DE19705934A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken in ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken in ein thermoplastisches Substrat bzw. in die thermoplastische Schicht eines Substrates, bei dem das Leiterstück auf der thermoplastischen Schicht verlegt und mit dieser mindestens stellen­ weise durch Erwärmen des Leiterstückes und durch Eindrücken verbunden wird.

Vorrichtungen der obengenannten Art werden zum Einbringen von Leiter­ stücken, insbesondere zum Einbringen von Drähten in thermoplastische Körper oder in mit thermoplastischen Schichten versehenen Körpern verwendet. Diese Körper können eine beliebige Gestalt aufweisen. Sie müssen lediglich eine für das Einfügewerkzeug rechtwinklig zur Einpreß­ richtung frei zugängige Fläche aufweisen. Dies können ebene Körper, beispielsweise Chipkartensubstrate und dergleichen, wie auch Zylinder, Kegel, Körper mit Schrägen und dgl. sein.

Nach US-Patent 3,674,602 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein geheiz­ tes, u-förmiges, nach unten geöffnetes Werkzeug einen isolierten Draht führt, wobei die gabelartigen Schenkelenden des Werkzeuges die thermoplastische Schicht erwärmen und aufwerfen, gleichzeitig wird der erwärmte Draht etwas in die thermoplastische Schicht eingedrückt und schließlich wird die aufgeworfene thermoplastische Schicht zumindest von beiden Seiten an den Draht herangedrückt. Durch Relativbewegung zwischen beheiztem Werkzeug und Aufnahme mit den thermoplastischen Substrat wird ein beliebiges, gewünschte Leitungsmuster erzeugt. Die Vorrichtung beinhaltet ein senkrecht zur Substratoberfläche wirkendes Messer zum abschneiden des Drahtes nach vollendeter Erzeugung des Leitungsmusters. Das Einbringen des isolierten Drahtes in das Substrat kann unterstützt werden durch Ultraschallanregung des Werkzeuges bzw. kann ausschließlich Ultraschallenergie verwendet werden.

Nachteilig bei der Vorrichtung ist, daß der Draht nicht glatt und bündig in das Substrat verlegt werden kann, sondern in "aufgeworfenen" Furchen gehalten wird. Ferner ist nachteilig, daß das Drahteinpreßwerkzeug bzw. die U-förmige Öffnung stets in Richtung der Drahtverlegeachse gerichtet sein muß. Dies bedeutet, daß der Drahteinpreßwerkzeugkopf und die Draht­ führung immer in Richtung des vorgegebenen Verlegemusters gedreht werden muß, was einen hohen apparativen Aufwand zur Folge hat.

Weiterhin ist nachteilig, daß zu Beginn des Verlegevorganges der Drahtan­ fang mit einer weiteren Vorrichtung festgehalten oder kontaktiert werden muß und daß eine präzise Höhensteuerung des Drahteinpreßwerkzeuges erforderlich ist, soll sich das Werkzeug bei Stillstand oder bei langsamer Relativbewegung nicht zu tief in das thermoplastische Substrat eindrücken.

Das Einbringen von drahtförmigen elektrischen und/oder optischen Leitern in ein Substrat wird in der Literatur allgemein als Drahtschreiben oder Drahtverlegen bezeichnet.

Die allgemeine Schwierigkeit beim Verlegen der Drähte besteht darin, den Anfangspunkt des Drahtes zu fixieren und unmittelbar danach den Draht nach vorgegebenen Muster weiter zu verlegen, denn am Startpunkt ist die thermoplastische Schicht ebenfalls im weichen Zustand.

In FR 79 24 290 ist deshalb eine Vorrichtung angegeben, die den Draht am Startpunkt an einen bereits vorhandenen Pfosten lötet. Nachteilig ist, daß am Startpunkt ein Pfosten vorhanden sein muß.

