具有层叠的层的印刷电路板系统的制作方法

1.本发明涉及电子领域。本发明尤其涉及电子部件的封装。


背景技术：

2.在封装电子部件时能够部分永久地改变电子部件的材料特性。例如在导致所使用的材料组合物的化学或物理反应与包覆注塑过程叠加并且因此产生与时间相关的粘度变化的那些过程中出现机械应力。在填充过程之后并且在模具中的固化阶段期间，应力由于材料收缩到组件上而同样作用到电子组件上。除机械特性外，另外的材料特性(例如热学的、光学的和/或化学的特性)在封装过程期间也可能发生变化。
3.因此在制造和使用这种电子部件时非常有意义的是，检测这些材料特性中的至少一种材料特性，以便连续地监测电子部件的功能性并且可能的话采取抵消损害电子部件的功能性的(多种)材料特性变化的措施。


技术实现要素：

4.因此本发明所基于的目的在于，检测电子部件的至少一种材料特性，以确保电子部件的功能性。
5.这个目的通过根据所述的印刷电路板系统来实现。
6.印刷电路板系统包括多个彼此层叠的层。该多个层包括有源层和传感器层。有源层具有多个电子元器件。电子元器件可以包括一个或多个基于半导体的功率开关、电容器、电感器、导体线路(leiterbahn)等。传感器层包括用于检测印刷电路板系统的材料特性的传感器装置。材料特性包括机械特性，例如应变、应力、裂纹、剪切力、弯曲力、扭力、压力。除机械特性外，材料特性还包括光学的、热学的和/或化学的特性。例如热学的特性可以是在印刷电路板系统中或在其表面上存在的温度。
7.传感器装置可以具有一个或多个测量单元，以便生成与检测到的印刷电路板系统的材料特性有关的测量信号。在此可以是用于检测应变(应变测量片，dms)和/或裂纹的测量片、用于检测印刷电路板系统中的温度的测量单元和/或用于检测光信号的光检测器。测量片例如由塑料箔片(例如聚酰胺箔片)形成，具有预先确定的形状和预先确定的电特性的薄金属层通过蒸镀工艺和电镀工艺被施加到这些塑料箔片上。优选地，金属层受到作为保护层的、同样可以被层叠的另外的塑料层的保护。
8.传感器层作为覆盖层被布置在印刷电路板系统的表面上。替代性地，传感器层可以作为印刷电路板系统内部的内层被布置在两个另外的层之间，例如在两个绝缘层之间、在绝缘层与覆盖层(例如有源层)之间。有源层可以作为覆盖层被布置在印刷电路板系统的表面(例如在层结构方向上的顶侧或底侧)上。替代性地，有源层可以作为印刷电路板系统内部的内层被布置在两个另外的层之间。例如印刷电路板系统可以包括两个有源层，它们优选地被布置在印刷电路板系统的顶侧和/或底侧上。
9.层叠的层可以由一种或多种塑料材料制成。例如可以使用热塑性塑料、热固性塑
料和/或弹性体。不同的层可以被设计为玻璃纤维增强的塑料层(所谓的预浸料)和其他的塑料层(例如聚酰胺)和/或金属层的交替的层，这些交替的层优选地在压力和热量下彼此粘合。
10.传感器装置优选地借助于电力的、电感的、电容的和/或基于天线的连接与印刷电路板系统的有源层、尤其与布置在那里的信号处理单元连接。在电力连接的情况下在此可以是一个或多个覆镀通孔(durchkontaktierung)。例如可以将在一方面为传感器装置与另一方面为信号处理单元和/或连接至信号处理单元的导体线路之间的穿通孔设计成覆镀通孔，这些穿通孔穿过位于传感器装置和信号处理单元和/或导体线路之间的层。在穿通孔中包含有导电的材料作为填充材料。例如为此可以使用铜或铝。
11.根据本发明实现了一种印刷电路板系统，其中能够特别准确且可靠地检测材料特性。由于传感器层被层叠在印刷电路板系统中，因此传感器装置是特别稳固的并且具有高感测准确性。这还可以实现功能性得到扩展的印刷电路板系统的紧凑的构造方式。
12.在从属权利要求中给出了有利的设计方案和改进方案。
附图说明
13.现在示例性地并且参照附图描述实施方式。在附图中：
14.图1以分解视图示出了根据一个实施方式的印刷电路板系统的示意图；
15.图2以侧向的截面图示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统的示意图；
16.图3以透视图示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统的示意图；
17.图4以透视图示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统的示意图；以及
18.图5以透视图示出了测量片的组件的示意图。
19.在附图中，相同的附图标记涉及相同或功能类似的参考部件。在各个附图中分别标出了重要的参考部件。
具体实施方式
20.用于电子部件的印刷电路板系统由多个层制成，例如塑料层、陶瓷层和/或含金属的层(例如克美特合金，kermet)。印刷电路板系统例如由玻璃纤维增强的塑料层(所谓的预浸料)和其他的塑料层(尤其聚酰胺)以及结构化金属层的交替的层构成，这些交替的层以大片材的形式彼此层叠(即在压力和热量下彼此粘合)。这种印刷电路板系统能够通过钻孔工艺、电镀工艺以及蚀刻工艺被镀通孔并且在其表面处被精化。
21.为了检测材料特性，根据本发明传感器层被插入到印刷电路板系统中。例如由塑料箔片(尤其聚酰胺箔片)制成的应变测量片(dms)被施加到通过蒸镀工艺和电镀工艺形成的具有特殊形状并且尤其具有电特性的薄金属层上。金属层可以受到同样被层叠的并且充当保护层的另外的塑料层的保护。dms用于测量机械特性，例如在印刷电路板系统中存在的应力、应变、剪切力、弯曲力和/或压力。
