnung
ergibt sich aus der Summe der Biegung der Bereiche zwischen den
Halbleiterelementen und der Biegung der Aufnahmebereiche, so daß bei einer
Auswahl der Steifigkeit für
den Aufnahmebereich jeweils die Steifigkeit bzw. Biegbarkeit der Bereiche
zwischen den Halbleiterelementen zu berücksichtigen ist. Vorzugsweise
wird der Aufnahmebereich der Halbleiterzellen jedoch mit einer solchen Steifigkeit
vorgesehen, daß eine
Verbiegung derselben im wesentlichen ausgeschlossen ist. Beispielsweise
kann der Aufnahmebereich eine Steifigkeit aufweisen, die mit derjenigen
einer Metall- oder Stahlplatte vergleichbar ist.
-
Der Bereich zwischen den Halbleiterelementen
kann derart ausgestaltet sein, daß durch die Druck- oder Zug-Spannungsaufnahme
ein Verdrehen der Halbleiterelemente gegeneinander oder ein Verbiegen
der Halbleiterelemente zueinander ermöglicht ist. Vorzugsweise kann
auch sowohl ein Verdrehen als auch ein Verbiegen gegeneinander vorgesehen
sein, so daß eine
optimale Anpassung an eine beliebige Oberfläche gegeben ist.
-
Die Realisierung der Druck- oder
Zug-Spannungsaufnahme durch den Bereich zwischen den Halbleiterelementen
kann auf vielfältige
Weise erfolgen.
-
Einerseits kann die Erfindung lediglich
durch einen Träger
realisiert werden, auf dem die Halbleiterelemente befestigbar sind.
Die Druck- oder Zug-Spannungsaufnahme in dem Bereich zwischen den
Halbleiterelementen wird allein durch geeignete Strukturen des Trägers erreicht.
-
Der Träger kann vorzugsweise eine
bekannte Leiterplatte sein, die mittels eingebrachter Strukturen
modifiziert ist, um in den Bereichen zwischen den Halbleiterelementen
die Flexibilität
sicherzustellen. Dadurch werden Herstellungskosten niedrig gehalten,
da die kostengünstig
herstellbaren Leiterplatten als Grundlage verwendet werden können und
zum Erreichen der Flexibilität
lediglich einfache mechanische Bearbeitungsschritte erforderlich
sind. Bei dem Erzeugen mechanischer Strukturen ist zu berücksichtigen,
daß die
Leiterbahnen auf der Oberfläche des
Trägers
so zu legen sind, daß dieselben
nicht durch die entsprechend erzeugten Strukturen behindert werden.
-
Die Erfindung kann jedoch auch durch
ein Schaltungsmodulrealisiert werden, bei dem die kristallinen Halbleiterelemente
auf Aufnahmebereichen eines Trägers
mittels eines Klebers angeordnet sind, und die Halbleiterelemente
zum Schutz vor Umwelteinflüssen
mit einer Abdeckung versehen sind, wobei die Flexibilität des Bereichs
zwischen den Halbleiter elementen durch eine strukturelle Ausgestaltung
des Trägers
oder durch eine strukturelle Ausgestaltung der Abdeckung erreicht
werden kann.
-
Insbesondere umfasst eine Abdeckung
eine Verkapselung der Halbleiterelemente auf einer Frontseite, beispielsweise
mittels einer Vergußmasse
oder einer Lackschicht. In diesem Fall können die Strukturen zur Aufnahme
der mechanischen Spannungen beispielsweise nach einem ganzflächigen Aufbringen der
Verkapselungsmasse mittels einer mechanischen Nachbearbeitung erfolgen,
wodurch das Halbleiterelemente einerseits geschützt ist und andererseits die
Flexibilität
mittels geringer Herstellungskosten erreicht wird.
