Beschreibung

Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere für die Herstellung von Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Auto- mobilindustrie .

Stand der Technik

In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu mechatro- nischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Brems- System. Steuergerate weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken" sind diese Steuerungen nicht mehr ein einem separaten geschützten Elektronikraum unterge- bracht und müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten. Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse integriert. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion.

Die Kerneinheit einer solchen integrierten elektronischen Steuerung wird daher aus einer Bodenplatte, einem elektronischen Substrat, Leiterbahnstrukturen zur elektronischen Verbindung der zentralen Steuereinheit mit den außen liegenden Komponenten und einer hermetisch dichten Verdeckelung zum

Schutz der empfindlichen Steuereinheit konzipiert. Solche in-

tegrierten elektronischen Module werden in großer Stuckzahl benotigt und müssen daher kostengünstig herstellbar sein.

Um eine verlassliche kurzschlusssichere Verbindung zu außer- halb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine kurzschlusssichere elektrische Verbindung von der hermetisch dichten Gehauseinnenseite des Elektronikraums zur Gehauseaußenseite zu peripheren Komponenten notwendig. Bisher werden diese Signal- und Potentialverteilungen üblicherweise durch Stanzgitter, starre Leiterplatten oder flexible Leiterplatten verwirklicht. Als besonders variabel haben sich flexible Leiterplatten erwiesen, da sie auch mit einer relativ einfachen Abdichtungskonfiguration der Verdeckelung die gewünschten Funktionalitaten erfüllen.

Der übliche Aufbau bezuglich der Verwendung flexibler Leitenplatten für solche mechatronische Anwendungen besteht aus einer Basislage als Verbund aus Polyimidbasisfolie, Acrylkle- berfolie und strukturierter Kupferleiterbahn-Folie. Die Kup- ferleiterbahnlage erhalt üblicherweise durch einen Atzprozess eine leitende Bahnstruktur. Diese Leiterbahnstrukturen müssen bondbare, schweissbare und/oder lotbare Oberflachen im Kontaktierbereich aufweisen. Zum notwendigen Schutz vor Kontamination, Beschädigungen und Leiterbahnkurzschlussen, auch Spanschutz genannt, wird eine Decklage aus Polyimidfolie auf die strukturierte Kupferleiterbahn-Lage mit Acrylkleberfolie auflaminiert . Dieser gesamte Verbund aus Basislage, Kupferleiterbahnlage und Decklage wird dann auf eine Bodenplatte auflaminiert . Der zwischenzeitlich verstärkte Einsatz von flexiblen Leiterbahnfolien dieses Aufbaus in integrierten Me- chatroniken ist jedoch aufgrund der mehrstufigen und aufwendigen Herstellung mit sehr geringen erlaubten Toleranzen ein signifikanter Kostentreiber.

Bisher wurden verschiedene Konzepte entwickelt, den Einsatz der elektronischen Verbindungen, insbesondere der flexiblen Leiterplatten mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, kos-

tengunstiger herzustellen. Eines dieser Konzepte sieht den Einsatz von flexiblen Leiterplatten nur in Teilbereichen des Steuerungsgerats vor, die unter anderem eine verbesserte Flachenausnutzung der flexiblen Leiterplattenbereiche ermogli- chen. Ein alternativer Ansatz zur Kostenreduktion der Systeme mit flexiblen Leiterplatten ist der Verzicht auf Deckfolienbereiche der Leiterplatten, wobei der notwendige Spanschutz der Leiterbahnen selbst durch ohnehin vorhandene oder im Her- stellungsprozess deutlich kostengünstigere Bauteile ubernom- men und gewahrleistet wird. Es wird jedoch aufgrund des steigenden Bedarfs verstärkt nach weiteren Alternativen gesucht, die Kosten der Herstellung von elektrischen Verbindungen, insbesondere hinsichtlich der Systeme mit flexiblen Leiterplatten, zu reduzieren und insgesamt zu vereinfachen.

Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Signal- und Potentialverteilungs- System für mechatronische Module einfach und kostengünstig auf einer metallischen Bodenplatte hergestellt werden kann.

Dies wird erfindungsgemaß mit einem Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur einer Signal- und Potentialvertei- lungskomponente auf einer Bodenplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erreicht.

