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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Herstellen eines insbesondere quadratischen Klebeplättchens aus einem doppelseitig selbsthaftenden Materialblatt und Platzieren des ausgestochenen Klebeplättchens an einem Werkstück, sowie auch ein zum Durchführen dieses Verfahrens geeignetes Werkzeug.
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Heutzutage steigt die Nachfrage nach elektronischen Geräten mit höherer Leistung und mit größerer Funktionalität weiterhin exponentiell an. Der damit einhergehende Anstieg von Stromverbrauch und Wärmeentwicklung wirkt sich immer mehr kritisch auf die Gesamtleitung und die Langlebigkeit der elektronischen Geräte aus. Effizientes Wärmemanagement ist daher unerlässlich, um die optimale Betriebstemperatur von elektronischen Geräten aufrechtzuhalten und dadurch ihre Leistungszuverlässigkeit sicherzustellen und ihre Lebensdauer zu verlängern.
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Wärmeschnittstellenmaterialien (engl.: thermal interface materials (TIMs)) spielen eine kritische Rolle beim Wärmeübergang zwischen zwei festen Oberflächen, insbesondere zwischen einer elektronischen Komponente und einem Kühlkörper. Folgende Wärmeschnittstellenmaterialien werden heutzutage eingesetzt:
- - Thermische Paste (engl.: thermal paste, thermal compound, thermal grease) ist eine viskose Substanz, die mikroskopisch kleine Hohlräume zwischen den Oberflächen der elektronischen Komponente und des Kühlkörpers ausfüllt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der thermischen Paste hilft die Wärmeübertragung zu verbessern, indem Luftspalte minimiert werden und der Flächenkontakt vergrößert wird. Thermische Paste wird üblicherweise dort eingesetzt, wo für eine optimale Kühlleistung eine dünne, durchgehende Materiallage erforderlich ist.
- - Thermische Pads (engl.: thermal pads) sind aus Festkörpermaterial vorgeformt, und es gibt sie in verschiedenen Dicken und in verschiedenen Weichheitsgraden. Solche thermischen Pads stellen zwischen zwei Komponenten sowohl mechanische Übereinstimmung und elektrische Isolation sowie Wärmeleitfähigkeit her und werden dort eingesetzt, wo große Spalte oder uneinheitliche Oberflächen zu füllen sind. Thermische Pads ermöglichen eine einfache, verschmutzungsfreie Montage und werden oft wegen ihrer einfachen Handhabung und Nachbearbeitbarkeit bevorzugt.
- - Wärmeleitfähige Lückenfüller (engl.: gap filler) sind speziell formulierte Materialien, die bei unregelmäßigen Lücken zwischen elektronischen Komponenten und Kühlkörpern eingesetzt werden. Sie sind für ihre hohe Konformität und Elastizität bekannt, was das Ausfüllen von großen Lücken und Oberflächenvariationen ermöglicht. Meist sind wärmeleitfähige Lückenfüller weich, fügsam und in verschiedenen Formen, wie z.B. als dosierbare Gele oder komprimierbare Pads, erhältlich und werden bei signifikanten Höhenunterschieden oder Oberflächenunebenheiten eingesetzt, was eine individuelle Anpassung für ein optimales Wärmemanagement erfordert.