22.根据本发明，传感器层作为覆盖层或内层被整合到多层的印刷电路板系统中。此外可以实现的是，传感器层通过覆镀通孔(尤其“dukos”或“vias”)与印刷电路板系统中的设有一个或多个导体线路的层电力连接。这种电力连接可以用于针对传感器装置在检测材料特性时产生的测量信号来进行信号传导。印刷电路板系统的有源层上可以布置有信号处
理单元，导体线路被引导至该信号处理单元。替代性地或附加地，其他的技术、例如通孔插装技术(tht)或表面贴装器件(smd)技术能够被用于实现覆镀通孔。
23.信号处理单元或额外的信号处理单元(例如作为测试单元)可以被布置在印刷电路板系统的边缘区域中。对应地，与传感器装置或传感器层连接的导体线路能够被引导至这个边缘区域。在测试单元的情况下，该测试单元可以在执行测试后通过折断、切割或其他的分离方法被再次移除。
24.信号处理单元的信号处理可以包括测量信号的放大、供电(stromversorgung)、滤波、模/数转换和/或计算。在根据本发明有利的设计方案中，可以将不同的测量信号(尤其数字测量信号，例如dms信号)置于共用的数字总线上，从而使针对电端子的空间需求最小化。还可以实现将多个测量信号(模拟地)预处理成一个总信号，该总信号可以是复合的(komplex)负荷和/或状态信号。通过在印刷电路板系统中安装用于评估由传感器装置产生的测量信号的信号处理单元还可以实现在连续的运行期间评估印刷电路板系统的运行状态。
25.为了获取关于印刷电路板系统或位于该印刷板电路系统中的部件的任何机械过载情况的数字表达，传感器装置可以是撕裂线应变测量片或裂纹测量片。在这种测量片中，如果超过预先确定的最小应变，则中断与信号处理单元的电力连接。
26.印刷电路板系统能够借助于用塑料材料(例如热固性塑料、热塑性塑料、弹性体等)进行包覆注塑来制造。包覆注塑过程期间测量印刷电路板系统的表面和内部的温度能够有利于开发、调校和过程监测。为此目的，传感器装置可以包括温度测量单元。温度测量单元例如可以基于对温度敏感的部件(例如与温度有关的电阻器，例如铂、ptc、ntc，以及热偶元件和半导体过渡元件)。因此，被整合在印刷电路板系统的表面或内部(作为内层)的传感器层用于测量温度。
27.传感器装置(例如dms结构、撕裂线(reiβdraht)、传感器元件以及任意无源或有源的切换元件，包括所属的导体线路)尤其可以通过印制来制造。在此能够使用有机的半导体结构，例如有机发光二极管(oled)。
28.传感器层同样可以包含具有压电的、压阻的、铁电的、介电的、铁磁的、磁致伸缩的、磁致流变的、热致变色的、电致变色的和磁致变色的特性的材料或由这些材料制成的箔片构成，以便达到将相应的效果耦合到有源层的电力系统中。
29.传感器层还可以由光学上透明的材料或具有嵌入式透明纤维的材料形成。由此，传感器层还能够被有利地用作光导体，以便例如检测印刷电路板系统的光学特性。这可以结合光发射器(尤其led、激光二极管、闪烁探测器和/或荧光的光发射器)和用于所使用的并且被引导通过光导体的发射光的对应的电磁光谱范围的检测器来进行。例如光发射器和/或光检测器可以作为外部实体被连接至印刷电路板系统，或替代性被整合在印刷电路板系统中。
30.传感器层不限于平面的或二维的结构。更确切地，传感器层可以被设计为柔性箔片并且在三维的空间区域中延伸。
31.图1示出了印刷电路板系统10的示意图。印刷电路板系统10包括多个层叠的层12、14、16、18、19。有源层12被形成为顶部的覆盖层，在该覆盖层的外表面上安装有多个电子部件122、124、126、128。这些电子部件包括多个有源的基于半导体的元器件122(例如二极管
和/或晶体管)、多个无源的元器件128(例如电容器和/或电阻器)、多个端子触点124、多个用于将端子触点124与有源的元器件122连接的导体线路126。传感器层16被布置或被嵌入在印刷电路板系统10的内部。传感器层16具有由多个传感器单元162、164组成的传感器装置。在该示例性的实施方式中，每个传感器单元162、164包括测量片，这些测量片用于检测印刷电路板系统10的机械特性(例如应变、应力、裂纹、剪切力、弯曲力、扭力、压力)。替代性地或附加地，至少一个传感器单元可以检测印刷电路板系统10的另外的材料特性(例如光学的、热学的和/或化学的特性)。热学的特性例如可以是印刷电路板系统10中或其表面上存在的温度。根据一个优选的实施方式，传感器层16由在一侧或两侧覆盖有对应变敏感的(欧姆)电阻层的载体箔片形成。
32.在印刷电路板系统10中设计有多个第一电力连接13和第二电力连接15，它们在示例性的实施方式中被设计为覆镀通孔。覆镀通孔被设计为盲孔或穿通孔，它们的内部空间用导电的材料或金属(例如铜或铜合金和/或铝或铝合金)填充。多个第一传感器单元162借助于第一电力连接13与端子触点124并且因此还与有源的元器件122、优选地还与无源的元器件128连接。多个第二传感器单元164借助于第二电力连接15与导体线路126并且因此还与有源的元器件122、优选地还与无源的元器件128连接。
33.传感器层16的两侧布置有两个绝缘层14、18。每个绝缘层14、18具有多个凹部142、182，该多个凹部被设计成与第二传感器单元162竖直重叠。凹部142、182形成为水平长形的，其中在每个绝缘层14、18中一部分凹部142、182被定向成大体上与另一部分凹部142、182垂直。这一措施用于实现第二传感器单元164的某些机械的或由热学导致的应力状态和/或应变状态所需的感测敏感性。
34.底部的覆盖层19被布置在印刷电路板系统10的与有源层12相反的一侧并且主要用于保护印刷电路板系统10免受外部损坏(例如碰撞和/或热量)。