Erfindungsgemaß wird vorgeschlagen, eine Leiterbahnstruktur auf einer metallischen Bodenplatte eines Signal- und Potenti- alverteilungssystems für mechatronische Module durch folgende Verfahrensschritte herzustellen: a) Aufbringen mindestens einer Metallfolie auf die metallische Bodenplatte und Erzeugen eines elektrisch isolierten Haftverbunds zwischen Metallfolie und Boden- platte und b) Erzeugen einer Leiterbahnstruktur aus der Metallfolie mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden.

Mit anderen Worten können durch das erfindungsgemaße Verfahren komplexe Leiterbahnstrukturen aus einer Metallfolie durch einen Laser- oder Wasserstrahlschneideprozess erzeugt werden, wobei die Metallfolie bereits auf der metallischen Bodenplatte aufgebracht ist. Die auf der Bodenplatte erzeugten Leiterbahnstrukturen können auf diese Weise die vollständige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen, übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist nicht mehr notwendig.

Die einzelnen Verfahrensschritte a) und b) sind automatisier- bar und daher vorteilhafterweise für die Massenproduktion geeignet. Die Aufbringung der Metallfolie auf die metallische Bodenplatte und anschließende Erzeugung der gewünschten Leiterbahnstrukturen gewahrleistet die Einhaltung der korrekten relativen Positionierung der einzelnen, durch den Schneidpro- zess in Schritt b) voneinander getrennten, Leitungstragerbah- nen zueinander in ihrer Endlage auf der Bodenplatte. Darüber hinaus kann mit dem vorliegenden erfindungsgemaßen Verfahren im Vergleich zu den bisher eingesetzten Verfahren eine erhebliche Materialeinsparung verwirklicht werden. Denn im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren erlaubt das er- findungsgemaße Verfahren, sowohl die Basisfolie der flexiblen Leiterplatte als auch eine Acrylkleberlage wegzulassen. Aufgrund des erfindungsgemaßen Verfahrens ist es dagegen möglich, die Metallfolie und mithin die Leitbahnstruktur elekt- risch isoliert direkt auf der Bodenplatte zu erzeugen.

Das erfindungsgemaße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass keinerlei Chemikalien, wie aggressive Alkalien o- der Sauren für einen Atzprozess zur Herstellung der Leiter- bahnstrukturen aus der Metallfolie benotigt werden und entsprechend auch keine Umwelt belastenden Abfallstoffe entstehen, die kostenintensiv entsorgt werden müssen. Ein weiterer

Vorteil ist, dass auch dieser Prozessschritt des Laser- oder Wasserstrahlschneidens ohne Probleme automatisierbar und daher für die Massenproduktion verwendbar sind.

Als Metallfolie kann erfindungsgemaß beispielsweise eine Silberfolie, eine Goldfolie, eine Nickelfolie oder eine Aluminiumfolie eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Kupferfolie als Metallfolie verwendet.

Die metallische Bodenplatte ist bevorzugt eine Aluminiumplatte. Auch andere Materialien sind denkbar, sofern sie für die jeweilige Anwendung eine geeignete Wärmeableitung für me- chatronische Module gewahrleisten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Metallfolie mittels einer Kleberfolie, insbesondere einer Ac- rylklebefolie, auf die Bodenplatte auflaminiert . Damit ist gewahrleistet, dass sowohl eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen der metallischen Bodenplatte und der Metallfolie bereitgestellt wird als auch eine dauerhaft haltbare und temperaturbeständige Verbindung zwischen den einzelnen Lagen.

Der Verbund aus Metallfolie und Bodenplatte in Schritt a) kann besonders bevorzugt durch einen Rolle-zu-Rolle Prozess erzeugt werden. Die industrialisierte Herstellung eines solchen Verbundprodukts kann vorteilhafterweise zum Beispiel aus der Etikett-Herstellungsindustrie angepasst auf die vorliegenden Anforderungen übernommen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsge- maßen Verfahrens kann die Metallfolie vor oder nach Schritt a) plattiert oder beschichtet werden. Die Plattierung oder Beschichtung kann ganz oder nur teilwei- se vorgesehen werden. Die Beschichtungen können beispielsweise Schutzbeschichtungen sein oder zur besseren Anbindung an weitere Komponenten eines mechatronischen Moduls dienen. Es

können zum Beispiel Ni/Au-Auflagen auf der Leiterbahnoberflache vorgesehen werden, um diese für Bondprozesse vorzubereiten .