In DE 36 24 627 wird ein Verfahren angegeben, wonach der Draht eine Haftvermittelerschicht trägt, die nur beim oder unmittelbar vor dem Verle­ gen mittels gepulster Strahlung in klebenden Zustand überführt wird und danach sofort in den nichtklebenden Zustand zurückkehrt. Nachteilig dabei ist, daß der Draht eine Haftvermittlerschicht benötigt und daß der Draht durch gepulste Strahlung erwärmt werden muß.

Im allgemeinen wird der Draht nach dem Abschluß des Verlegens durch keilförmige Messer (US 3,674,602; US 4,619,397 und US 5,365,657), durch elektrische Spannung (DE 30 35 071) oder durch einen keilförmigen Vorsprung am Verlegewerkzeug (US 4,415,115) getrennt. Nachteilig bei den obengenannten Anordnungen und Verfahren ist, daß die Trennvorrich­ tungen ausschließlich zum Trennen des Drahtes am Abschluß des Verlege­ vorganges Verwendung finden können und den Start des Verlegevorgangs nicht unterstützen.

Nach DE 43 25 334 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spulen­ wicklung aus Wickeldraht auf einem Wicklungsträger mit einem eine Drahtführungseinrichtung aufweisenden, relativ zum Wicklungsträger bewegbaren Wickelkopf bekannt, bei dem der Draht an seinen Knickstellen unter Druck- und Temperatureinwirkungen in die Substratoberfläche einge­ schmolzen wird. Das Einschmelzen erfolgt dabei mittels sogenannter Thermokompressions- oder mittels Ultraschallverfahren.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Draht nur in Teilbereichen in das Substrat eingebracht wird. Ferner ist nachteilig, das insbesondere beim Eindrücken mit Hilfe von Ultraschall ultraschallfeste Substrathalterungen erforderlich sind, die eine Steuerung der Energieeinleitung beim Einpressen nur mit erheblichem Aufwand ermöglichen. Nachteilig ist ferner, daß die thermische Energie am zu verlegenden Drahtstück nicht steuerbar ist.

Schließlich sind nach DE 44 10 732 ein Verfahren zur Herstellung einer Chipkarte sowie eine Chipkarte bekannt, bei dem die Herstellung der Spule durch Verlegung des Drahtes auf dem Substrat sowie die Verbindung der Spulendrahtenden mit den Anschlußflächen eines Chips auf dem Substrat erfolgen. Nachteilig bei dem Verfahren ist, daß Drahtlegeverfahren und Verbindungsherstellung mit dem Chip unmittelbar miteinander erfolgen. Weiterhin nachteilig ist, daß der Verlegungspunkt und die Beendigung des Verlegens mit der Chipverbindung verknüpft sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Einbringen von elektrischen Leiterstücken in ein Substrat anzuge­ ben, mit dem ein kontinuierliches Eindrücken des Leiterstückes in Substrat mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ermöglicht wird und bei dem sowohl der Start des Einbringens sowie der Abschluß des Einbringens mit hoher Produktivität und geringem technischen Aufwand möglich ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem das Substrat, das mindestens eine thermoplastische Schicht aufweist, in die ein drahtförmiges Leiterstück mittels eines Eindrückwerk­ zeuges, des im unteren Bereich einen Eindrückfuß aufweist, eingebracht wird, wobei des jeweilige Leiterstück unter dem Eindrückfuß während des Leiterstückeindrückens auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die über der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt und wobei der Eindrückfuß gleichzeitig relativ zum Substrat nach einem vorgegebenen Muster verschoben wird und wobei das Leiterstück unter dem Eindrückfuß in den Bereichen des Substrates, wo es nicht in die thermoplastische Schicht eingedrückt werden soll, auf Temperaturen unterhalb der Erwei­ chungstemperatur der thermoplastischen Schicht gehalten wird und wobei die auf dem Eindrückfuß ausgeübte Kraft mit steigendem Drahtdurchmess­ er und mit steigender Verschiebegeschwindigkeit des Eindrückwerkzeugfu­ ßes erhöht wird.