-
Die mechanische Flexibilität bei gleichzeitiger
Stabilisierung der Halbleiterelemente kann ferner erreicht werden,
indem sowohl die Verkapselungsschicht als auch das Trägersubstrat
alternierend steife Abschnitte im Bereich der Solarzellen und flexible Abschnitte
im Bereich der Zwischenräume
zwischen den Solarzellen aufweisen. Dabei kann entweder die Abdeckung,
die beispielsweise eine obere Verkapselungsschicht oder eine Verkapselungsschicht
mit einer Frontscheibe sein kann, oder die untere Trägersubstratschicht
im Bereich der Zwischenräume
zwischen den Solarzellen völlig
unterbrochen sein, so daß der
mechanische Zusammenhalt nur von einer dieser Lagen bewirkt wird.
Bei einer Biegung des Moduls wird dann nur diese durchgehende Lage
einer Biegebeanspruchung überzogen,
während
sich die andere Lage ausdehnen oder zusammenziehen kann. Auf diese
Weise wird eine Scherbeanspruchung auf die eingekapselten Halbleiterelemente vermieden.
Der Träger
ist dabei so ausgelegt, daß er eine
elektrische Verbindung der einzelnen Halbleiterelemente auch für den Fall übernehmen
kann, daß partielle
Unterbrechungen für
den Dehnungsausgleich vorgesehen sind.
-
Alternativ kann auch eine flexible
Leiterplatte, wie z. B. eine Star-Flex-Leiterplatte, verwendet werden,
auf deren eine Seite die Solarzellen aufgeklebt werden, und auf
deren anderen Seite im Bereich der Solarzellen Versteifungsplatten
etwa in der Größe der Solarzellen
oder um vorzugsweise bis zu 20 Prozent größer oder kleiner aufgeklebt
werden, so dass im Zwischenbereich nur die flexible Leiterplatte ist
und im Aufnahmebereich ein „Laminat" aus Verkapselung,
Halbleiterelement, Kleber, flexible Leiterplatte und Versteifung
vorhanden ist. Im Zwischenbereich steht daher die volle Flexibilität der Leiterplatte mit
ihren Vorzügen
insbesondere bezüglich
Langzeitstabilität
gegenüber
wiederholtem Biegen und hoher Flexibilität zur Verfügung, während die Solarzellen gut geschützt sind.
-
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß eine
Herstellung des Halbleiterelement-Moduls weitgehend mit adaptierten
Verfahren der Elektronik-Montage,
d. h. einer Chip-on-Board-Technologie erfolgen kann. Dadurch werden
die Herstellungskosten für
das Halbleiterelement-Modul weiter reduziert. Aufgrund der Erfahrung mit
diesen Technologien wird ferner eine schnelle Realisierung und Einsetzbarkeit
erreicht.
-
Der Träger kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel
eine bekannte Leiterplatte umfassen, die mittels eingebrachter Strukturen
modifiziert ist, um in den Bereichen zwischen den Halbleiterelementen
die Flexibilität
sicherzustellen. Dadurch können die
Herstellungskosten noch geringer gehalten werden.
-
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht bei
einem Ausführungsbeispiel,
bei dem die Halbleiterelemente kristalline Solarzellen sind, den
Einsatz eines mechanisch flexiblen Solarzellenmodul, das aufgrund
der Verwendung kristalliner Solarzellen eine hohe Leistungsdichte
pro Fläche
bei gleichzeitiger hoher mechanischen Flexibilität aufweist. Dadurch läßt sich,
insbesondere durch Verwendung der oben erwähnten kostengünstigen
Träger
und Abdeckungen eine fle xible, sichere und autonome Energieversorgung
mit geringen Herstellungskosten erreichen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Halbleiterelemente frontseitig
verkapselt sind, wobei die Verkapselung eine Frontscheibe aufweist;
-
2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Halbleiterelemente mittels
Vergußmasse
frontseitig verkapselt sind;
-
3 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem der Träger Vertiefungen aufweist;
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem der Träger seitliche Schlitze aufweist
und ferner eine ganzflächige
Scheibe mit Vertiefungen auf einer Frontseite vorgesehen ist;
-
5 eine
Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem der Träger
Ausnehmungen aufweist;
-
6 eine
Querschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung; und
-
7 eine
Querschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.
