DE20302177U1 - Rahmen und damit hergestellter, mikrotechnischer Baustein sowie aus derartigen Bausteinen zusammengesetzte Systemkomponente - Google Patents

Description

DE 8404 Patentanwalt

Diplom-Physiker

Reinfried Frhr. v. Schorlemer

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Rahmen und damit hergestellter, mikrotechnischer Baustein sowie aus derartigen Bausteinen zusammengesetzte Systemkomponente

Die Erfindung betrifft einen Rahmen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie einen mikrotechnischen Baustein und eine mikrotechnische Systemkomponente nach den Oberbegriffen der Ansprüche 6 und 9.

Mikrotechnische Systemkomponenten mit im Millimeter-Bereich liegenden Außenabmessungen haben bereits Eingang in zahlreiche Anwendungsbereiche gefunden. Neben der Überwachung und Kontrolle von Prozessen und Systemzuständen z. B. in Druck-, Textil- und Werkzeugmaschinen- oder in der Anlagentechnik werden derartige Systemkomponenten zunehmend auch für Wartungs- und Diagnoseaufgaben eingesetzt. Die Systemkomponenten können dabei aus einzelnen Bausteinen zusammengesetzt sein, die z. B. die Funktionen eines Verstärkers, einer Mikropumpe, eines Mikrocontrollers, eines Programmspeichers oder eines Sensors für Temperatur, Beschleunigung, Druck, Abstand, Drehzahl, Durchflußmenge od. dgl. erfüllen.

Aufgrund der Vielzahl möglicher Aufgabenstellungen werden die auf dem Markt befindlichen, von zahlreichen Herstellern angebotenen Bausteine oder Systemkomponenten häufig nur in kleinen Stückzahlen und daher zu unerwünscht hohen Kosten hergestellt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Bausteine und Systemkom-

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ponenten keine einheitlichen Schnittstellen besitzen und daher nicht immer kompatibel sind.

Zur Vermeidung dieser Nachteile haben sich Hersteller und Anwender von mikrotechrüschen Bausteinen und Systemkomponenten auf die Schaffung eines einheitlichen, unter der Marke "Match-X" bekannt gewordenen Baukastens für Mikrosysteme verständigt. Dieser Baukasten enthält unabhängig vom jeweiligen Hersteller ausschließlich kompatible, mit standardisierten Schnittstellen versehene Bausteine, aus denen durch vertikalen, dreidimensionalen Aufbau und in an sich beliebiger Kombination zahlreiche unterschiedliche, mikrotechnische Systemkomponenten zusammen gesetzt werden können. Ein besonderer Vorteil besteht dabei darin, daß sich die im Einzelfall gewünschten Funktionalitäten der Systemkomponenten ohne Rücksicht darauf herstellen lassen, von welchen Herstellern die dazu benötigten Bausteine stammen. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, daß alle dem Baukasten angehörenden Bausteine wenigstens eine Trägerplatine mit wenigstens einem Funktionselement und der erforderlichen Verdrahtung, wenigstens einen auf die Trägerplatte aufgesetzten Rahmen und je eine untere bzw. obere Boden- bzw. Deckelplatine aufweisen. Alle genannten Teile werden vertikal übereinander angeordnet und zu einem Baustein irgendeiner gewünschten Funktion miteinander verbunden (vgl. z. B. in Match-X "modulare Mikrosysteme", Arbeitsgemeinschaft "Industrieplattform modulare Mikrosysteme", Frankfurt/Main, 2001). Die Übereinanderstapelung mehrerer solcher Bausteine ermöglicht die Herstellung von Systemkomponenten unterschiedlichster Art für benutzerspezifische Zwecke.

Die verschiedenen Einzelteile derartiger Bausteine weisen im Hinblick auf ihren Zusammenbau noch gewisse Mängel auf. Beispielsweise sind in den Rahmen der eingangs bezeichneten Gattung vorgesehene, als interne Bussysteme dienende Durchkontaktierungen, wie dies von der herkömmlichen Leiterplatten-Technik her bekannt ist, hülsenförmig ausgebildet, da sie durch das Anbringen von Bohrungen in den Rahmenteilen und das anschließende galvanische Abscheiden eines Metalls, insbesondere von Kupfer, an den Bohrungswänden entstehen. Daraus ergibt sich u. a. das

Problem, daß für die später herzustellenden Lötverbindungen zwischen dem Rahmen und den angrenzenden Platinen nur vergleichsweise kleine Lötflächen zur Verfügung stehen, die durch die in den Bohrungen gebildeten Kontakthülsen in ihrer Fläche noch stark reduziert werden. Außerdem besteht die Gefahr, daß das aufgebrachte Lot beim Erhitzen zumindest teilweise in die Kontakthülsen abfließt und dadurch unsaubere Lötverbindungen entstehen. Schwierigkeiten bereitet schließlich der Umstand, daß zunächst als "Nutzen" bezeichnete Fertigungseinheiten mit einer Vielzahl von z. B. zwanzig in ihnen ausgebildeten Rahmen und Platinen hergestellt, diese Fertigungseinheiten dann mit Hilfe von außerhalb der Rahmen und Platinen angebrachten Justiermarken bzw. -bohrungen übereinander gelegt und die verschiedenen Bausteine erst nach ihrem kompletten Zusammenbau durch Sägen oder Fräsen der Fertigungseinheiten vereinzelt werden. Ein individueller Zusammenbau einzelner Bausteine ist daher bisher unmöglich.

