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Dokumentenidentifikation DE102005033218A1 18.01.2007
Titel Dreidimensionale Schaltung
Anmelder Printed Systems GmbH, 09120 Chemnitz, DE
Erfinder Hübler, Arved, Prof. Dr., 09111 Chemnitz, DE
Vertreter Rechtsanw. und Pat.-Anw. Dr.-Ing. Dr.jur. Volkmar Tetzner, Pat.-Anw. Dipl.-Ing. Michael Tetzner, 81479 München
DE-Anmeldedatum 15.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005033218
Offenlegungstag 18.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.2007
IPC-Hauptklasse H05K 1/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 3/46(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine dreidimensionale Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente umfassen, wobei die Substratlagen flexibel ausgebildet sind und die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien bestehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine dreidimensionale Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente umfassen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen dreidimensionalen Schaltung.

Aus der DE-A-100 11 595 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei eine flexible bedruckte Schaltung mittels eines Leitklebstoffs mit der Schaltung eines Schaltungsträgers verbunden ist. Gegenüber den früher üblichen Lötverbindungen ergeben sich bei dieser Schaltungsanordnung geringe Herstellungs- und Montagekosten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Herstellungs- und Montagekosten einer dreidimensionalen Schaltung weiter zu verringern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.

Die erfindungsgemäße dreidimensionale Schaltung besteht aus wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen, die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente umfassen, wobei die Substratlagen flexibel ausgebildet sind und die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien, insbesondere Polymermaterialien, bestehen.

Beim Verfahren zur Herstellung einer derartigen dreidimensionalen Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen werden flexibel ausgebildete Substratlagen verwendet, auf welche die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien aufgebracht werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die wenigstens zwei Substratlagen aus einem zusammenhängenden Materialbogen gefertigt, wobei die beiden Substratlagen durch eine Falz- oder Biegekante im Materialbogen voneinander getrennt sind und der Materialbogen nach dem Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente um die Falz- oder Biegekante derart gefaltet wird, dass die beiden Substratlagen übereinander angeordnet sind.

Die Funktionsmaterialien, insbesondere Polymermaterialien, werden vorzugsweise auf die flexiblen Substratlagen aufgedruckt. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung.

Je nach Anwendung kann zwischen den Substratlagen jeweils eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet werden, die wahlweise aus einem festen Substrat, insbesondere aus dem Materialbogen, aus dem auch die Substratlagen gefertigt sind, oder aus einem flüssig oder gasförmig aufgetragenen Stoff bestehen.

Weiterhin können die Substratlagen über elektrische Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen miteinander in elektrischem Kontakt stehen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltung der Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung

1 eine dreidimensionale Schaltung mit separaten Substratlagen,

2 eine dreidimensionale Schaltung mit zusammenhängenden Substratlagen,

3 eine dreidimensionale Schaltung mit separaten Substratlagen und isolierenden Schichten,

4 eine dreidimensionale Schaltung mit zusammenhängenden Substratlagen und isolierenden Schichten,

5 eine dreidimensionale Schaltung mit einer isolierende Klebeschicht

6 eine dreidimensionale Schaltung mit einer elektrisch leitenden Verbindung über die Falz- oder Biegekante,

7a7c schematische Darstellung der Herstellung einer Kontaktierung,

8 eine schematische Darstellung des Herstellungsvorganges.

Die in 1 schematisch dargestellte dreidimensionale Schaltung besteht aus drei übereinander liegenden Substratlagen 1, 2, 3 wobei die Substratlagen Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente 4 umfassen. Die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente werden aus elektronischen Funktionsmaterialien, insbesondere auf der Basis von Polymeren, auf die flexibel ausgebildeten Substratlagen aufgedruckt. Dabei können beispielsweise elektrische und elektronische Bauteile wie Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, etc. hergestellt werden, die durch direkt auf den Substrat angelegte Leiterbahnen integriert verbunden werden. Die einzelnen Substratlagen bestehen beispielsweise aus Folien.

Eine besonders kostengünstige Herstellung ergibt sich dann, wenn die elektrischen Funktionsmaterialien durch Druckverfahren auf die flexiblen Substratlagen aufgebracht werden.

Die einzelnen Substratlagen 1, 2, 3 werden fest miteinander verbunden, wobei die feste Verbindung beispielsweise durch Klebstoff, durch einen Laminierschritt, einen Perforiervorgang, durch partielles Verschmelzen der Substratlagen oder in sonstiger Weise hergestellt werden kann.

