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DE4120670A1 - Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen schaltungssubstrats - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen schaltungssubstrats

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DE4120670A1
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Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaltungssubstrats.
In bekannter Weise wurden flache Platten als Schaltungs­ substrate verwendet, die allgemein als Leiterplatten oder PCB (Printed Circuit Boards) bezeichnet werden. Ein Schal­ tungssubstrat mit verschiedenartigen dreidimensionalen Kon­ figurationen und ein Verfahren zur Herstellung des Schaltungs­ substrats könnte jedoch die Präzision und die Zuverlässigkeit von verschiedenen elektrischen Komponenten verbessern, die mit dem Schaltungssubstrat verbunden sind.
Die Herstellung eines dreidimensionalen Schaltungssubstrats durch zwei Komponenten-Formen ist durch den Stand der Technik bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Körper, der stromlos beschichtet werden kann, zuerst durch Spritzguß unter Ver­ wendung von Kunstharz geformt, in das ein Beschichtungs­ katalysator eingemischt ist. Als zweites wird eine dünne Schicht, die nicht stromlos beschichtet werden kann, auf einer festgelegten Oberfläche des geformten Körpers durch einen weiteren Spritzgußvorgang geformt, wobei ein weiteres Kunstharz ohne Beschichtungskatalysator verwendet wird. Zuletzt wird der Körper mit Ausnahme der Schicht stromlos beschichtet. Ein leitfähiger Bereich wird dadurch auf der gewünschten Oberfläche des geformten Körpers gebildet.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein Körper zuerst unter Verwendung von Kunstharz geformt, das stromlos be­ schichtet werden kann. In der Folge wird ein Foto-Resist auf die Oberfläche des geformten Körpers aufgebracht, und ein Schaltungsmuster wird belichtet. Nachdem das Foto-Resist teilweise durch Ätzen entfernt ist, wird die geätzte Ober­ fläche des geformten Körpers stromlos beschichtet, wobei ein dreidimensionales Schaltungssubstrat gebildet wird.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein dreidimensio­ nales Substrat geformt, und ein Schaltungsmuster wird auf die Oberfläche des dreidimensionalen Substrats unter Ver­ wendung eines Übertragungsfilms übertragen.
Die Bildung eines leitfähigen Bereichs einschließlich eines Schaltungsmusters auf einer vorgegebenen Oberfläche eines dreidimensionalen Substrats durch Aufdampfen im Vakuum ist ebenfalls bereits vorgeschlagen worden.
Die vorstehend genannten Verfahren erfordern jedoch kompli­ zierte Verfahrensschritte, wie den Spritzguß mit dem Kunst­ harz, das den Beschichtungskatalysator enthält, die Bildung des Schaltungsmusters mit einem Übertragsfilm oder das Auf­ dampfen im Vakuum. Ein dreidimensionales Substrat gemäß diesen bekannten Techniken ist daher schwierig herzustellen.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, durch das ein dreidimensionales Schaltungssub­ strat, das ein kompliziertes Schaltungsmuster aufweist, leicht hergestellt werden kann.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der aus­ führlichen nachfolgenden Beschreibung in Zusammenwirkung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren deutlich.
Kurzdarstellung der Erfindung
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats vor. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bilden eines leitfähigen Bereichs auf einer Oberfläche eines Filmelements als Obermaterial, Anordnen des Filmelements mit dem leitfähigen Bereich gegenüberliegend einem Kunstharz­ glied als Basismaterial in einer Form, Überlappen und Ver­ binden des Filmelements und des Kunstharzglieds durch Blas­ formen oder Vakuumformen und dabei Bilden eines dreidimensio­ nalen Schaltungssubstrats.
Das Filmelement ist vorzugsweise ein Film oder eine dünne Platte aus einem Kunstharz, das aus einem amorphen Polymer wie ABS-Kunstharz, Polykarbonat oder Polyethersulfon zusammen­ gesetzt ist. Das Kunstharzglied ist vorzugsweise ein Platten­ material, das aus demselben Material wie das des Filmelements zusammengesetzt ist. Der leitfähige Bereich kann sich aus Kupfer, Silber oder anderen leitfähigen Metallen zusammen­ setzen. Ein hauptsächlich Graphit enthaltender Widerstands­ bereich kann auf dem leitfähigen Bereich gebildet werden.
Kurze Darstellung der Zeichnungen
Fig. 1A, 1B, 1C, 1D, 1E und 1F sind erläuternde Ansichten, die die Verfahrens­ schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaltungssubstrats als Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, und
Fig. 2 stellt eine perspektivische Ansicht des dreidimensio­ nalen Schaltungssubstrats dar.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Ein Verfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1F erläutert.