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Jedes dieser Wärmeschnittstellenmaterialien bietet abhängig von den spezifischen Erfordernissen der elektronischen Anwendung unterschiedliche Vorteile. Die Auswahl des geeigneten Materials hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, z.B. von Oberflächentopographie, Lückenabstand, Nachbearbeitbarkeitsanforderungen und dem gewünschten Grad an Wärmeleitfähigkeit. In Kenntnis der einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen von thermischer Paste, thermischen Pads und wärmeleitfähigen Lückenfüllern können gezielt eine effiziente Wärmeableitung und ein zuverlässiges Leistungsverhalten sichergestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kleine wärmeleitfähige Lückenfüller in Form von dünnen, doppelseitig selbsthaftenden Klebeplättchen aus weichem und klebrigem Material herzustellen und an einem Werkstück zu platzieren sowie auch ein hierfür geeignetes Werkzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten von Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein doppelseitig selbsthaftendes Materialblatt bereitgestellt, das auf einer Unterlage (z.B. Kunststoffunterlage) selbsthaftend gehalten ist. Das Materialblatt ist aus einem z.B. knetgummiartig oder (plätzchen)teigartig klebenden Material gebildet und weist eine einheitliche Materialdicke auf. Die Klebeplättchen müssen mit der gewünschten Abmessung aus dem Materialblatt freigeschnitten und an einem Werkstück platziert werden. Das Abheben eines dünnen, sehr weichen und klebrigen Klebeplättchens von der Unterlage stellt allerdings aufgrund des Zusammenspiels mehrerer Faktoren eine technische Herausforderung dar, denn die inhärente Natur des Materials, nämlich Dünnheit, Weichheit und Klebefähigkeit, kompliziert sowohl das Freitrennen eines einzelnen Klebeplättchens vom übrigen Materialblatt als auch das nachfolgende Abheben des Klebeplättchens von der Unterlage. Das klebrige Materialblatt haftet an der Unterlage mit derart hohen Adhäsionskräften, dass ein Lösen des Klebeplättchens von der Unterlage nur sehr schwer möglich ist.
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Zudem führt die Dünnheit des Materialblatts dazu, dass es durch äußere Ablösekräfte leicht verformt oder zerstört werden kann. Daher ist eine behutsame und präzise Handhabung erforderlich, um ein Zerreißen oder Deformieren des Klebeplättchens zu verhindern und somit die Integrität und Funktionalität des Materials nicht zu gefährden. Die Weichheit des Materials erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass es während des Abhebens des Klebeplättchens von der Unterlage zu einer Verformung oder Faltenbildung kommt. Das Fehlen von struktureller Festigkeit erschwert ein einheitliches und kontrolliertes Abheben des Klebeplättchens, was zu Ungenauigkeiten und Problemen beim Abheben führt.
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Außerdem verschärfen die hohe Klebrigkeit oder Haftfähigkeit des Materials die Haftung zwischen dem Materialblatt und seiner Unterlage. Die dazwischen wirkenden kohäsiven Kräfte erfordern einen nuancierten und spezialisierten Ansatz, um eine saubere und genaue Trennung des Klebeplättchens sicherzustellen, ohne irgendeinen Materialrest zurückzulassen oder das Materialblatt oder die Unterlage zu beschädigen.
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Erfindungsgemäß wird ein Werkzeug, das eine einseitig offene Kammer mit Kammerseitenwänden, mit einem als Lochplatte ausgebildeten Kammerboden und mit einem als Ausstechkontur ausgebildeten Öffnungsrand aufweist, auf das Materialblatt abgesenkt, bis der Öffnungsrand auf der Unterlage aufliegt und dadurch ein Klebeplättchen aus dem Materialblatt freigestochen ist. Das Werkzeug wird von der Unterlage abgehoben, um das nun an den Kammerseitenwänden und an der planen Lochwand selbsthaftend gehaltene Klebeplättchen von der Unterlage abzulösen. Das Werkzeug samt dem daran selbsthaftend gehaltenen Klebeplättchen wird dann zum Werkstück (z.B. eine elektrische Komponente oder ein Kühlkörper) bewegt und darauf abgesenkt, bis das Klebeplättchen am Werkstück anliegt oder nahezu anliegt, d.h. um weniger als seine Dicke vom Werkstück entfernt ist. Anschließend wird ein Überdruck, z.B. Druckluft, rückseitig an die plane Lochplatte angelegt, um entweder das am Werkstück anliegende Klebeplättchen weiter gegen das Werkstück zu drücken oder um das noch vom Werkstück entfernte Klebeplättchen aus der Kammer heraus und gegen das Werkstück zu drücken, wodurch das Klebeplättchen am Werkstück selbsthaftend gehalten ist. Abschließend wird das Werkzeug vom Werkstück abgehoben, um so das am Werkstück selbsthaftend gehaltene Klebeplättchen von seiner selbsthaftenden Anlage an den Seitenwänden und an der Lochplatte abzulösen. Im Ergebnis ist das Klebeplättchen am Werkstück platziert und daran selbsthaftend gehalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit das Platzieren von kleinen selbsthaftenden Klebeplättchen, die ähnlich klebrig wie Knetgummi, (Plätzchen)teig oder Plastilin und wirklich schwierig zu handhaben sind, als Abstandshalter am Werkstück und letztlich zur thermischen Isolierung.