Angesichts dieser und anderer Unzulänglichkeiten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Rahmen, Bausteine und Systemkomponenten der eingangs bezeichneten Gattungen dahingehend weiter zu entwickeln, daß den Bedürfnissen der Praxis besser als bisher Rechnung getragen wird. Neben Rahmen mit verbesserten, Lötprobleme weitgehend ausschließenden Durchkontaktierungen sollen insbesondere Bausteine geschaffen werden, deren Einzelteile auch individuell zusammengesetzt werden können. Außerdem sollen die Bausteine nach der Verbindung der Einzelteile zu multifunktionalen Systemkomponenten kombiniert und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb einer anderen Systemkomponente wieder verwendet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, und 9.

Die Erfindung bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Besonders vorteilhaft ist, daß die U-förmigen Durchkontaktierungen nach der Herstellung der Bausteine auch von der Seite her zugänglich sind und die Bausteine leicht einzeln zusammengesetzt werden

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können. Außerdem können wenigstens jeweils zwei, in Abhängigkeit vom Einzelfall ausgewählte Bausteine mit Hilfe der erfindungsgemäßen Positionierhilfen auch leicht lösbar miteinander verbunden und zu einer mikrotechnischen Systemkomponente mit einer vorgewählten Funktionalität vereinigt werden. Wegen der lösbaren Verbindung können dieselben Bausteine außerdem mehrfach verwendet und dazu in unterschiedliche Systemkomponenten eingebaut werden.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Baustein in auseinander gezogener Darstellung;
15

Fig. 2 bis 4 je eine Seitenansicht, Draufsicht und perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rahmens des Bausteins nach Fig. 1, wobei eine Schnittlinie I-I in Fig. 3 die Schnittebene für den Rahmen in Fig. 1 andeutet;

Fig. 5 und 6 je eine Seitenansicht und Draufsicht einer erfindungsgemäßen Trägerplatine des Bausteins nach Fig. 1;

Fig. 7 in einer schematischen und perspektivischen, auseinander gezogenen Darstellung den Zusammenbau eines Bausteins nach Fig. 1; 25

Fig. 8 in einer schematischen und perspektivischen Darstellung den Zusammenbau von zwei erfindungsgemäßen Bausteinen; und

Fig. 9 eine nach vorn aufgebrochene, perspektivische Darstellung einer Spannvorrichtung für die lösbare Verbindung von zwei erfindungsgemäßen Bausteinen.

Nach Fig. 1 enthält ein mikrotechnischer Baustein 1 in an sich bekannter Weise (Match-X) eine Trägerplatine 2, einen Rahmen 3, eine untere Bodenplatine 4 und eine obere Deckelplatine 5.

Die Trägerplatine 2 dient zur Montage wenigstens eines mikrotechnischen Funktionselements 6, z. B. eines Sensors, eines Verstärkers oder eines Mikroprozessors, wobei an einer Trägerplatine 2 auch mehrere solcher Funktionselemente 6 befestigt werden können. Die Montage der Funktionselemente 6 erfolgt z. B. in üblicher Leiterplatten-Technologie, indem zunächst eine Vielzahl von Funktionselementen 6 auf einer gemeinsamen Leiterplatte montiert und diese dann durch Sägen oder Fräsen bedarfsgerecht zerschnitten wird, um die einzelnen Trägerplatinen 2 zu erhalten. Mit dem Bezugszeichen 7 sind die für die Funktionselemente 6 erforderlichen elektrischen Verdrahtungen angedeutet, die in seitlichen Randabschnitten der Trägerplatine 2 mit weiter unten erläuterten Durchkontaktierungen 8 verbunden sind.

Der Rahmen 3 wird, wie in Fig. 1 angedeutet ist, auf die Trägerplatine 2 aufgesetzt. Er enthält ein umlaufendes Rahmenteil 9 und eine Vielzahl von an dessen Rand angeordeten, weiter unten näher erläuterten Durchkontaktierungen 10. Die Lage der Durchkontaktierungen 10 ist dabei derart gewählt, daß sie nach dem Aufsetzen des Rahmens 3 auf die Trägerplatine 2 mit zugeordneten Durchkontaktierungen 8 leitend verbunden sind.

Die Bodenplatine 4 ist beispielsweise als sogenanntes "Ball-Grid-Array" ausgebildet. Sie ist dazu auf einer unteren Breitseite mit einer Vielzahl von vorstehenden, aus einem leitenden Material bestehenden, auch als Lötkugeln (bumps) bezeichneten Ansätzen 11 versehen. Die Ansätze 11 sind mittels die Bodenplatine 4 durchsetzender Durchkontaktierungen 12 mit Leiterbahnen 14 verbunden, die auf einer oberen Breitseite der Bodenplatine 4 verlegt sind. Die Leiterbahnen 14 erstrecken sich von den Durchkontaktierungen 12 zu den äußeren Randbereichen der Bodenplatine 4 und stellen im fertig montierten Zustand elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Durchkontaktierungen 12 bzw. Ansätzen 11 und ausgewählten Durchkontaktierungen

1 i.V: :V:

der Trägerplatine 2 her, wenn diese gegen die obere Breitseite der Bodenplatine 4 gelegt wird.

