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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum maschinellen,
rechnergesteuerten Verlegen von dünnem Draht auf der Oberfläche
eines Substrates. Vorwiegend geht es dabei um metallischen Draht,
aber auch um Draht aus nichtmetallischen Materialien wie Polymere,
Glas oder Keramik. Für metallische Drähte ist
der Anwendungsbereich die für das Auge nahezu unsichtbare
elektrische Verbindung mikroelektronischer Bauteile und die Herstellung
planarer Spulen, für nichtmetallische die Montage mikro-mechanischer
und mikro-optischer Bauelemente.
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Die
Herstellung elektronischer Leiterplatten durch Verlegung diskreter
Leitungsdrähte auf einem isolierenden Substrat war in den
Anfangsjahren der Leiterplattentechnik unter Schlagwörtern
wie "multiwire"-Technik oder "drahtgeschriebene Leiterplatte" bekannt
geworden. Die Patentschriften
DE
23 26 861 ,
DE 32 47
344 ,
DE 26 10 283 ,
US 3,674,602 ,
US 4,648,180 und
US 4,864,723 beschreiben sie ganz allgemein,
dazu Drahtverlegeeinrichtungen mit einem Verlegekopf, der über
das Substrat hinweggeführt wird und dabei einen Leiterdraht
auf der Substratoberfläche ablegt.
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Inzwischen
sind Leiterplatten mit direkt verlegten Drähten nahezu
vollkommen verdrängt durch Platten mit geätzten
Leiterbahnen. Für Spezialanwendungen kann es aber immer
noch vorteilhaft sein, Metalldraht auf einem isolierenden Substrat
direkt zu verlegen. So beschreibt die Patentschrift
US 7,000,314 runde Leitungsdrähte
anstelle geätzter Leitungsbahnen, um die Packungsdichte
und das Hochfrequenzverhalten einer Leiterplatte zu verbessern.
Die Patentschrift
DE 196 18
917 führt an, dass die Direktverlegung von Drähten
in bestimmten Fällen vorteilhafter sei als die Leiterbahnerzeugung durch Ätzung
aus einer großflächig abgeschiedenen Metallschicht.
Bei vorgegebener Schaltung kommt dies Argument allgemein umso stärker zum
Tragen, je größer die Fläche des Substrates
ist, weil Material- und Arbeitsaufwand bei planarer (Abscheide-
und Ätz-)Technik proportional zur Substratfläche
ansteigen, bei der Verlegetechnik aber nur proportional zur Drahtlänge.
Von besonderem Interesse ist die direkte Verlegung von isoliertem
Draht, etwa in der Form preiswerten Kupferlackdrahtes, weil damit
isolierende Leitungskreuzungen durch einfaches Übereinanderlegen
der Drähte problemlos realisiert werden können.
Im Gegensatz dazu muss bei der Kreuzung blanker Drähten
eine isolierende Folie zwischengelegt werden wie in
EP 1 004 226 , und bei geätzten Schaltungen
kann ein Kurzschluss der Leitungen nur durch aufwändiges
Ausweichen in die dritte Dimension vermieden werden. Breite Anwendung
findet die Drahtverlegetechnik heute zur Herstellung so genannter
"Antennenspulen" für RFID-Transponder, wie in
DE 44 10 732 ausgeführt.
Schließlich beruht die in
DE
102 47 553 offenbarte "Optische Anzeigevorrichtung" entscheidend
auf der Tatsache, dass, senkrecht auf das Substrat blickend, ein
runder Leitungsdraht schmaler erscheint als eine typische geätzte
Leiterbahn gleichen Querschnitts. Bei Verlegung des Drahtes auf
einem Glassubstrat ergibt sich dadurch gegenüber der geätzten
Leiterbahn eine höhere optische Transparenz, wenn man durch
die Substratscheibe hindurchblickt. Wird der Drahtdurchmesser hinreichend
klein gewählt, etwa unterhalb von 25 μm, so sind
derartige Verbindungsdrähte für das unbewaffnete
Auge nahezu unsichtbar.
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Gemäß diesem
Stand der Technik wird der zu verlegende Draht von einer Vorratsspule
abgespult und im Verlegekopf über einen Umlenkkanal oder
eine Umlenkrolle so in unmittelbare Nähe der Substratoberfläche
geführt, dass er nahezu parallel zu derselben verläuft.
Er wird dann durch eine Andruckrolle oder ein anderes Werkzeug gegen
die Substratoberfläche gedrückt und darauf befestigt, wie
in der Patentschrift
US 4,918,260 explizit
beschrieben. Bevorzugt werden bei dieser Fügemethode thermoplastische
Kleber benutzt, insbesondere Schmelzkleber, die zunächst
als Beschichtung auf den Draht oder auf die Substratoberfläche
aufgebracht worden sind. Beim Verlegen wird dieser Kleber durch
Erwärmung zum Schmelzen und Zerfließen gebracht
und verbindet beide Fügepartner so eng wie möglich.
Nach Erkalten des Klebers haftet der verlegte Draht dann permanent
an der Substratoberfläche. Eng verwandte Fügemethoden,
mittels derer ein Draht auf eine Substratoberfläche verlegt
werden kann, sind das Löten und die Thermokompression.
Auch bei ihnen wird die Oberflächenspannung eines schmelzflüssigen
Verbindungsmaterials ausgenutzt, um eine enge Verbindung zwischen
Draht und Substratoberfläche herzustellen. Schmelzflüssiges Metall
wird, wie bekannt, in der Leiterplattentechnik dort eingesetzt,
wo die Verbindung elektrisch leitend sein muss, beispielsweise an
den Kontaktflächen elektronischer Bauteile ('bonding pads').
Dabei unterscheiden sich die Fügeverfahren Löten
und Thermokompression, indem bei letzterem eines der zu verbindenden
Materialien selbst schmelzflüssig wird, während
bei ersterem das Lot als niedriger schmelzendes Verbindungsmaterial
zusätzlich eingebracht wird.
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Eine
grundlegende Schwierigkeit ist bei allen genannten Verlegemethoden
durch die Notwendigkeit gegeben, dass der Draht zur Befestigung
eng auf die Substratoberfläche aufgedrückt werden
muss. Nur wenn er die Oberfläche direkt – also
mit einer gewissen positiven Andruckkraft – berührt,
wird das bei Erwärmung zerfließende Verbindungsmaterial
zugleich den Draht und die Substratoberfläche benetzen.
Nur dann wird es sich durch Oberflächenspannung und Kapillarkraft
so ausbreiten und in die Verbindungsfuge eindringen, wie es für
eine gute Haftung des Drahtes notwendig ist. Bleibt nach dem Schmelzen
auch nur ein kleiner, endlicher Abstand zwischen Draht und Substratoberfläche
bzw. den aufgebrachten Kleberschichten, so finden dieser Fließprozess
und die Verklebung nicht statt.
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Da
der zu verlegende Draht nie perfekt geradlinig ist und die Substratoberfläche
nie perfekt eben ist, muss die Andruckkraft hinreichend groß sein,
den Draht so zu biegen, dass er sich überall der Oberflächenkontur
anschmiegt. Um die erwähnte Überkreuzung isolierter
Drähte zu berücksichtigen, soll die "Oberflächenkontur"
hier auch querverlaufende Drähte mit umfassen, die schon
in einem früheren Arbeitsgang auf der Substratoberfläche
verlegt wurden. Über sie hinweg muss der aktuell zu verlegende Draht
an das Substrat angedrückt werden. Das Andrücken
mit einer gewissen Mindestkraft ist somit für eine erfolgreiche
Verlegung essentiell.
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Das
Andrücken ist bei maschineller Verlegung einer der kritischsten
Verfahrensschritte. Aufgrund des mechanischen Kontaktes kann das
Andruckwerkzeug den Querschnitt eines dünnen Drahtes verformen.
Es kann die Oberfläche oder Isolation des Drahtes verletzen
und somit zu Kurzschlüssen führen. Infolge des
mechanischen Kontaktes besteht zudem permanent die Gefahr, dass
das Andruckwerkzeug durch Abrieb von Isolationsmaterial oder Kleber
verschmutzt und fortlaufend gereinigt werden muss, wie in
US 4,864,723 näher
beschrieben. Alle diese Schwierigkeiten kann man unter dem Begriff "Handhabung
des Drahtes" zusammenfassen. Sie werden umso größer,
je dünner der zu verlegende Draht ist. Bei Drahtdurchmessern
unter 0,1 mm sind sie meist so gravierend, dass die bekannten Verfahren
der Drahtverlegung versagen.
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Zur
Lösung dieser Probleme schlägt
US 6,400,882 ein Verlegeverfahren
vor, bei dem die Andruckkraft quasi berührungslos erzeugt
wird. Dazu wird die Biegesteifigkeit des Drahtes ausgenutzt. Der Draht
wird, aus einem engen, beheizten Umlenkrohr kommend, unter einem
flachen Winkel schräg gegen die Substratoberfläche
gedrückt und klebt dort an. Ein spezielles Andruckwerkzeug
ist nicht erforderlich. Dieses Verfahren löst die genannten
Probleme jedoch nur teilweise, denn indirekt wirkt hier das Umlenkrohr
als Andruckwerkzeug und unterliegt denselben Abrieb- und Verschmutzungsproblemen.
Zum anderen funktioniert dies Verfahren nur bei dickeren Drähten
mit hinreichender Biegesteifigkeit, und zum dritten existiert die
Andruckkraft nur lokal, unmittelbar am Berührungspunkt
des Drahtes am Substrat. Diese Situation mag bei dickem Draht funktionieren,
bei dünnem Draht reichen jedoch Andruckkraft und Wärmeübertrag
für eine gute Verklebung nicht aus.
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Dies
sollte nach der folgenden Darstellung der Erwärmungsprobleme
noch besser verständlich werden.
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Ein
weiteres Problem tritt bei Verlegung von dünnem Draht nach
dem Stande der Technik in Fällen auf, bei denen eine Erwärmung
zum Schmelzen eines Klebers erforderlich ist. Erfolgt die Erwärmung durch
Berührung des Drahtes mit einem heißen Andruckwerkzeug,
so besteht die Tendenz, dass der Draht nicht nur an der Substratoberfläche,
sondern auch am Werkzeug haftet. Beim Zurückziehen des Werkzeuges
kann er vom Substrat wieder abreißen. Wird stattdessen
berührungslos durch Wärmeeinstrahlung oder Anblasen
mit Heißluft erwärmt, so besteht die Gefahr ungleichmäßiger
Erwärmung. An den Stellen, wo der Draht die Substratoberfläche
berührt, also guten thermischen Kontakt hat, werden sich
Draht und Oberfläche gemeinsam erwärmen und verkleben.