-
1 zeigt
ein Schaltungsmodul 100 als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, bei dem kristalline Halbleiterelemente 110a-f auf
einem Träger 112 in
den Halb leitelementen 110a-f zugeordneten Aufnahmebereichen 114a-f befestigt
sind.
-
Die Befestigung findet z. B. durch
Auflöten statt.
Bevorzugt wird jedoch, die Solarzellen auf den Träger zu kleben.
Als Klebstoff (in 1 nicht
gezeigt) wird insbesondere ein flexibler Klebstoff bevorzugt, dessen
Dicke ebenfalls eingestellt werden kann, um damit Beanspruchungen
der Halbleiterelemente aufgrund einer Biegung des gesamten Moduls bereits
durch den Kleber aufzunehmen, so dass die Halbleiterelemente noch
stärker
gesichert werden. Je nach Ausführungsform
ist es jedoch auch möglich, die
Halbleiterelemente z. B. nur durch die elektrischen Kontakte relativ
schwach an dem Träger
oder im Extremfall, wenn die Kontakte lediglich Berührungskontakte
sind, nicht selbst an dem Träger
zu befestigen. In diesem Fall übernimmt
die Befestigungsfunktion die Verkapselung, auf die später eingegangen
wird. Die Verkapselung oder Abdeckung ist in diesem Fall ausgeführt, um
ausreichend sicher die Solarzelle an dem Träger zu befestigen.
-
Bei dem Träger 112 kann es sich
beispielsweise um eine Leiterplatte handeln, die einlagig oder zweilagig
ausgebildet sein kann. Die Leiterplatte 112 weist auf einer
ersten Oberfläche 112a eine
Leiterstruktur 116 auf, die sich über leitfähige Durchgangslöcher 116a zu
einer der ersten Oberfläche 112a gegenüberliegenden
zweiten Oberfläche 112b des
Trägers 112 erstreckt.
Die Leiterbahn 116 ist ferner mit Kontakten 118 verbunden,
die auf der ersten Oberfläche 112a in
Bereichen der kristallinen Halbleiterelemente 110a-f angeordnet
sind. Die Halbleiterelemente 110a-f sind über Verdrahtungen 120 mit
den Kontakten 118 verbunden, so daß die jeweiligen Halbleiterelemente 110a-f über die
Kontakte 118, die Leiterbahn 116 und die Durchgangslöcher 116a elektrisch miteinander
verkoppelt sind. Die Halbleiterelemente können beispielsweise mittels
eines Lötens
mit den Kontakten 118 verbunden sein.
-
Auf der ersten Oberfläche 112a des
Trägers 112 ist
eine Verkapselung 122 für
jede der Halbleiterelemente 110a-110f vorgesehen,
die eine Vergußmassenschicht 124 und
eine Frontscheibe 126 umfaßt. Die Verkapselung 122 schützt die
Halbleiterelemente vor äußeren Einflüssen, wie
beispielsweise eine Oxidation, und liefert andererseits eine Befestigungsfunktion
zum Befestigen der Halbleiterelemente am Träger 112. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel,
bei dem die Halbleiterelemente Solarzellen sind, sind die Verkapselungsschicht 124 und die
Frontscheibe 126 für
optisches Licht durchlässig, so
daß die
Halbleiterelemente 110a-f optische Strahlungsenergie
aufnehmen können.
Wie es in 1 zu erkennen
ist, sind die Verkapselungsschicht 124, die mit der Oberfläche 112a des
Trägers 112 verbunden ist,
und die Frontscheibe 126 in einem Bereich zwischen den
Halbleiterelementen 110a-f vollständig durchtrennt.