Erster Verfahrensschritt: Bilden von Verbindungslöchern
Fig. 1A illustriert das Bilden von Löchern 5 zur Verbindung von Anschlüssen auf einem Film 1. Die Löcher 5 mit einem Durchmesser von 1 mm sind an vorgegebenen Bereichen des Films 1 ausgebildet, der aus 1 mm dickem ABS-Kunstharz be­ steht, so daß ein leitfähiger Bereich 2, der im nächsten Verfahrensschritt gebildet wird, durch die Löcher 5 an der Rückseite des Films 1 freiliegt bzw. zugänglich ist.
Zweiter Verfahrensschritt: Bilden eines leitfähigen Bereichs
Fig. 1B illustriert die Bildung der leitfähigen Bereiche 2 als Leitungen auf dem Film 1. Die leitfähigen Bereiche liegen mit ihren Enden an den Löchern 5 an und werden durch Siebdruck unter Verwendung von leitfähiger Druckfarbe ge­ bildet. Die leitfähige Druckfarbe ist pastenförmig ausge­ bildet und besteht aus 75% Kupferpartikeln, 20% Binde­ mittel und 5% Kohlefaser mit den Abmessungen 0,1 µm⌀×10 µm. Die so gebildeten leitfähigen Bereiche 2 sind 1 mm breit und 20 µm dick und werden durch einen Spalt 4 unter­ brochen, der durch einen später beschriebenen Widerstands­ bereich 3 überdeckt werden soll.
Dritter Verfahrensschritt: Bilden des Widerstandsbereichs
Fig. 1C illustriert die Bildung des Widerstandsbereichs 3 über dem Spalt 4 in den leitfähigen Bereich 2. Der Wider­ standsbereich 3 wird über den Spalt 4 unter Verwendung von Druckfarbe aufgedruckt, die 75% Graphit und 25% Bindemittel enthält. In der Folge wird der Widerstandsbereich 3 getrock­ net, wobei der leitfähige Bereich 2 ergänzt wird.
Vierter Verfahrensschritt: Bilden der Platte
Fig. 1D illustriert die Bildung einer Platte 6, die den Film 1 überdeckt. Die Platte 6 ist aus 5 mm dickem ABS- Kunstharz gebildet. Da der Film 1 und die Platte 6 bei der Überdeckung und beim Heißverbinden kompatibel sein müssen, wie später beschrieben wird, ist das Material des Films 1 vorzugsweise dasselbe wie das der Platte 6. Da jedoch die Platte 6 dicker als der Film 1 ist, sollte die Platte 6 eine geringe Viskosität aufweisen, während der Film 1 eine hohe Viskosität aufweisen sollte, so daß der Film 1 und die Platte 6 beim Erhitzen auf denselben Wert weichge­ macht werden können, bevor sie dem Vakuumformen ausgesetzt werden, wie später beschrieben wird.
Fünfter Verfahrensschritt: Luftformen
Das bevorzugte Vakuumformverfahren wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1E erläutert. Anstelle von Vakuumformen könnte auch ein Blasformverfahren eingesetzt werden. Beim Vakuum­ formverfahren wird eine Form 10 verwendet, die ein oberes Formstück 10a und ein unteres Formstück 10b enthält. Die Form 10 weist auch eine Vielzahl von Poren 11 für den Luft­ austritt auf. Das obere Formstück 10a enthält einen Einlaß 14 und eine Kammer 12a, und das untere Formstück 10b enthält eine Kammer 12b, die mit einer Vakuumpumpe 13 verbunden ist. Die Form 10 ist auch mit einer entfernt angeordneten Infrarot-Heizvorrichtung (nicht dargestellt) versehen, um den Film 1 und die Platte 6 vor dem Vakuumformen aufzuheizen. Beim Arbeitsvorgang wird der Film 1, der über der Platte 6 mit an dieser anliegendem leitfähigen Bereich 2 angeordnet ist, wie dies in Fig. 1D dargestellt ist, zunächst in der Form 10 plaziert. Insbesondere werden der Film 1 und die Platte 6 zwischen dem oberen Formstück 10a und dem unteren Formstück 10b gehalten. In der Folge werden der Film 1 und die Platte 6 in der Form 10 für 5 Minuten bei 200°C durch die entfernt angeordnete Infrarot-Heizeinrichtung erhitzt. Luft wird vom Einlaß 14 über die Kammer 12a des oberen Form­ stücks 10a auf die obere Fläche des Films 1 gedrückt. Simultan dazu wird die Vakuumpumpe 13 betätigt, um Luft aus der Kammer 12b des unteren Formstücks 10b abzusaugen. Ein dreidimensio­ nales Schaltungssubstrat 15 wird dadurch geformt.