Die Deckelplatine 5 ist beispielsweise als sogenanntes "Land-Grid-Array" ausgebildet und an einer unteren Breitseite mit einer Vielzahl von aus einem leitenden Material hergestellten Ansätzen 15 bzw. "pads" versehen. Die Ansätze 15 sind derart in einem Randbereich angeordnet, daß sie beim Auflegen der Deckelplatine 5 auf den Rahmen 3 mit vorgewählten Durchkontaktierungen 10 desselben elektrisch leitend verbunden werden. Die Ansätze 5 sind außerdem elektrisch leitend mit zugeordneten Kontaktflächen 16 verbunden, die auf einer oberen Breitseite der Deckelplatine 5 in einer ähnlichen vorgewählten Verteilung angeordnet sind, wie dies auch für die Ansätze 11 auf der unteren Breitseite der Bodenplatine 4 gilt. Im übrigen werden die Boden- und Deckelplatinen 4, 5 zweckmäßig in herkömmlicher Leiterplatten-Technik hergestellt.

Die beschriebene Anordnung dient einerseits dem Zweck, einen modularen, vertikalen Aufbau des in Fig. 1 angedeuteten, mikrotechnischen Bausteins 1 zu ermöglichen. Andererseits ermöglicht die beschriebene Bauweise, zwei derartige Bausteine 1 vertikal übereinander anzuordnen, in welchem Fall die Ansätze 11 der Bodenplatine 4 des einen Bausteins 1 genau über den Kontaktflächen 16 der Deckelplatine 5 des anderen Bausteins 1 zu liegen kommen. Die Durchkontaktierungen 8 und 10 bilden dabei interne Bussysteme, die in der für die Funktion der Funktionselemente 6 erforderlichen Weise mit zugeordneten Ansätzen 11 und Kontaktflächen 16 verbunden sind. Die Positionen der Ansätze 11 und Kontaktflächen 16 an den Boden- und Deckelplatinen 4, 5 sind dabei vorzugsweise normiert, so daß die Boden- und Deckelplatinen 4 und 5 standardisierte Schnittstellen für die Bausteine 1 bilden, in denen jeder Ansatz 11 und jede Kontaktfläche 16 eine definierte Lage und Bedeutung im Gesamtbaustein hat. Alle nach demselben Schema aufgebauten Bausteine 1 sind außerdem unabhängig davon kompatibel zueinander, von welchem Hersteller sie stammen und welche Funktionalitäten die im Einzelfall verwendeten Funktionselemente 6 besitzen.

Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Rahmens 3 ergeben sich aus Fig. 2 bis 4. Das Rahmenteil 9 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff-Spritzgußteil, das aus irgendeinem elektrisch isolierenden Kunststoff hergestellt wird. Das Rahmenteil 9 besitzt z.B. eine quadratische oder rechteckige Grundform mit je einer unteren und oberen Breitseite 18 bzw. 19, einer inneren Aussparung 20, die quadratisch, rechteckig, rund oder sonstwie ausgebildet sein kann, und je einer inneren und äußeren Umfangsfläche 21 bzw. 22. Die Durchkontaktierungen 10 (Fig. 1) enthalten dabei auf der unteren bzw. oberen Breitseite des Rahmenteils 9 angeordnete Kontaktflächen 10a und diese elektrisch miteinander verbindende Leiterbahnen 10b. Die Leiterbahnen 10b sind an der äußeren Umfangsfläche 22 des Rahmenteils 9 angeordnet, so daß die Durchkontaktierungen 10 insgesamt U-förmig ausgebildet und sowohl von der unteren und oberen Breitseite 18 bzw. 19 als auch von der äußeren Umfangsfläche 22 her zugänglich sind.

Die Durchkontaktierungen 10 werden vorzugsweise dadurch hergestellt, daß die Rahmenteile 9 beim Spritzgießvorgang durch entsprechende Ausbildung des Werkzeugs an denjenigen Stellen, wo eine Durchkontaktierung 10 liegen soll, mit nutenförmigen, parallel nebeneinander liegenden Ausnehmungen 23 versehen werden, die den Randbereichen der Rahmenteile 9 in der Draufsicht nach Fig. 3 ein kammartiges Aussehen verleihen. Diese Ausnehmungen 23 haben eine Tiefe von wenigen Mikrometern (z. B. ca. 20 &mgr;&pgr;&igr;). Das galvanisch abgeschiedene und dabei bevorzugt die Ausnehmungen 23 eindringende Kontaktmaterial erhält demgemäß eine Dicke von ebenfalls einigen Mikrometern, so daß es die Ausnehmungen 23 z. B. im wesentlichen ausfüllt, wie insbesondere Fig. 2 und 4 zeigen. Dabei sind die Durchkontaktierungen 10 in Fig. 2 bis 4 durchweg geschwärzt dargestellt, um ihre Ausbildung und Positionierung hervorzuheben. Außerdem sind die Durchkontaktierungen 10 vorzugsweise längs des gesamten Umfangs des Rahmens 3 verteilt, wobei im Ausführungsbeispiel an jeder Seite je dreizehn Durchkontaktierungen 10 angebracht sind. Je nach Bedarf und Größe der Bausteine 1 kann die Zahl der Durchkontaktierungen auch anders sein und z. B. sechszehn oder mehr betragen.

