DE3687346T2 - Herstellung von gedruckten schaltungen. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbetten eines elektrischen Schaltkreises in ein Kunststoffbauteil.
- Moderne, sogenannte "Industriegrundstoffe" werden in wachsendem Maße als Teile Unteranordnungen oder strukturelle Elemente bei allen Arten von hergestellten Gütern (im nachfolgenden "Bauteile" genannt), wie beispielsweise Autos, Flugzeugen, "weißen" Gütern und Telekommunikationsausrüstungen benutzt. Es gibt oft ein Erfordernis, einen elektrischen Schaltkreis in solche Bauteile einzubauen, und dies ist bisher erreicht worden durch Drucken, Bondieren oder anderes Auftragen des Schaltkreises auf die Oberfläche solcher Bauteile, um effektiv einen "gedruckten" Schaltkreis auf einer externen Oberfläche eines Bauteils herzustellen. Der gedruckte Schaltkreis kann integral ausgebildete Resistoren, Kondensatoren und Spulen enthalten und kann auch andere zu dem Schaltkreis hinzugefügte Vorrichtungen aufweisen.
- Elektrische Schaltkreise dieser Art neigen zu physikalischer Zerstörung, wenn sie auf die externe Oberfläche eines Bauteils aufgetragen sind, und können auch die unerwünschte Eigenschaft einer Verbindungsleiterverschmutzung durch Gebrauch, durch Lötmittelrückstände und angehäufte Trümmer, wie beispielsweise Staub, zeigen, die bei Gebrauch alle den Isolierwiderstand und dielektrische Eigenschaften reduzieren werden oder die Abweichung dieser Eigenschaften erhöhen werden.
- Ein Einbetten eines elektrischen Schaltkreises in die Oberfläche eines Bauteils ist früher vorgeschlagen worden:
- Das Dokument "IBM Technical Disclosure Bulletin", Band 4, Hr. 3, August 1961, New York, US, Seiten 30-31, offenbart ein Verwenden eines Klebefilms (4) zwischen Schaltkreisfolienieitern (1) und den Oberflächen (3, 4) eines U-förmigen Substrats, das um die Leiter geformt ist.
- Das Dokument US-A-4 415 607 offenbart ein Ablagern einer ersten Substratschicht 15, die ein Epoxyharz ist, auf einem zeitweiligen Stützelement (10), ein Ablagern eines Leiter und eines Resistorbereichs (17, 19, 21), die auch eine Epoxyharzbasis haben, auf der ersten Schicht (15), ein Formen einer permanenten Basis (25) an der Substratschicht (15) und darauffolgendes Entfernen des zeitweiligen Stützelements (10).
- Das Dokument US-A-3 039 177 offenbart ein Ablagern eines Schaltkreismusters, das aus einem Edelmetall oder aus Kupfer gebildet ist auf einem zeitweiligen Träger aus rostfreiem Stahl, der mechanisch den Schaltkreis einbettet durch Formen eines temperatureinstellenden Materials zu dem Schaltkreis und dem Träger und darauffolgendes Entfernen des zeitweiligen Trägers.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres und effektiveres Verfahren zum Einbetten eines elektrischen Schaltkreises in ein Kunststoffbauteil zu schaffen.
- Gemaß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einbetten eines elektrischen Schaltkreises in ein Kunststoffbauteil geschaffen, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
- In einem Ausführungsbeispiel ist der gemusterte Träger in einer Form ausgebildet, die komplementär zu jener des ausgebildeten Trägers ist.
- Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die nicht-gemusterte Fläche des Trägers gestützt sein, um ein Bauteil zu erzeugen, wobei der Schaltkreis in dem Substrat eingebettet ist und der Träger mit der Substratoberfläche verschmolzen ist und sie abdeckt; oder die gemusterte Fläche des Trägers kann gestützt sein, um ein Bauteil herzustellen, wobei der Schaltkreis in der Oberfläche des Trägers eingebettet ist und im wesentlichen mit ihr bündig ist, und wobei der Träger um das Substrat geformt und mit ihm verschmolzen ist; oder Schaltkreismuster können auf beide Flächen des Trägers aufgetragen sein, und die eine oder die andere gemusterte Fläche kann gestützt sein, um ein Bauteil herzustellen, wobei ein Schaltkreis in der Oberfläche des Trägers eingebettet ist und im wesentlichen mit ihr bündig ist, wobei der Träger um den einen Schaltkreis geformt ist und mit dem Substrat und dem anderen Schaltkreis, der in dem Substrat unter dem Träger eingebettet ist, verschmolzen ist.
- Einige Vorteile, die durch die vorliegende Erfindung gegeben sind, sind:
- - Einzelbauteilaufbau;
- - das Verfahren ist nur additiv;
- - robuster Aufbau; und
- - Wärmesenken können schnell eingebaut werden.
- Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind anhand eines Beispiels in den Zeichnungen dargestellt, wobei:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Layouts ist;
- Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Layouts der Fig. 1 nach der Formung ist;
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines geformten Substrats ist;
- Fig. 4 ein Abschnitt an der Linie A-A der Fig. 3 vor dem Entfernen des zeitweiligen Trägers ist;
- Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Layouts vor dem Einfügen in eine Form ist;
- Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Layouts der Fig. 5 mit einem eingeformten Substrat ist;
- Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Substrats der Fig. 6 mit einem eingebetteten Schaltkreis ist;
- Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Substrats der Fig. 5 nach einem Nachausbilden ist;
- Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines gemusterten Trägers ist;
- Fig. 10 ein Abschnitt an der Linie B-B der Fig. 9 eines Substrats mit einem "mit der Fläche nach unten" eingebetteten Schaltkreises ist;
- Fig. 11 ein Abschnitt an der Linie B-B der Fig. 9 eines Substrats mit einem "mit der Fläche nach oben" eingebetteten Schaltkreises ist;
- Fig. 12 ein Abschnitt an der Linie B-B der Fig. 9 eines Substrats mit sowohl "mit der Fläche nach unten" als auch "mit der Fläche nach oben" eingebetteten Schaltkreisen ist; und
- Fig. 13 eine geschnittene Skizze eines gemusterten Trägers ist, der in einem geformten Hohlraum eingefügt ist, und zwar vor einem Formen des Substrats der Fig. 12.
- Wie durch die Fig. 1 bis 4 gezeigt ist, besteht ein Layout 1 eines Schaltkreismusters 2 aus einer elektrisch leitenden oder einer elektroresistenten Tinte, die auf eine Fläche 3 eines dünnen flexiblen Films 4 aus isolierendem thermisch formbaren Material aufgetragen ist. Die Oberfläche der Fläche 3 wird gehärtet oder anders ausgebildet, um das Schaltkreismuster 2 und irgendein darauf ausgebildetes Formteil lösen zu können, wie es unten beschrieben ist.
- Geeignete Tinten sind im allgemeinen ein Träger auf Epoxyharzbasis, der mit leitendem oder resistentem Material geladen ist, wie beispielsweise Silberpuder oder Eisen(III)-Oxid; z. B. Heraeus CERMALLOY (Warenzeichen) CL80-5231. Ein geeignetes Trägermaterial ist ein General Electric ULTEM (Warenzeichen)-film, ein thermoplastisches Polyetherimid. Die CERMALLOY-Tinte wird per Siebdruck auf den ULTEM- Film gebracht und wird ungehärtet gelassen; ein Behandeln wird durch eine weitere Verarbeitung bewirkt. Alternativ dazu kann eine thermoplastische Tinte verwendet werden.