Sechster Verfahrensschritt: Herausnehmen
In der Folge wird das dreidimensionale Schaltungssubstrat 15 für 0,25 Stunden abgekühlt und aus der Form 10 herausge­ nommen. Nach dem Herausnehmen werden unnötige Bereiche vom dreidimensionalen Schaltungssubstrat 15 entfernt. Folglich weist das dreidimensionale Schaltungssubstrat 15 eine ge­ wünschte Konfiguration auf, wie in Fig. 1F dargestellt.
Das durch die vorstehend genannten Verfahrensschritte ver­ vollständigte dreidimensionale Schaltungssubstrat 15 enthält den Film 1 und die Platte 6, die über ihre Ausdehnung hinweg miteinander hitzeverbunden sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Der leitfähige Bereich 2 und der Widerstandsbereich 3 sind zwischen dem Film 1 und der Platte 6 eingeschlossen. Der leitfähige Bereich 2 ist zur Außenseite durch die Löcher 5 freigelegt.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das dreidimensio­ nale Schaltungssubstrat 15 durch Überdecken und dichtes Verbinden des Films 1, auf dem der leitfähige Bereich 2 aufgeformt ist, und der Platte 6 durch ein Luftformverfahren, wie das Blasformen oder das Vakuumformen, in einfacher Weise gebildet. Das eine komplizierte Konfiguration aufweisende dreidimensionale Schaltungssubstrat 15 kann auf einfache Weise mit einer minimalen Anzahl von Verfahrensschritten und reduzierten Kosten hergestellt werden. Dadurch ist das Verfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für die Massenproduktion von dreidimensionalen Schaltungssub­ straten geeignet. Da der leitfähige Bereich 2 mit Ausnahme der Löcher 5 durch den Film 1 überdeckt ist, ist keine iso­ lierende Membran erforderlich. Weiterhin kann ein kompli­ ziertes und dichtes Schaltungsmuster lediglich durch Wieder­ holung der Druckverfahrensschritte gebildet werden, ohne daß eine andere Form erforderlich wäre.
Diese Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist. Modifikationen und Abänderungen können dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der Beschreibung ersichtlich werden. Trotz der Verwendung eines einzelnen Ausführungsbeispiels zu Illustrationszwecken sollen jedoch alle derartigen Modifikationen und Abänderungen innerhalb des Schutzbereichs und des Gedankens der beigefüg­ ten Ansprüche liegen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats (15), das die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Bilden eines leitfähigen Bereichs (2) auf einer Ober­ fläche eines Filmelements (1);
  • b) Anordnen des Filmelements (1) über einem Kunstharz- Element (6), wobei der leitfähige Bereich (2) am Kunst­ harz-Element (6) anliegt;
  • c) Anordnen des Filmelements (1) und des Kunstharz-Ele­ ments (6) in einer dreidimensionalen Form mit der gewünschten Gestalt für das dreidimensionale Schal­ tungssubstrat (15); und
  • d) simultanes Ausüben von Hitze und Luftdruck auf das Filmelement (1) und das Kunstharz-Element (6) zum Formen, Überdecken und Heißverbinden des Filmelements (1) und des Kunstharz-Elements (6) zusammen als ein dreidimensionales Schaltungssubstrat (15).
2. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schritte des Anordnens des Filmelements (1) und des Kunstharz-Elements (6) in einer dreidimensionalen Form (10) und des gleichzeitigen Einwirkens von Hitze und Luft­ druck auf das Filmelement (1) und das Kunstharz-Element (6) zum Formen, Überdecken und Heißverbinden des Filmelements (1) und des Kunstharz-Elements (6) zusammen ein Blasform­ verfahren enthalten.
3. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schritte des Anordnens des Filmelements (1) und des Kunstharz-Elements (6) in einer dreidimensionalen Form (10) und des gleichzeitigen Einwirkens von Hitze und Luft­ druck auf das Filmelement (1) und das Kunstharz-Element (6) zum Formen, Überdecken und Heißverbinden des Filmelements (1) und des Kunstharz-Elements (6) zusammen ein Vakuumform­ verfahren enthalten.
4. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats (15), das die folgenden Schritte aufweist:
  • a) Bilden von Durchgangslöchern (5) in einem Film (1) an Stellen einer dort vorgesehenen elektrischen Ver­ bindung;
  • b) Bilden von leitfähigen Schaltungsbereichen (2) auf einer Oberfläche des Films (1) zur Verbindung der Durchgangslöcher (5);
  • c) Anordnen des Films (1) über einem planaren Element (6) aus Kunstharzmaterial, wobei die die leitfähigen Schaltungsbereiche (2) aufweisende Oberfläche an der Oberfläche des planaren Elements (6) anliegt;
  • d) Anordnen des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen in einer dreidimensionalen Form (10) mit der gewünschten Gestalt für das dreidimensionale Schal­ tungssubstrat (15); und
  • e) gleichzeitiges Einwirkenlassen von Hitze und Luftdruck auf den Film (1) und das planare Element (6) zum For­ men, Überdecken und Heißverbinden des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen als dreidimensio­ nales Schaltungssubstrat (15).
5. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schritte des Anordnens des Films (1) und des plana­ ren Elements (6) in einer dreidimensionalen Form (10) und des gleichzeitigen Einwirkens von Hitze und Luftdruck auf den Film (1) und das planare Element (6) zum Formen, Über­ decken und Heißverbinden des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen ein Blasformverfahren enthalten.
6. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schritte des Anordnens des Films (1) und des plana­ ren Elements (6) in einer dreidimensionalen Form (10) und des gleichzeitigen Einwirkens von Hitze und Luftdruck auf den Film (1) und das planare Element (6) zum Formen, Über­ decken und Heißverbinden des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen ein Vakuumverfahren enthalten.
7. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schritt des Formens von leitfähigen Schaltungsbereichen (2) auf einer Oberfläche des Films (1) zur Verbindung der Durchgangslöcher (5) ein Siebdruckverfahren für die leitfähigen Schaltungsbereiche (2) auf der Oberfläche des Films (1) unter Verwendung von leitfähiger Druckfarbe enthält.
8. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats (15), das die folgenden Schritte aufweist:
  • a) Bilden von Durchgangslöchern (5) in einem Film (1) an Stellen einer dort vorgesehenen elektrischen Ver­ bindung;
  • b) Bilden von leitfähigen Schaltungsbereichen (2) auf einer Oberfläche des Films (1) zur Verbindung der Durchgangslöcher (5) durch Siebdruck der leitfähigen Schaltungsbereiche (2) auf der Oberfläche des Films (1) mittels einer leitfähigen Druckfarbe;
  • c) Anordnen des Films (1) über einem planaren Element (6) aus Kunstharzmaterial, wobei die die leitfähigen Schaltungsbereiche (2) aufweisende Oberfläche an der Oberfläche des planaren Elements (6) anliegt;
  • d) Anordnen des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen in einer dreidimensionalen Form (10) mit der gewünschten Gestalt für das dreidimensionale Schal­ tungssubstrat (15); und
  • e) gleichzeitiges Einwirkenlassen von Hitze und Luftdruck auf den Film (1) und das planare Element (6) in einem Blasformverfahren zum Formen, Überdecken und Heiß­ verbinden des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen als dreidimensionales Schaltungssubstrat (15).
9. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schal­ tungssubstrats (15), das die folgenden Schritte aufweist:
  • a) Bilden von Durchgangslöchern (5) in einem Film (1) an Stellen einer dort vorgesehenen elektrischen Ver­ bindung;
  • b) Bilden von leitfähigen Schaltungsbereichen (2) auf einer Oberfläche des Films (1) zur Verbindung der Durchgangslöcher (5) durch Siebdruck der leitfähigen Schaltungsbereiche (2) auf der Oberfläche des Films (1) mittels einer leitfähigen Druckfarbe;
  • c) Anordnen des Films (1) über einem planaren Element (6) aus Kunstharzmaterial, wobei die die leitfähigen Schaltungsbereiche (2) aufweisende Oberfläche an der Oberfläche des planaren Elements (6) anliegt;
  • d) Anordnen des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen mit einer dreidimensionalen Form (10) mit der gewünschten Gestalt für das dreidimensionale Schal­ tungssubstrat (15); und
  • e) gleichzeitiges Einwirkenlassen von Hitze und Luftdruck auf den Film (1) und das planare Element (6) in einem Vakuumformverfahren zum Formen, Überdecken und Heiß­ verbinden des Films (1) und des planaren Elements (6) zusammen als dreidimensionales Schaltungssubstrat (15).
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