Der Rahmen 3 ist weiterhin mit wenigstens zwei, vorzugsweise vier als Positionierhilfen dienenden Durchgängen 24 versehen, die im wesentlichen senkrecht zu den parallelen Breitseiten 18 und 19 verlaufen. Die Durchgänge 24 werden z. B. während des Spritzgießens des Rahmens 3 und mit Hilfe von in das Spntzgieß-Werkzeug eingesetzten Stiften hergestellt und dienen einem weiter unten näher erläuterten Zweck. Im Ausführungsbeispiel, bei dem der Rahmen 3 eine quadratische Grundform besitzt, ist in jeder der vier Rahmenecken jeweils ein solcher Durchgang 24 vorhanden. Alternativ könen aber auch zwei oder drei derartige Durchgänge 24 oder mehr als vier Durchgänge 24 vorgesehen werden.

Die Rahmen 3 können je nach Bedarf in unterschiedlichen Größen hergestellt werden. Gängige Rahmen 3 weisen z. B. Seitenkanten mit einer Länge von ca. 12,5 mm bzw. 15,0 mm und Dicken bzw. Höhen von z. B. 2,1 mm auf.

Fig. 5 und 6 zeigen Einzelheiten der als massives Bauteil hergestellten, planparallelen Trägerplatine 2 nach Fig. 1. Diese besitzt im Ausfuhrungsbeispiel dieselbe quadratische Grundform wie der Rahmen 3, jedoch mit dem Unterschied, daß sie nur etwa halb so dick wie dieser ist und die bei diesem vorhandene, mittlere Aussparung 20 fehlt. Die äußere Kantenlänge beträgt z. B. 12,5 oder 15 mm bei einer Dicke von

z. B. ca. 1 mm. Außerdem ist die Trägerplatine 2 wie der Rahmen 3 mit in den Ecken angeordneten, zur oberen bzw. unteren Breitseite im wesentlichen senkrecht verlaufenden Durchgängen 25 versehen. Im Gegensatz zum Rahmen 3 ist allerdings nur an drei Ecken je ein Durchgang 25 vorhanden. Die relativen Abstände und Querschnitte der Durchgänge 25 entsprechen denen der Durchgänge 24.

Die Durchkontaktierungen 8 der Trägerplatine 2 enthalten analog zu denen des Rahmens 3 jeweils eine an der unteren und oberen Breitseite angebrachte Kontaktfläche 8a und eine diese verbindende, an der äußeren Umfangsfläche der Trägerplatine 2 angebrachte Leiterbahn 8b, so daß sie ebenfalls insgesamt U-förmig ausgebildet sind. Die Zahl und die Positionierung der Durchkontaktierungen 8 entsprechen denen der Durchkontaktierungen des Rahmens 3, wobei entsprechend Fig. 6 an ausgewählten

Stellen 26 bei Bedarf auch einige der Durchkontaktierungen 8 fehlen können.

Die Trägerplatinen 2 bestehen vorzugsweise aus herkömmlichem Leiterplattenmaterial (&zgr;. B. FR 4) und können zur Bildung weiterer elektrischer Leiterbahnen auch mit leitenden Zwischenschichten versehen sein, wie dies in der Leiterplatten-Technologie üblich ist. Für diesen Fall werden die Durchkontaktierungen 8 vorzugsweise ebenfalls in herkömmlicher Technik hergestellt, indem die Trägerplatinen 2 zunächst dort, wo die Leiterbahnen 8b liegen sollen, mit Bohrungen versehen werden. Anschließend werden die Bohrungen durch galvanische Abscheidung mit einem Metall wie z. B.

Kupfer belegt. Im Anschluß daran werden äußere Randabschnitte der Trägerplatinen 2 längs Ebenen, die in Fig. 6 durch eine Linie 27 angedeutet sind, durch Fräsen, Sägen od. dgl. abgeschnitten und als Abfall entfernt, wodurch die zuvor erhaltenen, zylindrischen Bohrungen und metallischen Hülsen in der Mitte durchgetrennt werden. Die dadurch entstehenden, halbzylindrischen und nach außen hin konkaven Flächen stellen dann die fertigen Leiterbahnen 8b dar.

Das in Fig. 1 dargestellte Funktionselement 6 ist in Fig. 5 und 6 noch nicht montiert. Es wird in herkömmlicher Weise an der Trägerplatine 2 befestigt und mittels der Verdrahtungen 7 (Fig. 1) an ausgewählte Durchkontaktierungen 8 angeschlossen.

Der Zusammenbau des mikrotechnischen Bausteins 1 unter Anwendung der aus Fig. 1 ersichtlichen Grundelemente 2 bis 5 kann auf die in Fig. 7 angedeutete Weise erfolgen. Eine Grundplatte 29 wird mit drei vertikal nach oben ragenden, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Positionierungsstiften 30 versehen, deren relative Abstände und Querschnitte denen der Durchgänge 24 und 25 entsprechen und die z. B. in auf der Oberfläche der Grundplatte 29 angebrachte Löcher gesteckt oder in geeignete Gewindebohrungen eingedreht werden. Auf diese Positionierungsstifte 30 wird zunächst eine Bodenplatine 4 aufgefädelt, die bei ihrer Herstellung analog zur Trägerplatine 2 an drei Ecken oder analog zum Rahmen 3 an allen vier Ecken mit Durchgängen versehen ist, für deren relative Abstände und Querschnitte dasselbe wie

für die Durchgänge 24 und 25 gilt. Die Ansätze 11 der Bodenplatine 4 weisen dabei :*·. :··· .··. .··. ···: .··. .··. .: ···: ···: : : .:

nach unten. Anschließend werden nacheinander die Trägerplatinen 2 und Rahmen 3 aufgesetzt, indem sie mit ihren Durchgängen ebenfalls auf die Positionierungsstifte 30 aufgereiht werden. Schließlich wird die Deckelplatine 5 aufgeschoben, die bei ihrer Herstellung wie die Bodenplatine 4 mit entsprechenden, als Positionierhilfen dienenden Durchgängen versehen wurde. In dem dadurch erhaltenen Stapel aus den Bauteilen 2 bis 5 liegen dann alle einander zugeordneten Kontaktflächen 8a, 10a bzw. Leiterbahnen 14 bzw. Ansätze 15 (Fig. 1) in einer Weise genau übereinander, daß beim Zusammendrücken des Stapels die gewünschten und standardisierten Kontaktierungen hergestellt werden, leitende Verbindungen von den Ansätzen 11 bis zu den Kontaktflächen 16 entstehen und die Anschlüsse der Funktionselemente 6 an vorgewählte Ansätze 11 bzw. Kontaktflächen 16 angeschlossen sind. Die die Durchgänge 24, 25 durchragenden Positionierungsstifte 30 legen dabei die genauen Lagen der beteiligten Teile in X- und Y-Richtung fest und verhindern außerdem relative Drehungen in der XY-Ebene, so daß fehlerhafte Kontaktierungen ausgeschlossen und die Ansätze 11, Durchkontaktierungen 8 und Kontaktflächen 16 einander eindeutig zugeordnet sind. Abschließend werden die Bauteile 2 bis 5 dann in üblicher Weise verlötet, indem zur Berührung kommende Kontaktflächen mit einem Lot belegt und die Bauteile 2 bis 5 dann erwärmt werden. Nach Vollendung des Lötvorgangs wird schließlich der zusammenhänge, fertige Baustein erhalten, wie er aus Fig. 8 ersichtlich ist. Der fertige Baustein 1 kann daher ohne Risiko von den Positionierungstiften 30 abgezogen und der weiteren Verwendung zugeführt werden.

Bei Bedarf kann, wie Fig. 7 und 8 zeigen, zwischen der Bodenplatine 4 und der Trägerplatine 2 ein zweiter Rahmen 3 angeordnet werden. Das empfiehlt sich insbesondere dann, wenn zur Erzielung einer gewünschten Funktion des Bausteins 1 mehrere Funktionselemente 6 wie z. B. Sensoren, Verstärker und Programmspeicher auf einer und derselben Trägerplatine 2 untergebracht werden sollen und es dabei aus Platzgründen wünschenswert ist, die Funktionselemente 6 teils auf der einen und teils auf der entgegen gesetzten Breitseite der Trägerplatine 2 zu montieren. Die beiden Rahmen 3 dienen dann beidseits der Trägerplatine 2 sowohl zum Schutz der Funktionselemente 6 als auch zu ihrer elektrischen Verbindung mit der Boden- bzw.

Deckelplatine 4 bzw. 5.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, die Trägerplatine 2 und die Bodenplatine 4 aufgrund eines besonderen Herstellungsprozesses (z. B. Leiterplattentechnologie) von vornherein als einstückige, komplette Einheit herzustellen. Das ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn lediglich ein oder zwei Funktionselemente 6 pro Baustein 1 vorhanden sind und kein größerer Platzbedarf besteht. Für diesen Fall wird dann auch jeweils nur ein Rahmenelement benötigt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Rahmens 3 und die entsprechende Anbringung von Leiterbahnen an den Außenseiten der Platinen 2 und 4 bringt den besonderen Vorteil mit sich, daß die im Baustein 1 von oben nach unten durchgehenden Busleitungen auch nach dem Zusammenbau des Bausteins 1 von der Außenseite her zugänglich sind. Das ermöglicht und vereinfacht den erforderlichen Qualitäts- und Funktionstest des Funktionselements 6 und des kompletten Bausteins 1 und ermöglicht umfangreiche Prüfungen ohne Benutzung der Ansätze 11 bzw. der Kontaktflächen 16, was bisher nicht möglich war. Weiter schafft die Verlagerung der Leiterbahnen 10b an die äußere Kontur des Rahmens 3 mehr Platz zum Aufbringen von Lötmittel unter Vermeidung der bei herkömmlicher Bauweise bestehenden Probleme. Besonders vorteilhaft ist ferner, insbesondere wenn die Durchgänge 24, 25 und Positionierungsstifte 30 paßgenau gefertigt sind, daß die Teile 2 bis 5 nach dem Aufreihen auf die Positionierungsstifte 30 automatisch die erforderlichen relativen Lagen zueinander einnehmen und der beschriebene Baukasten nur die vereinzelten Teile 2 bis 6 umfaßt, so daß die Bausteine 1 einzeln und nicht in größeren Mengen (Nutzen) verarbeitet werden müssen. Weiter ist vorteilhaft, daß die Rahmenteile 9 als Spritzgießteile und damit preisgünstig hergestellt werden können, da die bisher erforderlichen Fräsarbeiten zur Herstellung der Aussparungen 20 und der damit verbundene Abfall vermieden werden. Schließlich ist es durch Wahl der Anzahl der vorhandenen Durchgänge 24, 25 usw. möglich, Verwechselungen bei der Montage der Bauteile 1 weitgehend zu vermeiden.