Neben der Möglichkeit, einzelne separierte, jeweils mit gedruckter Elektronik versehene Substratlagen übereinander zulegen (siehe 1), besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Substratlagen aus einem zusammenhängenden Materialbogen gefertigt werden, wobei die Substratlagen durch eine Falz- oder Biegekante 5 im Materialbogen voneinander getrennt sind und der Materialbogen nach dem Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente 4 um die Falz- oder Biegekante derart gefaltet wird, dass die beiden Substratlagen übereinander angeordnet sind.

Sowohl für das Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente als auch für den Falzvorgang kann auf die klassische Druckereitechnik und den in diesem Zusammenhang bekannten Falzprozessen zurückgegriffen werden.

Der Falzprozess kann in einen separaten Arbeitsgang nach dem Druckprozess aus der aufgewickelten Materialbahn oder einzelnen geschnittenen Bogen erfolgen. Es ist jedoch besonders attraktiv, den Falzprozess inline mit dem Druckvorgang der elektronischen Schaltungselemente durchzuführen. Diese Art des Falzens hat den Vorteil, dass die gedruckten Strukturen in ihrer räumlichen Zuordnung auf dem Substrat mit dem Druckvorgang exakt definiert sind und nach dem Falzen präzise aufeinander gelegt können. Damit ist es denkbar, mehrere hundert Lagen exakt aufeinander zulegen.

Der Leitungsabstand zwischen zwei vertikal verknüpften elektronischen Bauteilen, wie etwa zwei übereinander liegenden Transistoren, ist damit sehr gering und im Wesentlichen durch die Dicke der Substratlagen definiert. Die Dicke liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 100 &mgr;m und ist damit günstiger, als wenn nur in einer Ebene Verknüpfungen realisiert werden können. Als Falzverfahren kommen alle bekannten Verfahren wie z.B. der Trichterfalz, Schwertfalz oder Taschenfalz in Betracht, insbesondere können sowohl Längs- wie auch Querfalze vorgesehen werden.

Zwischen in den einzelnen Lagen ist in der Regel eine isolierende Schicht vorgesehen, die entweder durch eine zusätzliche Substrat- bzw. Folienlage (siehe 3 und 4) oder durch eine zusätzlich aufgetragene, isolierende Materialschicht realisiert werden kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die drei Substratlagen 1, 2, 3 und die beiden elektrisch isolierenden Schichten 6 als einzelne separierte Lagen ausgebildet, während im Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Substratlagen 1, 2, 3 und die elektrisch isolierenden Schichten 6 aus einem zusammenhängen Materialbogen gefertigt sind, wobei die einzelnen Schichten durch Falz- bzw. Biegekanten 5 voneinander getrennt sind.

Die einzelnen Lagen der Schaltung müssen dauerhaft miteinander verbunden sein, so dass ein Verkleben oder Kaschieren jeder Lage mit der benachbarten Lage notwendig ist. Diese Funktion kann mit der Isolierung zusammengefasst werden, wobei entweder eine Folienschicht als isolierende Kaschierfolie eingebracht wird (Bezugszeichen 6 in den 3 und 4) oder ein Klebstoffschicht 9 mit isolierenden Eigenschaften als Zwischenschicht aufgetragen wird, wie das in 5 dargestellt wird.

Eine dreidimensionale Schaltung ist jedoch nur möglich, wenn die im Schaltungsstapel enthaltenden einzelnen Substratlagen elektrisch miteinander verbunden werden können. Hierbei können beispielsweise zwei benachbarte Substratlagen dadurch miteinander verbunden werden, dass direkt gegenüberliegende Stellen 7, 8 durch einen Presskontakt kontaktiert werden, wobei im Bereich dieser beiden Kontaktstellen 7, 8 eine Aussparung 10 in der isolierenden Kleberschicht 9 vorgesehen ist (siehe 5).

Weiterhin kann auch eine elektrisch leitende Verbindung über die Falz- bzw. Biegekante 5 ausgeführt werden (siehe 6). Dabei muss das aufgetragene leitfähige Material 11, 12 ausreichend elastisch sein, damit es den Falzvorgang ohne Brüche übersteht.