An Stellen mit schlechtem thermischem Kontakt wird sich der Draht
jedoch schneller und höher erwärmen als die Substratoberfläche,
was zu Überhitzung und Zersetzung des Klebers und mangelhafter
Verklebung führen kann.
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Schließlich
besteht Bruchgefahr, wenn das Substrat spröde ist und nur
geringe thermische Spannungen verträgt. Dies Problem existiert
speziell bei der Verlegung von dünnem Draht (Durchmesser
kleiner als 50 μm) auf Glassubstraten und Erwärmung mittels
Strahlung. Wie eine einfache thermodynamische Abschätzung
zeigt, ist es dann nicht ausreichend, allein den Draht auf die zur
Klebung erwünschte Temperatur im Bereich von ca. 100–300°C aufzuheizen.
Bleibt dabei die Substratoberfläche kalt, so kühlt
sie den Draht im Moment der Berührung aufgrund ihrer Wärmekapazität
sehr schnell ab, und das zur Klebung notwendige Fließen
des Klebers unterbleibt. Bei Drähten im genannten Durchmesserbereich
erfolgt der Temperaturausgleich nämlich innerhalb weniger
Mikrosekunden, während der mit dem Fließen verbundene
Massentransportprozess mindestens eine Größenordnung
langsamer ist. Für eine erfolgreiche Drahtverlegung ist
es daher unumgänglich, die Substratoberfläche
unter dem zu verlegenden Draht zu erwärmen. Der darauf
aufliegende Draht hat bei gutem Kontakt dann praktisch dieselbe Temperatur
wie sie, und das für eine gute Haftung des Drahtes notwendige
Fließen kann stattfinden.
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Die
Erwärmung der Substratoberfläche erzeugt im Substrat
jedoch mechanische Spannungen, die umso größer
sind, je höher die Temperatur und je größer
der erwärmte Oberflächenbereich sind. Um die Gefahr
mechanischen Versagens infolge dieser Spannungen gering zu halten
ist deshalb anzustreben, den erwärmten Bereich so klein
wie möglich zu halten und dabei dennoch, wenn auch nur
kurzzeitig, die zum Kleben notwendige Temperatur zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die zur Verlegung von
dünnem Draht auf einem Substrat notwendige Andruckkraft
des Drahtes an die Substratoberfläche berührungsfrei
entlang einem gewissen Abschnitt des Drahtes zu erzeugen um dann,
für den Fall, dass während des Andrucks, in dem
angedrückten Drahtabschnitt die Substratoberfläche
auf die Fließtemperatur des Klebers aufheizen zu können.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Andruckkraft elektrostatisch erzeugt
wird.
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Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verlegeverfahrens
gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass es berührungslos,
ohne Andruckwerkzeug arbeitet, so dass der Draht und gegebenenfalls
seine Isolierung unversehrt bleiben. Es existiert auch keine Verschmutzungsgefahr
eines Andruckwerkzeuges. Ein anderer Vorteil ist, dass die elektrostatische
Andruckkraft auf dem gesamten Auflage-Abschnitt des Drahtes wirkt.
Dadurch schmiegt er sich, wie beschrieben, selbsttätig
an bestehende Unebenheiten und Konturen der Substratoberfläche in
einer Weise an, die mit mechanischen Andruckwerkzeugen nur schwer
erreichbar ist. Dies Anschmiegen erfolgt schon bei Raumtemperatur
und – infolge des sich beim Schmel zen verringernden Abstandes – erst
recht bei der höheren Schmelztemperatur. Der auf dem Draht
befindliche Heißkleber kann deshalb nach dem Schmelzen
die Substratoberfläche schnell benetzten, so dass eine
sichere Verbindung resultiert. Generell vorteilhaft ist schließlich, dass
der elektrostatische Andruck umso besser funktioniert, je dünner
und biegsamer der zu verlegende Draht ist. Damit ergänzt
das erfindungsgemäße Verfahren gerade im Bereich
kleinster Drahtdurchmesser die bekannten Verfahren, die hier ihre
größten Schwierigkeiten aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen zur
Durchführung desselben sind in den Zeichnungen beispielhaft
illustriert. Es zeigen
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1 eine
bevorzugte Vorrichtung zur Verlegung eines Metalldrahtes auf einem
isolierenden Substrat. Der Draht tritt aus einer Rohröffnung 24 aus.
Im Gleichgewicht zwischen der elektrostatischen Anziehung und der
Verlegezugkraft stellt sich ein flacher Winkel 23 zwischen
Draht und Substratoberfläche ein.
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2(a) den Querschnitt eines mit Kleber beschichteten
Metalldrahtes,
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2(b) den Querschnitt eines mit Lack isolierten
und mit Kleber beschichteten Metalldrahtes, und
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2(c) den Querschnitt eines blanken Drahtes,
alle jeweils in geringem Abstand lose auf dem Substrat liegend,
vor dem Verkleben.
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3 die
Querschnitte aus 2 nach dem Schmelzen und Fließen
des Verbindungsmaterials. Letzteres ist in (a) und (b) der auf den
Draht aufgebrachte Kleber, in (c) das Substratmaterial selbst. Die Oberfläche
des geschmolzenen Verbindungsmaterials hat jeweils die Form einer
Minimalfläche angenommen, die Oberflächenspannung
verbindet Draht und Substrat eng miteinander.
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4 die
Kreuzung zweier isolierter Metalldrähte im Querschnitt,
nach dem Fließen des Klebers. Der zuletzt verlegte Draht 11 schmiegt
sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung über den
zuerst verlegten Draht 1 hinweg an die Substratoberfläche
an.
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5 eine
Vorrichtung zur Verlegung des Drahtes ähnlich der Vorrichtung
in 1, aber mit einer Umlenkrolle 36 anstelle
der Rohröffnung 24.
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6 schematisch
den Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen dem zu verlegenden Draht 1 und
der Elektrode 29 unter der Substratplatte gemäß 1 oder 5.
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7 schematisch
den Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen dem zu verlegenden Draht 1 und
zwei Elektroden 37, 38 auf der Substratoberfläche
neben dem Draht.
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8 eine
alternative Elektrodenanordnung zur Erzeugung der elektrostatischen
Andruckkraft. Hier ist der Draht 1 nicht angeschlossen;
diese Vorrichtung funktioniert auch für nichtmetallische
Drähte.
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9 eine
Vorrichtung zur Kontaktierung eines Bauteiles mit dem freien Ende
eines Metalldrahtes, der durch elektrostatische Anziehung auf die
mit Lot beschichtete Kon taktfläche niedergedrückt
wird, während eine dauerhafte Verbindung durch Laserlöten
erzeugt wird;
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10(a) bis (f) Schnittdarstellungen von Draht-
und Elektrodenanordnungen zur Erzeugung elektronischer Felder, die
einen auf einem Substrat zu verlegenden Draht an die Oberfläche
des Substrats andrücken;
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11(a) eine schematisch vereinfachte Abschirmeinrichtung
zum Schutz eines Bauelements (Chip-Modul oder Strap) gegen elektrische
Felder, in einer den 10(a) bis 10(f) entsprechenden Darstellung; und
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11(b) eine der Abschirmeinrichtung gemäß 11(a) funktionsanaloge Einrichtung mit
einer Hilfselektrode zur Bildung eines Faraday-Käfigs.
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Die
wichtigsten Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in 1 für den Fall dargestellt,
dass ein mit Heißkleber beschichteter metallischer Draht
auf einer isolierenden Substratplatte verlegt werden soll. Im Verlegekopf 20 tritt
der Draht 1 aus einer Rohröffnung 24 aus
und wird elektrostatisch auf die Oberfläche 4 der
Substratplatte heruntergezogen. Zu diesem Zweck sind der Draht und
eine unter der Substratplatte angeordnete Elektrode 29 an
die Pole 18, 19 einer elektrischen Spannungsquelle 32 angeschlossen.
In 1 ist die Verbindung des Pols 19 der
Spannungsquelle nur bis zum Rand des Verlegekopfes 20 eingezeichnet,
es wird aber hier und im folgenden unterstellt, dass eine weiterführende
elektrische Verbindung zum Draht 1 im Inneren des Kopfes
besteht.
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Zum
Verlegen wird der Verlegekopf 20 als Ganzes relativ zur
Substratoberfläche in der Richtung 28 bewegt.
Dabei spult sich der Draht 1 von der Vorratsspule 26 ab.
Er läuft zunächst durch eine Bremseinrichtung 27,
die für eine vorbestimmte Zugkraft FZ des
Drahtes sorgt, und weiter durch das Umlenkrohr 25. Dessen Öffnung 24 befindet
sich dicht über der Substratoberfläche. In dem
mit 35 bezeichneten Abschnitt ist der Draht aufgrund der
Zugkraft FZ gespannt und verläuft
praktisch geradlinig. Er erreicht die Substratoberfläche
am Punkt 8 unter einem flachen Winkel γ. Letzterer
ist in 1 mit dem Bezugszeichen 23 versehen.
Der Berührungspunkt 8 und der Verlegewinkel γ stellen
sich selbsttätig so ein, dass die senkrecht zur Oberfläche
nach oben wirkende Komponente FZ sin γ der
Zugkraft stets im Gleichgewicht ist mit der elektrostatischen Kraftdichte,
die den Draht auf das Substrat niederdrückt. Typische Werte
des Verlegewinkels liegen bei γ = 1° ... 5°. Im
Abschnitt 34, jenseits des Oberflächen-Berührungspunktes 8,
verläuft der Draht dann wieder praktisch geradlinig. Aufgrund
der elektrostatischen Andruckkraft liegt er hier eng auf der Substratoberfläche auf.
Zwischen den beiden geradlinigen Abschnitten 33 und 35 existiert
ein kurzer Übergangsabschnitt 34, in dem der Draht
elastisch gekrümmt ist.