-
Ferner weist der Träger 112 in
Bereichen 132 zwischen den Halbleiterelementen 110a-f auf
der ersten Oberfläche 112a Vertiefungen 128a auf,
die bei einer Biegung des Schaltungsmoduls 100 in den Bereichen 132 zwischen
den Halbleiterelementen 110a-f eine erhöhte Flexibilität gegenüber den
Aufnahmebereichen 114a-f ermöglicht, so daß der Träger vorwiegend
an den Stellen der Vertiefungen gebogen wird und in geringerem Ausmaß in den
Aufnahmebereichen 114a-f für die Halbleiterelemente 110a-110f gebogen
wird. Mit anderen Worten gesagt, wird bei einer Verbiegung des Schaltungsmoduls 100 die
Biegebeanspruchung allein den durch die Vertiefung 128 gedünnten Bereich
in dem Träger
aufgenommen, so daß die
Halbleiterelemente 110a-f lediglich eine geringe
mechanische Beanspruchung erfahren. Bei dem Schaltungsmodul 100 ist
somit jeweils ein Bereich geringer Steifigkeit und ein Bereich hoher
Steifigkeit alternierend angeordnet, so daß die in den Bereichen der
hohen Steifigkeit angeordneten Halbleiterelemente 110a-f hinsichtlich
mechanischer Belastungen bei einem Biegen des Schaltungsmoduls 100 geschützt sind.
Die hohe Steifigkeit wird dabei zusätzlich zu der Steifigkeit des
Aufnahmebereichs des Trägers 112 durch
die Verkapselung 122 der jeweiligen Halbleiterelemente 110a-f erhöht.
-
Die Tiefe der Vertiefungen 128 bestimmt
das Verhältnis
der Verbiegungen der Aufnahmebereiche 114a-f bezüglich der
Bereiche zwischen den Halbleiterelementen, so daß durch ein geeignetes Einstellen der
Tiefe der Vertiefungen 128 die Biegung der Aufnahmebereiche 114a-f unterhalb
eines vorbestimmten Werts gehalten werden kann, der speziell so
gewählt
ist, daß für die jeweiligen
kristallinen Halbleiterelemente eine Schädigung aufgrund der Biegung
der Aufnahmebereiche 114a-f ausgeschlossen ist.
Um eine derartige Verbiegung nicht zu überschreiten, wird der Träger eine
Dicke im Falle von Leiterplatten z. B. aus FR4 oder faserverstärktem Epoxydharz
von 1 bis 2 mm haben, die im Bereich der Vertiefungen 128 auf
einen Bereich von 0, 1 bis 0, 5 mm herabgesetzt ist.
-
Der maximal zulässige Biegeradius ist von der
Dicke und teilweise auch von der Größe der Halbleiterelemente und
auch von dem Halbleitermaterial abhängig. Die Halbleiterelemente
können
typischerweise eine Größe von je
nach Anwendung 2 – 10
mm Breite und 1 – 10
cm Länge
aufweisen und vorzugsweise eine rechtwinklige oder quadratische
Form aufweisen. Um die Biegung in den Aufnahmebereichen 114a-f unterhalb
der maximalen zulässigen
Biegung zu halten, ist ferner das Material des Trägers und
die Dicke des Trägers 112 in
den Aufnahmebereichen 114a-f für die Halbleiterelemente 110a-f zu berücksichtigen.
-
Die Vertiefung 128 läßt sich
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 auf eine einfache Weise dadurch
erreichen, daß die
Verkapselungsschicht 124 ganzflächig aufgetragen wird und daraufhin
mittels einer mechanischen Bearbeitung durchtrennt wird, wobei in
dem Träger 112 die
Vertiefung 128 erzeugt wird. Um das Einkerben von oben
herstellen zu können,
ist es erforderlich, daß der
Träger
die in 1 gezeigte Durchkontaktierung 116a aufweist, die
ermöglicht,
daß die Verbindung
der einzelnen Zellen auf einer Unterseite des Trägers 112 erfolgt.