Die drei vorhandenen Durchgänge 25 der Trägerplatine 2 legen z. B. in Verbindung mit drei vorhandenen Positionierungsstiften 30 eine bestimmte Lage der Trägerplatine

2 im Bauteil 1 fest, die z. B. durch die spezielle Bestückung der Trägerplatine 2 mit Funktionselementen 6 vorgegeben sein kann. Dagegen ermöglichen die vier Durchgänge 24 eine beliebige Anordnung der Rahmen 3 im Baustein 1, was unkritisch ist, da die aus Fig. 2 bis 4 ersichtliche symmetrische Verteilung der Durchkontaktierungen 10 keine bestimmte Lage erfordert. Entsprechend können die Platinen 3 und 5 je nach Fall derart mit Durchgängen versehen sein, daß sie wahlweise nur eine oder mehrere Lagen im Baustein 1 einnehmen können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf die beschriebene Weise hergestellte Bausteine in einfacher Weise miteinander kombiniert werden können. Gemäß Fig. 8 wird hierzu vorzugsweise ebenfalls die Vorrichtung nach Fig. 7 verwendet. Dabei wird z.B. zunächst der Baustein 1 auf die Grundplatte 29 aufgelegt, danach ein elektrisch anisotrop leitendes Kontaktelement 31, insbesondere eine Folie, auf die Positionierungsstifte 30 aufgefädelt und dann ein zweiter Baustein la aufgelegt, der nach demselben Schema wie der Baustein 1 hergestellt wurde. Bei mehr als zwei zusammen zu setzenden Bausteinen 1, la werden in analoger Weise zwischen je zwei Bausteinen weitere anisotrop leitende Folien 31 angeordnet. Derartige Folien 31 zeichnen sich dadurch aus, daß sie aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, in das eine Vielzahl von senkrecht zu den Breitseiten angeordneten, elektrisch leitenden Kontaktstiften eingesetzt ist. In Abhängigkeit von der Lage und Größe der Kontaktflächen 16 und Ansätze 11 kommen dann beim Aufeinanderlegen der Bausteine 1, la mehrere derartige Kontaktstifte mit den Kontaktflächen 16 und Ansätzen 11 in leitende Verbindung. Dadurch werden im Bereich der Grenzflächen zwischen zwei Bausteinen 1, la trotz der Mikrobauweise und der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen gute leitende Verbindungen zwischen den zugeordneten Ansätzen 11 und Kontaktflächen 16 der aufeinander gelegten Bausteine 1, la erhalten.

Zur Vermeidung von Verwechslungen beim Auffädeln der Bausteine 1, la auf die Positionierstifte 30 dienen die Zahl und die Lage der in den Trägerplatinen 2 ausgebildeten Durchgänge 25. Da diese Durchgänge 25 im fertig montierten Zustand der Bausteine 1 jedoch nicht sichtbar sind, ist es zweckmäßig, die Boden- und/oder

Deckelplatinen 4, 5 mit entsprechend positionierten Durchgängen zu versehen. Insoweit zeigt z. B. Fig. 8, daß eine Deckelplatine 5a des Bausteins la an einer Ecke 32 keinen Durchgang aufweist, so daß die Lage des Bausteins la auf den Positionierstiften 30 bei nach oben weisenden Kontaktflächen 16a eindeutig festgelegt ist, wenn wie in Fig. 3 drei solche Positionierungsstifte vorhanden sind. Die Durchgänge 24, und Positionierstifte 30 können daher auch beim Zusammenfügen mehrerer Bausteine 1, la als Montagehilfen genutzt werden, da sie ihre genaue relative Positionierung in der XY-Ebene sicherstellen und relative Drehungen um die Z-Achse verhindern. Dadurch ist es möglich, mehrere Bausteine 1, la einfach dadurch elektrisch miteinander zu verbinden, daß sie nach dem Auffädeln auf die Positionierungsstifte 30 im Bereich ihrer Grenzflächen gegeneinander gedrückt werden.

Als Positionierungsstifte 30 werden vorzugsweise auf dem Markt befindliche, in großen Längen erhältliche Drähte bzw. Stangen verwendet, die auf die für die Vorrichtung nach Fig. 7 und 8 geeignete Länge gebracht bzw. nach dem Zusammenbau mehrerer Bausteine 1, la usw. auf das Endmaß der dadurch erhaltenen Systemkomponente abgelängt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf verschiedene Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise können die Rahmen anstatt durch Spritzgießen auch auf andere Weise, z. B. durch Prägen, mit Hilfe von Leiterplatten- oder LTCC-Technologien oder sonstwie hergestellt werden. Die Trägerplatinen 2 können mit besonderem Vorteil anstatt mit elektrischen auch mit optischen, mechanischen oder fluidtechnischen Funktionselementen oder Kombinationen davon wie Pumpen, Ventilen od. dgl. versehen sein. Im Fall von fluidtechnischen Funktionselementen weist die Trägerplatine 2 alternativ oder zusätzlich zu den Verdrahtungen 7 horizontale, für ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) bestimmte Verbindungskanäle auf, die von den Funktionselementen radial nach außen zu vertikalen, fluidtechnischen Kanälen führen, die parallel zu den Durchkontaktierungen 8 verlaufen. Diese Kanäle stehen in analoger Weise mit weiteren, auf sie ausgerichteten Kanälen in den Rahmen 3 und den Boden- bzw. Deckelplatinen 4, 5 in Verbindung,