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Vorzugsweise wird während des Abhebens des Werkzeugs von der Unterlage ein Unterdruck rückseitig an die plane Lochplatte angelegt, um das Klebeplättchen zusätzlich gegen die plane Lochplatte zu drücken bzw. anzusaugen. Dadurch wird die zwischen Klebeplättchen und Lochplatte wirkende Haltekraft erhöht, was ein sicheres Ablösen des Klebeplättchens von der Unterlage bewirkt.
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In einer Verfahrensvariante wird während des Bewegens des Werkzeugs ein Unterdruck rückseitig an die plane Lochplatte angelegt, um eine erhöhte Haltekraft zu bewirken. In einer anderen Verfahrensvariante, wenn die Klebekraft, mit der das Klebeplättchen an der planen Lochplatte selbsthaftend gehalten ist, größer als die Gewichtskraft des Klebeplättchens ist, braucht hingegen, während das Werkzeug samt dem Klebeplättchen zu dem Werkstück bewegt wird, kein Unterdruck rückseitig an die plane Lochplatte angelegt zu werden.
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Optional kann auch schon, bevor das Werkzeug mit seinem Öffnungsrand in das Materialblatt einsticht, bereits ein Unterdruck rückseitig an die plane Lochplatte angelegt werden.
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Vorzugsweise ist der in der Kammer herrschende Unter- oder Überdruck über den gesamten Öffnungsquerschnitt der Kammeröffnung der Kammer möglichst gleich groß, um das Klebeplättchen möglichst planparallel zur planen Lochplatte anzusaugen und auszustoßen. Dazu kann die Lochplatte beispielsweise ausreichend viele und gleichmäßig über den Öffnungsquerschnitt der Kammer verteilt angeordnete Löcher aufweisen, so dass in der Kammer ein über den Öffnungsquerschnitt einheitlicher bzw. gradientenfreier Unterdruck oder Überdruck erzeugt wird. Größe, Anzahl und Position der Löcher sind so gewählt, dass das weiche Klebeplättchen nicht in die Löcher eingesaugt wird. Vorteilhaft können die Löcher in einer Matrix angeordnet sein.
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Das doppelseitig selbsthaftende Materialblatt ist bevorzugt kleiner oder gleich 2 mm dick ist, besonders bevorzugt ca. 1 mm dick, und vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden, knetgummiartig oder (plätzchen)teigartig klebrigen Material, wie z.B. einem Silikon-basierten, wärmeleitfähigen Lückenfüller (engl.: siliconbased thermal interface gap filler), gebildet.
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Die Erfindung betrifft auch ein zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Werkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 10.
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Das Werkzeug kann beispielsweise einen einzigen Anschluss, der entweder an eine Unterdruck- oder eine Überdruckquelle anschließbar ist, oder zwei parallele Anschlüsse, von denen der eine Anschluss an eine Unterdruckquelle und der andere Anschluss an eine Überdruckquelle anschließbar ist, aufweisen.
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Vorzugsweise weist die Lochplatte mehrere, insbesondere gleichgroße Löcher auf, die beispielsweise gleichmäßig, insbesondere in Matrixform, über den Öffnungsquerschnitt der Kammer verteilt angeordnet sein können.