- Das Layout wird dann durch irgendeine thermisch formende Technik in die in Fig. 2 gezeigte Form ausgeformt. Das geformte Layout wird auf einen Formkern komplementärer Form (nicht gezeigt) montiert, das Layout und der Kern werden dann in einen geformten Hohlraum eingefugt und ein Bauteil mit der in Fig. 3 gezeigten Form wird dann auf das gebildete Layout injektionsgeformt, wobei der Kern die nicht-gemusterte Fläche des Layouts während des Formprozesses stützt; Erzeugen des Bauteils 5, das in Fig. 4 gezeigt ist. Schließlich wird der zeitweilige Träger 3 von dem Bauteilformteil 5 abgestreift, um den Schaltkreis 2 in der inneren Oberfläche 6 des Bauteils zu lassen. Ein geeignetes Material für das Bauteil ist Du Pont RYANITE (Warenzeichen) FR 530 NC- 10, ein 30% glasverstärktes modifiziertes PETP, thermoplastisches Polyesterharz. Alternativ dazu und wie es in größeren Einzelheiten unten beschrieben ist, kann ein Träger mit nicht-freigebender Oberfläche erzeugt werden und an dem Substrat gebunden gelassen werden.
- Die Fig. 5 bis 8 zeigen ein alternatives kontinuierliches Herstellungsverfahren, wobei ein Layout 10, im allgemeinen ähnlich dem Layout 1 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels, verwendet wird; wobei dieses Layout 10 ein kontinuierlicher Film 11 mit einem Rand ist, der eine Perforation 12 und eine Reihe von Schaltkreismustern 13 zeigt, die auf der unteren freien Fläche 14 des Films gedruckt sind. Der Einfachheit der Darstellung halber ist das Schaltkreismuster 13 als X gezeigt, obwohl in Wirklichkeit komplexere Muster verwendet werden würden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein geeigneter Trägerfilm ein Du Pont KAPTON (Warenzeichen) -film, ein wärmehärtbares Polyimid.
- Der Layout-Film ist in Fig. 1 gezeigt, um zwischen der oberen Prägeplatte 15 und der unteren Prägeplatte 16 einer Gußform bezeichnet zu werden, wobei ein einfacher geradliniger Formteil 17 (Fig. 6) gegen die Unterfläche 14 des Layouts ausgebildet wird, und zwar durch den Hohlraum 18 in der unteren Prägeplatte 16; wobei die flache Fläche (nicht gezeigt) der oberen Prägeplatte 15 die nicht-gemusterte Fläche des Layouts während des Einspritzprozesses stützt. Der Formteilläufer 19, der durch den Einlaß 20 zu dem Formteilhohlraum 18 (Fig. 1) ausgebildet ist, bleibt bei dieser Stufe an dem Formteil 17 angebracht. Der zeitweilige Trägerfilm 11 wird dann entfernt, um den Schaltkreis 13 in dem Formteil bündig mit seiner Oberfläche 21 eingebettet zu lassen.
- Danach wird der Formteil 17 zu irgendeiner gewünschten Form nachgeformt, und zwar durch herkömmliche thermisch formende Techniken, z. B. Heißformen oder Vakuumformen; sowohl das Schaltkreismaterial als auch das Formmaterial sind thermoplastisch. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel ist der Formteil 17 zwischen einem heißen inneren Stempel 22, der eine geradlinige Form hat, und einem heißen Prägestempel 23 eingefügt, der einen Hohlraum 24 einer geradlinigen Form hat, die komplementär zu jener des Stempels 22 ist. Der Formteil 17 wird in einem oben offenen Kasten 25 geformt, der den Schaltkreis 13 in der inneren Oberfläche 26 des Kastens eingebettet hat. Ein geeignetes Material für den Formteil 17 ist wieder RYANITE 530-NC10.
- Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird ein Schaltkreismuster 31 aus elektrisch leitendem und/oder elektroresistentem Material auf eine Fläche 32 eines Trägers 33 in der Form eines dünnen flexiblen Films aus isolierendem Material aufgetragen. Wieder wird CERMALLOY-Tinte per Siebdruck auf den ULTEM-Film aufgetragen und ungehärtet gelassen. Alternativ dazu kann eine thermoplastische Tinte verwendet werden.
- Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Substrats, wobei ein Schaltkreis "mit der Fläche nach unten" eingebettet ist, um aus einem Träger 33 mit aufgetragenem Schaltkreismuster 31 und einem Substrat 34 zu bestehen, das auf die gemusterte Fläche 32 des Trägers eingespritzt ist, um den Schaltkreis 31 bündig mit der Oberfläche 35 des Substrats und dem mit der Substratoberfläche 35 verbundenen Träger 33 eingebettet zu lassen, um eine isolierende Abdeckung für den Schaltkreis und die Substratoberfläche zu bilden. Das Substrat wird durch Einfügen des gemusterten Trägers in einen geformten Hohlraum (nicht gezeigt) gebildet, wobei die nicht-gemusterte Fläche 36 durch eine Oberfläche des Formteilhohlraums gestützt wird, um die gemusterte Fläche dem Inneren des Hohlraums zu präsentieren. Ein isolierendes thermoplastisches Material wird dann in den Formteilhohlraum injiziert, wobei Hitze und Druck des Einspritzprozesses das injizierte Material an die Trägeroberfläche 32 und um den Schaltkreis 31 bindet. Das Schaltkreismaterial, das Trägermaterial und das Substratmaterial müssen alle kompatibel sein. Ein geeignetes Substratmaterial, das mit der CERMALLOY-Tinte und dem ULTEM-Film kompatibel ist, ist ULTEM-Harz, ein amorphes thermoplastisches Polyetherimid.
- Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Substrats, wobei aber der Schaltkreis "mit der Fläche nach oben" eingebettet ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10, aber es wird durch Einfügen des Trägers 33 in den Formteilhohlraum hergestellt, wobei die gemusterte Fläche 32 durch eine Oberfläche des Formteilhohlraumes gestützt wird, um die nicht-gemusterte Fläche 36 dem Inneren des Hohlraumes zu präsentieren. Während des Einspritzvorganges wird der Träger 33 geformt, um mit der dreidimensionalen Form des Schaltkreises 31 und der Hohlraumoberfläche übereinzustimmen, so daß der Schaltkreis in den Träger eingebettet wird, und zwar im wesentlichen bündig mit der äußeren Fläche davon; wobei das Substrat 34 mit der inneren Fläche 36 des Trägers verbunden wird.
- Die Fig. 12 und 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Substrats, das dieses Mal Schaltkreise "mit der Fläche nach unten" und "mit der Fläche nach oben" hat, wobei der Träger 33 mit einem Schaltkreismuster 37 auf der Fläche 36 versehen ist, zusätzlich zu dem Muster 31 auf der Fläche 32. Der Träger wird in den Formteilhohlraum 38 eingefügt, wobei seine gemusterte Fläche 32 durch die Hohlraumoberfläche 39 gestützt wird. Harzmaterial wird in den Hohlraum injiziert, wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 10 und 11. Die Hitze und der Druck, die während des Einspritzprozesses erzeugt werden, formen den Träger 33 dreidimensional um den Schaltkreis 31, um den Schaltkreis 31 im wesentlichen bündig mit der äußeren Fläche 32 des Trägers einzubetten und den Schaltkreis 37 in die Trägeroberfläche 35 unter den geformten Träger 33 einzubetten.
- Es ist offensichtlich, daß durch Herstellen einer kompatiblen isolierenden Zwischenschicht vielschichtige "Paare" von Schaltkreisen unter Verwendung dieses Prozesses aufgebaut werden können.
- Bei einem alternativen nicht-dargestellten Formungsprozeß werden die Ausführungsbeispiele der Fig. 10, 11 und 12 erzeugt durch Schaffen vorgeformter Substrate aus thermoplastischem Material, Legen des gemusterten Trägers auf die Substratoberfläche und Zufügen von Hitze und Druck (wie beispielsweise durch eine erhitzte Walze) zu dem Träger. Eine Ausrichtung der gemusterten Fläche des Trägers relativ zu dem Substrat bestimmt ob Schaltkreise "mit der Fläche nach unten" oder "mit der Fläche nach oben" eingebettet sein würden. Dieses Verfahren zum Formen eignet sich für einen kontinuierlichen Prozeß.