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Im
Auflageabschnitt 33 erfolgt die Verklebung des Drahtes
auf die Substratoberflache, indem letztere erhitzt wird, vorzugsweise
nur in einem eng lokalisierten Bereich. Hierzu ist in 1 beispielhaft eine
Flamme 30 angedeutet, die aus einem Brennerrohr 31 austritt
und auf die Substratoberfläche gerichtet ist. Wegen der
erwähnten thermischen Spannungen im Substrat ist es vorteilhaft,
die Breiten BX (in der Verlegerichtung gemessen)
und BY (senkrecht zur Ebene der 1 gemessen)
der Flamme so klein wie möglich zu wählen. Eine
Untergrenze besteht dabei durch die Forderung, dass die Flamme soviel Heizleistung
liefern muss, dass der aufgeheizte Bereich die zum Schmelzen und
Fließen des Klebers notwendige Temperatur erreicht.
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Details
dieser Verklebung sind in den 2 und 3 dargestellt.
Ein ohne Andruckkraft verlegter Draht 1 würde
lose auf dem Substrat liegen. Infolge innerer mechanischer Spannungen
wäre er im Allgemeinen gekrümmt, und es würde
eine gewisse unregelmäßig breite Fuge 9 zwischen
Draht und Oberfläche bestehen. Dies zeigt 2.
Mit der Andruckkraft jedoch, die von der gegenseitigen elektrostatischen
Anziehung von Draht und Elektrode 29 herrührt,
wird der Draht auf die Oberfläche 4 heruntergezogen,
und die Fugenbreite 9 verschwindet. Wird nun erwärmt,
so schmilzt in den Fällen (a) und (b) der Heißkleber 3,
in (c) die Oberfläche 4 des Substrates, und nach
dem Fließen des geschmolzenen Verbindungsmaterials resultiert
die in 3 gezeigte Situation. Hier hat der Heißkleber 3,
der zunächst als dünne Schicht auf dem Draht 1 oder
auf dessen Isolierung 2 aufgebracht war, die Substratoberflache 4 benetzt
und sich aufgrund seiner Oberflächenspannung neu verteilt.
Er ist in die Fuge 9 eingedrungen und füllt sie
in der Art von Hohlkehlen 5 aus. Im Falle (c) zieht zunächst
die elektrostatische Kraft den Draht in die schmelzende Oberfläche
hinein, und nach der Benetzung wirkt dann die Oberflächenspannung
im gleichen Sinne weiter. Auch hier bilden sich zwei Hohlkehlen 6 aus.
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Entsprechende,
aber komplexere Benetzungs- und Fließvorgänge
finden bei der Überkreuzung zweier isolierter Drähte
statt, wie in 4 im Querschnitt skizziert.
Draht 1 mit der Isolationsschicht 2 wurde zuerst
verlegt und auf der Substratoberfläche 4 verklebt. Über
ihn hinweg wurde dann der Draht 11 mit Isolationsschicht 12 geführt.
Er schmiegt sich, gemäß seiner Biegesteifigkeit
und der elektrostatischen Kraft an die durch 1, 2, 4 gegebene
Kontur an. Beim Erwärmen fließt der Heißkleber
auch in die konkav-konvexen Bereiche 7.
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Weitere
Details und alternative Ausführungsformen des Verfahrens
sowie typische Parameter der verwendeten Vorrichtungen erschließen
sich aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der genannten
Prozessschritte, der das Verfahren charakterisierenden Begriffe,
und der 5 bis 9.
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Dabei
wird weiterhin vereinfachend unterstellt, dass ein runder Metalldraht,
der dünn mit Heißkleber beschichtet ist, also
ein so genannter "Backlackdraht", auf einer isolierenden Substratplatte, etwa
aus Glas, verlegt werden soll. Allgemeinere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtungen
dazu, mit anderen Materialien und anderen Fügeverfahren,
werden im Anschluss beschrieben. Die wichtigsten Begriffe sind diese:
Der
Draht hat im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt. Die
erfindungsgemäße elektrostatische Niederhaltung
funktioniert aber auch bei anderen Querschnittsformen, insbesondere
bei rechteckigem Querschnitt.
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Die
genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
kommen besonders gut zur Geltung, wenn der Drahtdurchmesser, beziehungsweise
seine senkrecht zur Oberfläche gemessene Dicke, unterhalb
von 50 μm liegt, weil dann die Biegesteifigkeit des Drahtes
gering ist. In geringerem Maße existieren die Vorteile
aber auch oberhalb dieses Grenzwertes.
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Die
Verlegezugkraft FZ muss passend zum verwendeten
Drahtdurchmesser gewählt werden. Ein guter Anhaltspunkt
für FZ ist der aus der Spulenwickel-Technik
her bekannte "Wickelzug". Er liegt für Drahtdurchmesser
von 10 ... 100 μm im Bereich von 1 ... 100 cN und entspricht
einer relativen Dehnung des Drahtes von etwa 10–3.
Die Verlegezugkraft FZ wird von der in 1 gezeigten
Bremseinrichtung 27 erzeugt. Einfache Bremseinrichtungen
arbeiten mittels Reibung, indem der Draht zwischen vorgespannten
Bremsbacken hindurchgezogen wird. Dies ist für die Vorrichtung 27 angedeutet.
Dabei besteht jedoch die Gefahr von Abrieb und Verschmutzung. Zur
Vermeidung dieser Probleme, sowie bei höheren Ansprüchen
an die Einstellbarkeit und Konstanz von FZ kann
der Draht bekanntlich auch über eine Rolle geführt
werden, die von einem so genanntem "Torque-Motor" gebremst wird.
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Die
Verlegegeschwindigkeit. Da die hier interessierenden, relativ schweren
Substrate typisch horizontal liegen, erfolgt die zur Verlegung notwendige Relativbewegung 28 zweckmäßig
in der Weise, dass das Substrat feststeht und der leichtere Verlegekopf in
einer horizontalen Ebene darüber hinweg bewegt wird. Die
Verlegegeschwindigkeit vo sollte für
eine kosteneffiziente ma schinelle Drahtverlegung mindestens 0,1
m/s betragen, besser ist 1 m/s und darüber.
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Draht-Umlenkung.
Zur Verlegung muss der Draht aus der zunächst etwa senkrechten
Zuführungsrichtung in eine nahezu horizontale Richtung umgelenkt
werden. Damit aus dieser Umlenkung möglichst wenig innere
Spannung im Draht resultiert, wird entweder ein sanft gebogenes
Umlenkrohr 25 benutz, wie in 1, oder
eine Umlenkrolle 36 gemäß 5.
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Die
elektrostatische Andruckkraft FE, die auf den
Drahtabschnitt 33 wirkt, ist eine Folge der elektrischen
Spannung U zwischen dem Draht 1 und der Elektrode 29 unter
dem Substrat. 6 zeigt im Querschnitt, wie
das elektrische Feld verteilt ist. Im Bereich der Fuge 9,
zwischen Draht 1 und Substrat 4, ist die Feldstärke
am größten. Dadurch resultiert eine auf den Draht 1 nach
unten wirkende Kraft FE(z). Hier bedeutet
z den Abstand des Drahtes von der Oberfläche, also die
Weite der Fuge 9. Die Kraft ist maximal bei aufliegendem
Draht (z = 0). Mit zunehmender Fugenweite z wird sie kleiner und
verschwindet rasch, wenn z größer wird als der
Drahtdurchmesser. Sie ist proportional zur Länge L33 des Drahtabschnittes 33. Deshalb
ist es zweckmäßig, sie durch eine längenbezogene
Kraftdichte zu charakterisieren, fE(z) = FE(z)/L33, mit der
Dimension [N/m].
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Die
absolute Größe dieser Kraftdichte fE(z) hängt
in komplizierter Weise vom Durchmesser und der Beschichtung des
Drahtes ab, von der Dicke der Substratplatte und ihrer Dielektrizitätskonstante,
sowie von der angelegten Spannung. Vereinfachend kann aber für
Glas-Substrate von 4 mm Dicke und isolierte Drähte mittleren
Durchmessers beim Minimalabstand für überschlägige
Rechnungen fE(z = 0) ≈ 0,05 U2 [N/m] angesetzt werden, wobei U der Effektivwert
der angelegten Spannung in [kV] ist. Bei einer Spannung von U =
2 kV liegt die maximale Andruck-Kraftdichte also in der Größenordnung
fE ≈ 0,2 [N/m].
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Der
Verlegewinkel 23, der sich aufgrund des erwähnten
Kräftegleichgewichts einstellt, folgt aus einer einfachen
Energie-Abschätzung, γ ≈ (2FE0/FZ)1/2
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Hier
bedeutet FE0 = ∫fE(z)
dz die längenbezogene potentielle Energie der Kraftdichte
fE(z), wobei die Integration von z = 0 bis
zu einem sehr großem Abstand auszuführen ist,
bei dem fE(z) verschwindet. Dies FE0 hat die Dimension [N] einer Kraft. Für
einen Draht vom typischen Durchmesser 20 μm liegt ihre Größe
bei FE0 ≈ 2U2 10–6 [N]. Mit U = 2 kV und einer Verlegekraft
von FZ = 10–2 N
stellt sich der Verlegewinkel auf γ ≈ 2,3° ein.
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Der
elastisch gekrümmte Drahtabschnitt 34 ist in seiner
Länge LK durch die elastische Biegesteifigkeit
S des Drahtes und die Zugkraft FZ bestimmt. Näherungsweise
gilt LK = (S/FZ)1/2. Für Kupferdrähte liegt
diese Länge in der Größenordnung LK ≈ 0,1 ... 10 mm, wenn der Drahtdurchmesser
im Bereich 10 ... 100 μm variiert.
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Die
elektrische Spannung bestimmt entscheidend die Größe
der elektrostatischen Andruckkraft. Da die Kraft quadratisch mit
der Spannung anwächst, ist es vorteilhaft für
die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die Spannung möglichst hoch zu wählen.
Eine technische Obergrenze ist dabei durch das Einsetzen von Koronaentladung an
scharfen Ecken und Kanten gegeben, sowie durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit
der zu verdrahtenden Substratplatte. In einer praktisch ausgeführten
Vorrichtung zur Drahtverlegung auf einer 4 mm dicken Glasscheibe
war eine Spannung von U = 2 kV voll ausreichend zum Verlegen von
20 μm Draht.