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Besonders vorteilhaft kann das Werkzeug einen Werkzeuggrundkörper und einen daran lösbar montierten Werkzeugaufsatz aufweisen, der zumindest den Öffnungsrand ausbildet. Dadurch braucht nicht das gesamte Werkzeug ausgetauscht zu werden, sondern es ist möglich, einen Werkzeugaufsatz mit abgenutztem Öffnungsrand kostengünstig gegen einen neuen Werkzeugaufsatz mit gleichem, aber scharfem Öffnungsrand auszuwechseln. Auch muss für eine andere Ausstechkontur nicht das komplette Werkzeug, sondern braucht kostengünstig nur der Werkzeugaufsatz mit einem anders konturierten Öffnungsrand ausgewechselt zu werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben lediglich beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1a-1h die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Herstellen und Platzieren von doppelseitig selbsthaftenden Klebeplättchen mittels eines Werkzeuges;
- 2a, 2b das in 1 gezeigte Werkzeug in einer Ansicht von unten ( 2a) und in einer perspektivischen Teilansicht (2b); und
- 3a, 3b ein modifiziertes Werkzeug in einer Seitenansicht (3a) und in einer perspektivischen Ansicht (3b).
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1 zeigt die Verfahrensschritte zum automatisierten Herstellen eines Klebeplättchens 1 aus einem doppelseitig selbsthaftenden Materialblatt 2 mittels eines Werkzeugs 3 und zum Platzieren des Klebeplättchens 1 an einem Werkstück 4 mittels des Werkzeugs 3. Das Materialblatt 2 ist auf einer Unterlage 5, (z.B. aus Kunststoff) selbsthaftend gehalten und weist eine Dicke d auf, die vorzugsweise kleiner oder gleich 2 mm, bevorzugt ca. 1 mm, beträgt.
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Wie in 2a, 2b gezeigt, weist das Werkzeug 3 eine einseitig, hier nach unten, offene Kammer 6 mit Kammerseitenwänden 7, einem als plane Lochplatte 8 ausgebildeten Kammerboden und mit einem als Ausstechkontur ausgebildeten Öffnungsrand 9 auf. Der Abstand D zwischen der planen Lochplatte 8 und dem Öffnungsrand 9 entspricht höchstens der Dicke d des Materialblatts 2 und ist vorzugsweise kleiner als die Dicke d. Die Lochplatte 8 hat mehrere, insbesondere gleichgroße Löcher 10, die beispielsweise über den Öffnungsquerschnitt der Kammer 6 gleichmäßig angeordnet sein können.
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Die einzelnen Verfahrensschritte zum automatisierten Herstellen und Platzieren des Klebeplättchens 1 sind wie folgt.
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Das auf der Unterlage 5 selbsthaftend gehaltene, doppelseitig selbsthaftende Materialblatt 2 wird bereitgestellt (1a).
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Das Werkzeug 3 wird auf das Materialblatt 2 abgesenkt (Pfeil 11), bis der Öffnungsrand 9 auf der Unterlage 5 aufliegt, wodurch im Materialblatt 2 ein Klebeplättchen 1 freigestochen wird (1b). Das Klebeplättchen 1 ist nun auch an der planen Lochwand 8 und an den Kammerseitenwänden 7 selbsthaftend gehalten. Optional kann ein Unterdruck 12 rückseitig an die plane Lochplatte 8 angelegt werden (1c), um das Klebeplättchen 1 zusätzlich gegen die plane Lochplatte 8 zu drücken bzw. anzusaugen. Der Unterdruck 12 kann auch schon angelegt werden, bevor der Öffnungsrand 9 in das Materialblatt 2 einsticht.