Vorteilhaft ist es, das Eindrückwerkzeug und den Eindrückfuß rotations­ symmetrisch zu gestalten und zu verringern ist bei steigender Leiterstück­ temperatur und mit einer axialen Bohrung zu versehen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit das drahtförmige Leiterstück durch die Mittenachse des Eindrückwerkzeuges zuzuführen und das Leiterstück in beliebigen Richtun­ gen unter dem Eindrückfuß zu verlegen bzw. einzudrücken, ohne den Eindrückfuß in die Bewegungsrichtung drehen zu müssen.

Vorteilhaft ist es ferner das Eindrückwerkzeug aus Hartmetall oder aus extrem fester, thermisch leitender Keramik, z. B. hochreiner Aluminiumo­ xidkeramik auszuführen. Damit ist eine gute Wärmeleitung von dem Werkzeug zum drahtförmigen Leiterstück gegeben und das Werkzeug besitzt zudem eine hohe Standzeit.

Ferner ist es günstig, das Eindrückwerkzeug aufzuheizen und das Eindrück­ werkzeug das Leiterstück unter dem Eindrückfuß aufzuheizen. Insbeson­ dere bei Verwendung einer indirekten elektrischen Beheizung des Eindrückwerkzeuges kann mit einfachen Mitteln die Werkzeugtemperatur und damit in Abhängigkeit vom Material der thermoplastischen Schicht, Abmessung und Material des drahtförmigen Leiterstückes, Andruck sowie Relativgeschwindigkeit von Eindrückwerkzeug zum Substrat beim Eindrücken des Leiterstückes zu einem vorgegebenen Muster auf dem Substrat die Temperatur des Leiterstückes unter dem Werkzeugfuß gesteu­ ert werden.

Zur Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Werkzeugfußes und zum sofortigen Einstellen einer Leiterstücktemperatur unterhalb des Erwei­ chungspunktes der thermoplastischen an den Stellen des Substrates, an denen das Leiterstück nicht in die thermoplastische Schicht eingedrückt werden soll, z. B. am Endpunkt des Leitungsmusters, ist es vorteilhaft den Werkzeugfuß durch Druckgasströme, z. B. Luft- oder Stickstoffströme, die Wärme zu entziehen und so das Leiterstück unter dem und neben dem Werkzeugfuß abzukühlen.

Ferner ist es vorteilhaft den Werkzeugfuß so zu gestalten, daß die Andrück­ fläche des Drahtes so klein als möglich ist und daß der Innenradius des Werkzeugfußes in Abhängigkeit zum Drahtdurchmesser so gestaltet ist, daß sich das Leiterstück beim waagerechten Herausziehen aus dem Werkzeug an dem Innenradius anliegt.

So wird gewährleistet, daß das Leiterstück einerseits sehr schnell aufge­ heizt wird und andererseits wenig Energie an das Substrat abgibt.

Ferner ist es vorteilhaft die Fußoberfläche einschließlich Innenradius zu polieren, um auf das Leiterstück nur geringe Zugkräfte auszuüben.

Ferner kann es vorteilhaft sein, bei Verwendung einer elektrisch leitfähigen Keramik als Werkzeugfuß, diesen direkt elektrisch zu beheizen.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Werkzeugbeheizung besteht darin, das Werkzeug durch kurzwellige elektromagnetische Strahlung, z. B. durch Laserstrahlung, zu beheizen. Dadurch kann die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit des Werkzeugfußes gegenüber der indirekten Heizung erhöht werden.

Weiterhin ist es günstig zum Erreichen einer hohen Dynamik beim Aufhei­ zen bzw. Abkühlen der jeweiligen zu verlegenden Leiterstücke diese durch Anlegen einer elektrischen Spannung direkt aufzuheizen. Dazu ist es vorteilhaft den Werkzeugfuß als Elektrode zu gestalten und über dem Werkzeugfuß eine Gegenelektrode anzubringen, wobei das drahtförmige elektrische Leiterstück von der Gegenelektrode zur Fußelektrode geführt wird und dabei der Bereich des elektrischen Leiterstückes, der sich zwischen Gegenelektrode und Einpreßfuß befindet, über die Kontaktflä­ chen des Einpreßfußes und der Gegenelektrode durch die dort anliegende, mit einfachen Mitteln steuerbare elektrische Spannung bzw. steuerbaren Strom erhitzt wird.