Um die für den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau notwendige Verbindung durch eine Substratlage hindurch zu realisieren, ist mit Hilfe einer Perforiervorrichtung 14 ein Perforation 13 des Substrat an den Stellen vorzusehen, an denen eine Durchkontaktierung erfolgen soll (7a, b). Durch anschließendes, gegebenenfalls mehrfaches Überdrucken der Perforation 13 von beiden Seiten der Substratlage kann dadurch ein Kontakt erzeugt werden (7c). Die Lochgröße der Perforation sowie die Oberflächenspannung der auf beiden Seiten aufgetragenen Funktionsmaterialien sind so aufeinander abgestimmt, dass eine optimale Benetzung des Lochquerschnitts stattfinden kann. Gegebenenfalls sind an einem leitenden Übergang mehrere Perforierungen vorzusehen, um eine ausreichende Leitfähigkeit zu erreichen. Als Perforiervorrichtungen 14 sind beispielsweise mechanische Perforierwerke nutzbar. Weiterhin können die Perforierungen auch mittels Laserstrahl in die Substratlage gebrannt werden.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Produktionsprozess ist in 8 dargestellt. Der Materialbogen 15 wird im ersten Schritt von einer Speicherolle 16 abgewickelt und zunächst mit Hilfe einer Perforiervorrichtung 14 perforiert. Danach kann ein beidseitiges Bedrucken des Substratbahn in einem Druckwerk 17 erfolgen, wobei hier auch gegebenenfalls nötige Trocknungsprozesse stattfinden können. Weiterhin wird dort auch eine strukturierte, isolierende Klebstoffschicht aufgetragen. Anschließend erfolgen in einem Falzwerk 18 ein oder mehre Falzprozesse, so dass am Ende eine entsprechende dreidimensionale Schaltung 19 entstanden ist. Sinnvollerweise werden die einzelnen Substratlagen miteinander verklebt, wobei der Klebstoff im Druckprozess oder während des Falzprozesses aufgetragen wird und gegebenenfalls sogar gleichzeitig elektrische Funktionen, insbesondere als Isolator, übernehmen kann. Gegebenenfalls können auch weitere, beispielsweise mit elektronischen Funktionsbauteilen versehene Substratbahnen 20 in den Falzprozess eingeführt werden, so dass die dreidimensionale Schaltung 19 aus verschiedenen zusammengelegten Bahnen entsteht.


Anspruch[de]
Dreidimensionale Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen (1, 2, 3), die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente (4) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratlagen flexibel ausgebildet sind und die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente (4) aus elektrischen Funktionsmaterialien bestehen. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsmaterialen auf die flexiblen (1, 2, 3) Substratlagen aufgedruckt sind. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Substratlagen (1, 2, 3) aus einem zusammenhängenden Materialbogen (15) gefertigt sind, wobei die beiden Substratlagen durch eine Falz- oder Biegekante (5) im Materialbogen voneinander getrennt sind und der Materialbogen nach dem Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente (4) um die Falz- oder Biegekante derart gefaltet wird, dass die beiden Substratlagen übereinander angeordnet sind. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Substratlagen (1, 2, 3) eine elektrisch isolierende Schicht (6) angeordnet ist. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Substratlagen (1, 2, 3) eine elektrisch isolierende Schicht (6) angeordnet ist, die aus einem festen Substrat, insbesondere aus einem Materialbogen aus dem auch die Substratlagen gefertigt sind, besteht. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Substratlagen (1, 2, 3) eine elektrisch isolierende Schicht (9) angeordnet ist, die aus einem füssig oder gasförmig aufgetragenen Stoff besteht. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratlagen (1, 2, 3) über elektrische Kontaktverbindungen zwischen den Leiterbahnen und/oder Schaltungselementen miteinander in elektrischem Kontakt stehen. Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionale Schaltung mit wenigstens zwei übereinander liegenden Substratlagen (1, 2, 3), die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente (4) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente aus elektrischen Funktionsmaterialien auf die flexibel ausgebildeten Substratlagen aufgebracht werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Funktionsmaterialien auf die Substratlagen (1, 2, 3) aufgedruckt werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Substratlagen (1, 2, 3) aus einem zusammenhängenden Materialbogen (15) gefertigt werden, wobei die beiden Substratlagen durch eine Falz- oder Biegekante (5) im Materialbogen voneinander getrennt werden, wobei der Materialbogen nach dem Aufbringen der Leiterbahnen und/oder Schaltungselemente um die Falz- oder Biegekante derart gefaltet wird, dass die beiden Substratlagen übereinander angeordnet sind.






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