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Ein
bekanntes Problem elektrostatischer Niederhaltungen ist, dass sich
an den dielektrischen Grenzflächen elektrische Ladungen
ansammeln. Sie wirken in jedem Falle der angelegten Spannung entgegen,
schwächen also die elektrostatische Kraft. Sie lassen sich
aber weitgehend vermeiden, indem man rasch, ehe noch größere
Ladungen aufgebaut sind, die Polarität der angelegten Spannung
umkehrt. Dadurch werden die Ladungen abgebaut und dann neue, mit
umgekehrtem Vorzeichen, aufgebaut. Zu deren Abbau muss dann erneut
umgepolt werden, usw. Da die Andruckkraft von U2 abhängt, ändert
sie sich bei den Umpolungen nicht. Diesen Polaritätsumschaltungen
dient der in 5 gezeigte Schalter 57. Äquivalent
zu einer Gleichspannungsquelle 32 mit einer solchen periodischen
Polaritätsumschaltung 57 ist die Verwendung einer
Wechselspannungsquelle mit symmetrisch rechteckigem Zeitverlauf.
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Die
Elektroden zur Erzeugung der elektrostatischen Andruckkraft in den
Vorrichtungen der 1 und 5 sind der
zu verlegende Draht 1 und die Gegenelektrode 29.
Letztere kann vorzugsweise die Form einer dünnen Metallfolie
oder einer leitend beschichteten Glasplatte haben, die unter das
Substrat gelegt wird. Diese besonders einfache Anordnung ist zugleich
die günstigste. Bei gegebener Spannung U und mäßigen
Substratdicken liefert sie die größte Kraft.
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Alternativ
können anstelle der einen Gegenelektrode 29 zwei
Elektroden 37, 38 vorgesehen werden, die in geringem
Abstand symmetrisch zu beiden Seiten des zu verlegenden Drahtes 1 auf
der Substratoberfläche aufliegen, vgl. 7.
Sie werden gemeinsam an den Pol 18 der Spannungsquelle
angeschlossen, an dem in den vorhergehenden Beispielen die Elektrode 29 lag.
Auch hier ist in dem elektrischen Feld, das sich ausbildet, die
Feldstärke im Bereich der Fuge 9 maximal. Für
den Draht 1 resultiert wiederum eine nach unten gerichtete
Kraft, also ein Andruck an die Oberfläche 4. Diese
Anordnung ist bei großen Substratdicken vorteilhaft.
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Eine
weitere alternative Elektrodenanordnung zur Erzeugung der elektrostatischen
Andruckkraft zeigt 8. Hier wird eine Anzahl von
Elektrodenpaaren 56a, 56b benutzt. Vorteilhaft
ist die Verwendung einer größeren Anzahl dieser
Elektroden-Paare. Sie sind streifenweise oder als Schachbrettmuster unter
dem Substrat direkt in dem Bereich angeordnet, wo der zu verlegende
Draht angedrückt werden soll. Alle Paare sind elektrisch
parallel geschaltet. Jeweils eine Elektrode aller Paare ist an den Pol 18 der
Spannungsquelle angeschlossen, die andere an den Pol 19.
Der Umschalter 57 erlaubt es wieder, diese Zuordnung umzuschalten.
Der Draht 1 ist hier nicht mit der Spannungsquelle verbunden. Deshalb
ist diese Elektrodenanordnung auch für das Verlegen einzelner
kurzer Drahtstücke geeignet, sowie für nichtmetallischer
"Drähte", die gewöhnlich als "Fasern" bezeichnet
werden.
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Vorteilhaft
sind schließlich auch ähnliche Anordnungen dieser
Art mit Elektroden-Tripeln anstelle von Paaren unter dem Substrat.
Sind diese Tripel symmetrisch aufgebaut und werden mit um 120° phasenverschobenen
Sinus-Wechselspannungen gespeist, so resultiert im räumlichen
Mittel über mehrere Elektroden-Tripel eine besonders gleichmäßige Andruckkraft.
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In
allen genannten Fällen müssen die Elektroden,
gegebenenfalls einschließlich des zu verlegenden Drahtes, über
geeignete elektrische Verbindungen an die benutzte Spannungsquelle
angeschlossen werden. Im Falle einer Gleichspannungsquelle bedeutet
dies, dass die Verbindungen durchgehend galvanisch leitend sein
müssen. Bei Verwendung einer Wechselspannungsquelle ist
auch eine kapazitive Ankopplung der Elektroden geeignet.
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Die
Sicherheit des Bedienpersonals und der zu verdrahtenden elektronischen
Bauteile verdient besondere Beachtung bezüglich der Hochspannung, die
zur Erzeugung der Andruckkraft notwendig ist. Praktische Erfahrungen
mit anderen elektrostatischen Niederhaltungen zeigen, dass auch
bei Spannungen von 5 kV und mehr der Personenschutz einfach dadurch
gewährleistet werden kann, dass die Spannungsquelle mit
einem hinreichend hohem Innenwiderstand versehen wird. Er begrenzt
den möglichen Fehlerstrom, beispielsweise auf Werte < 20 mA, so dass
auch bei versehentlicher Berührung keine Lebensgefahr für
das Personal besteht.
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Schwieriger
ist der Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile gegen Überspannungen,
die galvanisch oder kapazitiv aus der Spannungsquelle 32 übergekoppelt
werden können. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, den
zu verlegenden Draht 1 grundsätzlich auf Erdpotential
zu halten, so dass nur die Gegenelektrode 29 auf Hochspannungspotential liegt.
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Das
Substratmaterial war in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
als "isolierend" vorausgesetzt worden. Maßgeblich für
eine solche Beurteilung der elektrischen Leitfähigkeit
sind hier nicht absolute Werte, sondern die Erfordernisse der elektrostatischen
Niederhaltung und des Verlegeprozesses. Wird der elektrische Widerstand
zwischen Draht 1 und Gegenelektrode 29 mit R bezeichnet
und die Kapazität mit C, so ist die elektrostatische Anziehung
nur während einer Zeitspanne der Größenordnung τ =
R C nach dem Einschalten einer Gleichspannung wirksam. Danach klingt
die Anziehung rasch ab weil sich, wie erwähnt, an Grenzflächen elektrische
Ladungen ansammeln. Kann der Verlegeprozess einschließlich
der Kleberhärtung nicht in einer Zeit erledigt werden,
die kurz gegen die genannte Zeitkonstante τ ist, so muss
die schon erwähnte, schnell wiederholte Umschaltung der
Polarität angewandt werden. Dabei muss die Frequenz fU der Umschaltung so hoch sein, dass τfU >> 1 gilt.
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Beispielsweise
möge bei der Drahtverlegung auf einer isolierenden Glasscheibe
von 1 m2 Größe der elektrische
Widerstand R = 1000 MΩ und die Kapazität C = 1
nF betragen. Dann ist τ = 1 s, und die Umschaltfrequenz
sollte deutlich größer sein als 1 Hz.
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Erheblich
höhere Frequenzen sind erforderlich, wenn das Substrat
eine gewisse elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ein Beispiel
ist die Drahtverlegung auf Papier, etwa zur Herstellung planarer
Antennenspulen für RFID-Transponder. Mit R = 1 MΩ und
C = 100 pF wird hier τ = 10–4 s,
und die Umschaltfrequenz sollte deutlich größer
sein als 10 kHz.
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Neben
diesen als "isolierend" bezeichneten Substraten wie beispielsweise
Glas, Keramik, Polymere, Teslin und synthetische Werkstoffe, Papier, Holz,
Leder u. a. sind auch elektrisch leitende Materialien als Substrate,
welche als Endlosrolle oder als Sheet vorliegen, zur Drahtverlegung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet,
also Metalle und mit einer leitenden Metallschicht überzogene
Isolatoren. Auf elektrisch leitenden Substraten lassen sich insbesondere
isolierte Metalldrähte in der beschriebenen Weise verlegen.
Dabei müssen der Draht und das Substrat an die Spannungsquelle
angeschlossen werden, damit zwischen ihnen die Anziehungskraft zustande
kommt. Wenn die Isolationsschicht dünn ist, wie beispielsweise
bei Kupferlackdraht, so ist dabei schon eine geringe elektrische
Spannung ausreichend, etwa 100 V. Das erfindungsgemäße
Verlegeverfahren mit Elektroden unter dem Substrat, bei dem der
Draht nicht angeschlossen wird, funktioniert jedoch nur mit isolierenden
Substraten, nicht mit elektrisch leitenden.
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Als
schmelzendes Verbindungsmaterial ist allgemein jedes Material geeignet,
das bei Erwärmung flüssig wird und in diesem Zustand
Draht und Substratoberfläche benetzt und mittels Oberflächenspannung
verbindet, so dass sie nach Erkalten permanent verbunden bleiben.
Wichtigstes Beispiel sind Heißkleber, oft auch als "Schmelzkleber"
bezeichnet. Sie existieren einerseits als mehrfach wieder aufschmelzbare
"Thermoplaste" und, andererseits, als thermisch reagierende und
danach nicht wieder aufschmelzbare "Duroplaste". Das schmelzende
Verbindungsmaterial kann auch ein Lot sein, also allgemein eine
Metall-Legierung, deren Schmelzpunkt unterhalb der Schmelzpunkte
von Draht und Substrat liegt. Der Fügeprozess ist dann
ein Lötprozess, und Beispiel eines Lotes für Kupferdraht
ist Zinnlot. Schließlich kommt als schmelzendes Verbindungsmaterial auch
das Material der Substratoberfläche oder des Drahtes selbst
infrage. Das Fügeverfahren ist dann die so genannte Thermokompression.
Der dabei gewöhnlich benutzte Andruck mit einem heißen
Werkzeug kann, erfindungsgemäß, bei sehr dünnen
Drähten durch die elektrostatische Andruckkraft und lokale
Erwärmung der Substratoberfläche ergänzt
oder ganz ersetzt werden. Im Zusammenhang mit Thermokompression
nach dem Stand der Technik ist das erfindungsgemäße
Verfahren speziell für isolierte Drähte in der
Weise geeignet, dass der zu verbindende Draht zunächst
mittels der elektrostatischen Andruckkraft unverrückbar
auf dem Substrat fixiert wird, und dann in herkömmlicher
Weise mittels eines heißen Werkzeuges durch Druck permanent
verbunden wird.