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die mit den Ansätzen 11 und Kontaktflächen 16 entsprechenden fluidtechnischen Anschlüssen verbunden sein können und fluidtechnische Bussysteme bilden. Die Anzahl und Positionierung der fluidtechnischen Anschlüsse auf den Platinen 4, 5 sind vorzugsweise normiert, um auch für diese Anwendungen geeignete, standardisierte Schnittstellen zu erhalten. Zur dichten Verbindung der fluidtechnischen Kanäle innerhalb eines Bausteins können deren Enden vor dem Lötvorgang mit Lötringen belegt werden, während zur Verbindung der Kanäle von zwei oder mehr Bausteinen die Folien 31 in Fig. 8 dort, wo die Kanalenden zu liegen kommen, mit Löchern versehen werden. Die zusätzliche Anwendung von die Ausstrittsenden der Kanäle bzw. Kanalanschlüsse umgebenden Dichtringen ist ebenfalls möglich. In ähnlicher Weise wäre es möglich, in den Kanälen lichtleitende Fasern für optische Anwendungszwecke zu verlegen.

Weiter ist es möglich, die fertigen Bausteine oder Systemkomponenten in vorzugsweise hohlzylindrischen Gehäusen anzuordnen, die die Durchkontaktierungen 8, 10 nicht berühren, und die unterste und oberste Boden- bzw. Deckelplatine mit je einem genormten Anschlußstecker zu versehen, wobei die Anschlüsse für die Datenzufuhr und -abfuhr vorzugsweise von den Anschlüssen für die Energieversorgung der Funktionselemente getrennt werden. Je nach Fall können die Grundplatten 29 (Fig. 7, 8) dabei als Teile der Gehäusekonstruktion erhalten bleiben.

Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Gehäusekonstruktion ist in Fig. 9 dargestellt. Danach werden die gemäß Fig. 8 übereinander angeordneten Bausteine 1, la vorzugsweise mit Hilfe einer Spannvorrichtung 34 zusammengedrückt und gleichzeitig lösbar miteinander verbunden. Gemäß Fig. 9 enthält die Spannvorrichtung 34 z.B. ein unteres Gehäuseteil 35 und ein oberes Gehäuseteil 36, die beide in axialer Richtung, d.h. parallel zu den Positionierungsstiften 30, aufeinander zu bewegt und miteinander verbunden werden können.

Im Ausführungsbeispiel ist das untere Gehäuseteil 35 im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und an seinem Boden mit einem nach innen vorstehenden, flanschartigen,

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in Umfangsrichtung umlaufenden Auflagering 37 versehen. Das obere Gehäuseteil 36 ist ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet und mit einem so großen Innendurchmesser versehen, daß es mit wenig Spiel axial auf das untere Gehäuseteil 35 aufgeschoben werden kann. An seinem oberen Ende ist das Gehäuseteil 36 mit einem Spannring 38 versehen, der ähnlich wie der Auflagering 37 flanschartig, nach innen vorstehend und in Umfangsrichtung durchlaufend ausgebildet ist.

Am Auflagering 37, der bei diesem Ausführungsbeispiel die Grundplatte 29 (Fig. 7 und 8) ersetzt, sind die Positionierungsstifte 30 befestigt. Dabei ist die zylindrische Umfangswand des unteren Gehäuseteils 35 zweckmäßig mit einem ausreichend großen radialen Abstand von den Positionierungsstiften 30 angeordnet. Insbesondere ist die Anordnung zweckmäßig so, daß beim Aufstecken der beschriebenen Bausteine 1, la auf die Positionierungsstifte 30 in der aus Fig. 8 ersichtlichen Weise die äußeren Umfangsflächen 22 der Rahmenteile 9 und der Platinen 2 bis 4 bzw. die verschiedenen Durchkontaktierungen 8, 10 od. dgl. nicht mit der Unfangswand des Gehäuseteils 25 in Berührung kommen.

Zum besseren Verständnis sind in Fig. 9 schematisch verschiedene Elemente von Bausteinen dargestellt, insbesondere die untere Bodenplatine 4 eines unteren Bausteins 1 und die obere Deckelplatine 5a eines oberen Bausteins la (Fig. 8). Daraus ist ersichtlich, daß die Deckelplatine 5a nach dem Aufstecken der Bausteine 1, la auf die Positionierungsstifte 30 axial geringfügig nach oben über den oberen Rand der zylindrischen Umfangswand des Gehäuseteils 35 hinausragt. Das obere Gehäuseteil 36 kann daher jetzt bei nach oben weisendem Spannring 38 entsprechend Fig. 9 so weit auf das untere Gehäuseteil aufgeschoben werden, bis sich der Spannring 38 an die obere Deckelplantine 5a anlegt. Ein weiteres axiales Vorschieben des oberen Gehäuseteils 36 in Richtung des Auflagerings 37 hat dann zur Folge, daß die Bausteine 1, la zwischen den beiden Ringen 37, 38 verspannt und die zwischen den Bausteinen 1, la vorhandenen Kontaktelemente 31 geringfügig zusammengedrückt werden.