Die elektrische Verbindung der Halbleiterelemente 110a-f erfolgt
dabei im Bereich der Frontkontakte 118.
-
2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 auf die Frontscheiben 126 verzichtet
ist, so daß die
Halbleiterelemente 110a-f lediglich durch die
Vergußmasse 124 eingekapselt
sind. Dabei kann ein mechanisch festeres Material mit einer hohen
Transparenz und Altersbeständigkeit
unter den Einsatzbedingungen verwendet werden. Beispielsweise kann
das Material der Vergußmasse
spezielle Epoxidharze aufweisen. Die Herstellung des Ausführungsbeispiel
gemäß 2 kann entsprechend zu demjenigen
der 1 erfolgen, d. h.
zunächst
mittels eines ganzflächigen Auftragens
der Vergußmasse 124.
Daraufhin erfolgt die Herstellung der Vertiefungen 128 zwischen
den jeweiligen Halbleiterelementen mittels mechanischer Bearbeitung,
die beispielsweise eine Laser-, Wasserstrahlstrukturierung oder
ein Ätzen
umfaßt.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem der Träger 112 eine einlagige
und damit kostengünstige
Leiterplatte umfaßt.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 und 2 weist der Träger 112 lediglich
Vertiefungen 134 auf der unteren Oberfläche 112b auf. Da die
Verbindung der einzelnen Halbleiterelemente auf der Oberseite 112a des
Trägers 112 erfolgt,
werden bei diesem Ausführungsbeispiel
nur Technologien angewendet, die die Leiterbahnen 116, die
bei diesem Ausführungsbeispiel
auf der oberen Oberfläche 112a verlaufen,
nicht schädigen
oder unterbrechen. Diesbezüglich
kann beispielsweise im Bereich der empfindlichen Leiterbahnen auf
mechanische Bearbeitungsschritte verzichtet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel
kann ferner auch eine zusätzliche
Passivierung der Leiterbahnen auf der Oberfläche 112a erfolgen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 kann darüber hin aus
ermöglichen,
daß die
Leiterbahn vollständig
oder teilweise durch die Befestigungsstruktur 122 vor äußeren Einflüssen geschützt ist,
so daß durch
die Befestigungsstruktur 122 gleichzeitig ein Schutz für die Halbleiterelemente 110a-f als
auch die Leiterbahn 116 erreicht wird.
-
Unter Bezugnahme auf 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel
näher erklärt. Im Unterschied
zu den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 3, bei denen ein mechanischer Zusammenhalt über den
Träger 112 erfolgt,
ist bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 der mechanische Zusammenhalt
mittels einer durchgehenden Abdeckplatte 136 und teilweise
durch die Vergußmasse 124 erreicht.
Die durchgehende Abdeckplatte 136 weist vorzugsweise Vertiefungen 138 auf,
um die Biegung auf die Bereiche außerhalb der Halbleiterelemente zu
konzentrieren. Damit bei einer Biegung keine Scherwirkung zwischen
der Abdeckplatte 136 und dem Träger 112 entsteht,
weist der Träger
Ausnehmungen 140 auf, die sich von der ersten Oberfläche 112a durchgängig zu
der zweiten Oberfläche 112b erstrecken,
so daß im
Bereich der Ausnehmungen 140 das Material des Trägers vollständig entfernt
ist. Die Ausnehmungen können
dabei sowohl längliche Durchbrüche als
auch Schlitze, die seitlich angeordnet sind, umfassen, so daß eine Längenänderung
bei der Biegung des Moduls ermöglicht
ist. Die Ausnehmungen 140 können derart gebildet sein,
daß sich zwischen
den Aufnahmebereichen 114a-f für die Halbleiterelemente 110a-f spezielle
Strukturen ergeben, wie beispielsweise eine Mäanderstruktur oder andere federartige
Strukturen, bei denen längliche Elemente
die Aufnahme der mechanischen Beanspruchung erzielen.