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Bei
Verwendung von Heißkleber oder Lot als Verbindungsmaterial
ist es vorteilhaft, dieses zunächst als dünne
Schicht 2 auf dem zu verlegenden Draht 1 aufzubringen,
wie in 2(a, b) angedeutet. Beim Schmelzen füllt
es dann hohlkehlartig die Fugen 5 der 3.
Alternativ kann das Verbindungsmaterial als Schicht auf der Substratoberfläche
verwendet werden. Auch dann bilden sich beim Schmelzen Hohlkehlen, ähnlich
den Fugen 6 der 3(c).
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Mit
Heißkleber beschichteter Draht ist kommerziell als so genannter
"Backdraht" zur Herstellung freitragender Spulen erhältlich.
Die verfügbaren Heißklebertypen unterscheiden
sich in ihren Erweichungstemperaturen, beispielsweise Polyvinylbutyral
(110°C), Phenoxyharz (140°C), oder modifiziertes aliphatisches
Polyamid (180°C).
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Der
Verlegeprozess kann unterteilt werden in die beiden Schritte des
Drahtablegens und der Drahtverklebung. Erfindungsgemäß muss
an jedem Punkt der Verlegebahn die elektrostatische Anziehung bereits
während des ersten Schrittes wirken und bis zum Ende des
zweiten Schrittes bestehen bleiben. Für die zeitliche Gliederung
dieser Schritte bestehen mehrere Alternativen
- (a)
kontinuierlich fortschreitendes Verlegen, wie es in den Drahtverlegemaschinen
nach dem Stand der Technik ausgeführt wird. Dabei wird
der Draht entlang einer vorher festgelegten und im Steuerrechner
gespeicherten Verlegebahn abgespult und unmittelbar danach durch
Erwär mung des Klebers mit dem Substrat permanent verbunden.
Für diesen Prozess sind die in 1, 5, und 8 skizzierten
Verlegeköpfe bestimmt.
- (b) Zweischritt-Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt der
Draht insgesamt ausgelegt und dabei während der Auslegezeit
durch die elektrostatische Anziehung auf der Substratoberfläche
niedergehalten wird. Die Erwärmung, die zur Verklebung
führt, erfolgt erst danach im zweiten Schritt, sei es durch
lokale Erwärmung der Substratoberfläche entlang
der Verlegebahn oder durch Erwärmung der gesamten Substratoberfläche.
Zwischen
diesen beiden Fällen liegen weitere Möglichkeiten,
den Verlegeprozess zu führen, indem der Draht abschnittsweise
ausgelegt und dann der jeweilige Abschnitt erwärmt und
verklebt wird, ehe der nächste Abschnitt begonnen wird. Auch
kann es vorteilhaft sein, den Draht nur am Anfang und/oder Ende
eines jeden Abschnitts zu verkleben, so dass er dazwischen geradlinig
verläuft, mit dem gegebenen Verlegezug FZ gespannt.
Nach welcher dieser Möglichkeiten der Verlegeprozess im
konkreten Fall tatsächlich geführt wird, kann
von anderen Überlegungen abhängig gemacht werden,
insbesondere von der verwendeten Wärmequelle und von der
benötigten Verlegegeschwindigkeit.
- (c) Das erfindungsgemäße Verlegeverfahren kann
schließlich auch in der Weise modifiziert werden, dass
die Erwärmung der Substratoberfläche zuerst erfolgt
und der Draht danach rasch, ehe die Oberfläche wieder abgekühlt
ist, auf die Oberfläche aufgelegt und elektrostatisch angedrückt
wird.
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Die
Erwärmung der Substratoberfläche bei maschineller
Drahtverlegung kann mittels einer Flamme oder eines Heißluftgebläses
vorgenommen werden, wobei der Wärmeübergang durch
Konvektion erfolgt. Alternativ ist die Heizung der Substratoberfläche
mittels Strahlung möglich, wobei die Strah lungsleistung
im Substrat absorbiert wird. Bei Heißklebern ist die erforderliche
Oberflächentemperatur etwa 100–300°C,
bei Löt- und Thermokompression kann sie erheblich höher
liegen, bis zu 1000°C. In jedem Falle ist es vorteilhaft,
die zugeführte Heizleistung so zu steuern oder zu regeln,
dass die maximale, für den Fügeprozess zulässige
Oberflächentemperatur nicht überschritten wird.
Insbesondere sollte die Heizung ausgeschaltet werden, wenn der Verlegekopf
stillsteht.
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Die
Dynamik des Erwärmungsprozesses ist von Interesse für
eine optimale Auslegung der Heizung. Zum kontinuierlichen maschinellen
Verlegen mit unmittelbar folgender Aufheizung und Verklebung ist
es vorteilhaft, die Heizung auf einen möglichst kleinen,
scharf lokalisierten Bereich der Substratoberfläche zu
beschränken. Dies reduziert die erwähnten mechanischen
Spannungen im Substrat und die notwendige Heizleistung.
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Im
gleichen Sinne ist es vorteilhaft, die Heizung auch auf einen möglichst
flachen Bereich an der Substratoberfläche zu beschränken.
Bei Strahlungsheizung bedeutet dies, dass die Wellenlänge
der Heizstrahlung so zu wählen ist, dass sie möglichst stark,
unmittelbar an der Substratoberfläche absorbiert wird.
Der dazu notwendige Absorptionskoeffizient des Substratmaterials
folgt aus einer Betrachtung der Wärmeausbreitung im Substrat.
Wird die Ausdehnung der Heizungsvorrichtung in der Verlegerichtung
mit BX bezeichnet, so ist die Heizdauer
eines Oberflächenpunktes tH = BX/vo. Während
dieser Zeit dringt die Wärme von der Oberfläche
aus eine gewisse Distanz BZ = 2gtH 1/2 in das Innere
des Substrates ein, wobei g die Temperaturleitfähigkeit
des Substrates angibt. Im Vergleich zu dieser Distanz sollte die Eindringtiefe
der Strahlung klein sein, der Absorptionskoeffizient also α > 1/BZ sein.
Beispielsweise beträgt bei einer Verlegegeschwindigkeit
von vo = 1 m/s und einer Heizflecklänge
von BX = 1 mm die Heizdauer tH =
1 Millisekunde. In dieser Zeit dringt in Glas (g ≈ 0,001
m/s1/2) die Wärme bis zu einer
Tiefe BZ ≈ 50 μm ein.
Um einfallende Laserstrahlung über diese Distanz nahezu
vollständig zu absorbieren, muss das Substratmaterial bei der
Laserwellenlänge einen Absorptionskoeffizient α ≥ 103 cm–1 haben.
In diesem Sinne sind der CO- und der CO2-Laser
besonders gut zur Erwärmung von Glassubstraten geeignet.
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Eine
ausführlichere Analyse dieser Erwärmungsdynamik
zeigt auch noch, dass die benötigte Heizleistung mit vo 1/2 BX 1/2 BY skaliert und
im vorstehend beschriebenen Fall bei etwa 10 W liegt.
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Eine
alternative Form der erfindungsgemäßen Fixierung
eines Drahtes ist in 9 skizziert. Hier trägt
eine Platine 41 ein elektronisches Bauteil 42 mit
metallischen Kontaktflächen 44, 45. Das
freie Ende 48 des Drahtes 1 soll durch Lötung
mechanisch und elektrisch mit der Kontaktfläche 44 verbunden werden,
die hier die Rolle des Substrates übernimmt. Dazu wird
der Verlegekopf 20 bei zunächst ausgeschalteter
Spannungsquelle 32 so gesteuert, dass das Drahtende 48 dicht
oberhalb der Kontaktfläche 44 positioniert ist.
Der verbleibende Abstand 46 zwischen Draht und Kontaktfläche
kann im Bereich von 0,03–0,3 mm liegen, abhängig
von der Präzision der Steuerung. Um den Draht nun zur Lötung
auf der Kontaktfläche zu fixieren, wird die Spannungsquelle 32 eingeschaltet.
Einer ihrer Pole ist über den Verlegekopf mit dem Draht 1 verbunden.
Ihr anderer Pol ist mit der zweiten Kontaktfläche 45 des
Bauteils verbunden, oder auch mit einer metallischen Fläche
der Platine 41 oder mit einer Elektrode 29 unter
der Platine. Infolge der elektrostatischen Anziehungskraft wird
dann das Drahtende 48 elastisch nach unten gebogen. Es
nähert sich der Kontaktfläche 44, wodurch sich
die Anziehungskraft noch vergrößert. Bei hinreichender
Höhe der angelegten Spannung U schnellt es gegen die Kontaktfläche
und bleibt dort fixiert. Die Lötung erfolgt durch Erwärmung
mittels eines Laserstrahls 50, der von einer Optik 70 auf
die Kontaktfläche fokussiert wird. Als schmelzendes Verbindungsmaterial
dient in diesem Beispiel eine Lotschicht, die in bekannter Weise
als "Verzinnung" auf der Kontaktfläche und/oder auf dem
Draht aufgebracht ist.
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Die
Höhe der Spannung, die zur Fixierung notwendig ist, hängt
von der Biegesteifigkeit und der Länge des freien Drahtendes
sowie von der Größe der Kontaktfläche
ab. Erfahrungsgemäß ist bei einem 20 μm
Kupferdraht mit 10 mm freiem Ende eine Spannung von 200 V ausreichend.
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Wenn
der zu fixierende Draht isoliert ist, wie beispielsweise Kupferlackdraht,
bildet die Isolationsschicht einen natürlichen Anschlag,
der das Minimum des Abstandes 46 bestimmt. Ein Problem
kann hier vermutet werden für den Fall, dass der Draht
blank ist. Im Zustand der Fixierung schließt er die Spannungsquelle
kurz, so dass die niederhaltende Kraft verschwindet. Dies Problem
ist jedoch ein theoretisches. Die Praxis zeigt, dass ein blanker
Draht sehr wohl so niedergehalten wird, wie es für die
Lötverbindung notwendig ist. Er prellt beim Aufschlag auf
die Kontaktfläche ab, gibt dabei den Kurzschluss frei, wird
aber sofort erneut angezogen, usw. Im Mittel hält er sich
sehr dicht bei der Oberfläche auf und berührt sie
auch, wie es für das Fließen und Benetzen des Lotes
notwendig ist.