35.优选地，有源的元器件122包括用于处理借助于传感器装置产生的测量信号的信号处理单元。这些测量信号借助于电力连接13、15以及导体线路126被传导至信号处理单元。还可以实现的是，借助于有源的元器件122操控传感器装置，例如以用于设定具体的感测模式。
36.图2示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统20的示意图。与图1示出的实施方式类似，印刷电路板系统20包括多个层叠的层22、24、26、28、29。这些层叠的层包括第一有源层22、传感器层26和第二有源层29以及两个被布置在传感器层26与第一有源层或第二有源层22、29之间的绝缘层24、28。在第一有源层22的外表面上设置有第一有源的元器件222。在第二有源层29的外表面上设置有第二有源的元器件292。有源的元器件222、292各自借助于电力接触与两个覆镀通孔23、25电力连接。以这种方式，有源的元器件222、292(其优选地包括信号处理单元和/或用于传感器装置的控制单元)与传感器装置电力地并且在信号技术意义上连接。为了确保传感器装置(该传感器装置在此示例性地被设计为传感器层的两侧的电阻层262、264)的感测敏感性，在绝缘层24、28中成形有多个凹部242、282。借助于相邻的层22、24、26、28、29之间的多个粘合层266对层22、24、26、28、29进行层叠。
37.图3以透视图示意性地示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统30。如大大简化地示出的，印刷电路板系统30包括三个层叠的层32、34、36。传感器装置以被设计为测量片的传感器单元322被布置在顶部的外表面326上，该传感器单元包括多个端子触点324。
传感器装置以被设计为测量片的传感器单元362被布置在底部的外表面366上，该传感器单元包括多个端子触点364。这种结构的几何形状有利于在印刷电路板系统30的内部的水平平面(印刷电路板平面)中对单轴的应力状态和弯曲状态(在此由双箭头表示)进行灵敏的感测。
38.图4示意性地示出了根据另一个实施方式的印刷电路板系统40。如大大简化地示出的，印刷电路板系统40包括三个层叠的层42、44、46。被设计为弧形、半圆形或正圆形的测量片的传感器单元442被布置在中间传感器层44的朝向顶部的覆盖层42的或朝向底部的覆盖层46的一侧上。这种结构的几何形状有利于对垂直于印刷电路板平面作用的法向力或压力(在此由双箭头表示)进行灵敏的感测。
39.图5示意性地示出了在中间区域55中重叠的三个测量片52、54、56的组件50。这种组件可以被布置在印刷电路板系统的内部。这种几何形状有利于感测多轴的表面应力状态。
40.代替信号处理单元，可以实现测试设备，借助于该测试设备能够测试印刷电路板系统10、20、30、40的检测到的材料特性。
41.附图标记清单
42.10，20，30，40
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印刷电路板系统
43.12，22，29
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有源层
44.122，222，292
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有源的元器件
45.124
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端子触点
46.126，166
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导体线路
47.128，294
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无源的元器件
48.13，15，23，25
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覆镀通孔
49.14，18，24，28，34
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绝缘层
50.142，182，242，282 凹部
51.16，26，44
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传感器层
52.162，164，262，264，322，362，442，52，54，56
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传感器单元(测量片)
53.266
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粘合层
54.32，36，42，46
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覆盖层
55.326
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顶部的外表面
56.366
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底部的外表面
57.50
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组件