In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform kann die Metallfolie vor Schritt a) mit einer passiv haftenden Schicht versehen werden. Passiv haftend bedeutet, dass diese Schicht erst unter Druck- oder Temperatureinwirkung Haftungseigenschaften entwickelt und so an weiteren Schichten und/oder O- berflachen befestigt werden kann. Die weitere Schicht kann die Bodenplatte oder eine auf der Bodenplatte angeordnete Schicht sein.

In einem erfindungsgemaß bevorzugten Verfahren kann die Bo- denplatte vor Schritt b) mit einer elektrisch isolierenden

Beschichtung versehen sein. Dies kann zum Beispiel eine Eloxalschicht, eine Emailleschicht oder eine Lackschicht sein. Durch die elektrisch isolierende Schicht auf der Bodenplatte kann eine größere Auswahlmoglichkeit der Haftschicht zur Lei- terbahnstruktur und ihrer Eigenschaften geschaffen werden. Es ist auf diese Weise sogar ohne die Gefahr von Kurzschlüssen möglich, die Leiterbahnstrukturen direkt auf die metallische beschichtete Bodenplatte aufzubringen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei oder mehr, gleich oder unterschiedlich ausgestaltete Metallfolien auf eine Bodenplatte aufgebracht werden und mittels Laser- oder Wasserstrahlschneidens Leiterbahnteilstrukturen erzeugt werden können. Es können zum Beispiel be- schichtete und unbeschichtete Leiterbahnteilstrukturen auf die metallische Bodenplatte aufgebracht werden. Es können auch Leiterbahnteilstrukturen unterschiedlicher Große und Form durch das erfindungsgemaße Verfahren auf der Bodenplatte erzeugt werden. Dies kann gleichzeitig in einem oder in auf- einander folgenden erfindungsgemaßen (Teil-) Prozessen erfolgen. Besonders vorteilhaft kann dies eingesetzt werden, wenn die Kontaktierbereiche zum Substrat hin mit Ni-Au-Auflagen

auf der Leiterbahnoberflache versehen werden. Damit können diese für Bondprozesse vorbereitet werden, wahrend die weiteren Leiterbahnteilstrukturen keine Beschichtung benotigen. Bevorzugt können zwei oder mehr der auf die Bodenplatte auf- gebrachten Leiterbahnteilstrukturen elektrisch miteinander verbunden werden .

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Signal- und Potentialverteilungssystem für mechatronische Module mit einer Boden- platte und einer darauf aufgebrachten Leiterbahnstruktur, wobei die Leiterbahnstruktur von einer direkt auf die Bodenplatte auflaminierten strukturierten Metallfolie gebildet wird. Mit anderen Worten können durch das erfindungsgemaße Verfah- ren komplexe Leiterbahnstrukturen durch einen Laminierprozess mit anschließendem Strukturieren der Metallfolie erzeugt werden, wobei die Leiterbahnstruktur durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden erzeugt wird. Die auf der Bodenplatte erzeugten Leiterbahnstrukturen können auf diese Weise die vollstan- dige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen, übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere den vorstehend beschriebenen flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist nicht mehr notwendig.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Leiterbahnstruktur auf eine Bodenplatte aus Aluminium auflaminiert. Besonders bevorzugt wird die Leiterbahnstruktur mittels Acrylkleberfolie auf der Bodenplatte fixiert. Die Leiterbahnstruktur kann auf die Große der Bodenplatte an- gepasst sein oder sie kann die Bodenplatte an einer oder mehreren Kanten überragen. Die Leiterbahnstruktur erlaubt erfin- dungsgemaß einen beidseitigen Kontaktzugriff und ist daher offen für alle bekannten elektrischen Kontaktierprozesse, wie Loten, Schweißen, Bonden oder Leitkleben.