Ferner ist es möglich, neben dem Einpreßwerkzeug ein in dessen Achsrich­ tung wirkendes Klemmstück und ebenfalls eine in dessen Achsrichtung wirkende keilförmige Schneide anzuordnen, so daß das Klemmstück zwischen Einpreßwerkzeug und tangential zu ihm liegender Schneide angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind dabei Klemmstück und Schneiden­ stück jeweils bzgl. Federkraft von einander getrennt einstellbar auf einem parallel zur Substratoberfläche leicht beweglichen horizontalen Schlitten angeordnet, wobei der Schlitten an der Aufnahmeeinrichtung für die Halte­ rung des Einpreßwerkzeuges befestigt ist.

Ferner sei es möglich, den herausgezogenen horizontalen Schlitten mit dem daran befindlichen Klemmstück und Schneidstück in Richtung Einpreß­ werkzeug mittels einer Rückholeinrichtung wieder in die Ausgangslage einzuordnen. Diese Anordnung gewährleistet, daß der Startpunkt und der Endpunkt beim Verlegen eines Leiterbahnmusters definiert angelegt wird, ohne daß weitere Mittel benötigt werden und ohne daß der Anfang oder/und das Ende des drahtfähigen Leiterstückes festgelötet, durchge­ steckt, festgeklebt oder auch andere Weise fixiert werden muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren ist zur Verarbeitung versilberter Kupferdrähte, die sowohl gute mechanische als auch gute HF- und Kontakteigenschaften aufweisen, besonders geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigen, relativ leicht und unkompliziert herstellbaren Einzelteilen.

Die Startlage und die Endstücklage des Leitungsmusters ist ohne weitere Hilfsmittel definiert herstellbar.

Das Eindrücken des elektrischen Leiters kann kontinuierlich erfolgen und dabei auch in beliebig wählbaren Teilabschnitte unterbrochen werden.

Der für das Einbringen des Leiterstückes erforderliche Energiebedarf ist sehr gering und kann über die elektrische Leistung in einfacher Weise und mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Es kann vorzugsweise versilberter Kupferdraht verwendet werden, der ideale Leitereigenschaften und gleich­ zeitig hervorragende HF-Eigenschaften aufweist und der ferner ein Kontak­ tieren mit den aktiven und passiven elektronischen Komponenten in einfacher Weise ermöglicht.

Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei der Thermokompressions- oder Ultraschalleinrichtungen verwendet wurden, ist vorteilhaft, daß keine ultraschallfeste Sustratlagerung erforderlich ist, daß aufwendige Einrichtungen zur Ultraschallerzeugung sowie entsprechende Werkzeuge entfallen. Als besonders vorteilhaft erweist sich die einfache, dynamische Steuerung der Energieeinleitung beim Eindrücken des Leiter­ stückes und das Vermeiden akustischer Wellen im Substrat.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein indirekt geheiztes rotationssymmetrisches Eindrückwerkzeug zum Einlegen von Draht in ein thermoplastisches Substrat,

Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung in Start­ stellung,

Fig. 3 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung zum Schluß der Startphase,

Fig. 4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung während des Drahteinlegens,

Fig. 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung am Schluß des einzulegenden Leiterdrahtmusters und

Fig. 6 einen Schnitt durch ein rotationssymmetrisches Eindrückwerk­ zeug mit isolierender Innenhülse zum Einlegen von direkt aufgeheizten Draht.

Die Ausführungsbeispiele beschreiben des Einbringen eines metallisch blanken Leiterstücks, vorzugsweise eines versilberten Kupferdrahtes.