- Allgemein hat ein Trägermaterial eine höhere Schmelztemperatur als das Substratmaterial, wenn der Träger von dem geformten Substrat zu entfernen ist, und die gleiche oder eine ähnliche Schmelztemperatur, wenn der Träger mit dem Substrat zu verbinden ist. Die Tinten können ungehärtete wärmehärtbare Harze oder thermoplastische Harze sein.
Claims (9)
1. Verfahren zum Einbetten eines elektrischen Schaltkreises in ein
Plastikbauteil zum Übereinstimmen mit dreidimensional geformten
Oberflächen davon, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
(i) Schaffen eines Trägers, der ein dünner, flexibler Film aus
isolierendem Plastikmaterial ist, mit einem Schaltkreismuster
eines elektrisch leitenden und/oder elektroresistenten
synthetischen hitzebeständigen Harzmaterials, das auf
mindestens eine Fläche davon aufgetragen ist;
(ii) Einfügen des gemusterten Trägers in einen ausgeformten
Hohlraum mit einer gegebenen dreidimensionalen Form,
wobei eine Fläche des Trägers durch die ausgeformte
Oberfläche getragen wird; und
(iii) Laden des ausgeformten Hohlraums mit isolierendem
Plastikmaterial, um durch das Anlegen von Hitze und Druck
ein Substrat auszuformen, um mit der ungestützten Fläche
des Trägers zu verschmelzen, wodurch Oberflächen des
Substrats und das eingebettete Schaltkreismuster mit der
Form der Ausformung übereinstimmen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gemusterte Träger in eine
Form gebildet ist, die komplementär zu jener des gebildeten Trägers
ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die
nichtgemusterte Fläche des Trägers gestützt wird, um ein Bauteil
herzustellen, dessen Schaltkreis in dem Substrat eingebettet ist, und wobei
der Träger mit der Substratoberfläche verschmolzen ist und diese
überdeckt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die
gemusterte Fläche des Trägers gestützt wird, um ein Bauteil herzustellen,
dessen Schaltkreis in der Oberfläche des Trägers eingebettet ist und
im wesentlichen bündig mit ihr ist, und wobei der Träger um den
Schaltkreis geformt und mit dem Substrat verschmolzen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die
Schaltkreismuster an beiden Flächen des Trägers aufgetragen sind und
eine oder die andere gemusterte Fläche gestützt wird, um ein
Bauteil herzustellen, wobei ein Schaltkreis in der Oberfläche des Trägers
eingebettet ist und im wesentlichen bündig mit ihr ist, wobei der
Träger um den einen Schaltkreis geformt ist und mit dem Substrat
verschmolzen ist und der andere Schaltkreis in dem Substrat unter
dem Träger eingebettet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Schmelztemperatur des Trägermaterials die gleiche wie die oder ähnlich zu
der Schmelztemperatur des Substratmaterials ist, so daß der Träger
mit dem Substrat verschmelzen kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das
Trägermaterial, das Schaltkreismustermaterial und das Substratmaterial alle
kompatibel sind, so daß sie miteinander verschmelzen können.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das
Trägermaterial ein thermoplastisches Polyetherimid ist, wobei das
Schaltkreismustermaterial eine Tinte ist, die ein Epoxyharz-Basisbindemittel
umfaßt, das mit leitendem oder resistentem Material geladen ist, und
wobei das Substratmaterial ein glasverstärktes thermoplastisches
Polyesterharz ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Schaltkreismuster durch
druckende Tinte auf den Träger geschaffen wird, wobei die Tinte
ungehärtet gelassen ist, wobei ein Härten durch ein weiteres
Verarbeiten bewirkt wird.
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