-
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Ausführungsbeispiel entsprechend
zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 erklärt. 5 stellt eine Draufsicht dar, die den
Träger 112 sowie
die darauf angeordneten Halbleiterelemente 110a-f zeigt.
Wie es in 5 zu erkennen
ist, weist der Träger 112 Ausnehmungen 140 auf,
die seitliche Schlitze 142 sowie zentral angeordnete Ausnehmungen 144 umfassen.
Wie es in
-
5 zu
erkennen ist, verengen die seitlichen Schlitze 142 eine
Breite des Trägers 112,
so daß eine
Verengungsstruktur gebildet ist, die die Flexibilität in dem
Bereich zwischen den Halbleiterelementen 110a-f ermöglicht.
Im Bereich der zentralen Ausnehmungen 144 ist der Träger in zwei
seitliche Stege aufgeteilt. Die durch die Ausnehmungen 142 und 144 gebildete
Struktur ermöglicht
dabei sowohl eine Drehung der Halbleiterelemente 110a-f gegeneinander
als auch ein Biegen des Schaltungsmoduls derart, daß die Halbleiterelemente 110a-f zueinander gebogen
werden. Wie es in 5 ferner
gezeigt ist, sind bei dem Ausführungsbeispiel
die Leiterbahnen 116 auf der oberen Oberfläche 112a angeordnet
und dabei jeweils um die Schlitze 142 und die Ausnehmungen 144 geführt.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist in 6 gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von Ausführungsbeispielen
der 1 bis 4 dadurch, daß die Abdeckung
durch eine sehr dünne,
gleichmäßig auf
der Vorderseite 112a aufgebrachte Lackschicht gebildet ist.
-
Die dünne Lackschicht 146 ermöglicht eine Biegung,
ohne daß nennenswerte
Spannungen entstehen können,
die die Halbleiterelemente 110a-f beeinflussen.
Dadurch wird durch die Lackschicht 146 einerseits ein Schutz
der Halbleiterelemente und gleichzeitig die erforderliche Biegbarkeit
in den Bereichen zwischen Halbleiterelementen erreicht, ohne daß die dieselbe
in den Zwischenbereichen durchtrennt ist. Entsprechend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist der Träger bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 Vertiefungen 134 auf
der rückseitigen
Oberfläche 112b des
Trägers 112 auf,
die eine Biegbarkeit des Trägers
zwischen den jeweiligen Halbleiterelementen ermöglicht. Das Ausführungsbeispiel
gemäß 6 zeichnet sich insbesondere
durch eine besonders einfache Herstellung aus, da die dünne Lackschicht 146 keinen
weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen werden muß, um die erforderliche
Biegbarkeit des Moduls
100 zu gewährleisten, wodurch die Lackschicht
in einfacher Weise ganzflächig
aufgebracht werden kann.
-
Obwohl in den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 6 nur eine Reihe hintereinander angeordneter
Halbleiterelemente gezeigt ist, können bei weiteren Ausführungsbeispielen
die Halbleiterelemente auch in mehreren Reihen angeordnet sein. Dabei
kann die durch Biegung des Schaltungsmoduls alternativ in X- oder
Y-Richtung erfolgen, so daß eine
optimale Anpassung an eine beliebige Oberfläche erreicht werden kann.
-
Im folgenden werden nun in allgemeiner Weise
eine Herstellung der Ausführungsbeispiele
gemäß den 1 bis 6 erklärt.
-
In einem ersten Herstellungsschritt
wird dazu der Träger 112 mit
den Aufnahmebereichen 114a-f zum Aufnehmen der
Halbleiterelemente 110a-f sowie der Leiterstruktur 116 erzeugt.
Daraufhin werden die kristallinen Halbleiterelemente 110a-f auf
den zugeordneten Aufnahmebereichen 114a-f angeordnet und
mit der Leiterbahnstruktur elektrisch verkoppelt. Dies kann beispielsweise
mittels eines elektrischen Lötens,
oder mittels einer Verwendung von bekannten Haftmitteln erfolgen.