In Fig. 1 wird der Draht 2 durch die Fädelöffnung 8 des Eindrückwerk­ zeuges 3 unter den Eindrückwerkzeugfuß 4 geführt. Der Eindrückwerk­ zeugfuß 4 ist durch elektrische Heizwicklungen 6 indirekt über die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht 1 aufgeheizt und drückt den Draht 2 in die thermoplastische Substratschicht 1 ein. Der Werkzeugfuß 4 besitzt einen auf den Durchmesser des Drahtes 2 angepaß­ ten Innenradius 7, wobei der Übergang Innenradius 7 zur Fädelöffnung 8 gleichzeitig die engste Stelle der axialen Eindrückwerkzeugbohrung, die Taille 23 bildet. Auf den Werkzeugfuß 4 gerichtet ist die Druckgaszufüh­ rung 5. Das Druckgas wird über hier nicht gezeigte Magnetventile bei Bedarf zugeschaltet.

Um den Werkzeugfuß 4 herum können mehrere Druckgaszuführungen 5 verteilt angeordnet werden, die gegebenenfalls separat eingeschaltet werden. Zur Unterstützung der Abkühlung des bereits eingepreßten Draht­ stückes 2 ist dieses separat mit Druckgas zu kühlen. Das Eindrückwerkzeug 3 ist fest mit der Halteeinrichtung 11 verbunden, die wiederum über den vertikal beweglichen Schlitten 12 mit der Aufnahmeeinrichtung 13 verbun­ den ist. Der vertikale Schlitten wird mit einer veränderbaren Druckkraft F 25 belastet. An der Halteeinrichtung 11 ist über dem Eindrückwerkzeug 3 eine Drahtzange 14 befestigt, durch die der Draht 2 in Richtung Taille 23 und Werkzeugfuß 4 geführt ist.

An der Aufnahmeeinrichtung 13 befindet sich an der Unterseite ein Horizontalschlitten 18, der über ein Gestänge mit einer Rückholeinrichtung 19, im Beispiel ein Pneumatikzylinder, verbunden ist. Unterseits des Horizontalschlittens 18 sind separat und federnd gelagert direkt neben dem Eindrückwerkzeug 3 ein rechteckiges Klemmstück 15 und unmittelbar daneben ein Schneidstück 16 angeordnet. Die Breite des Klemmstückes 15 und des Schneidstückes 16 stimmen ungefähr mit der Größe des Durchmes­ sers des Eindrückwerkzeuges 3 überein.

In der in Fig. 2 dargestellten Startstellung klemmt das ungeheizte Klemm­ stück 15 das Ende des Drahtes 2 gegen die Oberfläche des Substrates 1. Zugleich drückt sich die Schneide des Schneidestückes 16 im Arretierungs­ punkt 17 in die thermoplastische Schicht 1 ein. Der Draht 2 wird unterhalb des Eindrückwerkzeugfußes 4 durch das Klemmstück 15 über die Erwei­ chungstemperatur der thermoplastischen Schicht 1 erwärmt und in die thermoplastische Schicht eingedrückt.

Zugleich bewegt sich gemäß der Darstellung in Fig. 3 die Aufnahmeein­ richtung 13 entgegengesetzt zur Auszugsrichtung des Horizontalschlittens 18. Mit der Aufnahmeeinrichtung 13 wird das Eindrückwerkzeug 3 über die thermoplastische Substratschicht 1 gezogen, der Draht 2 wird dabei stetig aus dem Eindrückwerkzeug 3 gezogen und durch den Werkzeugfuß 4 in die thermoplastische Schicht 1 fortlaufend auf der veränderbaren Druck­ kraft F 25 eingedrückt. Der Horizontalschlitten 18 bleibt wegen der Fixie­ rung des Schneidstückes 16 am Arretierungspunkt 17 stehen. Das Klemmstück 15 klemmt weiterhin den Anfang des Drahtes 2 fest.

Zur Überwindung der Reibung der Rückholeinrichtung 19 und des eingezo­ genen Horizontalschlittens 18 kann dabei der Pneumatikzylinder der Rückholeinrichtung 19 so mit Druck beaufschlagt werden, daß das Heraus­ gleiten des Horizontalschlitten 20 unterstützt wird.