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Der
Verlegekopf muss neben den genannten Vorrichtungen zum Bremsen und
Umlenken des Drahtes eine Reihe weiterer Vorrichtungen enthalten, die
dem Fachmann geläufig sind, und die deshalb hier nicht
im Einzelnen beschrieben werden müssen. Zu ihnen zählen
Vorrichtungen
- – zur Bewegung des Kopfes
parallel zur Substratoberfläche, entlang vorgegebener,
im Steuerungsrechner gespeicherter Bahnen, welche die zu verbindenden
Kontaktpunkte sowie mögliche Klebepunkte enthalten,
- – zur Verbindung des Drahtes (zum 'bonden') an Bauelement-
Kontaktflächen, die gewöhnlich Anfangs- und Endkontakte
jeder zu verlegenden Verbindungsleitung darstellen,
- – zum Abschneiden des Drahtes nach Herstellung des
Endkontaktes einer Leitung,
- – zum Vorschub des Drahtes, speziell nach dem Abschneiden,
um ein kurzes Stück neuen Drahtes für den Anfangskontakt
der nächsten zu verlegenden Leitung aus dem Verlegekopf
unter die Kontaktiervorrichtung zu befördern, wie in 9 illustriert,
- – zur Abisolierung der Drahtenden, falls erforderlich,
- – zum Festhalten des Drahtes mittels einer Zange oder
Klammer ('clamp'), wenn er in Form eines die elektrischen Kontaktstellen
zugentlastenden Bogens ('loop') verlegt werden soll,
- – und möglicherweise die in 1 angedeutete Spule 26 mit
einem größeren, für viele Arbeitsgänge
ausreichenden Vorrat des Drahtes 1. Dies bietet sich gerade
bei der Verlegung sehr dünner Drähte an, deren
Masse gering ist und die bei externer Zuführung besonders
reißgefährdet wären.
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Die
Verlegebahn, entlang welcher der Draht verlegt wird, ist allgemein
gekrümmt. Dies erfordert, dass der Draht durchgehend verklebt
wird. Alternativ dazu kann die Bahn die Form eines Polygonzuges haben,
bei dem der Draht abschnittsweise gerade ist und nur an den Eckpunkten
mit dem Substrat verklebt sein muss. Dies kann den Vorteil einer
höheren Verlegegeschwindigkeit bieten.
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Die
Verlegebahnen werden aus der Schaltung und der Anordnung der Bauteile
von einem Programm ('router') ermittelt und im Steuerrechner des Verlegekopfes
gespeichert. Letzterer muss dann bei der Verlegung so gesteuert
werden, dass der Berührungspunkt 8 der Verlegebahn
folgt und dabei zugleich der gespannte Drahtabschnitt 35 stets
tangential zur Sollbahn liegt.
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Weitere
Anwendungen und alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens können Vorteile bieten bei der Montage mikro- mechanischer
und mikro-optischer Bauteile als Ersatz für die so genannten
"Haftkleber". Letztere werden häufig eingesetzt, um auf
einer Montagefläche oder Platine ein kleines Bauteil zunächst
temporär zu fixieren, das erst später endgültig
befestigt wird. Wird bei solcher Montage statt Haftkleber Heißkleber
mit elektrostatischem Andruck benutzt, so besteht die vorteilhafte
Möglichkeit, das Bauteil im kalten Zustand noch mehrfach
zu bewegen und zu justieren, ehe es erwärmt und verklebt
wird. Wie erläutert, ist diese Fixierung auf der Substratoberfläche
gleichermaßen für blanke wie für isolierte
Metalldrähte möglich, aber auch für nichtmetallische
"Drähte", wie Textilfasern, Polymerfasern und Glasfasern,
insbesondere auch Lichtleitfasern. Dabei muss, wie anhand der Beispiele
und Zeichnungen gezeigt wurde, die Elektrodenanordnung im konkreten
Fall danach ausgesucht werden, welche Kombination von Leitfähigkeiten
(metallisch oder isolierend) der zu verlegende Draht und das Substratmaterial
darstellen.
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Die
Einsatzmöglichkeiten des insoweit erläuterten
Drahtverlegungsverfahrens zur Drahtverlegung werden entscheidend
bestimmt durch die Größe der erzielbaren elektrostatischen
Anziehungskraft, die den Draht auf dem Substrat niederhält.
Sie lässt sich durch Erhöhung der angelegten Spannung solange
vergrößern, bis ein elektrischer Durchschlag erfolgt.
Kritisch dafür ist zum einen das Substrat, zum anderen
das den Draht umgebende Medium. Ersteres begrenzt die nutzbare Spannung
bei sehr dünner Substratdicke, bei etwa 0,1 mm und darunter.
Bei dieser Substratdicke liegt die Durchschlagspannung im Bereich
von 1–10 kV, je nach Substratmaterial.
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Bei
dickeren Substraten ist die nutzbare Spannung durch die Durchschlagsfestigkeit
des den Draht umgebenden Mediums begrenzt. Erhöht man in
Luft die Spannung so weit, dass die elektrische Feldstärke
an der Drahtoberfläche einen Wert von ca. 3–10
kV/mm überschreitet, so bildet sich um den Draht herum
eine dünne, schlauchförmige Korona-Entladung aus.
Sie nimmt den überschießenden Teil der Spannungserhöhung
aufnimmt und begrenzt somit die erzielbare Kraft.
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Eine
Ausweitung dieser Grenze ist möglich, indem das den Draht
umgebende Medium modifiziert wird. Eine einfache Möglichkeit
besteht darin, die Drahtverlegung im Vakuum vorzunehmen. Dann entfällt
das Problem der Koronaentladung vollständig. Alternativ
kann die Drahtverlegung in einem Raum erfolgen, der mit einem Gas
hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit und hohem Druck gefüllt
ist. Dies erhöht die Spannung, bei der Korona-Entladung einsetzt.
Aus der Hochspannungstechnik ist bekannt, dass Kohlendioxid CO2 sowie mit Schwefelhexafluorid SF6 versetzter Stickstoff N2 hierfür
besonders geeignete Gase sind. Beide haben eine höhere
Durchschlagsfestigkeit als Luft, und bei beiden steigt die Durchschlagsfestigkeit
monoton mit dem Druck an. Mit ihnen lässt sich die nutzbare
Spannung um einen Faktor ca. 10–30 gegenüber atmosphärischer
Luft erhöhen, wenn ein Gasdruck bis zu 10 bar verwendet wird.
Da die elektrostatische Kraft mit dem Quadrat der Spannung wächst,
kann die nutzbare Kraft auf diese Weise um einen Faktor ca. 100–1000
erhöht werden. Als weitere Alternative kann eine isolierende Flüssigkeit
als Umgebungsmedium gewählt werden. Die in der Hochspannungstechnik
verwendeten Isolieröle mit Durchschlagsfestigkeiten von
20 kV/mm und mehr erlauben ähnliche Spannungserhöhungen gegenüber
Luft wie die erwähnten Isolier-Gase unter Druck.
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Wie
vorausgehend schon erläutert, ist es für die maschinelle
Drahtverlegung mit praktisch interessanten Verlegegeschwindigkeiten
vorteilhaft, nur einen kleinen, scharf lokalisierten Bereich der
Substratoberfläche mit einem Laserstrahl zu heizen. Voraussetzung
dafür ist eine hinreichend starke Absorption der Laserstrahlung
durch das Substratmaterial. Da dessen Absorptionskoeffizient α(λ)
allgemein von der benutzten Laser-Wellenlänge λ abhängt,
stellt sich bei vorgegebenem Substratmaterial das Problem, eine
passende Wellenlänge und dazu einen Laser mit hinreichend
hoher Leistung zu finden. Dies ist nicht in jedem Falle möglich
oder wirtschaftlich.
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Andererseits
ist es auf einfache Weise möglich, das Absorptionsvermögen
des Substrates zu erhöhen, so dass die Strahlung eines
vorgegebenen Lasers hinreichend stark absorbiert wird. Dies impliziert
eine Färbung des Substrates, entweder im Ganzen oder nur
oberflächlich auf der dem Draht zugewandten Seite, oder
eine Beschichtung dieser Substratseite mit einem stark absorbierenden
Material. Dabei ist der Begriff der Färbung hier verallgemeinert
zu verstehen, denn der Farbstoff muss nur bei der verwendeten Laserwellenlänge
absorbieren. Bei allen anderen Wellenlängen spielt sein
Absorptionsvermögen keine Rolle. Wenn die verwendete Laserwellenlänge
jenseits des Sichtbaren im Ultraviolett oder Infraroten liegt, wie
beispielsweise bei typischen Diodenlasern (λ = 808 nm)
oder beim YAG-Laser (λ = 1064 nm), so können also
Farbstoffe eingesetzt werden, die im sichtbaren Spektralbereich
nur eine praktisch vernachlässigbar geringe Absorption
besitzen, so dass der Farbstoffzusatz die vom Auge wahrgenommene
Farbe des Substratmaterials nicht verändert.
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Diese
Methode der oberflächlichen Absorptionserhöhung
ist in der Technik des so genannten Durchstrahlschweißens
von Polymeren bekannt, und hierzu geeignete Farbstoffe sind kommerziell
verfügbar. Aus den deutschen Patentanmeldungen
DE 44 15 802 A1 und
DE 102 52 007 A1 sind
für eine Verwendung in thermoplastischen Kunststoffen geeignete,
absorptionserhöhende, mit Zinndioxid beschichtete Pigmente
mit sehr geringer vom Auge wahrnehmbarer Farbwirkung bekannt. Die
Patentschrift
US 7,201,963 behandelt
absorptionserhöhende Beschichtungen von Thermoplasten und
die Auswahl geeigneter Farbstoffe.
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Kommt
es nicht darauf an, eine Färbung zu vermeiden, so ist eine
Schwarzfärbung des Substratmaterials, etwa durch Zumischung
von Ruß, die einfachste Möglichkeit der Absorptionserhöhung.
Beispielsweise verringert eine Russzumischung von 0,1% die Eindringtiefe
von Laserstrahlung auf 0,1 mm. [vgl. Dirk Hänsch,
"Die optischen Eigenschaften von Polymeren und ihre Bedeutung für
das Durchstrahlschweißen mit Diodenlaser", Shaker Verlag 2001, ISBN
3826590538]. Dies kommt dem geforderten Absorptionskoeffizienten α =
103 cm–1 nahe.