Die Leiterbahnstruktur und die damit ausgebildeten einzelnen Leiterbahnen können bundig mit der Bodenplatte abschließen oder über die Kanten der Bodenplatte herausragen. Die Leiterbahnstrukturen können auch über Offnungen in der Bodenplatte verlaufen. Somit kann das erfindungsgemaße Signal- und Poten- tialverteilunssystem vorteilhaft auf spezifische Anwendungen und/oder besondere Kontaktiererfordernisse auf einfache Weise angepasst werden.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines erfin- dungsgemaßen Signal- und Potentialverteilungssystems für ein mechatronisches Modul, bevorzugt für eine Getriebesteuerung, eines Kraftfahrzeugs .

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei Ausfuhrungsvarianten in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert . In diesen zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Leiterbahn- struktur auf einer Bodenplatte;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Kerneinheit eines me- chatronischen Moduls mit einem erfindungsgemaßen Signal- und PotentialverteilungsSystem;

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine erfin- dungsgemaße Leiterbahnstruktur 1, die auf einer Bodenplatte 2 fixiert ist. Die Leiterbahnstruktur 1 wird erfindungsgemaß bevorzugt aus einer Kupferfolie hergestellt, die mit einer Bodenplatte 2 einen elektrisch isolierten Haftverbund bildet. Die Leiterbahnstruktur 1 kann beispielsweise durch einen Laserschneidkopf 3 mittels Laserstrahlen 4, mit CNC-Steuerung erzeugt werden. Es ist erfindungsgemaß auch möglich die Leiterbahnstruktur 1 durch Wasserstrahlschneiden zu erzeugen und die einzelnen Leiterbahnen 5 herauszubilden. Dieser Verfah- rensschritt ist vorteilhafterweise vollständig automatisierbar. Die geschnittene Leiterbahnstruktur 1 kann auf der Bodenplatte 2 auflaminiert sein. Bevorzugt wird hierfür eine

Acrylkleberfolie 11 verwendet, die gleichzeitig auch eine e- lektrisch isolierende Schicht zwischen den fixierten Leiterbahnen 5 und der Bodenplatte 2 bildet. Auf diese Weise kann die erzeugte Leiterbahnstruktur 1 die vollständige Funktion der elektrischen Verbindung sowie der Signal- und Potentialverteilung, beispielsweise in mechatronischen Modulen übernehmen. Ein Einsatz von kostenintensiven Leiterplatten, insbesondere flexiblen Leiterplatten, zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise nicht mehr notwendig.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kerneinheit eines mechatronischen Moduls mit einem erfindungsgemaßen Signal- und Potentialverteilungssystem. Diese Kerneinheit beinhaltet einen Gehausedeckel 6, ein elektronisches Substrat 7 und eine Bodenplatte 2. Die Bodenplatte 2 ist bevorzugt eine Aluminiumplatte. Die Bodenplatte 2 kann Kontaktieroffnungen 8 aufweisen, durch die eine elektrische Anbindung der peripheren Komponenten, beispielsweise mittels Laserschweißen, möglich ist. Auf der Bodenplatte 2 ist in einem Ausschnitt 10 in der Leiterbahnstruktur 2 ein elektronisches Substrat 7 angeordnet, das mit Leiterbahnen 5 mittels Dickdrahtbondungen 9 kontaktiert ist. Die Leiterbahnstrukturen 1 können mit dem er- findungsgemaßen Verfahren präzise auf der Bodenplatte 2 positioniert werden. Die hermetische Abdichtung des Elektronik- raums mit dem Substrat 7 kann auf bekannte Arten, beispielsweise durch Einlegedichtungen zwischen Deckel 6 und Bodenplatte 2 und/oder Leiterbahnstruktur 1, Vergusskleber und/oder Auflaminieren des Gehausedeckels 6 auf der Bodenplatte 2 und/oder der Leiterbahnstruktur 1 realisiert werden. Wird der Deckel 6 auflaminiert, kann die Laminierung vorteilhafterweise auch über den Gehausedeckel 6 hinausragen und damit ganz oder teilweise offene Leiterbahnbereiche vor leitender Kontamination schützen und diese gleichzeitig unterstutzen oder versteifen.