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Zur Aufrechterhaltung der Vorspannung können an sich beliebige, an den beiden Gehäuseteilen 35, 36 ausgebildete Mittel verwendet werden, insbesondere Bajonettoder Schraubverschlüsse, Überwurfmuttern oder Gewindebolzen und Muttern. Dadurch ergeben sich zwei wesentliche Vorteile. Zum einen wird eine Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 35, 36 hergestellt, die jederzeit wieder lösbar ist, so daß die zusammen gehaltenen Bausteine nach Bedarf ausgewechselt oder für andere Zwecke verwendet werden können. Zum anderen kann dieselbe Spannvorrichtung für unterschiedlich hohe Baustein-Kombinationen verwendet werden. Da die Lage der Bausteine durch die Positionierungsstifte 30 festgelegt ist, könnte der Spannring 38 für den Fall, daß wenigstens ein weiterer Baustein auf die Positionierungsstifte 30 aufgesteckt ist, abweichend von Fig. 9 auch mit einem wesentlich größeren Abstand vom oberen Ende des unteren Gehäuseteils 35 angeordnet sein. Dabei wird der Spannring 38 zweckmäßig dort, wo die Positionierungsstifte 30 zu liegen kommen, mit geeigneten Ausnehmungen 39 versehen, damit die Positionierungsstifte 30 den Spannring 38 bei Bedarf axial nach oben überragen können. Alternativ können unterschiedliche Gehäusehöhen und/oder unterschiedlich hohe obere Gehäuseteile 36 vorgesehen sein, um unterschiedlich viele Bausteine übereinander anordnen zu können.

Da die beiden Gehäuseteile 35, 36 hohlzylindrisch sind, sind die im Stapel unterste Bodenplatine 4 und die im Stapel oberste Deckelplatine 5a von außen her zugänglich, so daß sie auch im zusammengebauten Zustand mit geeigneten Anschlußsteckern od. dgl. versehen werden können.

Die galvanische oder sonstwie durchzuführende Beschichtung zur Ausbildung der Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. kann wie üblich nach einem subtraktiven oder additiven Verfahren durchgeführt werden, indem entweder bei zunächst komplett beschichteten Teilen in einem weiteren Arbeitsschritt die nicht benötigten Beschichtungsabschnitte mit lasertechnischen Mitteln entfernt oder zu beschichtende Flächen zunächst aufgerauht oder sonstwie vorbehandelt werden, um an diesen Stellen eine bevorzugte Abscheidung von Metall zu bewirken. Wegen der außen liegenden Leiter-

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bahnen 8b, 10b können diese Verfahren mit Vorteil auch zur Anbringung der Durchkontaktierungen 8, 10 angewendet werden. Weiter ist klar, daß die Durchkontaktierungen 8 der Rahmen 3 analog zu denen der Trägerplatinen 2 hergestellt werden könnten, wobei sowohl die Durchkontaktierungen als auch die Durchgänge 24, 25 in einer anderen zweckmäßigen Zahl und Anordnung vorgesehen werden könnten. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims (11)

1. Rahmen für den modularen, vertikalen Aufbau von mikrotechnischen Bausteinen (1, 1a) mit einem aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellten Rahmenteil (9) und einer Mehrzahl von mit diesem verbundenen, elektrisch leitenden Durchkontaktierungen (10), wobei das Rahmenteil (9) mit je einer oberen und unteren Breitseite (18, 19) und mit je einer äußeren und inneren Umfangsfläche (21, 22) versehen ist und die Durchkontaktierungen (10) an der oberen und unteren Breitseite (18, 19) angeordnete Kontaktflächen (10a) und diese verbindende Kontaktmittel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen (10) U-förmig ausgebildet sind und an der äußeren Umfangsfläche (22) verlegte, die Kontaktflächen (10a) verbindende Leiterbahnen (10b) aufweisen.

2. Rahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (9) mit wenigstens zwei, im wesentlichen senkrecht zu den Breitseiten (18, 19) angeordneten, als Positionierhilfen dienenden Durchgängen (24) versehen ist.

3. Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (9) mit nutenartigen, zur Aufnahme der Durchkontaktierungen (10) bestimmten Ausnehmungen (23) versehen ist.

4. Rahmen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (9) eine rechteckige oder quadratische Grundform besitzt und die Durchgänge (24) an wenigstens zwei Ecken vorgesehen sind.

5. Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (9) aus einem Kunststoff-Spritzgußteil besteht.

6. Mikrotechnischer Baustein mit modularem, vertikalem Aufbau, enthaltend wenigstens eine Trägerplatine (2) mit wenigstens einem mikrotechnischen Funktionselement (6), wenigstens einen auf die Trägerplatine (2) aufgesetzten, das Funktionselement (6) umgebenden Rahmen (3) und je eine mit der Trägerplatine (2) bzw. dem Rahmen (3) verbindende Boden- und Deckelplatine (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.

7. Baustein nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger-, Boden-, und/oder Deckelplatinen (2, 4, 5) wenigstens je drei, auf die Durchgänge (24) des Rahmens (3) ausgerichtete Durchgänge (25) aufweisen.

8. Baustein nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger-, Boden, und Deckelplatinen (2, 4, 5) durch Löten fest miteinander verbunden sind.

9. Mikrotechnische Systemkomponente mit wenigstens zwei übereinander angeordneten Bausteinen (1, 1a), dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine (1, 1a) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8 ausgebildet und die Durchgänge (24, 25) von Positionierungsstiften (30) durchragt sind.

10. Systemkomponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Bausteinen (1, 1a) ein elektrisch anisotrop leitfähiges Kontaktelement (31) angeordnet ist.

11. Systemkomponente nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine (1, 1a) durch eine Spannvorrichtung (34) lösbar miteinander verbunden sind.