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Anschließend wird das Werkzeug 3 von der Unterlage 5 abgehoben (Pfeil 13), wodurch das Klebeplättchen 1, weil an der planen Lochwand 8 und an den Kammerseitenwänden 7 selbsthaftend gehalten, von der Unterlage 5 abgelöst wird (1d). Optional kann auch während des Abhebens des Werkzeugs 3 weiterhin der Unterdruck 12 angelegt werden, um die Haltekraft des Klebeplättchens 1 an der planen Lochplatte 8 zu erhöhen.
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Das Werkzeug 3 samt dem daran selbsthaftend gehaltenen Klebeplättchen 1 wird nun bis oberhalb des Werkstücks 4 bewegt (Doppelpfeil 14) (1e). Anschließend wird das Werkzeug 3 auf das Werkstück 4 abgesenkt (Pfeil 15), bis das Klebeplättchen 1 am Werkstück 4 anliegt (1f) oder nahezu anliegt, d.h. um weniger als seine Dicke d vom Werkstück entfernt ist.
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Ein Überdruck 16 wird rückseitig an die plane Lochplatte 8 angelegt, wodurch entweder das am Werkstück 4 anliegende Klebeplättchen 1 fort von der Lochplatte 8 und gegen das Werkstück 4 gedrückt wird (1g) oder das noch vom Werkstück 4 entfernte Klebeplättchen 1 aus der Kammer 6 heraus und gegen das Werkstück 4 gedrückt wird, um das Klebeplättchen 1 am Werkstück 4 selbsthaftend zu halten.
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Abschließend wird das Werkzeug 3 vom Werkstück 4 abgehoben (17), wodurch das am Werkstück 4 selbsthaftend gehaltene Klebeplättchen 1 von seiner selbsthaftenden Anlage am Werkzeug 3, also von der Lochplatte 8 und von den Kammerseitenwänden 7, abgelöst wird (1h). Im Ergebnis ist das Klebeplättchen 1 am Werkstück 4 platziert und daran selbsthaftend gehalten.
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Wie in 1 gezeigt, weist das Werkzeug 3 einen sich bis rückseitig an die plane Lochplatte 8 erstreckenden Kanal 18 auf, der anderenends in einen hier oberseitigen Anschluss 19 mündet. Der Anschluss 19 wird entweder an eine Unterdruck- oder an eine Überdruckquelle (nicht gezeigt) angeschlossen, um rückseitig an der planen Lochplatte 8 den Unter- oder Überdruck 12, 16 zu erzeugen.
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Vom Werkzeug 3 der 1 und 2 unterscheidet sich das in 3a, 3b gezeigte Werkzeug 3 dadurch, dass hier der Anschluss 19 z.B. über ein 3/2-Wegeventil (nicht gezeigt) an eine Unterdruckquelle angeschlossen ist. In den Kanal 18 mündet seitlich ein weiterer Kanal 20 mit einem hier ebenfalls oberseitigen Anschluss 21, der über das 3/2-Wegeventil an eine Überdruckquelle angeschlossen ist. Durch Schalten des 3/2-Wegeventils wird rückseitig an der planen Lochplatte 8 Unter- oder Überdruck 12, 16 erzeugt.
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Wie in 3b erkennbar, weist das Werkzeug 3 einen Werkzeuggrundkörper 22 und einen daran lösbar montierten Werkzeugaufsatz 23 auf, der zumindest den Öffnungsrand 9 ausbildet. Dadurch ist es möglich, einen Werkzeugaufsatz 23 mit abgenutztem Öffnungsrand 9 gegen einen neuen Werkzeugaufsatz 23 mit gleichem, aber scharfem Öffnungsrand 9 oder gegen einen Werkzeugaufsatz 23 mit anderer Ausstechkontur auszuwechseln. Wie gezeigt, kann der Werkzeugaufsatz 23 auf den Werkzeuggrundkörper 22 aufgesteckt und daran mittels einer Schraube 24 oder einer anderen im Stand der Technik bekannten Lösung lösbar fixiert werden.