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Zur
lokalen Aufheizung des Substrates bis auf die Schmelztemperatur
des Verbindungsmaterials ist auch die von Mikrowellenöfen
her bekannte Hochfrequenzheizung geeignet. Sie ist zur Drahtverlegung
auf nichtmetallischen Substratmaterialien einsetzbar, die eine gewisse,
nicht zu niedrige Hochfrequenzabsorption besitzen, wie etwa Polymere
mit sauerstoffhaltigen Molekülgruppen. Hierfür
wird dicht über oder neben dem Draht an der Position der
Wärmequelle 30 eine Elektrode angeordnet, an die
eine hochfrequente Hochspannung, beispielsweise von 2,4 GHz, angelegt
wird. Das elektrische Feld dieser Spannung durchdringt das Substratmaterial
und heizt es auf. Das geheizte Substratvolumen ist umso kleiner,
je dichter sich die Elektrode an der Substratoberfläche 4 befindet.
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Bei
dem insoweit beschriebenen Verfahren zum maschinellen Drahtverlegen
werden im Wesentlichen (abgesehen von der Variante gemäß 8) eine
einzelne ausgedehnte Gegenelektrode 29 unter dem Substrat
benutzt. Infolgedessen ist die elektrostatische Anziehungskraft
fE, die von dieser Elektrode ausgehend auf
den Draht wirkt, überall senkrecht zur Oberfläche
des Substrates gerichtet. Dies ist in 10a illustriert.
Wird die Gegenelektrode 29 jedoch in ihrer seitlichen Ausdehnung
begrenzt und einfach oder mehrfach seitlich zum Draht angeordnet wie
in den 10(b) und 10(c) dargestellt,
so erhält die durch den Pfeil 55 repräsentierte
Anziehungskraft eine seitliche Komponente, die bei der Drahtverlegung
zur lateralen Steuerung des Verlegepfades, insbesondere zur Verlegung
entlang gekrümmter Verlegepfade vorteilhaft ausgenutzt
werden kann.
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Diese
Möglichkeit, durch Strukturierung der Gegenelektrode Seitenkräfte
zu erzeugen, wird unter Bezugnahme auf ein in den 10(a) bis 10(f) eingezeichneten Koordinatensystems
näher erläutert. Hier ist jeweils eine Drahtverlegeeinrichtung
im Querschnitt dargestellt, an einer Stelle im Bereich 35, wo der
Draht 1 die Substratoberfläche 4 gerade
noch nicht berührt. In allen in den 10(a) bis 10(e) dargestellten Fällen ist
der zu verlegende Draht 1 an den Pol 19 der Spannungsquelle 32 angeschlossen,
und es wird zunächst unterstellt, dass die Ausdehnung der
Elektroden in X-Richtung, senkrecht zur Zeichenebene, wesentlich
größer ist als die in Z-Richtung gemessene Substratdicke.
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Die 10(b) zeigt die Situation über
der Kante der Gegenelektrode 29, die gegenüber
dem Draht in positiver Y-Richtung ein Stück verschoben ist.
Die Anziehungskraft 55, die vom Draht zur Gegenelektrode 29 hin
gerichtet ist, erhält durch diese Verschiebung eine positive
Y-Komponente und wirkt daher nicht nur nach unten, sondern auch
seitlich. Gemäß 10(c) ist
zusätzlich eine Hilfselektrode 51 vorgesehen,
deren Kante gegenüber dem Draht etwas in negativer Y-Richtung
verschoben ist. Sie ist mit demselben Pol 19 der Spannungsquelle
verbunden wie der Draht. An dieser Kante der Hilfselektrode 51 sammelt
sich daher gleichnamige Ladung an wie auf dem Draht und wirkt damit
abstoßend auf den Draht. Die von der Gegenelektrode 29 und
der Hilfselektrode 51 auf den Draht ausgeübten
Kräfte resultieren in einer Gesamtkraft 55 in
positiver Y-Richtung. Bei Vertauschung der Anschlüsse der
Elektroden 29 und 51, mittels eines Umschalters
erhält man eine Gesamtkraft in negativer Y-Richtung. Mit
diesen Elektroden kann der Draht daher nach der einen oder anderen
Seite abgelenkt werden und so der Verlegepfad beeinflusst werden.
Letzterer hängt im Übrigen von der Größe
und Richtung der verwendeten Verlegezugkraft FZ sowie
von der Biegesteifigkeit des Drahtes ab.
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Besonders
vorteilhaft für die Drahtverlegung entlang einem fest vorgegebenem
Pfad ist die Anordnung gemäß 10(d) mit
einer einzelnen schmalen, streifenförmigen Gegenelektrode 52,
die dem Verlegepfad folgt. Sie wirkt jedenfalls anziehend auf den
Draht 1 und ermöglicht dessen Verlegung. Die Kraft 55 ist
einfach nach unten gerichtet, wenn sich der Draht genau über
der Mitte der Gegenelektrode 52 befindet. Weicht die Drahtposition
jedoch in positiver oder negativer Y-Richtung von dieser Mittellage ab,
z. B. weil der Draht verbogen ist oder weil der Verlegepfad in der
XY-Ebene gekrümmt verläuft, so tritt eine seitliche
Kraftkomponente auf, die den Draht in die Mittellage zu ziehen sucht.
Sie bewirkt (innerhalb gewisser Grenzen), dass der Draht bei seiner
Verlegung dem durch die Gegenelektrode 52 vorgegebenen
Pfad folgt. Die erwähnte, stets zur Mittellage rücktreibende
Y-Kraftkomponente kann dadurch vergrößert werden,
dass auf beiden Seiten der Gegenelektrode 52 streifenförmige
Hilfselektroden 51 bzw. 53 angeordnet werden,
die auf dem Potential des Drahtes 1 liegen. Jede von ihnen
erzeugt dann eine abstoßende Y-Kraftkomponente, falls der
Draht 1 sich ihr nähert und bewirkt damit eine
bessere Zentrierung des Drahtes über der Gegenelektrode 52. Ein
vergleichbarer Zentrierungseffekt kann gemäß 10(e) erreicht werden durch zwei Hilfselektroden 54 und 56,
die auf der Substratoberflache 4 zu beiden Seiten des Verlegepfades
angeordnet werden. Sie sind mit demselben Pol 19 der Spannungsquelle 32 verbunden
wie der Draht 1. Daher besteht zwischen ihnen und dem Draht
keine Anziehungskraft, sondern eine schwache, vom Abstand und der
Umgebung abhängige Abstoßungskraft. Die Gegenelektrode 29 hat
in diesem Ausführungsbeispiel die durchgehende Form wie
in 10(a). Aus Symmetriegründen
hat die von den Hilfselektroden 54 und 56 zusammen
auf den Draht ausgeübte Kraft keine Y-Komponente, wenn
sich der Draht mittig über der Lücke zwischen 54 und 56 befindet.
In diesem Falle wirkt nur eine nach unten gerichtete Gesamtkraft,
die zur Gegenelektrode 29 gerichtet ist. Weicht der Draht 1 jedoch seitlich
von der Mittellage ab und nähert sich einer der Hilfselektroden,
so übt diese eine abstoßende, jeweils zur Mittellage
zurücktreibende Kraft aus.
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Nach
diesem Prinzip der Kombination anziehender und abstoßender
Kraftkomponenten funktioniert auch die Drahtverlegung gemäß 10(f). Hier wird der Draht 1 auf
dem Substrat in der Form einer flachen Spule mit mehreren Windungen
verlegt. Dabei besteht typisch die Forderung, die einzelnen Windungen
der Spule formschlüssig, möglichst dicht nebeneinander,
zu verlegen, wie gemäß 10(f) die im
Querschnitt dargestellten Drähte 58 ver legt sind, und
der Draht 1 soll unmittelbar anschließend als nächste
Windung verlegt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kante
der Gegenelektrode 29 unterhalb der letzten verlegten Windungen
positioniert wird, beispielsweise mittels einer dafür vorgesehenen
Verschiebeeinrichtung. Die anziehende Kraft 55 zwischen
dieser Kante und dem Draht 1 hat dann gemäß 10(b) eine positive Y-Kraftkomponente,
die die neue Windung seitlich gegen die bereits verlegten Windungen 58 drückt.
Da letztere jeweils Abschnitte des Drahtes 1 darstellen,
haben sie alle dasselbe elektrische Potential wie der Draht 1.
In 10(f) ist dies durch die gestrichelt
eingezeichneten Verbindungen 59 angedeutet. Daher wirken
diese Windungen 58 schwach abstoßend auf den Draht 1 ähnlich wie
die Hilfselektrode 56 gemäß 10(e) und können dessen formschlüssige
Verlegung behindern. Dieses Problem wird dadurch gelöst,
dass eine streifenförmige Hilfselektrode 54 auf
der Substratoberfläche angeordnet wird, auf der den Spulenwindungen 58 gegenüberliegenden
Seite des Drahtes 1. Diese Hilfselektrode 54 wird
mit dem Draht 1 elektrisch verbunden und wirkt deshalb
ebenfalls abstoßend auf den Draht. Sie kompensiert somit
die abstoßende Wirkung der Windungen 58 und ermöglicht
es, dass die Gesamtkraft 55 in Richtung der Kante der Gegenelektrode 52 wirkt
und tatsächlich zur formschlüssigen Verlegung
führt.
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Die
verschiedenen elektrischen Verbindungen der Elektroden in den 10(a) bis 10(f) mit
den Polen 18 und 19 der Spannungsquelle erlauben
insoweit eine grobe Steuerung der Kraftrichtung. Für den Fachmann
ergibt sich zwanglos, dass jeweils auch eine Feinsteuerung von Richtung
und Größe der Kraft möglich ist, indem
einzelne Elektroden an Teilspannungen der Spannungsquelle 32 angeschlossen
werden. Des weiteren erkennt der Fachmann anhand der genannten Darstellungen
unmittelbar, dass eine feinere Strukturierung der Gegenelektrode 29 und
der Hilfselektrode 54 entlang der X- und Y-Richtungen noch
weitere umfassende Gestaltungsmöglichkeiten für
die Beeinflussung der Kraft 55 bietet. Durch Aufteilung
der Gegenelektrode 29 in eine 2-dimensionale Anordnung
vieler kleiner Teilelektroden und Anlegen geeigneter Teilspannungen
lassen sich sehr allgemeine, auch zeitlich variierbare Potential- und
Kraftverteilungen f(X, Y, t) als Funktion des Ortes (X, Y) und der
Zeit (t) über der Substratoberfläche 4 erzeugen.