-
Daraufhin wird die Abdeckung, d.
h. die Verkapselung 122 erzeugt, so daß die Halbleiterelemente an
dem Träger
befestigt sind.
-
Erfindungsgemäß werden dabei der Träger oder
die Abdeckung derart erzeugt, daß eine durch eine Biegung des
Schaltungsmoduls 100 erzeugte Zug- oder Druckspannung stärker durch
den Bereich des Schaltungsmoduls in dem Bereich zwischen den Halbleiterelementen 110a-f als
durch die jeweiligen Aufnahmebereich aufgenommen wird. Dies kann
sowohl bereits bei dem Erzeugen des Trägers, beispielsweise durch
eine mechanische Bearbeitung eines bekannten Trägers, oder erst nach dem Aufbringen
der Halbleiterelemente, beispielsweise durch Bearbeiten der Befestigungsstruktur
erfolgen.
-
Wie es bereits unter Bezugnahme auf
die 1 bis 6 erklärt wurde, kann die Biegbarkeit
beispielsweise mittels eines Erzeugens von Vertiefungen im Bereich
zwischen den jeweiligen Aufnahmebereichen 114a-f erreicht
werden, die sowohl auf der oberen Oberfläche 112a als auch
auf der unteren Oberfläche 112b erzeugt
werden können.
-
Das Erzeugen der Verkapselungen 122 kann beispielsweise
mittels eines ganzflächigen
Aufbringens der Vergußmasse 124 und
eines nachfolgenden mechanischen Bearbeitens der ganzflächig aufgebrachten
Vergußmasse
erfolgen. Das mechanische Bearbeiten umfaßt beispielsweise ein Laser- oder
Wasserstrahlbehandeln. Ferner können
auch bekannte Ätzverfahren
oder sonstige Verfahren zur Materialabtragung verwendet werden.
-
Wenn als Trägermaterial eine gewöhnliche Leiterplatte
(FR4 oder glasfaserverstärktes
Epoxydharz) verwendet wird, was die kostengünstigste Lösung darstellt, kann eine Biegung
mit kleineren Biegeradien nur wenige Male stattfinden. Solche Module sind
somit nicht für
flexible Oberflächen
geeignet sondern eher für
relativ starre gekrümmte
Oberflächen,
wie z. B. Kfz-Spiegel, Stoßstangen,
etc, um Sensoren des Kfz oder die Zugangskontrolle für das Kfz
ggf. in Kombination mit einem Akkumulator autonom zu versorgen,
oder für
Anwendungen, bei denen nur kleine Biegeradien zu erwarten sind oder
nur wenige Biegungen auftreten, um einen Bruch aufgrund einer Materialermüdung zu
erreichen.
-
Sollen viele Biegungen und kleine
Biegeradien erzielt werden, so wird ein flexibles Leiterplattenmaterial
(112a in 7)
bevorzugt, sie z. B. Kaptonfolie, Polyimid, etc. Bei Star-Flex-Leiterplatten
(mit Dicken in der Größenordung
von 20 bis 100 Mikrometer) ist auf die Polymerfolie, die auch die
Leiterbahn umfasst, überall
in den versteiften Be reichen, also den Aufnahmebereichen 114a, 114b eine
Versteifung beispielsweise in Form von starren Leiterplattenstücken 112b aufgeklebt.
Auf diese Weise sind die flexiblen Zwischenbereiche 132 von
wesentlich höherer
Festigkeit und Biegsamkeit und können viele
tausend Mal gebogen werden. Solche Module sind insbesondere als
z. B. Uhrenarmband verwendbar oder können in Kleidungsstücke, wie
z. B. Hemdkragen oder Schulterbereichen von Oberbekleidung oder
Jacken, eingefügt
oder aufgesetzt werden, um Strom für am Menschen befindliche Geräte wie z.
B. Handys etc. oder für
medizinische Geräte,
die der Mensch benötigt,
zu erzeugen.