Fig. 4 zeigt den Schluß der Startphase. Nachdem eine gewisse Drahtlänge, die im Beispiel 10 . . . 15 mm beträgt, sicher in die thermoplastische Schicht 1 eingelegt und genügend in ihr verankert ist, hebt die Aufnahmeeinrich­ tung 13; 21 soweit vom Substrat 1 ab, daß sich das Klemmstück 15 und das Schneidstück 16 etwa 1 . . . 13 mm über der Substratoberfläche 1 befinden, der Eindrückwerkzeugfuß 4 jedoch weiterhin den Draht 2 in das Substrat 1 eindrückt. Die Aufnahmeeinrichtung 13; 21 kann nun mit dem Werkzeug­ fuß 4 beliebige Drahtmuster auf bzw. in das Substrat 2 legen bzw. drücken. Dabei bzw. kurz vor Beendigung des Drahteindrückens wird der ausgezo­ gene Horizontalschlitten 20 durch die pneumatische Rückholeinrichtung 19 in die eingezogene Lage 18 zurückfahren.

In Fig. 5 ist die erfindungsgemäße Anordnung während der Schlußphase dargestellt.

Bereits kurz vor Beendigung des Drahtmusterlagens in das Substrat 1 wurde die Leistung der Heizung 6 reduziert und der auf den Werkzeugfuß 4 gerichtete Kühlgasstrom 5 eingeschaltet. Der Draht 2 erreicht nicht mehr die erforderliche Temperatur, um die Substratschicht 1 zu erweichen und einzusinken. Die Aufnahmeeinrichtung 13 wird abgesenkt. Das Schneid­ stück 16 kerbt den Draht 2 durch, das Klemmstück 15 drückt den Draht 2 gegen das Substrat 1. Zugleich schließt die Drahtzange 14. Dadurch erreicht man, daß der Draht 2 sauber getrennt und zugleich für das Ein­ drücken bzw. Verlegen eines weiteren Drahtmusters ein Drahtende definierter Lage und Länge angeformt und in konstante Lage zum Eindrückwerkzeug 3 durch die Drahtzange 14 gehalten wird. Nach Ausheben der Aufnahme­ einrichtung 13 und Bewegen und Absenken am nächsten Startpunkt kann das nächste Drahtmuster in die Substratschicht 1 eingedrückt werden.

Fig. 6 stellt das Eindrückwerkzeug 3 und die Gegenelektrode 10 für eine Fall dar, in dem der Draht 2 durch direktes Heizen 24 des Drahtes 2 auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplasti­ schen Substratschicht 1 erhitzt wird. Der Draht 2 ist um eine scheibenför­ mige, leicht drehbare, elektrisch leitende Gegenelektrode 10 geschlungen und danach durch die Fädelöffnung 8 eines rotationssymmetrischen Eindrückwerkzeuges 3 unter dessen Werkzeugfuß 4 geführt. Der äußere Werkzeugfuß 4 ist elektrisch leitend. Im Inneren des Eindrückwerkzeuges 3 befindet sich die Innenhülse 9, die als elektrisch und thermisch isolierende Schicht ausgebildet ist. Sie besteht vorzugsweise aus abriebfester Keramik. Der zwischen Gegenelektrode 10 und metallischem Werkzeugfuß 4 gespannte Abschnitt des Drahtes 2 bildet die direkte elektrische Drahthei­ zung 24. Dieser Drahtabschnitt wird elektrisch soweit erhitzt, daß er in das Substrat 1 eingedrückt werden kann. Die elektrische Leistung läßt sich mit einfachen Mitteln messen und regeln.

Eine Verbesserung dieses Verfahrens kann noch dadurch erreicht werden, daß das Einlegewerkzeug 3 und dessen Werkzeugfuß 4 bereits durch indirektes Beheizen 6 auf eine Temperatur kurz unterhalb der Erweichung­ stemperatur der Substratschicht 1 vorgewärmt wird und nur die weitere, zum Eindrücken in die Substratschicht 1 erforderliche Temperaturerhöhung durch direktes Aufheizen 24 des Drahtes 2 erfolgt.