Beim Verlegen folgt der Draht der jeweiligen Verteilung, soweit
es seine Biegesteifigkeit sowie die Richtung und Größe
der Verlegezugkraft FZ erlauben. Der Draht
passt sich dem Verlauf des elektrisch erzeugten Potentialgebirges
an, analog zu einem Wasserlauf, der in einer vorgegebenen Topographie dem
Weg folgt, der einer Minimierung der potentiellen Energie ergibt.
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Bei
Verwendung einer ausgedehnten Gegenelektrode unter dem Substrat
herrscht nahezu überall an der Substratoberfläche
eine gleichmäßig hohe elektrische Feldstärke,
wobei die Richtung des Feldes senkrecht auf der Oberfläche
steht. Nur in unmittelbarer Nähe des Drahtes ist das Feld
verzerrt, wie der 6 entnehmbar ist. Bei direkter
Anwendung der eltrostatischen Drahtverlegung zur Verbindung elektronischer
Bauteile, die sich auf dem Substrat befinden, wären diese
dem beschriebenen Feld zwischen Draht und Gegenelektrode ausgesetzt.
Bei sehr empfindlichen Bauteilen kann dies problematisch sein, zumal
es sich bei dem zur Kraftentfaltung erzeugten Feld um ein elektrisches
Wechselfeld handelt. Je nach Größe, Orientierung
und Leitfähigkeit eines Bauteiles können die darin
auftretenden Influenzspannungen Werte erreichen, die mit der Gefahr eines
Durchschlags oder gar der Zerstörung des Bauteiles verbunden
sind.
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Diese
Gefahr kann dadurch vermieden werden, dass das Bauteil während
der Drahtverlegung gegen das elektrische Feld abgeschirmt wird.
Dies ist in bekannter Weise möglich, indem das Bauteil
in einem Faraday-Käfig eingeschlossen wird. Dazu wird eine
gut leitende Abschirmhaube 61 passender Größe über
das gefährdete Bauteil 60 gestülpt und
elektrisch mit der Gegenelektrode 29 verbunden. Zusammen
mit der Gegenelektrode 29 bildet die Haube 61 dann
einen Faraday-Käfig, der allerdings am Rand durch einen
flachen Spalt 63 unterbrochen ist. Durch Wahl hinreichender
Breite die ses Randes kann die Rest-Feldstärke, die durch
den Rand noch in das Innere des Käfigs hineinwirkt, klein
gehalten werden (11(a)).
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 11(b) liegt ein ähnlicher Faraday-Käfig
vor, der von der Haube 61 und der Hilfselektrode 61/u gebildet
ist, die an der Unterseite des Substrats angeordnet und an das Potential
des Drahtes 1 angeschlossen ist.
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Anstelle
einer Anwendung von Heißklebe-, Löt- oder Schweißverfahren
sind zur maschinellen Drahtverlegung mittels elektrostatischer Niederhaltung
auch andere, wärmearme Fügeverfahren geeignet,
die auf der Verwendung eines schon bei Umgebungstemperatur mehr
oder weniger flüssigen oder pastösen Klebstoffs
beruhen. Bei solchen Verfahren wird der Klebstoff zunächst
auf mindestens einen der Fügepartner, d. h. auf den Draht
oder auf das Substrat, oder auf beide aufgebracht. Beim nachfolgenden Drahtverlegeprozess
kommt es dann darauf an, dass der Draht mit geeigneter Andruckkraft
an die Oberfläche des Substrats angedrückt wird.
Ohne solche Niederhaltung wäre infolge allgemein vorhandener Krümmungen
des Drahtes und/oder Substratoberfläche der Kontakt der
Fügepartner nur punktweise gegeben. Erst bei formschlüssigem,
linienhaften Kontakt kann der Klebstoff fließen und beide
Fügepartner gemeinsam benetzen, also die stoffschlüssige
Verbindung herstellen. Die Größe der Andruckkraft
bestimmt die Genauigkeit des Formschlusses und, zusammen mit der
Viskosität des Klebstoffes, die erzielbare Haftung des
Drahtes.
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Dünnflüssiger
Klebstoff fließt rasch und ist deshalb in der Lage, kleine
Lücken im Formschluss auszufüllen, wie sie bei
mäßig hoher Andruckkraft bleiben. Dünnflüssiger
Klebstoff bietet allerdings nur geringe Haftung. Ausreichende Haftung
wird erst durch eine nachfolgende Erhöhung der Viskosität
erreicht, also durch Härtung des Klebstoffes. Sie wird bei
Heißklebern, Löt- und Schweißverfahren
durch Abkühlung bewirkt, bei wärmearmen Klebstoffen durch
chemische Reaktion, ausgelöst durch die Einwirkung energierei cher
Strahlung oder chemischer Stoffe. Beispiel für solche dünnflüssigen
Klebstoffe mit Strahlungshärtung sind die in der Leiterplattenherstellung
vielfach verwendeten licht- oder UV-härtenden Acrylat-Klebstoffe;
ein Beispiel für chemische Härtung die mit Feuchtigkeit
reagierenden Cyanacrylat-Klebstoffe.
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Bei
hochviskosen Klebstoffen kann die Härtung entfallen, sofern
genügend hohe Andruckkraft verwendet wird. Weil diese Klebstoffe
kaum fließen, ist ein genauerer Formschluss, also eine
höhere Andruckkraft notwendig als bei niedrigviskosen Klebstoffen.
Als Beispiel mögen die von Klebebändern und Klebe-Etiketten
her bekannten hochviskosen Haftkleber dienen.
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Bei
der Drahtverlegung mit wärmearmen Klebstoffen wird nach
dem Stand der Technik die notwendige formschlüssige Niederhaltung
durch Andrücken des Drahtes mit Stempeln oder ähnlichen
Werkzeugen an das Substrat erreicht. In der Beschreibung
DE 10 2005 002 370
A1 der Drahtschreibetechnik wird nur allgemein eine stoffschlüssige
Verbindung gefordert, als Beispiel wird angegeben, dass der Draht
auf das Substrat abgesenkt und mittels UV-härtender Kleberpunkte
angeheftet wird. In der Patentschrift
US
4,850,807 wird die Verwendung eines mikroverkapselten Klebers
beschrieben, der bei hinreichendem Druck freigesetzt wird und die
Verklebung bewirkt. Auch hierfür ist natürlich
ein Andruckwerkzeug notwendig. Dabei bestehen die schon erwähnten
Gefahren der Drahtverformung und -Beschädigung, der Werkzeugverschmutzung
und des Anhaftens des Drahtes am Stempel statt am Substrat.
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Es
folgt somit als Erweiterung der Aufgabenstellung, auch für
die Drahtverlegung mit flüssigem oder pastösem
Klebstoff die notwendige Andruckkraft des Drahtes an die Substratoberfläche
berührungsfrei entlang einem gewissen Abschnitt des Drahtes
zu erzeugen und sie gegebenenfalls für eine physikalische
oder chemische Härtung eine zeitlang aufrecht zu erhalten,
was, dem Erfindungsgedanken entsprechend, durch elektrostatische
Erzeugung der Andruckkraft geschieht.
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Zweckmäßig
ist in jedem Fall eine Vorbehandlung des Substrats im Sinne eines
Versetzen in einen haftungsfreundlichen, die Benetzung fördernden,
verlässlich reproduzierbaren Zustand, z. B. durch Abwischen,
Abbürsten, Abwaschen, Reinigen, Begasen, Besprühen,
Bestrahlen, Ionisierung, und dergleichen, da hier für die
Drahtverlegung in industriellem Maßstab eine hohe Zuverlässigkeit
des Verlegeprozesses unabdingbar ist. Die Verlegung muss unabhängig
vom Wetter (Luftfeuchtigkeit, Temperatur) funktionieren und die
Haftung des verlegten Drahtes darf nicht von Vorbehandlungen des
Substratmaterials (Lagerung, Verpackung, Berührung, etc.)
abhängen, welche die Adhäsionseigenschaften der
Oberfläche verändern können. Beispielsweise
ist eine oberflächliche Ätzung mit einem (O
2 + CF
4)-Plasma,
beschrieben in
US 5,283,119 ,
eine geeignete Methode, eine gute Haftung an polymeren Kunststoffen
unabhängig von der Vorgeschichte sicherzustellen.
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Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass das beschriebene Verfahren besonders
vorteilhaft einsetzbar ist bei der Verlegung und/oder Verklebung
dünnster, nahezu unsichtbarer Metalldrähte auf großen
durchsichtigen Substraten. Es erlaubt eine einfache, sichere Handhabung
der Drähte beim Verlegen und bietet ihre sichere Fixierung
bis zum Ende des Fixierungsprozesses. Es ergänzt gerade
im Bereich kleinster Drahtdurchmesser die herkömmlichen Drahtverlegeverfahren,
die hier ihre größten Schwierigkeiten aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
auch zur Herstellung von Transpondern für den Einsatz in
Sicherheitsdokumenten wie Pässe oder Chipkarten oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2326861 [0002]
- - DE 3247344 [0002]
- - DE 2610283 [0002]
- - US 3674602 [0002]
- - US 4648180 [0002]
- - US 4864723 [0002, 0007]
- - US 7000314 [0003]
- - DE 19618917 [0003]
- - EP 1004226 [0003]
- - DE 4410732 [0003]
- - DE 10247553 [0003]
- - US 4918260 [0004]
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- - DE 4415802 A1 [0080]
- - DE 10252007 A1 [0080]
- - US 7201963 [0080]
- - DE 102005002370 A1 [0095]
- - US 4850807 [0095]
- - US 5283119 [0097]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Dirk Hänsch,
"Die optischen Eigenschaften von Polymeren und ihre Bedeutung für
das Durchstrahlschweißen mit Diodenlaser", Shaker Verlag 2001 [0081]
- - ISBN 3826590538 [0081]