Je nach der Relativgeschwindigkeit des Werkzeuges 3 gegenüber dem Substrat 1 beträgt z. B. bei einem Drahtdurchmesser von 80 µm bei versil­ bertem Kupferdraht 2 die Andruckkraft 1 . . . 50 N. Ferner muß die Andruck­ kraft 25 um so höher gewählt werden, je größer die Fußfläche 4 des Eindrückwerkzeuges 3 und je niedriger die Eindrückwerkzeugtemperatur ist.

Bezugszeichenliste

1

Thermoplastische Substratschicht

2

Leiterstück; Draht

3

Eindrückwerkzeug

4

Eindrückwerkzeugfuß

5

Druckgaszuführung

6

indirekte elektrische Heizung

7

Innenradius des Eindrückwerkzeugfußes; Taille

8

Fädelöffnung

9

Innenhülse

10

Gegenelektrode

11

Halterung

12

Vertikalschlitten

13

Aufnahmeeinrichtung

14

Drahtzange

15

Klemmstück

16

Schneidstück

17

Arretierungspunkt

18

Horizontalschlitten (eingezogen)

19

Rückholeinrichtung

20

Horizontalschlittenauszug

21

Aufnahmeeinrichtung in Arbeitsstellung

22

durchgekerbtes Leiterstück

23

Taille

24

direkte elektrische Drahtheizung

25

Andruckkraft F

Claims (21)

1. Verfahren zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken (2) in ein Substrat (1), das mindestens eine thermoplastische Schicht aufweist, wobei das drahtförmige Leiterstück (2) auf der thermoplastischen Schicht (1) verlegt und in dieser mindestens stellenweise durch Eindrücken des Leiter­ stückes (1) in die durch Erwärmen erweichte Schicht (2) mittels eines Eindrückwerkzeuges (3) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das einzudrückende Leiterstück (2) das sich unter dem Eindrückwerkzeug (3) befindet, während des Eindrückens auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die über der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt,
• - das Eindrückwerkzeug (3) gleichzeitig relativ zum Substrat (1) nach einem vorgegebenen Muster verschoben wird und
• - das die Temperatur des sich jeweils unter dem Eindrückwerkzeug (3) befindenden Leiterstücks (2) in den Bereichen des Substrates, in denen es nicht in die thermoplastische Schicht eingedrückt werden soll, auf einen Wert abgesenkt wird, der unterhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Eindrückwerkzeugfuß (4) eine zwischen 0 und 100 N einstellbare Andruck­ kraft (25) wirkt, wobei die Andruckkraft (25) proportional der relativen Verschiebegeschwindigkeit und umgekehrt proportional der Leiterstück­ temperatur ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrückwerkzeug (3) und/oder das einzudrückende Drahtstück (2) durch indirekte elektrische Heizung (6) aufgeheizt wird, und daß der Eindrück­ werkzeugfuß (4) und/oder das einzudrückende Drahtstück (2) durch einen Druckgasstrom (5) schnell auf Temperaturen unterhalb der Erweichung­ stemperatur der thermoplastischen Schicht (1) abgekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrückwerkzeugfuß (4) und/oder das einzudrückende Drahtstück (2) durch elektromagnetische Strahlung direkt aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Startpunkt des Verlegens des Drahtes (2) ein Schneidstück (16) an einem Arretierungspunkt (17) in die Substratoberflä­ che (1) eindrückt, das Substrat danach in die erforderliche Richtung horizontal bewegt und dabei ein an einer Aufnahmeeinrichtung (13) angebrachter Horizontalschlitten (18) ausgezogen wird, daß bei dieser Horizontalbewegung der Horizontalschlitten (18) in seiner durch das Schneidstück (16) am Arretierpunkt (17) fixierten Lage verbleibt und das Klemmstück (15) den Anfang des Drahtes (2) gegen die Substratoberfläche (1) drückt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eindrücken bzw. nach dem Verlegen einer ersten Drahtlänge in das thermoplastische Substrat (1) die Aufnahmeein­ richtung (13) soweit angehoben wird, daß der Eindrückwerkzeugfuß (4) den Draht (2) weiterhin in das Substrat (1) eindrücken kann, daß jedoch das Klemmstück (15) und das Schneidstück (16) nicht mehr mit dem Substrat (1) im Eingriff stehen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beendigung des Drahtverlegens mittels einer Rückholeinrichtung (19) der ausgezogene Horizontalschlitten (20) in seine eingezogene Stellung (18) zurückgeholt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens unmittelbar vor Beendigung des Verle­ gens des jeweiligen Drahtmusters die Verlegerichtung so gewählt wird, daß der Draht (2) unter dem Schneidstück (16) und dem Klemmstück (15) liegt und der Draht (2) durch Absenken der Verlegetemperatur auf der Oberflä­ che des Substrates (1) verlegt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) durch Absenken der Aufnahmeeinrich­ tung (13) mit dem Schneidstück (16) durchgekerbt wird und daß durch den Eindrückwerkzeugfuß (4) und das Klemmstück (15) der Anfang des danach zu verlegenden Drahtstückes (2) angeformt und mittels Drahtzange (14) bis zum erneuten Verlegestart in der Lage zum Eindrückwerkzeugfuß (4) gehalten wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verlegende Draht (2) zwischen dem Eindrück­ werkzeugfuß (4) und einer Gegenelektrode (10) durch Stromdurchgang direkt aufgeheizt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrückwerkzeug (4) durch indirekte elektrische Heizung (6) bis unterhalb der Erweichungstemperatur des thermoplasti­ schen Substrates (1) vorgeheizt wird.

12. Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken (2) in ein mindestens eine thermoplastische Schicht aufweisendes Substrat (1) wobei das drahtförmige Leiterstück (2) auf der thermoplastischen Schicht (1) verlegt und mit dieser mindestens stellenweise durch Erwärmen des Leiterstückes (2) und durch Eindrücken mittels eines Eindrückwerkzeuges (3) verbunden wird, wobei das Eindrückwerkzeug (3) in seinem unteren Bereich einen Eindrückfuß (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mit einem Grundgestell eine Haltevorrichtung für das Substrat (1) fest verbunden ist,
• - das Eindrückwerkzeug (3) in zwei horizontalen Richtungen beweglich an dem Grundgestell angeordnet ist,
• - das Eindrückwerkzeug (3) im Inneren eine durchgehende Fädelöffnung (8) enthält und
• - das Eindrückwerkzeug (3) und/oder der Draht (2) mit einer Heizeinrich­ tung (6; 24) gekoppelt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Eindrückwerkzeug (3) eine Einrichtung angebracht ist, mit der das Eindrückwerkzeug (3) mit einer vertikal wirkenden veränderlichen Andruckkraft F (25) belastet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Eindrückfußes (4) mindestens eine Druckgaszuführung (5) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durchgehende Fädelöffnung (8) in Form einer Innenhülse (9) aus Keramik ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer vertikal höhenverstellbaren Aufnahmevor­ richtung (13) über einen Vertikalschlitten (12) eine Halterung (11) angeordnet ist, an der sich das Eindrückwerkzeug (3) befindet und daß an der Aufnahmeeinrichtung (13) verschiebbar ein Klemmstück (15) und ein Schneidstück (16) angebracht sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmstück (15) und das Schneidstück (16) jeweils in Vertikalrichtung wirkend federnd befestigt sind, wobei ihre Federkräfte einstellbar sind.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Eindrückfuß (4) und einer im oberen Bereich der Vorrichtung angeordneten Gegenelektrode (10) eine elektrisch isolierende Innenhülse (9) angebracht ist, wobei das elektrische Leiterstück (2) von der Gegenelektrode (10) zum Eindrückfuß (4) geführt wird.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrückwerkzeug (3) und/oder dessen Eindrück­ werkzeugfuß (4) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Halterung (11) oberhalb des Eindrückwerk­ zeuges (3) eine Drahtzange (14) befestigt ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Aufnahmeeinrichtung (13) eine Rückholein­ richtung (19) angeordnet ist, mit der der Horizontalschlitten (18) in seine Ausgangsposition gebracht werden kann.